鎂合金壓鑄技術的幾個主要問題及其應用前景
本文綜述了近年來鎂合金壓鑄技術研究開發情況，并就壓鑄鎂合金高溫使用性能、耐蝕性、阻燃性、壓鑄方式、安全生產、壓鑄型設計等鎂合金壓鑄技術的幾個主要問題作了詳細的論述和分析，提出了解決的方案。由于我國原鎂產量居世界首位，占全球產量的三分之一，隨著我國汽車工業的發展，壓鑄鎂合金及其相關技術具有廣闊的應用前景。
關鍵詞:鎂合金,壓鑄技術,主要問題,應用前景
1 前言
鎂合金材料1808年面世,1886年始用于工業生產。鎂合金壓鑄技術從1916年成功地將鎂合金用于壓鑄件算起，至今也經歷了八十余年的發展。人類在認識和駕馭鎂合金及其制品的生產技術方面，經歷了漫長的探索歷程。從1927年推出高強度MgAl9Zn1開始，鎂合金的工業應用獲得了實質性的進展。1936年德國大眾汽車公司開始用壓鑄鎂合金生產“甲殼蟲”汽車的發動機傳動系統零件，1946年單車使用鎂合金量達18kg左右。美國在1948～1962年間用熱室壓鑄機生產的汽車用鎂合金壓鑄件達數百萬件。盡管如此，過去鎂合金作為結構材料主要用于航空領域，在其它領域，世界上鎂的主要用途是生產鋁合金，其次用于鋼的脫硫和球墨鑄鐵生產。
近年來,由于人們對產品輕量化的要求日益迫切，鎂合金性能的不斷改善及壓鑄技術的顯著進步，壓鑄鎂合金的用量顯著增長。特別是人類對汽車提出了進一步減輕重量、降低燃耗和排放、提高駕駛安全性和舒適性的要求,鎂合金壓鑄技術正飛速發展。此外，鎂合金壓鑄件已逐步擴大到其他領域，如手提電腦外殼，手提電鋸機殼，魚鉤自動收線匣，錄像機殼，移動電話機殼，航空器上的通信設備和雷達機殼，以及一些家用電器具等。
鎂主要由含鎂礦石提煉。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。我國生產的鎂砂和鎂砂制品大量用于出口。充分利用我國豐富的鎂砂資源進行深度開發，結合我國汽車、計算機、通訊、航天、電子等新興產業的發展，促進鎂合金壓鑄件的生產和應用，是擺在我國鑄造工作者面前的一項任務。
2 壓鑄鎂合金的研究
鎂合金的密度小于2g/cm3，是目前最輕的金屬結構材料，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；其比剛度與鋁合金和鋼相當，遠高于纖維增強塑料；其耐腐蝕性比低碳鋼好得多，已超過壓鑄鋁合金Ａ380；其減振性、磁屏蔽性遠優于鋁合金；鑒于鎂合金的動力學粘度低，相同流體狀態(雷諾指數相等)下的充型速度遠大于鋁合金，加之鎂合金熔點、比熱容和相變潛熱均比鋁合金低，故其熔化耗能少，凝固速度快，鎂合金實際壓鑄周期可比鋁合金短50%。此外，鎂合金與鐵的親和力小，固溶鐵的能力低，因而不容易粘連模具表面，其所用模具壽命比鋁合金高2～3倍。
常用的壓鑄鎂合金大多是美國牌號AZ91，AM60，AM50，AM20，AS41和AE42，分別屬于Mg-Al-Zn，Mg-Al-Mn，Mg-Al-Si和Mg-Al-RE四大系列。對與壓鑄鎂合金，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。現已開發出150℃以上抗蠕變能力的AS系列壓鑄鎂合金，如AS41A合金(Mg43%Al1%Si0.35%Mn)，其175℃蠕變強度優于AZ91D和AM60B，且有較高伸長率、屈服強度和抗拉強度。大眾公司Beetle發動機曲軸箱以前一直采用AS41和AS42，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。某些微量元素如稀土元素Y、Nd、Sr等，對壓鑄鎂合金具有明顯的晶粒細化作用，可提高壓鑄鎂合金的強度和抗蠕變能力，如最近研制的AE42的抗蠕變能力優于傳統MgAlSi合金，可在200～250℃長期使用。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，加之稀土元素成本高，使生產和應用受到一定限制。
