镁合金铸造方面的发展
- 发布人：管理员
- 发布时间：2007-12-21
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摘要：本文简要介绍铸造镁合金的发展、镁合金的几种液态成型方式以及镁合金铸件存在问题，最后提出镁合金铸造今后的发展。
关键词：镁合金 铸造 液态成型
镁合金具有高比强度、高比弹性模量、高阻尼减震性、高导热性、高静电屏蔽性、高机械加工性和极低的密度等优点。从20世纪40年代开始，镁合金被广泛地应用在汽车、航空、航天等领域，进入90年代后期，镁合金产品开始用于自行车、电子产品以及其他民用领域。
当用镁合金制作汽车、飞机零件时，可大大减轻重量，降低燃油消耗；当采用镁合金制造手机、笔记本电脑和一些家用电器的外壳时，能显著增强产品的散热能力和抗震能力，并能有效地减轻对人体和周围环境的电磁辐射危害；当采用镁合金制造汽车零件时，能增强汽车的安全性和舒适性。因此，世界上镁合金在汽车和电子器材中的用量都在以20％ 的速度增长。这是近代金属工程材料中前所未有的。另外镁合金可全部回收利用，是有利于环保的一种绿色金属，又被誉为“21世纪的绿色工程材料”。
1．铸造镁合金的发展
按成形工艺，镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金，两者在成分、组织性能上存在很大差异。铸造镁合金主要用于汽车零件、机件壳罩和电气构件等；变形镁合金主要用于薄板、挤压件和锻件等。铸造镁合金比变形镁合金的应用要广泛得多。本文主要介绍铸造镁合金的发展。
铸造镁合金大致可以分为三个阶段：
（1）第一个阶段是一个基础阶段 主要在镁中加入铝和锌，即Mg-A1-Zn系合金。这类合金可得到与铸造铝合金相近的抗拉强度。我国的ZM5、英国的L121及美国的AM80A都属于这类合金，主要添加元素为铝，而锌的含量较低，主要是因为锌含量增加时，容易出现显微疏松。
（2）第二个阶段是一个改进阶段 在镁中加入锆，常见的含锆合金系有Mg-Zn-Zr，Mg-RE-Zr等。锆在镁合金中的主要作用就是细化镁合金晶粒，从而提高镁合金的屈服强度，并使镁合金具有良好的抗疲劳性能和较低的缺口敏感性。缺点仍然是因为结晶间隔较宽，容易出现显微疏松和热裂倾向。所以目前应用最多的是不含锆压铸镁合金Mg-Al。另外为了提高镁合金高温抗蠕变性能，产生了以稀土元素为主要组元的镁合金。
（3）第三个阶段是提高阶段 在镁合金中加入银，银合金化后能增强时效强化效应，大大提高了镁合金的高温强度和蠕变抗力，但会降低合金耐蚀性能。
2．镁合金的液态成型方式
当前，镁合金的液态成型仍然以压力铸造、重力铸造为主，镁合金采用其他铸造方式，如低压铸造、熔模铸造等形式较少，其中压铸为镁合金最主要的成型方式。
2.1 镁合金压铸
压铸是镁合金最主要、应用最广泛的成形工艺。因镁合金热流动性好，很适合于薄壁件的压铸生产。镁合金压铸始于20世纪20年代中期的德国VolksWagen 汽车公司。之后，美国、前苏联、日本以及欧洲的一些国家相继在汽车制造行业采用镁合金压铸结构件，如曲轴箱、传动轴外壳、空调机外壳、变速箱壳体、驾驶舱仪表板、轮箍、汽缸体、汽缸盖、分配支架、油泵壳体、过滤器外壳等。自20 世纪80 年代以来,随着镁合金成本的不断降低,镁合金开始在汽车、计算机、通讯设备上得到越来越多的应用,其中绝大部分为镁合金压铸件。
