鎂合金鑄造方面的發(fā)展

　　從20世紀(jì)40年代開始，鎂合金被廣泛地應(yīng)用在汽車、航空、航天等領(lǐng)域，進(jìn)入90年代后期，鎂合金產(chǎn)品開始用于自行車、電子產(chǎn)品以及其他民用領(lǐng)域。
　　當(dāng)用鎂合金制作汽車、飛機(jī)零件時(shí)，可大大減輕重量，降低燃油消耗；當(dāng)采用鎂合金制造手機(jī)、筆記本電腦和一些家用電器的外殼時(shí)，能顯著增強(qiáng)產(chǎn)品的散熱能力和抗震能力，并能有效地減輕對人體和周圍環(huán)境的電磁輻射危害；當(dāng)采用鎂合金制造汽車零件時(shí)，能增強(qiáng)汽車的安全性和舒適性。因此， 上鎂合金在汽車和電子器材中的用量都在以20％ 的速度增長。這是近代金屬工程材料中前所未有的。另外鎂合金可全部回收利用，是有利于環(huán)保的一種綠色金屬，又被譽(yù)為“21世紀(jì)的綠色工程材料”。
　　1．鑄造鎂合金的發(fā)展
　　按成形工藝，鎂合金可分為鑄造鎂合金和變形鎂合金，兩者在成分、組織性能上存在很大差異。鑄造鎂合金主要用于汽車零件、機(jī)件殼罩和電氣構(gòu)件等；變形鎂合金主要用于薄板、擠壓件和鍛件等。鑄造鎂合金比變形鎂合金的應(yīng)用要廣泛得多。本文主要介紹鑄造鎂合金的發(fā)展。
　　鑄造鎂合金大致可以分為三個階段：
　?。?） 個階段是一個基礎(chǔ)階段 主要在鎂中加入鋁和鋅，即Mg-A1-Zn系合金。這類合金可得到與鑄造鋁合金相近的抗拉強(qiáng)度。我國的ZM5、英國的L121及美國的AM80A都屬于這類合金，主要添加元素為鋁，而鋅的含量較低，主要是因?yàn)殇\含量增加時(shí)，容易出現(xiàn)顯微疏松。
    （2）第二個階段是一個改進(jìn)階段 在鎂中加入鋯，常見的含鋯合金系有Mg-Zn-Zr，Mg-RE-Zr等。鋯在鎂合金中的主要作用就是細(xì)化鎂合金晶粒，從而提高鎂合金的屈服強(qiáng)度，并使鎂合金具有良好的抗疲勞性能和較低的缺口敏感性。缺點(diǎn)仍然是因?yàn)榻Y(jié)晶間隔較寬，容易出現(xiàn)顯微疏松和熱裂傾向。所以目前應(yīng)用最多的是不含鋯壓鑄鎂合金Mg-Al。另外為了提高鎂合金高溫抗蠕變性能，產(chǎn)生了以稀土元素為主要組元的鎂合金。
    （3）第三個階段是提高階段 在鎂合金中加入銀，銀合金化后能增強(qiáng)時(shí)效強(qiáng)化效應(yīng)，大大提高了鎂合金的高溫強(qiáng)度和蠕變抗力，但會降低合金耐蝕性能。
　　2．鎂合金的液態(tài)成型方式
　　當(dāng)前，鎂合金的液態(tài)成型仍然以壓力鑄造、重力鑄造為主，鎂合金采用其他鑄造方式，如低壓鑄造、熔模鑄造等形式較少，其中壓鑄為鎂合金最主要的成型方式。
    2.1 鎂合金壓鑄
    壓鑄是鎂合金最主要、應(yīng)用最廣泛的成形工藝。因鎂合金熱流動性好，很適合于薄壁件的壓鑄生產(chǎn)。鎂合金壓鑄始于20世紀(jì)20年代中期的德國VolksWagen 汽車公司。之后，美國、前蘇聯(lián)、日本以及歐洲的一些 相繼在汽車制造行業(yè)采用鎂合金壓鑄結(jié)構(gòu)件，如曲軸箱、傳動軸外殼、空調(diào)機(jī)外殼、變速箱殼體、駕駛艙儀表板、輪箍、汽缸體、汽缸蓋、分配支架、油泵殼體、過濾器外殼等。自20 世紀(jì)80 年代以來,隨著鎂合金成本的不斷降低,鎂合金開始在汽車、計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備上得到越來越多的應(yīng)用,其中絕大部分為鎂合金壓鑄件。