2)延展性：
目前，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。在工作情況下要提高吸收能量的能力，就應提高材料的斷裂韌性。通過在合金中減少鋁，可以做到這點。AM60和AM50在儀表板托架、轉向盤轉軸及座椅等安全部件上得到廣泛應用，AM20目前還應用到座椅的后背框架。另外，斷裂延伸率與溫度關系也是相當密切的，尤其是在約50℃以上時，隨溫度的增加而增加。
(3)鎂合金的耐蝕性：
耐蝕性也曾是鎂合金擴大應用的一大障礙。鎂的化學活性高，以鎂為基的合金和復合材料易發生微電池腐蝕，一般低純度壓鑄鎂合金的耐蝕性差。嚴格規定了Fe，Ni，Cu等雜質元素的高純度壓鑄鎂合金(如AZ91D)，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，遠好于低碳鋼。調整化學成分、表面處理和控制微觀組織等均可改善其耐蝕性。盡管提高鎂合金件耐蝕性的方法眾多，但若不從材質本身解決問題，耐蝕性差始終是鎂合金件獲得大量應用的一個技術障礙。
(4)阻燃鎂合金：
在鎂合金中添加Al(2.5%)、Be合金(Be加入量為0.0005%～0.03%)或含Ca合金，也可有效地防止鎂合金液的氧化。目前，一些研究者正在從事具有阻燃性能鎂合金的研究，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，獲得更為廣泛的應用前景。
(5)鎂合金基復合材料：
用碳化硅等顆粒增強的鎂合金基復合材料已進行了多年的研究開發，目前雖尚未達到在壓鑄領域商業應用的階段，但已用砂型鑄造、精密鑄造等方法制成了葉輪、自行車曲柄、汽車缸套等鑄件，并有將這種復合材料與半固態鑄造相結合，應用于壓鑄和擠壓鑄造領域的發展趨勢。
3 鎂合金壓鑄方式
鎂合金可用冷室或熱室壓鑄機壓鑄。目前對熱室壓鑄機的改進主要包括：采用儲能器增壓，壓射柱塞的壓射速度可達6m/s；感應加熱鵝頸管和噴嘴，使之保持最適宜溫度；采用雙爐熔化保溫，并采用絕熱裝置和再循環管道，精確保持熔池溫度。當用普通冷室壓鑄機壓鑄鎂合金時，必須對壓鑄機的壓射系統和自動給料系統進行必要的改造，使之適用于鎂合金壓鑄的要求。
改造的內容包括：
(1)將壓射系統的快壓射速度由壓鑄鋁合金時的4～5ｍ/ｓ提高到6～10ｍ/ｓ；
(2)縮短增壓過程的建壓時間；
(3)提高壓射力；
(4)采用電磁自動定量給料裝置，防止鎂合金在澆注過程中氧化；
(5)如采用真空壓鑄等特種壓鑄工藝時，配置必要的配套設備。
與其他壓鑄合金一樣，傳統的壓鑄技術使鎂合金液以高速的紊流和彌散狀態充填壓鑄型腔，氣體在高壓下或者溶解在壓鑄合金內，或者形成許多彌散分布在壓鑄件內的高壓微氣孔。因此用傳統壓鑄方法生產的鎂合金壓鑄件不能進行熱處理強化，也不能在較高溫度下使用。為了消除這種缺陷，提高壓鑄件的內在質量，擴大壓鑄件的應用范圍，近20年來研究開發了一些新的壓鑄方法，其中包括充氧壓鑄，半固態金屬流變或觸變壓鑄和擠壓鑄造，以及幾經起伏的真空壓鑄等。
真空壓鑄通過在壓鑄過程中抽除型腔內的氣體而消除或顯著減少壓鑄件內的氣孔和溶解氣體，提高壓鑄件的力學性能和表面質量。目前已成功地在冷室壓鑄機上用真空壓鑄法生產出AM60B鎂合金汽車輪轂，在鎖型力為2940kN的熱室壓鑄機上生產出AM60B鎂合金汽車方向盤零件，鑄件伸長率由8%提高至16%。
