镁合金注射成型工艺
作者：上海交通大学 洪慎章
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在机械零件的成形方法中，作为一种金属零件接近最后形状的精密加工工艺，已从液态成形（铸造）和固态成形（模锻）的阶段进入先进的粉末成形向半固态成形方向进展，其发展方兴末艾。随着现代产品不断更新，市场需要大量生产复杂形状的薄壁、减震降噪、高电磁干扰屏障及易切削加工等低密度的金属零件，以满足当今汽车、电子通信、笔记本计算机、平板电脑、数码摄象机、照相机、医用假肢等产业对产品越来越高的要求。此外，金属零件厂商还面临着进一步提高技术，以保证零件的高质量和低成本的任务。
镁是常用金属中最轻的一种材料，是地壳含量最丰富的元素之一，约占地壳组成的2.5%，因此，镁合金成为20世纪末以后工程界们极为关注的金属材料，近年来发展很快。汽车工业、电子通信工业、医疗器械是镁合金零件的最大用户，市场占有率为 80％。
中国具有丰富的镁矿资源，世界排名第二，仅次于美国，这为中国镁合金成形的发展提供了可靠的原料来源，而且目前镁铝价格已经接近相等，进行镁合金零件的生产优势已大于铝合金，在原材料成本上存在极大的优势 。
注射成型工艺的实质
从生产技术方面来看，压铸工业正经历着从液态压铸到半固态压铸再到固态压铸的演变过程。这一过程反映了压铸工业正在发生一系列深刻的重大变革。世界各国在研究新的半固态金属成形工艺时，将的注射成型原理，应用于半固态金属成形工艺中，形成了触变注射成型新工艺，它集半固态金属浆料的制备、输送、成形等过程于一体，较好地解决了半固态金属浆料的保存、输送、成形控制困难等问题，使得镁合金材料的大量工业应用出现了光明的前景。
图1 镁合金注射成型装置。
1. 镁粒漏斗 2. 定量供料器 3. 螺旋驱动及注射系统 4. 螺旋剪切器 5. 加热器 6. 筒体 7. 单向阀 8. 半固态镁合金累积器 9. 喷嘴 10. 模具由美国 The Dow Chemical Co. 公司开发用于镁合金的注射成型，采用了塑料注射成型的方法和原理，装置的组成如图1所示，它由镁粒漏斗1、定量供料器2、螺旋驱动及注射系统3、螺旋剪切器4、加热器5、筒体6、单向阀7、半固态镁合金累积器 8、喷嘴9及模具10等组成。
成型工作过程是：被切成 3～6mm左右的镁合金粒状原料，在室温下通过漏斗送入定量供料器，由螺旋驱动被向前推并加热至半固态，系统通过温控装置使注射筒体的温度控制在560℃～590℃，此时，镁粒同时受到剪切与加热，采用惰性气体Ar作为保护性气体，剪切螺旋的平移速度为 380cm/s，一定量的半固态金属糊状（固相率为30％～50％）在螺旋的前端累积，最后在高压注社缸的作用下，半固态金属糊状通过喷嘴被高速注射入模具型腔，经充填成型及冷却凝固得到制件。本方法的特点是从固体粒料到制件在一个装置内完成，省去了外部熔融金属的处理及运送工序。
该注射成型方法的主要优点是：成形温度低（比镁合金压铸温度低约100℃），制件的气孔隙率较低（可低于0.1％），尺寸精度高（制件的质量误差为 0.2％），所以，此工艺方法是目前国内外成功地用于实际生产的唯一的“一部法”成形。
为此，美国、德国、意大利及日本等国家大力发展这种固态金属注射成型机，不仅机器逐步更完整、精细，而且注射压力也大大增大。
镁合金材料及性能特点
镁合金材料分为锻造用镁合金和铸造镁合金两种，前者主要用于航空结构零件，后者广泛用于汽车、电子通信、笔记本电脑、医疗器械等行业。因与镁合金塑性变形的关系，目前得到工业应用的铸镁合金主要有四个系列：AZ系列（Mg—Al—Zn）、AM系列（Mg—Al—Mn）、 AS系列（Mg—Al—Si）和AE系列（Mg—Al—RE ）。
