1　前言

　　鎂合金材料1808年面世, 1886年始用于工業(yè)生產(chǎn)。鎂合金壓鑄技術(shù)從1916年成功地將鎂合金用于壓鑄件算起秉馏，至今也經(jīng)歷了八十余年的發(fā)展。人類在認識和駕馭鎂合金及其制品的生產(chǎn)技術(shù)方面更耻，經(jīng)歷了漫長的探索歷程。從1927年推出高強度MgAl9Zn1開始捏膨，鎂合金的工業(yè)應(yīng)用獲得了實質(zhì)性的進展秧均。1936年德國大眾汽車公司開始用壓鑄鎂合金生產(chǎn)“甲殼蟲”汽車的發(fā)動機傳動系統(tǒng)零件，1946年單車使用鎂合金量達18kg左右号涯。美國在1948～1962年間用熱室壓鑄機生產(chǎn)的汽車用鎂合金壓鑄件達數(shù)百萬件目胡。盡管如此，過去鎂合金作為結(jié)構(gòu)材料主要用于航空領(lǐng)域链快，在其它領(lǐng)域誉己，世界上鎂的主要用途是生產(chǎn)鋁合金，其次用于鋼的脫硫和球墨鑄鐵生產(chǎn)域蜗。

　　近年來, 由于人們對產(chǎn)品輕量化的要求日益迫切巨双，鎂合金性能的不斷改善及壓鑄技術(shù)的顯著進步，壓鑄鎂合金的用量顯著增長霉祸。特別是人類對汽車提出了進一步減輕重量筑累、降低燃耗和排放、提高駕駛安全性和舒適性的要求, 鎂合金壓鑄技術(shù)正飛速發(fā)展丝蹭。此外疗刮，鎂合金壓鑄件已逐步擴大到其他領(lǐng)域，如手提電腦外殼蝌购，手提電鋸機殼芍摩，魚鉤自動收線匣，錄像機殼逻烛，移動電話機殼宪隅，航空器上的通信設(shè)備和雷達機殼，以及一些家用電器具等潭拖。

　　鎂主要由含鎂礦石提煉赫丈。我國遼寧省大石橋市一帶的菱鎂礦儲量占世界儲量的60%以上，礦石品位高達40%以上厦螟。我國生產(chǎn)的鎂砂和鎂砂制品大量用于出口官溜。充分利用我國豐富的鎂砂資源進行深度開發(fā)，結(jié)合我國汽車癣二、計算機牵字、通訊、航天哥谷、電子等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展岸夯，促進鎂合金壓鑄件的生產(chǎn)和應(yīng)用，是擺在我國鑄造工作者面前的一項任務(wù)们妥。

　　2 壓鑄鎂合金的研究

　　鎂合金的密度小于2g/cm3猜扮，是目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料勉吻，其比強度高于鋁合金和鋼，略低于比強度最高的纖維增強塑料旅赢；其比剛度與鋁合金和鋼相當(dāng)齿桃，遠高于纖維增強塑料；其耐腐蝕性比低碳鋼好得多煮盼，已超過壓鑄鋁合金Ａ380短纵；其減振性、磁屏蔽性遠優(yōu)于鋁合金僵控；鑒于鎂合金的動力學(xué)粘度低香到，相同流體狀態(tài)(雷諾指數(shù)相等)下的充型速度遠大于鋁合金，加之鎂合金熔點喉祭、比熱容和相變潛熱均比鋁合金低养渴，故其熔化耗能少张重，凝固速度快抛惶，鎂合金實際壓鑄周期可比鋁合金短50%。此外斥稍，鎂合金與鐵的親和力小衡蟹，固溶鐵的能力低，因而不容易粘連模具表面态晤，其所用模具壽命比鋁合金高2～3倍镇弄。

　　常用的壓鑄鎂合金大多是美國牌號AZ91，AM60喧盲，AM50纽肄，AM20，AS41和AE42鄙幸，分別屬于Mg-Al-Zn夹村，Mg-Al-Mn，Mg-Al-Si和Mg-Al-RE四大系列邦墅。對與壓鑄鎂合金袒兵，目前主要有以下幾個方面的研究：

