镁合金压铸技术及其应用(上)

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　　镁合金压铸是一个集设计、制造与研究于一体的系统工程，镁合金压铸工作者与从事锌、铝合金压铸的人员相比，应具有更全面的知识、经验和研究开发能力。

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　　汽车用镁合金主要是压铸类产品，采用镁压铸件使汽车质量减轻，耗油量减少，排出废气减少；且镁合金压铸件具有降噪减振性能和铸造精度高等优点，综合经济效益好，是汽车轻量化最有希望的重要材料，具有广阔的应用前景。

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　　1前言

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　　镁合金材料1808年面世, 1886年始用于工业生产。镁合金压铸技术从1916年成功地将镁合金用于压铸件算起，至今也经历了八十余年的发展。人类在认识和驾驭镁合金及其制品的生产技术方面，经历了漫长的探索历程。从1927年推出高强度MgAl9Zn1开始，镁合金的工业应用获得了实质性的进展。1936年德国大众汽车公司开始用压铸镁合金生产“甲壳虫”汽车的发动机传动系统零件，1946年单车使用镁合金量达18kg左右。美国在1948～1962年间用热室压铸机生产的汽车用镁合金压铸件达数百万件。尽管如此，过去镁合金作为结构材料主要用于航空领域，在其它领域，世界上镁的主要用途是生产铝合金，其次用于钢的脱硫和球墨铸铁生产。

　　近年来,由于人们对产品轻量化的要求日益迫切，镁合金性能的不断改善及压铸技术的显著进步，压铸镁合金的用量显著增长。特别是人类对汽车提出了进一步减轻重量、降低燃耗和排放、提高驾驶安全性和舒适性的要求,镁合金压铸技术正飞速发展。此外，镁合金压铸件已逐步扩大到其他领域，如手提电脑外壳，手提电锯机壳，鱼钩自动收线匣，录像机壳，移动电话机壳，航空器上的通信设备和雷达机壳，以及一些家用电器具等。

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　　镁主要由含镁矿石提炼。我国辽宁省大石桥市一带的菱镁矿储量占世界储量的60%以上，矿石品位高达40%以上。我国生产的镁砂和镁砂制品大量用于出口。充分利用我国丰富的镁砂资源进行深度开发，结合我国汽车、计算机、通讯、航天、电子等新兴产业的发展，促进镁合金压铸件的生产和应用，是摆在我国铸造工作者面前的一项任务。

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　　2压铸镁合金的研究

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　　镁合金的密度小于2g/cm3，是目前最轻的金属结构材料，其比强度高于铝合金和钢，略低于比强度最高的纤维增强塑料；其比刚度与铝合金和钢相当，远高于纤维增强塑料；其耐腐蚀性比低碳钢好得多，已超过压铸铝合金A380；其减振性、磁屏蔽性远优于铝合金；鉴于镁合金的动力学粘度低，相同流体状态(雷诺指数相等)下的充型速度远大于铝合金，加之镁合金熔点、比热容和相变潜热均比铝合金低，故其熔化耗能少，凝固速度快，镁合金实际压铸周期可比铝合金短50%。此外，镁合金与铁的亲和力小，固溶铁的能力低，因而不容易粘连模具表面，其所用模具寿命比铝合金高2～3倍。

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　　常用的压铸镁合金大多是美国牌号AZ91，AM60，AM50，AM20，AS41和AE42，分别属于Mg-Al-Zn，Mg-Al-Mn，Mg-Al-Si和Mg-Al-RE四大系列。对与压铸镁合金，目前主要有以下几个方面的研究：

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　　(1)高温使用性能：目前AZ及AM两个系列的镁合金压铸件占汽车用镁合金压铸件的90%，这两个系列的镁合金在150℃以上强度均明显下降。现已开发出150℃以上抗蠕变能力的AS系列压铸镁合金，如AS41A合金(Mg43%Al1%Si0.35%Mn)，其175℃蠕变强度优于AZ91D和AM60B，且有较高伸长率、屈服强度和抗拉强度。大众公司Beetle发动机曲轴箱以前一直采用AS41和AS42，最近采用的一种改进的合金AE42在高温下的蠕变性能则更好些。某些微量元素如稀土元素Y、Nd、Sr等，对压铸镁合金具有明显的晶粒细化作用，可提高压铸镁合金的强度和抗蠕变能力，如最近研制的AE42的抗蠕变能力优于传统MgAlSi合金，可在200～250℃长期使用。但AS和AE合金对高温性能的改善仍是有限的，其铸造性能比AZ和AE合金要差，加之稀土元素成本高，使生产和应用受到一定限制。

　　(2)延展性：目前，镁压铸件在需要安全及高断裂韧性的用途上增长非常迅速。在工作情况下要提高吸收能量的能力，就应提高材料的断裂韧性。通过在合金中减少铝，可以做到这点。AM60和AM50在仪表板托架、转向盘转轴及座椅等安全部件上得到广泛应用，AM20目前还应用到座椅的后背框架。另外，断裂延伸率与温度关系也是相当密切的，尤其是在约50℃以上时，随温度的增加而增加。