镁合金的性能特点具有如下：
•质量轻、密度低：镁合金的密度为1.74 g/cm3， 还不到铝合金（ 2.7 g/cm3）的三分之二，比普通结构钢轻 80％且与（1.43 g/cm3）近。在结构材料中镁的密度最小的。
•减震及降噪性好：镁合金有极好的差滞弹吸震性能，有较高的振荡消耗系数，所以能吸收振动和噪音传播，其性能优于铝合金。
•比强度高：虽然纯镁的强度低，但通过合金化并热处理后强度明显提高，其比强度已完全超过铝合金。
•金属流动性好：镁合金的熔点比铝合金低。与模具钢的亲合力小，不易粘附模具，大大提高合金的流动性，使充填模具型腔的能力显著增大。镁合金的模具使用寿命比铝合金高 2 ～3倍。
•刚性高：镁合金的刚性为铝合金的2倍，并比大部分工程塑料为高。镁合金有良好的抗应力阻力。
•高电磁干扰屏障：镁合金在室温时的电阻率为15.6 ×10--6Ω.cm，约高于铝合金（4.4×10--6Ω.cm）3倍，有良好的阻隔电磁波功能，适合生产电子通信产品。
•切削性能好：镁比铝和锌有更好的切削性，它可在无冷却液，无润滑剂的情况下能实现高负荷的加工，并可得到光洁的加工面，已成为更易切削加工的金属材料。
•尺寸精度高：因镁有较高的稳定性，注射成型冷却凝固后可得稳定的收缩率，使制件获得高的尺寸精度。
•耐腐蚀性好：镁有良好的耐腐蚀性，在碱性环境下是稳定的，有抗盐雾腐蚀性能。
•废料回收再利用简易：有色合金的单价通常都比黑色金属贵，但在生产过程中会产生一些废料、碎屑，如注射流道、分流道所消耗的废料及机械加工的切屑等。镁合金的回收再利用是比其它生产容易的多，也比铝合金回收所消耗的能量少。
镁合金零件的应用现状
从20世纪末开始，金属成形技术有了突破性的进展。与传统的铸造工艺相比，具有诸多优越性而被世界著名的专家们称为21世纪新一代的金属成形技术——半固态金属注射成型，它的主要市场为汽车、电子通信、光学仪器、医疗器械等工业。
根据国际镁合金协会指出，镁合金零件将以每年20～25％的速度增大。其中汽车方面，因为使用镁合金零件对实现汽车轻量化，高速，节能，回收等整体功能效果明显。如汽车质量大小对其能量消耗有着重要的影响，质量每降低100Kg，油耗可减少 0.7L。尤其是美国研制的一种镁合金汽车轮毂，在被扎穿后仍能以不高于48 Km/h的速度行驶，汽车不受损害，可防止人生事故。镁合金不仅作为汽车结构，而因具有高的振动沙浆衰减系数，全汽袋的汽车都改用镁合金方向盘，这既可质量减轻，又可降低路面和控制系统的震动，当发生意外时，镁合金方向盘可吸收更多能量，保证驾驶员安全。
美国福特汽车公司和通用汽车公司，德国大众汽车公司和日本三菱汽车公司等在汽车上大量应用了镁合金零件，如发动机壳体和盖、变速箱壳体和盖、离合器壳体、液力变扭器壳体、发电机托架、变速箱托架、变速箱轴承托架、刹车踏板支架、车身壳体框架、车门、车轮、方向盘、仪表板、后挢驱动箱盖、转向节、座椅支架、车门把手等100 多种受力结构零件。
图2 高强度镁合金汽车转向盘电子通信方面，镁合金与塑料相比，它具有特殊功能，如高电磁干扰屏障、散热性能好、坚固、尺寸制成更小。
在保持良好的结构条件下，镁合金允许制件壁厚最小到 0.6 mm，这是工程塑料在相同强度下无法达到的。铝合金的压铸性能方面也要在1.2～1.5 mm壁厚以上时，才能与镁合金相比，所以已广泛用于移动电话外壳、笔记本电脑外壳、数码照相机壳体、电视摄象机框架、双筒望远镜机身、携带式发报机机身、复写机等。
图3 镁合金数码照相机外壳医疗方面，镁合金作为医用植入材料，与现有进入临床使用的医用金属材料相比，具有以下优势：