尽管世界范围内镁合金及制备技术发展比较早，但是我国在解放后才开始有自己的镁工业。近几年来，随着我国汽车工业、电子通讯工业的飞速发展，对镁合金压铸件的需求与日俱增，我国的镁压铸行业发展很快。我国镁合金压铸件产量由1995年的1562吨提高到2005年的8960吨，7年里产量增长了4倍多，平均年增长率达60％。利用镁合金压铸件代替传统铸铁、铸钢件，甚至代替铝压铸件，正成为制造业特别是汽车制造业的发展趋势。全国已有许多家工厂在从事镁合金压铸件生产和研究，如深圳、东莞等数家工厂在生产笔记本电脑外壳、手机外壳镁合金压铸件等。重庆镁业科技股份公司，将以摩托车和轻型汽车用镁合金及其零部件为重点，同时开发镁合金的各类加工材；青岛金谷镁业股份公司着力开发3C电子类产品用镁合金制品。
虽然传统的压铸方法生产的镁合金压铸件得到广泛利用，但其不能进行热处理强化,也不能在较高的温度下使用。为了消除这些缺陷,提高压铸件的内在质量,扩大压铸技术的使用范围,专家们近些年来在传统压铸工艺的基础上研究开发了一些新的压铸技术:如半固态压铸、真空压铸、充氧压铸和超高速压铸法等。这些新技术在消除镁合金压铸件的铸造缺陷,提高其力学性能及表面和内在质量上均取得良好的效果。其中真空压铸以其极低的铸件含气量、较好的设备兼容性和优异的铸件性能等优点得到了高度重视和大力发展。
2.2 镁合金重力铸造
重力铸造是镁合金成型方法中比较传统的，壁厚较厚的铸件目前仍多采用这种方式。重力铸造又包括砂型铸造、金属模铸造、半金属模铸造、壳型铸造、熔模铸造。
镁合金的砂型铸造经历了自然砂、二氧化碳砂、自硬树脂砂的发展阶段。它主要用于航天领域，因为它们与铝和其他材料相比具有重量轻的优点。
熔模铸造在铝合金、钛合金中应用很广，但在镁合金中采用的比较少，尚处于研发阶段。
2.3 镁合金低压铸造
低压铸造是介于重力铸造和高压铸造的一种铸造方法，具有充型平稳，补缩效果良好的特点，同时密封充型可以防止镁合金暴露在大气中而引起氧化燃烧，是镁合金成型方法中一种比较好的方式，但长期以来这种成型方式在镁合金中应用很少，主要是人们对于镁合金低压铸造的过程缺乏了解。
3．镁合金铸造时存在的问题
3.1 镁合金的熔体保护
由于镁合金液很容易氧化,而且表面生成的氧化膜比较疏松,因此熔炼镁合金时,防止氧化至关重要。镁合金的熔体保护主要有两种方法,即熔剂保护和气体保护。
目前国内外常使用的保护熔剂是商品化的RJ系列熔剂。其中，用得最广泛的RJ-2熔剂的组分主要为氯盐和氟盐。用保护熔剂熔炼通常会带来以下问题：①氯盐和氟盐高温下易挥发产生有毒气体，如HCl，HF等。②由于熔剂的密度较大，部分熔剂会随同镁液混入铸型造成“熔剂夹渣”。③熔剂挥发产生的气体有可能渗入合金液中，成为材料使用过程中的腐蚀源，加速材料腐蚀，降低使用寿命。因此，寻找氯盐和氟盐的代用材料或减少氯盐和氟盐的使用量，减少污染，提高保护效果，是开发镁合金熔炼保护熔剂的努力目标。
自20世纪60年代以来，一些专家学者开始寻找气体保护剂。通过大量实验，发现了对镁合金液有一定保护作用的气体，如SF6，BF3，CF4，CClF2，CO2等。通过进一步研究，SF6的保护性能较好，使用SF6存在的问题主要是用量的控制问题，生产中如何根据熔炼保护状态自动调节SF6的压力、流量，达到既有利于保护，又减少SF6用量的目的，仍是SF6气体保护正在有待深入研究的课题。