　　(1) 高溫使用性能：目前AZ及AM兩個系列的鎂合金壓鑄件占汽車用鎂合金壓鑄件的90%，這兩個系列的鎂合金在150℃以上強度均明顯下降〉苟椋現(xiàn)已開發(fā)出150℃以上抗蠕變能力的AS系列壓鑄鎂合金灾测，如AS41A合金(Mg43%Al1%Si0.35%Mn)，其175℃蠕變強度優(yōu)于AZ91D和AM60B垦巴，且有較高伸長率媳搪、屈服強度和抗拉強度。大眾公司Beetle發(fā)動機曲軸箱以前一直采用AS41和AS42骤宣，最近采用的一種改進的合金AE42在高溫下的蠕變性能則更好些蛾号。某些微量元素如稀土元素Y稠项、Nd、Sr等鲜结，對壓鑄鎂合金具有明顯的晶粒細化作用展运，可提高壓鑄鎂合金的強度和抗蠕變能力，如最近研制的AE42的抗蠕變能力優(yōu)于傳統(tǒng)MgAlSi合金精刷，可在200～250℃長期使用拗胜。但AS和AE合金對高溫性能的改善仍是有限的，其鑄造性能比AZ和AE合金要差怒允，加之稀土元素成本高埂软，使生產(chǎn)和應(yīng)用受到一定限制。

　　(2) 延展性：目前思袋，鎂壓鑄件在需要安全及高斷裂韌性的用途上增長非常迅速聪供。在工作情況下要提高吸收能量的能力，就應(yīng)提高材料的斷裂韌性估骡。通過在合金中減少鋁蜒且，可以做到這點。AM60和AM50在儀表板托架暮霍、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)軸及座椅等安全部件上得到廣泛應(yīng)用尤喂，AM20目前還應(yīng)用到座椅的后背框架。另外串篓，斷裂延伸率與溫度關(guān)系也是相當(dāng)密切的辽奥，尤其是在約50℃以上時，隨溫度的增加而增加绩寂。

　　(3) 鎂合金的耐蝕性：耐蝕性也曾是鎂合金擴大應(yīng)用的一大障礙茶括。鎂的化學(xué)活性高，以鎂為基的合金和復(fù)合材料易發(fā)生微電池腐蝕佃戈，一般低純度壓鑄鎂合金的耐蝕性差诅福。嚴格規(guī)定了Fe，Ni睹酌，Cu等雜質(zhì)元素的高純度壓鑄鎂合金(如AZ91D)权谁，以及含稀土的AE42，其鹽霧試驗的耐蝕性已超過壓鑄鋁合金A380憋沿，遠好于低碳鋼旺芽。調(diào)整化學(xué)成分、表面處理和控制微觀組織等均可改善其耐蝕性辐啄。盡管提高鎂合金件耐蝕性的方法眾多采章，但若不從材質(zhì)本身解決問題，耐蝕性差始終是鎂合金件獲得大量應(yīng)用的一個技術(shù)障礙壶辜。

　　(4) 阻燃鎂合金：在鎂合金中添加Al(2.5%)悯舟、Be合金(Be加入量為0.0005%～0.03%)或含Ca合金担租，也可有效地防止鎂合金液的氧化。目前抵怎，一些研究者正在從事具有阻燃性能鎂合金的研究奋救，這一研究一旦獲得成功，則鎂合金就像鋁合金一樣熔煉和鑄造反惕，獲得更為廣泛的應(yīng)用前景赶马。

　　(5) 鎂合金基復(fù)合材料：用碳化硅等顆粒增強的鎂合金基復(fù)合材料已進行了多年的研究開發(fā)，目前雖尚未達到在壓鑄領(lǐng)域商業(yè)應(yīng)用的階段马怎，但已用砂型鑄造既屋、精密鑄造等方法制成了葉輪、自行車曲柄惰渐、汽車缸套等鑄件闰幽，并有將這種復(fù)合材料與半固態(tài)鑄造相結(jié)合，應(yīng)用于壓鑄和擠壓鑄造領(lǐng)域的發(fā)展趨勢校社。

　　真空壓鑄通過在壓鑄過程中抽除型腔內(nèi)的氣體而消除或顯著減少壓鑄件內(nèi)的氣孔和溶解氣體屯贺，提高壓鑄件的力學(xué)性能和表面質(zhì)量。目前已成功地在冷室壓鑄機上用真空壓鑄法生產(chǎn)出AM60B鎂合金汽車輪轂裤谆，在鎖型力為2940kN的熱室壓鑄機上生產(chǎn)出AM60B鎂合金汽車方向盤零件惨译，鑄件伸長率由8%提高至16%铡协【ぜ伲　　