•镁与人体有良好的生物相容性，促进新陈代谢过程；
•镁可以在人体内降解；
•镁可促进细胞的形成，加速骨的愈合；
•镁合金的密度与人骨十分吻合，符合理想接骨板的要求；
•镁合金成型性好，资源丰富，价格低。
应用实例包括骨与关节替代物（人工股骨头、髋关节、膝关节、踝关节、盆骨等），血管内支架，心脏起博器，接骨板，接骨螺钉等。(end)
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浅谈金属粉末注射成型工艺的步骤
　　是采用注射机将金属粉末与粘接剂混合，经冷却定型出模的预制件，再脱出预制件中的粘接剂并进行烧结而成的零件。那么金属粉末注射成型的工艺流程是怎样的？下面我们一起来了解一下。
　　步骤一：金属粉末制取
　　金属粉末注射成型工艺所用的金属粉末颗粒尺寸一般在0.5～20μm。从理论上讲，颗粒越细，比表面积也越大，越易于成型和烧结。而传统的粉末冶金工艺则采用大于40μm的较粗粉末。
　　步骤二：有机粘结剂
　　有机粘结剂的作用是粘结金属粉末颗粒，使混合料在注射机料筒中加热后具有流变性和润滑性，即粘结剂是带动粉末流动的载体。因此，粘结剂的选择是整个粉末注射成型的关键。对有机粘结剂的要求为：①用量少，用较少的粘结剂能使混合料产生较好的流变性；②不反应，在去除粘结剂的过程中与金属粉末不起任何化学反应；③易去除，在制品内不残留碳。
　　步骤三：混料
　　把金属粉末与有机粘结剂均匀掺混在一起，使各种原料成为注射成型用混合料。混合料的均匀程度直接影响其流动性，从而影响注射成型工艺参数以及最终材料的密度及其它性能。
　　步骤四：注射成型
　　注射成型工艺过程与塑料注射成型工艺过程在原理上是一致的，其设备条件也基本相同。在注射成型过程中，混合料在注射机料筒内被加热成具有流变性的塑性物料，并在适当的注射压力下注入模具中，成型出毛坯。注射成型毛坯在外观上应均匀一致，从而使制品在烧结过程中均匀收缩。
　　步骤五：萃取成型
　　毛坯在烧结前必须去除毛坯内所含有的有机粘结剂，该过程称为萃取。萃取工艺必须保证粘结剂从毛坯的不同部位沿着颗料之间的微小通道逐渐排出，而不降低毛坯的强度。粘结剂的排除速率一般遵循扩散方程。
　　步骤六：烧结
　　烧结能使多孔的脱脂毛坯收缩密化成为具有一定组织和性能的制品。尽管制品的性能与烧结前的许多工艺因素有关，但在许多情况下，烧结工艺对最终制品的金相组织和性能有着很大甚至决定性的影响。
　　步骤七：后处理
　　对于尺寸要求较为精密的零件，需要进行必要的后处理。这工序与常规金属制品的热处理工序相同。
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第一章注射成型工艺与原理教程分析.ppt85页
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压缩模 压缩模是塑料完成压缩成形的模具，主要是用来成形热固性塑料。
1.2、注射成型原理 塑料注塑成型又称注射成型。塑料注射成型大部分用于热塑性塑料成型，也用于部分热固性塑料成型加工。
1）注射成型原理 将粒状或粉状的塑料加入到注射机的料斗，在注射机内塑料受热熔融并使之保持流动状态，然后在一定压力下注人闭合的模具，经冷却定型后，熔融的塑料就固化成为所需的塑件。 注射成型特点 成型周期短、能一次成型外形复杂、尺寸精确、带有金属或非金属嵌件的塑料制件；
适用于除氟塑料之外的几乎所有的热塑性塑料，另外一部分热固性塑料亦适于采用此法成型；
对各种塑料的适应性强、生产效率高，易于实现全自动化生产等一系列优点；