3.2 镁合金铸件的质量问题
在铸造生产中，铸件的质量是诸多因素的综合反映，是多工艺流程配合的最终体现，与成形工艺、模具条件、环境状况等密切相关。目前镁合金铸件在生产中会出现变形、欠铸、留痕、冷隔、拉痕、缩孔、裂纹等铸造缺陷。有的缺陷会影响后续工序的加工质量，影响性能，降低使用寿命，甚至危及安全。为避免缺陷产生，需采取一定工艺对策，主要从铸造设备、生产环境、原材料等方面提出改进意见和对策，为铸造工艺指明改进方向，提高铸件质量。
另外镁合金强度不高，尚不能用于重要的结构件上；耐蚀性低，尤其是耐电化学腐蚀性能不高；高温使用性能明显偏低。
4．今后的发展方向
4.1 铸型设计
由于镁合金的化学、物理参数及铸造特性与铝合金有很大差异，因此铸型设计则不能完全套用铝合金压铸型设计原则。由于目前实际应用的镁合金种类很少，镁合金铸型的研究亦未引起重视。随着铸造镁合金种类和数量的日益增多，研制开发成本较低的铸型材料、加工工艺、制定铸型设计原则将成为今后镁合金铸造不可忽视的一个课题。
4.2 铸造过程数值模拟
通过数值模拟，在计算机上进行虚拟铸造成型，观察铸造生产全过程，了解合金液在充型和凝固过程中发生的各种现象，为型腔、浇注系统和排溢系统设计提供更科学的依据。
通过对充型过程流场、温度场的数值模拟，能够较准确地表达铸造成型过程中流动和传热规律，并可精确地显示浇不足、冷隔、热节的位置，对提高工艺设计水平、保证成型铸件的质量和提高生产率、延长模具的使用寿命等具有重要意义。而目前对压铸镁合金的充型规律、充型性能与压铸工艺参数的关系、充型临界壁厚等了解甚少，因此，亟需进行系统研究。
关键词：镁合金 铸造 液态成型
镁合金具有高比强度、高比弹性模量、高阻尼减震性、高导热性、高静电屏蔽性、高机械加工性和极低的密度等优点。从20世纪40年代开始，镁合金被广泛地应用在汽车、航空、航天等领域，进入90年代后期，镁合金产品开始用于自行车、电子产品以及其他民用领域。
当用镁合金制作汽车、飞机零件时，可大大减轻重量，降低燃油消耗；当采用镁合金制造手机、笔记本电脑和一些家用电器的外壳时，能显著增强产品的散热能力和抗震能力，并能有效地减轻对人体和周围环境的电磁辐射危害；当采用镁合金制造汽车零件时，能增强汽车的安全性和舒适性。因此，世界上镁合金在汽车和电子器材中的用量都在以20％ 的速度增长。这是近代金属工程材料中前所未有的。另外镁合金可全部回收利用，是有利于环保的一种绿色金属，又被誉为“21世纪的绿色工程材料”。
1．铸造镁合金的发展
按成形工艺，镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金，两者在成分、组织性能上存在很大差异。铸造镁合金主要用于汽车零件、机件壳罩和电气构件等；变形镁合金主要用于薄板、挤压件和锻件等。铸造镁合金比变形镁合金的应用要广泛得多。本文主要介绍铸造镁合金的发展。
铸造镁合金大致可以分为三个阶段：
（1）第一个阶段是一个基础阶段 主要在镁中加入铝和锌，即Mg-A1-Zn系合金。这类合金可得到与铸造铝合金相近的抗拉强度。我国的ZM5、英国的L121及美国的AM80A都属于这类合金，主要添加元素为铝，而锌的含量较低，主要是因为锌含量增加时，容易出现显微疏松。