    盡管 范圍內(nèi)鎂合金及制備技術(shù)發(fā)展比較早，但是我國在解放后才開始有自己的鎂工業(yè)。近幾年來，隨著我國汽車工業(yè)、電子通訊工業(yè)的飛速發(fā)展，對鎂合金壓鑄件的需求與日俱增，我國的鎂壓鑄行業(yè)發(fā)展很快。我國鎂合金壓鑄件產(chǎn)量由1995年的1562噸提高到2005年的8960噸，7年里產(chǎn)量增長了4倍多，平均年增長率達(dá)60％。利用鎂合金壓鑄件代替?zhèn)鹘y(tǒng)鑄鐵、鑄鋼件，甚至代替鋁壓鑄件，正成為制造業(yè)特別是汽車制造業(yè)的發(fā)展趨勢。全國已有許多家工廠在從事鎂合金壓鑄件生產(chǎn)和研究，如深圳、東莞等數(shù)家工廠在生產(chǎn)筆記本電腦外殼、手機(jī)外殼鎂合金壓鑄件等。重慶鎂業(yè)科技股份公司，將以摩托車和輕型汽車用鎂合金及其零部件為重點(diǎn)，同時(shí)開發(fā)鎂合金的各類加工材；青島金谷鎂業(yè)股份公司著力開發(fā)3C電子類產(chǎn)品用鎂合金制品。
    雖然傳統(tǒng)的壓鑄方法生產(chǎn)的鎂合金壓鑄件得到廣泛利用，但其不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化,也不能在較高的溫度下使用。為了消除這些缺陷,提高壓鑄件的內(nèi)在質(zhì)量,擴(kuò)大壓鑄技術(shù)的使用范圍,專家們近些年來在傳統(tǒng)壓鑄工藝的基礎(chǔ)上研究開發(fā)了一些新的壓鑄技術(shù):如半固態(tài)壓鑄、真空壓鑄、充氧壓鑄和超高速壓鑄法等。這些新技術(shù)在消除鎂合金壓鑄件的鑄造缺陷,提高其力學(xué)性能及表面和內(nèi)在質(zhì)量上均取得良好的效果。其中真空壓鑄以其極低的鑄件含氣量、較好的設(shè)備兼容性和優(yōu)異的鑄件性能等優(yōu)點(diǎn)得到了高度重視和大力發(fā)展。
    2.2 鎂合金重力鑄造
    重力鑄造是鎂合金成型方法中比較傳統(tǒng)的，壁厚較厚的鑄件目前仍多采用這種方式。重力鑄造又包括砂型鑄造、金屬模鑄造、半金屬模鑄造、殼型鑄造、熔模鑄造。
    鎂合金的砂型鑄造經(jīng)歷了自然砂、二氧化碳砂、自硬樹脂砂的發(fā)展階段。它主要用于航天領(lǐng)域，因?yàn)樗鼈兣c鋁和其他材料相比具有重量輕的優(yōu)點(diǎn)。
熔模鑄造在鋁合金、鈦合金中應(yīng)用很廣，但在鎂合金中采用的比較少，尚處于研發(fā)階段。
    2.3 鎂合金低壓鑄造
    低壓鑄造是介于重力鑄造和高壓鑄造的一種鑄造方法，具有充型平穩(wěn)，補(bǔ)縮效果良好的特點(diǎn)，同時(shí)密封充型可以防止鎂合金暴露在大氣中而引起氧化燃燒，是鎂合金成型方法中一種比較好的方式，但長期以來這種成型方式在鎂合金中應(yīng)用很少，主要是人們對于鎂合金低壓鑄造的過程缺乏了解。
    3．鎂合金鑄造時(shí)存在的問題
    3.1 鎂合金的熔體保護(hù)
    由于鎂合金液很容易氧化,而且表面生成的氧化膜比較疏松,因此熔煉鎂合金時(shí),防止氧化至關(guān)重要。鎂合金的熔體保護(hù)主要有兩種方法,即熔劑保護(hù)和氣體保護(hù)。