因此，注射成型广泛地用于塑件的生产中，其产品占目前塑件生产量的30%左右。 ?原料的检查和预处理 检查色泽、粒度、均匀性、流动性、热稳定性、收缩性以及水分含量 对于吸水性强的塑料（PC,PA,PF等）必须采取干燥处理以免塑料制件出现斑纹、银丝、气泡甚至降解等缺陷
?嵌件的预热 考虑金属与塑件收缩率差别较大，故对于较大嵌件必须采取预热处理，以降低嵌件周围塑料的收缩应力，保证塑件质量。 脱模剂的选用：常用脱模剂包括硬脂酸锌、液态石蜡和硅油。 料筒的清洗
将粒状或粉状塑料加入注射机的料斗。 ? 塑化
通过注射机加热装置的加热，使得螺杆中的塑料原料熔融，成为具有良好的可塑性的塑料熔体 。
塑化好的塑料熔体在注射机柱塞或螺杆的推动作用下，以一定的压力和速度经过喷嘴和模具的浇注系统进入并充满模具型腔。 ? 保压补缩
从熔体充满型腔后，在注射机柱塞或螺杆推动下，熔体仍然
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注射成型的原理、特点、工艺及应用
导读：塑料成型工艺讨论课报告，注射成型的原理、特点、，应用及工艺过程，1.注射成型原理，将粒状或粉状的塑料加入到注射机的料斗，在注射机内塑料受热熔融并使之保持流动状态，2.注射成型特点，注射成型的生产周期短，采用注射成型可以生产形状复杂，这是其它塑料成型方法都难以达到的，注射成型在生产过程容易实现自动化，如注射、脱模、切除浇口等操作过程都可实现自动化，因而注射成型得到了广泛的应用，成型周期短、生产效
塑料成型工艺讨论课报告
注射成型的原理、特点、
应用及工艺过程
1. 注射成型原理
将粒状或粉状的塑料加入到注射机的料斗，在注射机内塑料受热熔融并使之保持流动状态，然后在一定压力下注人闭合的模具，经冷却定型后，熔融的塑料就固化成为所需的塑件。
2. 注射成型特点
注射成型的生产周期短，生产率高，采用注射成型可以生产形状复杂，尺寸要求高及带有各种嵌件的塑件，这是其它塑料成型方法都难以达到的；其次，注射成型在生产过程容易实现自动化，如注射、脱模、切除浇口等操作过程都可实现自动化，因而注射成型得到了广泛的应用。
2.1 优点：
成型周期短、生产效率高、易实现自动化
能成型形状复杂、尺寸精确、带有金属或非金属嵌件的塑料制件
产品质量稳定
适应范围广
2.2 缺点：
注塑设备价格较高；
注塑模具结构复杂；
生产成本高、生产周期长、不适合于单件小批量的塑件生产。
除少数热塑性塑料（氟塑料）外，几乎所有的热塑性塑料都可以用注射成型方法生产塑件。注射成型不仅用于热塑性塑料的成型，而且已经成功地应用于热固性塑料的成型。目前，其成型制品占目前全部塑料制品的20－30％。为进一步扩大注射成型塑件的范围，还开发了一些专门用于成型有特殊性能或特殊结构要求塑件的专用注射技术．如高精度塑件的精密注射、复合色彩塑件的多色注射、内外由不同物料构成的夹芯塑件的夹芯注射和光学透明塑件的注射压缩成型等。 4. 注射成型工艺过程
4.1 成型前准备
原料外观检验及工艺性能测定：包括塑料色泽、粒度及均匀性、流动性（熔体指数、粘度）热稳定性及收缩率的检验。
塑料预热和干燥：除去物料中过多的水分和挥发物，以防止成型后塑件表面有
缺陷或发生降解，影响塑料制件的外观和内在质量。 物料干燥的方法：小批量生产，采用烘箱干燥；大批量生产，采用沸腾干燥或真空干燥。
料筒清洗：当改变产品、更换原料及颜色时均需清洗料筒。
嵌件预热：减少物料和嵌件的温度差，降低嵌件周围塑料的收缩应力，保证塑件质量。
脱模剂的选用：常用脱模剂包括硬脂酸锌、液态石蜡和硅油。
4.2 注射过程
加料：将粒状或粉状塑料加入注射机的料斗。
