镁合金作为最轻的金属结构材料,密度为 1.74-1.85g/cm³,约为铝的2/3、钢的1/4,具有密度低、比强度高、阻尼减振、电磁屏蔽、导热性能好、易于回收等优异特性,是目前笔电轻薄本的主要材质之一。

但镁及绝大多数镁合金具有密排六方(hcp)晶体,对称性低,室温滑移系少,塑性较差,导致镁合金构件在加工成形过程中有诸多限制,目前成型工艺主要以压铸、半固态注射成型为主。

而轻薄笔电整机重量基本是1000g以下,结构件产品主肉厚都在0.5~0.6mm,传统压铸工艺难以满足要求,因此笔电镁合金薄壁件加工主要采用半固态注射成型,及少量的冲压成型

如联想YOGA Air 14 Ultra Aura ,其975g的极致轻薄机身,C/D壳都采用高强度镁合金半固态压铸成型工艺打造,重量减少182.5g,材料屈服强度是普通铝合金的1.5倍,兼顾轻量化与高结构强度。


下面我们来简单了解一下镁合金半固态注射成型

  • 镁合金半固态注射成型技术介绍


1. 半固态注射成型原理及工艺流程


镁合金半固态注射成型工艺属于触变铸造技术(Thixocasting),其利用镁合金由固态加热至半固态后展现出的流动性进行零件成形,具体原理及成型流程:首先,从镁合金锭材上切削大小如米粒般的镁合金粒子作为原材料,在重力或负压作用下,镁合金粒子从料斗进入机筒;机筒内,螺杆的旋转配合外部加热器提供的热量(机筒通常分为5~7段,从进料口至喷嘴温度逐渐升高),使镁合金颗粒在向前输送的过程中被加热和剪切;在机筒中部,镁合金受螺杆压缩段挤压产生热塑性变形,实现密实化;当抵达螺杆前端的储料段时,镁合金颗粒已转变为部分熔融状态且含有球形固相的半固态浆料,这种浆料具备出色的流动性和充型性;随后,该浆料通过喷嘴高速注入模具中,在高速高压下快速冷却凝固,从而形成具有一定形状和尺寸的零件。注射完成后,喷嘴的最前端降温形成冷塞以实现自密封,从而在不需要保护气体且不需要完全熔化的条件下完成连续式成型作业。


图   半固态镁合金制备工艺示意图


2. 镁合金半固态注射成型工艺优势


镁合金半固态注射成型技术相比传统液态压铸具有以下优势:
a.安全性高。镁合金在液态下易燃,而半固态注射成型工艺使镁合金在密闭条件下将触变制浆和成型集成,无需使用安全风险较高的镁熔炉,同时省去镁液转运的步骤,确保了镁合金零件的安全生产。
b.环境友传统铸造工艺在熔炼镁合金时会产生大量挥发性气体,并需额外使用SF6作为保护气体,易造成环境污染,而半固态注射成型工艺过程不需要完全熔化和使用保护气,且不会产生熔化废渣,是一种绿色制造技术。
c.氧化夹杂少。半固态成型工艺的温度比传统铸造工艺更低,因此,氧化风险显著降低。同时,由于注射成型方式使镁熔体不直接接触外界空气,在成型过程中引入氧化夹杂物的概率几乎为零。
d.卷气缺陷少。液态镁在充填型腔时易形成紊流,导致气孔缺陷的产生;而半固态镁合金呈现出非牛顿流体的特性,更倾向于以层流方式进行充填,可有效减少成型过程中的卷气现象,使铸件更加致密。
e.力学性能优。半固态注射成型的镁合金呈现为非枝晶凝固组织,在高冷速条件下,其平均晶粒尺寸和第二相尺寸均极为细小,同时由于气孔、夹杂等缺陷的减少,具有更优异的强度和韧性。
f.尺寸精度高。半固态镁合金具备良好的成型能力,可实现复杂薄壁结构的近净成形,且凝固收缩较小,抗热裂能力提升,因此,所制得的铸件尺寸精度较高。
g.模具寿命长。半固态工艺成型温度相较于传统压铸工艺降低近 100 ℃,显著减轻了镁熔体对模具的热冲击,提升了模具寿命,如半固态薄壁件模具的使用寿命可达20万~40万模次。
h.材料利用率高。压铸工艺制备的镁合金零部件因含有大量的浇排系统原材料利用率普遍低于50%。相比之下,半固态成型工艺能够大幅减小料柄的尺寸,简化流道和溢流槽等结构,能够将原材料的利用率提升至 70% 以上。
i.产品良率高。半固态注射成型工艺对镁合金实施精密控温,材料充填品质稳定,无压铸过程中可能出现的预结晶问题,缺陷率低。
j.能耗降低。镁合金的半固态成型与压铸工艺成型效率高,无需熔炉且成型温度较低,与液态压铸相比,电能能耗可降低50%。


此外,半固态注射成型技术为镁合金的热处理强化提供了基础,高致密非枝晶组织的半固态镁合金铸件可通过固溶及时效热处理进一步优化,有望获得更加优异的机械性能。


目前,镁合金半固态注射成型技术已在消费电子/3C、汽车零部件加工等领域广泛应用。在消费电子/3C领域,镁合金半固态注射成型技术广泛应用于笔记本电脑的A/C/D壳制造,不仅可实现厚度低于1mm的薄壁成型,还确保了高直通良率。此外,该技术还被应用于游戏机内板、VR/AR眼镜骨架、消费级无人机的壳体、散热内板等结构件,以实现更高的性能可靠性和轻量化收益。


注:本文技术介绍部分来源于上海交通大学曾小勤教授团队的综述文章《镁合金半固态注射成型技术的发展现状与应用前景》


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作者 li, hailan