　　充氧壓鑄又稱無氣孔壓鑄(Pore-Free Die Casting Process，即P.F法)芋滔。該法在金屬液充型前援雇，將氧氣或其他活性氣體充入型腔，置換型腔內(nèi)的空氣椎扬，金屬液充型時惫搏，活性氣體與充型金屬液反應(yīng)生成金屬氧化物微粒彌散分布在壓鑄件內(nèi)，從而消除壓鑄件內(nèi)的氣體蚕涤，使壓鑄件可熱處理強化筐赔。日本輕金屬(株)用充氧壓鑄法生產(chǎn)計算機的AZ91鎂合金整體磁頭支架，代替原先的多層疊合支架揖铜，不但減輕了支架重量茴丰，并且取得了很大的經(jīng)濟效益。該公司還用充氧壓鑄法成批生產(chǎn)了AM60鎂合金汽車輪轂和摩托車輪轂天吓，與鋁輪轂相比贿肩，重量減輕15%。

　　近年來美國龄寞、日本和英國等國的公司相繼成功開發(fā)出鎂合金半固態(tài)觸變射壓鑄造機汰规。鎂合金半固態(tài)觸變射壓鑄造機以一定壓力將半固態(tài)鎂合金射入壓鑄型內(nèi)而使之成形汤功，其工作原理類似于注塑機。它將預(yù)制的非枝晶態(tài)鎂粒送入螺旋給料機構(gòu)鲁其，在螺旋給料機構(gòu)中將鎂粒加熱到半固態(tài)吟芜，并通過螺旋給料機構(gòu)另一端的鎂合金漿料收集室將半固態(tài)鎂合金漿料送入壓射室進行射壓成形。這種鑄造成形方法代表了鎂合金鑄件生產(chǎn)的一個發(fā)展方向耐浙。

　　4　鎂合金熔煉作業(yè)與安全生產(chǎn)

　　由于鎂合金液很容易氧化苛豺，而且表面生成的氧化膜是疏松的，其致密系數(shù)α值僅為0.79俄耸，不能防止合金繼續(xù)氧化翅昏。鎂合金液與大氣中氧、水蒸氣惊钮、氮反應(yīng)生成不熔于鎂液的難熔的MgO访芙、Mg3N2等化合物，混入鑄型后即形成“氧化夾渣”计员。因此薯替，熔煉合金時防氧化至關(guān)重要。鎂合金的熔體保護主要有兩種方法假仙，即熔劑保護和氣體保護救辖。

　　用保護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氮唯，Cl2鉴吹，HF等；(2) 由于熔劑的密度較大惩琉，部分熔劑會隨同鎂液混入鑄型造成“熔劑夾渣”豆励；(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瞒渠，加速材料腐蝕良蒸，降低使用壽命。

　　目前多數(shù)廠家使用氣體保護伍玖，即用干燥的SF6嫩痰、N2、CO2窍箍、SO2氣體中的2～4種組成混合氣體串纺，在鎂合金熔池表面形成致密的連續(xù)薄膜以阻止鎂合金液的氧化。SF6不是毒性氣體仔燕，但它對地球的溫室效應(yīng)比CO2嚴重24000倍造垛，而鎂工業(yè)的SF6用量占世界總用量的7%(1996年)，將來必然會限制其用量乃至停止其使用，但目前尚未找到SF6的合適替代物杰泡。研究表明蓄稠，用硫磺粉末撒于熔池表面形成的SO2對鎂合金液有保護作用。

　　鎂合金壓鑄件生產(chǎn)的危險大多由加工及后處埋過程中的過失所引起朋丢。據(jù)日本方面統(tǒng)計译拿，鎂合金壓鑄件生產(chǎn)過程中引發(fā)的危險，熔煉占25%请癣，鑄造占10%薛对，加工占39%，貯藏及廢棄物占16%砍倾，電氣占3%深冶，其他占7%。顯然乎叫，加工和后處理過程的危險性超過壓鑄過程3～4倍欧陋。加工過程中，無論是噴砂语但、車削邪蛔、銑削、拋光等扎狱，均不可避免會產(chǎn)生鎂塵屑及火花侧到，如廠房內(nèi)通鳳不良，空氣中鎂塵濃度過大淤击，一旦火花與空氣或地面的鎂塵接觸匠抗，輕則燃燒，重則爆炸遭贸。因此廠房內(nèi)必須安裝集塵器并配備防火砂及防火設(shè)施戈咳。