    目前國內(nèi)外常使用的保護(hù)熔劑是商品化的RJ系列熔劑。其中，用得最廣泛的RJ-2熔劑的組分主要為氯鹽和氟鹽。用保護(hù)熔劑熔煉通常會帶來以下問題：①氯鹽和氟鹽高溫下易揮發(fā)產(chǎn)生有毒氣體，如HCl，HF等。②由于熔劑的密度較大，部分熔劑會隨同鎂液混入鑄型造成“熔劑夾渣”。③熔劑揮發(fā)產(chǎn)生的氣體有可能滲入合金液中，成為材料使用過程中的腐蝕源，加速材料腐蝕，降低使用壽命。因此，尋找氯鹽和氟鹽的代用材料或減少氯鹽和氟鹽的使用量，減少污染，提高保護(hù)效果，是開發(fā)鎂合金熔煉保護(hù)熔劑的努力目標(biāo)。
    自20世紀(jì)60年代以來，一些專家學(xué)者開始尋找氣體保護(hù)劑。通過大量實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了對鎂合金液有一定保護(hù)作用的氣體，如SF6，BF3，CF4，CClF2，CO2等。通過進(jìn)一步研究，SF6的保護(hù)性能較好，使用SF6存在的問題主要是用量的控制問題，生產(chǎn)中如何根據(jù)熔煉保護(hù)狀態(tài)自動調(diào)節(jié)SF6的壓力、流量，達(dá)到既有利于保護(hù)，又減少SF6用量的目的，仍是SF6氣體保護(hù)正在有待深入研究的課題。
    3.2 鎂合金鑄件的質(zhì)量問題
    在鑄造生產(chǎn)中，鑄件的質(zhì)量是諸多因素的綜合反映，是多工藝流程配合的最終體現(xiàn)，與成形工藝、模具條件、環(huán)境狀況等密切相關(guān)。目前鎂合金鑄件在生產(chǎn)中會出現(xiàn)變形、欠鑄、留痕、冷隔、拉痕、縮孔、裂紋等鑄造缺陷。有的缺陷會影響后續(xù)工序的加工質(zhì)量，影響性能，降低使用壽命，甚至危及安全。為避免缺陷產(chǎn)生，需采取一定工藝對策，主要從鑄造設(shè)備、生產(chǎn)環(huán)境、原材料等方面提出改進(jìn)意見和對策，為鑄造工藝指明改進(jìn)方向，提高鑄件質(zhì)量。
    另外鎂合金強(qiáng)度不高，尚不能用于重要的結(jié)構(gòu)件上；耐蝕性低，尤其是耐電化學(xué)腐蝕性能不高；高溫使用性能明顯偏低。
    4．今后的發(fā)展方向
    4.1 鑄型設(shè)計(jì)
    由于鎂合金的化學(xué)、物理參數(shù)及鑄造特性與鋁合金有很大差異，因此鑄型設(shè)計(jì)則不能完全套用鋁合金壓軸型設(shè)計(jì)原則。由于目前實(shí)際應(yīng)用的鎂合金種類很少，鎂合金鑄型的研究亦未引起重視。隨著鑄造鎂合金種類和數(shù)量的日益增多，研制開發(fā)成本較低的鑄型材料、加工工藝、制定鑄型設(shè)計(jì)原則將成為今后鎂合金鑄造不可忽視的一個課題。
    4.2 鑄造過程數(shù)值模擬
    通過數(shù)值模擬，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行虛擬鑄造成型，觀察鑄造生產(chǎn)全過程，了解合金液在充型和凝固過程中發(fā)生的各種現(xiàn)象，為型腔、澆注系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供更科學(xué)的依據(jù)。
    通過對充型過程流場、溫度場的數(shù)值模擬，能夠較準(zhǔn)確地表達(dá)鑄造成型過程中流動和傳熱規(guī)律，并可 地顯示澆不足、冷隔、熱節(jié)的位置，對提高工藝設(shè)計(jì)水平、保證成型鑄件的質(zhì)量和提高生產(chǎn)率、延長模具的使用壽命等具有重要意義。而目前對壓鑄鎂合金的充型規(guī)律、充型性能與壓鑄工藝參數(shù)的關(guān)系、充型臨界壁厚等了解甚少，因此，亟需進(jìn)行系統(tǒng)研究。