充氧壓鑄又稱無氣孔壓鑄(Pore-Free Die Casting Process，即P.F法)。該法在金屬液充型前，將氧氣或其他活性氣體充入型腔，置換型腔內的空氣，金屬液充型時，活性氣體與充型金屬液反應生成金屬氧化物微粒彌散分布在壓鑄件內，從而消除壓鑄件內的氣體，使壓鑄件可熱處理強化。日本輕金屬(株)用充氧壓鑄法生產計算機的AZ91鎂合金整體磁頭支架，代替原先的多層疊合支架，不但減輕了支架重量，并且取得了很大的經濟效益。該公司還用充氧壓鑄法成批生產了AM60鎂合金汽車輪轂和摩托車輪轂，與鋁輪轂相比，重量減輕15%。
近年來美國、日本和英國等國的公司相繼成功開發出鎂合金半固態觸變射壓鑄造機。鎂合金半固態觸變射壓鑄造機以一定壓力將半固態鎂合金射入壓鑄型內而使之成形，其工作原理類似于注塑機。它將預制的非枝晶態鎂粒送入螺旋給料機構，在螺旋給料機構中將鎂粒加熱到半固態，并通過螺旋給料機構另一端的鎂合金漿料收集室將半固態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的一個發展方向。
4 鎂合金熔煉作業與安全生產
由于鎂合金液很容易氧化，而且表面生成的氧化膜是疏松的，其致密系數α值僅為0.79，不能防止合金繼續氧化。鎂合金液與大氣中氧、水蒸氣、氮反應生成不熔于鎂液的難熔的MgO、Mg3N2等化合物，混入鑄型后即形成“氧化夾渣”。因此，熔煉合金時防氧化至關重要。鎂合金的熔體保護主要有兩種方法，即熔劑保護和氣體保護。
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產生有毒氣體，如HCl，Cl2，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)熔劑揮發產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。
目前多數廠家使用氣體保護，即用干燥的SF6、N2、CO2、SO2氣體中的2～4種組成混合氣體，在鎂合金熔池表面形成致密的連續薄膜以阻止鎂合金液的氧化。SF6不是毒性氣體，但它對地球的溫室效應比CO2嚴重24000倍，而鎂工業的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。研究表明，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。
鎂合金壓鑄件生產的危險大多由加工及后處埋過程中的過失所引起。據日本方面統計，鎂合金壓鑄件生產過程中引發的危險，熔煉占25%，鑄造占10%，加工占39%，貯藏及廢棄物占16%，電氣占3%，其他占7%。顯然，加工和后處理過程的危險性超過壓鑄過程3～4倍。加工過程中，無論是噴砂、車削、銑削、拋光等，均不可避免會產生鎂塵屑及火花，如廠房內通鳳不良，空氣中鎂塵濃度過大，一旦火花與空氣或地面的鎂塵接觸，輕則燃燒，重則爆炸。因此廠房內必須安裝集塵器并配備防火砂及防火設施。
5 壓鑄型設計
由于鎂合金的化學、物理參數及壓鑄特性與鋁合金有很大差異，因此鑄型設計則不能完全套用鋁合金壓鑄型設計原則。
鎂合金液易氧化燃燒，鑄造時熱裂傾向比鋁合金大，在熔化、澆注及壓鑄型溫控制等方面都比鋁合金壓鑄復雜。鎂合金充型時間短，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，因而壓鑄過程中容易發生局部(薄截面部位)提前結晶現象，導致補縮通道堵塞，產生澆不足的缺陷。鎂合金壓鑄型設計主要考慮以下幾個方面：
(1)壓鑄機選擇