　　5　壓鑄型設(shè)計

　　由于鎂合金的化學(xué)心软、物理參數(shù)及壓鑄特性與鋁合金有很大差異壕吹，因此鑄型設(shè)計則不能完全套用鋁合金壓鑄型設(shè)計原則。

　　鎂合金液易氧化燃燒删铃，鑄造時熱裂傾向比鋁合金大耳贬，在熔化、澆注及壓鑄型溫控制等方面都比鋁合金壓鑄復(fù)雜猎唁。鎂合金充型時間短咒劲，排氣問題尤為突出，鎂合金的比熱容和相變潛熱均比鋁合金低拄渣，因而壓鑄過程中容易發(fā)生局部(薄截面部位)提前結(jié)晶現(xiàn)象轴布，導(dǎo)致補縮通道堵塞，產(chǎn)生澆不足的缺陷。鎂合金壓鑄型設(shè)計主要考慮以下幾個方面：

　　(1) 壓鑄機選擇缓捂。采用何種形式的壓鑄機進行生產(chǎn)主要取決于鑄件的壁厚洲芥。Roland Fink在對“鎂合金壓鑄工藝的優(yōu)化”問題進行研究的過程中，通過對鎂合金壓鑄經(jīng)濟性茄妇、冷室壓鑄和熱室壓鑄過程分析提出昌嘶，一般情況下小于1kg的鑄件需要采用熱室壓鑄機，以保證薄壁件的充滿晨丸，大件則推薦采用冷室壓鑄機诱榴。

　　(2) 工藝參數(shù)。在壓鑄生產(chǎn)過程中云卤，選擇合適的工藝參數(shù)是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件發(fā)揮壓鑄機最大生產(chǎn)率的先決條件备则，是正確設(shè)計壓鑄模的依據(jù)。壓鑄時城也，影響合金液充填成型的因素很多树碱，其中主要有壓射壓力、壓射速度变秦、充填時間和壓鑄模溫度等等成榜。由于壓鑄件壁厚和復(fù)雜程度的不同，工藝參數(shù)選擇的變化范圍很大蹦玫。鎂合金同鋁赎婚、鋅合金相比，流動性更好樱溉，因此二級壓射速度可以更大挣输，鎂合金的沖頭速度比鋁合金快約30%，最大甚至超過10ｍ/ｓ福贞。由于鎂合金鑄造性能如流動性對型溫和澆注溫度相當(dāng)敏感撩嚼，在充型過程中鎂合金液極易凝固，必須精確控制型溫和澆注溫度挖帘，否則就易出廢品完丽。

　　(3) 澆注系統(tǒng)設(shè)計。澆注系統(tǒng)對金屬液流動的方向拇舀、排氣溢流條件漱屁、模具的溫度分布、壓力的傳遞株矩、充填時間的長短及金屬液通過澆道處的速度和流動狀態(tài)等各個方面茧津，起著重要的控制與調(diào)節(jié)作用。澆注系統(tǒng)設(shè)計總結(jié)如下：

　　內(nèi)澆道位置：由于鎂合金在型腔中比鋁碱跃、鋅等合金凝固都要快营鸽，并且一般鎂合金壓鑄件為薄壁零件鳖进，因此內(nèi)澆道位置的選擇必須盡量避免直接沖擊型腔表面，保證金屬液在型腔中的流動路徑最短奴万，以防止出現(xiàn)澆不足和冷隔現(xiàn)象伐蔚。

　　充型速度：一般說來，由于鎂合金的熱力學(xué)特性天尤，合金向模具的熱傳遞速度很快谁意，而且凝固區(qū)間大，流動性較差擦钾，因此為避免澆道鎂液過早凝固料潘，應(yīng)使鎂液高速平穩(wěn)地充入型腔。一般內(nèi)澆道流速為90～100ｍ/ｓ悍赢，對于有些薄壁鎂合金壓鑄件來說决瞳，內(nèi)澆道速度甚至高達20ｍ/ｓ。

　　內(nèi)澆道尺寸：在許多情況下左权，內(nèi)澆道通過機加工去掉皮胡。內(nèi)澆道寬度應(yīng)該小于壁厚的50%，以避免修邊過程中對鑄件造成損傷赏迟。為了獲得最小的內(nèi)澆道厚度屡贺，同時保證鎂壓鑄件薄壁的要求，內(nèi)澆道寬度應(yīng)該盡量取大以保證合適的內(nèi)澆道截面積锌杀。