（2）第二个阶段是一个改进阶段 在镁中加入锆，常见的含锆合金系有Mg-Zn-Zr，Mg-RE-Zr等。锆在镁合金中的主要作用就是细化镁合金晶粒，从而提高镁合金的屈服强度，并使镁合金具有良好的抗疲劳性能和较低的缺口敏感性。缺点仍然是因为结晶间隔较宽，容易出现显微疏松和热裂倾向。所以目前应用最多的是不含锆压铸镁合金Mg-Al。另外为了提高镁合金高温抗蠕变性能，产生了以稀土元素为主要组元的镁合金。
（3）第三个阶段是提高阶段 在镁合金中加入银，银合金化后能增强时效强化效应，大大提高了镁合金的高温强度和蠕变抗力，但会降低合金耐蚀性能。
2．镁合金的液态成型方式
当前，镁合金的液态成型仍然以压力铸造、重力铸造为主，镁合金采用其他铸造方式，如低压铸造、熔模铸造等形式较少，其中压铸为镁合金最主要的成型方式。
2.1 镁合金压铸
压铸是镁合金最主要、应用最广泛的成形工艺。因镁合金热流动性好，很适合于薄壁件的压铸生产。镁合金压铸始于20世纪20年代中期的德国VolksWagen 汽车公司。之后，美国、前苏联、日本以及欧洲的一些国家相继在汽车制造行业采用镁合金压铸结构件，如曲轴箱、传动轴外壳、空调机外壳、变速箱壳体、驾驶舱仪表板、轮箍、汽缸体、汽缸盖、分配支架、油泵壳体、过滤器外壳等。自20 世纪80 年代以来,随着镁合金成本的不断降低,镁合金开始在汽车、计算机、通讯设备上得到越来越多的应用,其中绝大部分为镁合金压铸件。
尽管世界范围内镁合金及制备技术发展比较早，但是我国在解放后才开始有自己的镁工业。近几年来，随着我国汽车工业、电子通讯工业的飞速发展，对镁合金压铸件的需求与日俱增，我国的镁压铸行业发展很快。我国镁合金压铸件产量由1995年的1562吨提高到2005年的8960吨，7年里产量增长了4倍多，平均年增长率达60％。利用镁合金压铸件代替传统铸铁、铸钢件，甚至代替铝压铸件，正成为制造业特别是汽车制造业的发展趋势。全国已有许多家工厂在从事镁合金压铸件生产和研究，如深圳、东莞等数家工厂在生产笔记本电脑外壳、手机外壳镁合金压铸件等。重庆镁业科技股份公司，将以摩托车和轻型汽车用镁合金及其零部件为重点，同时开发镁合金的各类加工材；青岛金谷镁业股份公司着力开发3C电子类产品用镁合金制品。
虽然传统的压铸方法生产的镁合金压铸件得到广泛利用，但其不能进行热处理强化,也不能在较高的温度下使用。为了消除这些缺陷,提高压铸件的内在质量,扩大压铸技术的使用范围,专家们近些年来在传统压铸工艺的基础上研究开发了一些新的压铸技术:如半固态压铸、真空压铸、充氧压铸和超高速压铸法等。这些新技术在消除镁合金压铸件的铸造缺陷,提高其力学性能及表面和内在质量上均取得良好的效果。其中真空压铸以其极低的铸件含气量、较好的设备兼容性和优异的铸件性能等优点得到了高度重视和大力发展。
2.2 镁合金重力铸造
重力铸造是镁合金成型方法中比较传统的，壁厚较厚的铸件目前仍多采用这种方式。重力铸造又包括砂型铸造、金属模铸造、半金属模铸造、壳型铸造、熔模铸造。
镁合金的砂型铸造经历了自然砂、二氧化碳砂、自硬树脂砂的发展阶段。它主要用于航天领域，因为它们与铝和其他材料相比具有重量轻的优点。
熔模铸造在铝合金、钛合金中应用很广，但在镁合金中采用的比较少，尚处于研发阶段。