塑化：通过注射机加热装置的加热，使得螺杆中的塑料原料熔融，成为具有良好的可塑性的塑料熔体 。
充模：塑化好的塑料熔体在注射机柱塞或螺杆的推动作用下，以一定的压力和速度经过喷嘴和模具的浇注系统进入并充满模具型腔。
保压补缩：从熔体充满型腔后，在注射机柱塞或螺杆推动下，熔体仍然保持压力进行补料，使料筒中的熔料继续进入型腔，以补充型腔中塑料的收缩需要，并且可以防止熔体倒流。
浇口冻结后的冷却：经过一段时间使型腔内的熔融塑料凝固成固体，确保当脱模时塑件有足够的刚度，不致产生翘曲或变形。
脱模：塑件冷却到一定的温度,推出机构将塑件推出模外。
4.3 塑件后处理
后处理原因及作用：
由于塑化不均匀或由于塑料在型腔内的结晶、取向和冷却不均匀；或由于金属嵌件的影响或由于塑件的二次加工不当等原因，塑件内部不可避免地存在一些内应力，从而导致塑件在使用过程中产生变形或开裂，因此，应该设法消除。
退火处理：将塑件在定温的加热液体介质（如热水、热油和液体石蜡等）或热空气循环烘箱中静置一段时间，然后缓慢冷却至室温的一种热处理工艺。 a) 温度：高于使用温度10°~15°或低于热变形温度10°~20°。
b) 时间：与塑料品种和塑件厚度有关一般可按每毫米约半小时计算。
c) 作用：消除塑件的内应力，稳定塑件尺寸，提高结晶度、稳定结晶结构，从
而提高其弹性模量和硬度。
调湿处理：将刚脱模的塑件放入加热介质（如沸水、醋酸钾溶液）中，加快吸湿平衡速度的一种后处理方法。（主要用于吸湿性很强且又容易氧化的塑料，如PA）
a) 温度：100~121℃（热变形温度高时取上限，反之取下限）。
b) 时间：保温时间与塑件厚度有关，通常取2~9h。
c) 目的：消除残余应力；使制品尽快达到吸湿平衡，以防止在使用过程中发生
5. 注射成型的工艺参数
a) 料筒温度
料筒温度应在粘流温度（或熔点）和热分解温度 之间。柱塞式料筒温度高于螺杆式料筒温度10～20℃。
塑料特性：热敏性塑料如聚甲醛、聚氟乙烯等要严格控制料筒的最高温度和在料筒中的停留时间；增加玻璃纤维的热塑性塑料由于流动性差而要适当提高料筒温度。热固性塑料为防止熔体在料筒时发生早期硬化，料筒温度趋向取小值。
塑件及模具结构：对于薄壁制件料筒温度高于厚壁制件；形状复杂或带有嵌件的制件料筒温度也应高一些。
料筒温度的分布，一般遵循前高后低的原则，即料筒后段（加料口）温度最低，喷嘴温度最高。对螺杆式注射机为防止因螺杆与熔料、熔料与熔料、熔料与料筒之间的剪切摩擦热而导致塑料热降解，可使料筒前段温度略低于中段。
判断料筒温度是否合适，可采用对空注射法观察或直接观察塑件质量的好坏。对空注射时，如果料流均匀、光滑、无泡、色泽均匀则说明料温合适；如果料流毛糙，有银丝或变色现象，则说明料温不合适。
b) 喷嘴温度
一般略低于料筒最高温度，以防止熔料在喷嘴处产生流涎现象。但不能过低，否则熔料在喷嘴处会出现早凝而将喷嘴堵塞，或者有早凝料注入模腔而影响塑件的质量。
c) 模具温度
模具温度的高低决定于塑料的特性、塑件尺寸与结构、性能要求及其它工艺条件。模具温度↑，流动性↑，密度和结晶度↑，收缩率和生产率↓。
模具温度通常是由通入定温的冷却介质来控制的；也有靠熔料注入模具自然升温和自然散热达到平衡的方式来保持一定的温度；在特殊情况下，也可用电阻丝和电阻加热棒对模具加热来保持模具的定温。但无论怎样，对塑料熔体来说，都是冷却的过程。
（1）塑化压力（背压）：指采用螺杆式注射机时，螺杆顶部熔体在螺杆旋转后退时所受的压力。
塑化压力增加，熔体的温度及其均匀性提高、色料的混合均匀并排出熔体中的
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