　　充填時間：它與內(nèi)澆道速度緊密相關(guān)甩栈，對于表面質(zhì)量要求高的薄壁鑄件影響很大。充填時間較鋁合金少0%糕再，通常取為10～100ｍｓ量没。
溢流槽設(shè)計對于薄壁鎂合金壓鑄件，最佳的溢流槽入口面積約為內(nèi)澆道截面積的20%～25%突想。

　　5　充型過程的研究計算機模擬

　　隨著鎂合金鑄件的應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣大殴蹄，對壓鑄鎂合金的充型性能提出了更高的要求。而目前對壓鑄鎂合金的充型規(guī)律侄侨、充型性能與壓鑄工藝參數(shù)的關(guān)系兄哮、充型臨界壁厚等了解甚少，因此勾勃，亟需進行系統(tǒng)研究般蚪。為此，應(yīng)大力開展鎂合金充型及凝固過程的計算機模擬研究区糟，并在此基礎(chǔ)上形成專家系統(tǒng)，以指導(dǎo)壓鑄工藝的制定教够、壓鑄型設(shè)計潮兼、壓鑄件質(zhì)量控制，提高鎂合金壓鑄件的合格率及壓鑄型的使用壽命。

　　數(shù)值模擬軟件在汽車鎂壓鑄件中應(yīng)用最為普遍始树，德國的一些汽車行業(yè)已經(jīng)成功地模擬了座椅架泞首、觸變成型燃油泵、奧迪5倍速變速箱绳宰、車輪掖饲、4缸發(fā)動機缸體等汽車用鎂合金壓鑄件，有效地縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期呀邢，極大增強了企業(yè)市場競爭能力洒沦。

　　6　在汽車工業(yè)中的應(yīng)用前景

　　現(xiàn)在世界工程構(gòu)件鎂合金需求的98%來自于壓鑄行業(yè)，而其中的70%以上又用于汽車工業(yè)价淌，因此鎂合金的壓鑄工藝性能對其在工業(yè)中應(yīng)用的發(fā)展起著決定性的作用申眼。

　　北美是鎂合金用量最多的地區(qū)，其年發(fā)展速度為30%蝉衣。著名的汽車公司如福特括尸、通用和克萊斯勒等公司在過去的十幾年里一直致力于新型鎂合金和鎂合金離合器殼體、轉(zhuǎn)向柱架病毡、進氣歧管及照明夾持器等汽車零部件的開發(fā)與應(yīng)用濒翻。1996年政府能源部與通用、福特和克萊斯勒三大集團簽署了一項名為“PNGV”(新一代交通工具)的合作計劃啦膜，該計劃的目的在于生產(chǎn)出符合市場要求的節(jié)能轎車肴焊。通用汽車公司于1997年成功地開發(fā)出鎂合金汽車輪轂，并且與世界最大的鎂生產(chǎn)與加工公司——Hydro公司簽定了應(yīng)用鎂合金壓鑄件的協(xié)議功戚；威斯康辛Lindberg觸變成形發(fā)展中心對鎂合金壓鑄技術(shù)進行了創(chuàng)新娶眷，采用半固態(tài)壓鑄技術(shù)生產(chǎn)出鎂合金賽車離合器片與汽車傳動零件。歐洲的鎂合金用量僅次于北美拥臼，其年發(fā)展速度為60%逝声。著名的奔馳汽車公司最早將鎂合金壓鑄件應(yīng)用于汽車座支架，奧迪汽車公司第一個推出鎂合金壓鑄汽車儀表板搭奄，可以說德國是推動鎂合金壓鑄發(fā)展的先驅(qū)與主力軍呀胁。1997年，德國又由聯(lián)邦科技教育部(BMBF)牽頭艇氯，聯(lián)合大眾汽車公司等50余家企業(yè)和慕尼黑工業(yè)大學(xué)等6所大學(xué)及研究所殖吧，投資2500萬馬克進行了一項為期3年的“MADICA”(鎂合金壓鑄)發(fā)展項目。豐田汽車公司首先制造出鎂合金汽車輪轂药炊、轉(zhuǎn)向軸系統(tǒng)牧返、凸輪罩等零部件；三菱公司與澳大利亞工業(yè)科技部合作变跃，開發(fā)出超輕量鎂合金發(fā)動機弥铸。目前骇幽，日本的各家汽車公司都生產(chǎn)和應(yīng)用了大量的鎂合金殼體類壓鑄件。圖1 是1991～2006年世界各地區(qū)鎂合金壓鑄件需求量情況脸候。

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