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　　(3)镁合金的耐蚀性：耐蚀性也曾是镁合金扩大应用的一大障碍。镁的化学活性高，以镁为基的合金和复合材料易发生微电池腐蚀，一般低纯度压铸镁合金的耐蚀性差。严格规定了Fe，Ni，Cu等杂质元素的高纯度压铸镁合金(如AZ91D)，以及含稀土的AE42，其盐雾试验的耐蚀性已超过压铸铝合金A380，远好于低碳钢[4]。调整化学成分、表面处理和控制微观组织等均可改善其耐蚀性。尽管提高镁合金件耐蚀性的方法众多，但若不从材质本身解决问题，耐蚀性差始终是镁合金件获得大量应用的一个技术障碍。

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　　(4)阻燃镁合金：在镁合金中添加Al(2.5%)、Be合金(Be加入量为0.0005%～0.03%)或含Ca合金，也可有效地防止镁合金液的氧化。目前，一些研究者正在从事具有阻燃性能镁合金的研究[5]，这一研究一旦获得成功，则镁合金就像铝合金一样熔炼和铸造，获得更为广泛的应用前景。

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　　(5)镁合金基复合材料：用碳化硅等颗粒增强的镁合金基复合材料已进行了多年的研究开发，目前虽尚未达到在压铸领域商业应用的阶段，但已用砂型铸造、精密铸造等方法制成了叶轮、自行车曲柄、汽车缸套等铸件，并有将这种复合材料与半固态铸造相结合，应用于压铸和挤压铸造领域的发展趋势。

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　　3镁合金压铸方式

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　　镁合金可用冷室或热室压铸机压铸。目前对热室压铸机的改进主要包括：采用储能器增压，压射柱塞的压射速度可达6m/s；感应加热鹅颈管和喷嘴，使之保持最适宜温度；采用双炉熔化保温，并采用绝热装置和再循环管道，精确保持熔池温度。当用普通冷室压铸机压铸镁合金时，必须对压铸机的压射系统和自动给料系统进行必要的改造，使之适用于镁合金压铸的要求。改造的内容包括：(1)将压射系统的快压射速度由压铸铝合金时的4～5m/s提高到6～10m/s；(2)缩短增压过程的建压时间；(3)提高压射力；(4)采用电磁自动定量给料装置，防止镁合金在浇注过程中氧化；(5)如采用真空压铸等特种压铸工艺时，配置必要的配套设备。

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　　与其他压铸合金一样，传统的压铸技术使镁合金液以高速的紊流和弥散状态充填压铸型腔，气体在高压下或者溶解在压铸合金内，或者形成许多弥散分布在压铸件内的高压微气孔。因此用传统压铸方法生产的镁合金压铸件不能进行热处理强化，也不能在较高温度下使用。为了消除这种缺陷，提高压铸件的内在质量，扩大压铸件的应用范围，近20年来研究开发了一些新的压铸方法，其中包括充氧压铸，半固态金属流变或触变压铸和挤压铸造，以及几经起伏的真空压铸等。

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　　真空压铸通过在压铸过程中抽除型腔内的气体而消除或显著减少压铸件内的气孔和溶解气体，提高压铸件的力学性能和表面质量。目前已成功地在冷室压铸机上用真空压铸法生产出AM60B镁合金汽车轮毂，在锁型力为2940kN的热室压铸机上生产出AM60B镁合金汽车方向盘零件，铸件伸长率由8%提高至16%。　　

　　充氧压铸又称无气孔压铸(Pore-Free Die Casting Process，即P.F法)。该法在金属液充型前，将氧气或其他活性气体充入型腔，置换型腔内的空气，金属液充型时，活性气体与充型金属液反应生成金属氧化物微粒弥散分布在压铸件内，从而消除压铸件内的气体，使压铸件可热处理强化。日本轻金属(株)用充氧压铸法生产计算机的AZ91镁合金整体磁头支架，代替原先的多层叠合支架，不但减轻了支架重量，并且取得了很大的经济效益。该公司还用充氧压铸法成批生产了AM60镁合金汽车轮毂和摩托车轮毂，与铝轮毂相比，重量减轻15%。

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　　近年来美国、日本和英国等国的公司相继成功开发出镁合金半固态触变射压铸造机。镁合金半固态触变射压铸造机以一定压力将半固态镁合金射入压铸型内而使之成形，其工作原理类似于注塑机。它将预制的非枝晶态镁粒送入螺旋给料机构，在螺旋给料机构中将镁粒加热到半固态，并通过螺旋给料机构另一端的镁合金浆料收集室将半固态镁合金浆料送入压射室进行射压成形。这种铸造成形方法代表了镁合金铸件生产的一个发展方向。