2.3 镁合金低压铸造
低压铸造是介于重力铸造和高压铸造的一种铸造方法，具有充型平稳，补缩效果良好的特点，同时密封充型可以防止镁合金暴露在大气中而引起氧化燃烧，是镁合金成型方法中一种比较好的方式，但长期以来这种成型方式在镁合金中应用很少，主要是人们对于镁合金低压铸造的过程缺乏了解。
3．镁合金铸造时存在的问题
3.1 镁合金的熔体保护
由于镁合金液很容易氧化,而且表面生成的氧化膜比较疏松,因此熔炼镁合金时,防止氧化至关重要。镁合金的熔体保护主要有两种方法,即熔剂保护和气体保护。
目前国内外常使用的保护熔剂是商品化的RJ系列熔剂。其中，用得最广泛的RJ-2熔剂的组分主要为氯盐和氟盐。用保护熔剂熔炼通常会带来以下问题：①氯盐和氟盐高温下易挥发产生有毒气体，如HCl，HF等。②由于熔剂的密度较大，部分熔剂会随同镁液混入铸型造成“熔剂夹渣”。③熔剂挥发产生的气体有可能渗入合金液中，成为材料使用过程中的腐蚀源，加速材料腐蚀，降低使用寿命。因此，寻找氯盐和氟盐的代用材料或减少氯盐和氟盐的使用量，减少污染，提高保护效果，是开发镁合金熔炼保护熔剂的努力目标。
自20世纪60年代以来，一些专家学者开始寻找气体保护剂。通过大量实验，发现了对镁合金液有一定保护作用的气体，如SF6，BF3，CF4，CClF2，CO2等。通过进一步研究，SF6的保护性能较好，使用SF6存在的问题主要是用量的控制问题，生产中如何根据熔炼保护状态自动调节SF6的压力、流量，达到既有利于保护，又减少SF6用量的目的，仍是SF6气体保护正在有待深入研究的课题。
3.2 镁合金铸件的质量问题
在铸造生产中，铸件的质量是诸多因素的综合反映，是多工艺流程配合的最终体现，与成形工艺、模具条件、环境状况等密切相关。目前镁合金铸件在生产中会出现变形、欠铸、留痕、冷隔、拉痕、缩孔、裂纹等铸造缺陷。有的缺陷会影响后续工序的加工质量，影响性能，降低使用寿命，甚至危及安全。为避免缺陷产生，需采取一定工艺对策，主要从铸造设备、生产环境、原材料等方面提出改进意见和对策，为铸造工艺指明改进方向，提高铸件质量。
另外镁合金强度不高，尚不能用于重要的结构件上；耐蚀性低，尤其是耐电化学腐蚀性能不高；高温使用性能明显偏低。
4．今后的发展方向
4.1 铸型设计
由于镁合金的化学、物理参数及铸造特性与铝合金有很大差异，因此铸型设计则不能完全套用铝合金压铸型设计原则。由于目前实际应用的镁合金种类很少，镁合金铸型的研究亦未引起重视。随着铸造镁合金种类和数量的日益增多，研制开发成本较低的铸型材料、加工工艺、制定铸型设计原则将成为今后镁合金铸造不可忽视的一个课题。
4.2 铸造过程数值模拟
通过数值模拟，在计算机上进行虚拟铸造成型，观察铸造生产全过程，了解合金液在充型和凝固过程中发生的各种现象，为型腔、浇注系统和排溢系统设计提供更科学的依据。
通过对充型过程流场、温度场的数值模拟，能够较准确地表达铸造成型过程中流动和传热规律，并可精确地显示浇不足、冷隔、热节的位置，对提高工艺设计水平、保证成型铸件的质量和提高生产率、延长模具的使用寿命等具有重要意义。而目前对压铸镁合金的充型规律、充型性能与压铸工艺参数的关系、充型临界壁厚等了解甚少，因此，亟需进行系统研究。
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