采用何種形式的壓鑄機進行生產主要取決于鑄件的壁厚。Roland Fink在對“鎂合金壓鑄工藝的優化”問題進行研究的過程中，通過對鎂合金壓鑄經濟性、冷室壓鑄和熱室壓鑄過程分析提出，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，大件則推薦采用冷室壓鑄機。
(2)工藝參數。
在壓鑄生產過程中，選擇合適的工藝參數是獲得優質鑄件發揮壓鑄機最大生產率的先決條件，是正確設計壓鑄模的依據。壓鑄時，影響合金液充填成型的因素很多，其中主要有壓射壓力、壓射速度、充填時間和壓鑄模溫度等等。由于壓鑄件壁厚和復雜程度的不同，工藝參數選擇的變化范圍很大。鎂合金同鋁、鋅合金相比，流動性更好，因此二級壓射速度可以更大，鎂合金的沖頭速度比鋁合金快約30%，最大甚至超過10ｍ/ｓ。由于鎂合金鑄造性能如流動性對型溫和澆注溫度相當敏感，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，否則就易出廢品。
(3)澆注系統設計。
澆注系統對金屬液流動的方向、排氣溢流條件、模具的溫度分布、壓力的傳遞、充填時間的長短及金屬液通過澆道處的速度和流動狀態等各個方面，起著重要的控制與調節作用。澆注系統設計總結如下：
1)內澆道位置：由于鎂合金在型腔中比鋁、鋅等合金凝固都要快，并且一般鎂合金壓鑄件為薄壁零件，因此內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，以防止出現澆不足和冷隔現象。
2)充型速度：一般說來，由于鎂合金的熱力學特性，合金向模具的熱傳遞速度很快，而且凝固區間大，流動性較差，因此為避免澆道鎂液過早凝固，應使鎂液高速平穩地充入型腔。一般內澆道流速為90～100ｍ/ｓ，對于有些薄壁鎂合金壓鑄件來說，內澆道速度甚至高達20ｍ/ｓ。
3)內澆道尺寸：在許多情況下，內澆道通過機加工去掉。內澆道寬度應該小于壁厚的50%，以避免修邊過程中對鑄件造成損傷。為了獲得最小的內澆道厚度，同時保證鎂壓鑄件薄壁的要求，內澆道寬度應該盡量取大以保證合適的內澆道截面積。
4)充填時間：它與內澆道速度緊密相關，對于表面質量要求高的薄壁鑄件影響很大。充填時間較鋁合金少0%，通常取為10～100ｍｓ。
溢流槽設計對于薄壁鎂合金壓鑄件，最佳的溢流槽入口面積約為內澆道截面積的20%～25%。
6 充型過程的研究計算機模擬
隨著鎂合金鑄件的應用領域日趨廣大，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律、充型性能與壓鑄工藝參數的關系、充型臨界壁厚等了解甚少，因此，亟需進行系統研究。為此，應大力開展鎂合金充型及凝固過程的計算機模擬研究，并在此基礎上形成專家系統，以指導壓鑄工藝的制定、壓鑄型設計、壓鑄件質量控制，提高鎂合金壓鑄件的合格率及壓鑄型的使用壽命。
數值模擬軟件在汽車鎂壓鑄件中應用最為普遍，德國的一些汽車行業已經成功地模擬了座椅架、觸變成型燃油泵、奧迪5倍速變速箱、車輪、4缸發動機缸體等汽車用鎂合金壓鑄件，有效地縮短了產品開發周期，極大增強了企業市場競爭能力。
7 在汽車工業中的應用前景
據文獻報道，現在世界工程構件鎂合金需求的98%來自于壓鑄行業，而其中的70%以上又用于汽車工業，因此鎂合金的壓鑄工藝性能對其在工業中應用的發展起著決定性的作用。
北美是鎂合金用量最多的地區，其年發展速度為30%。著名的汽車公司如福特、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、轉向柱架、進氣歧管及照明夾持器等汽車零部件的開發與應用。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，該計劃的目的在于生產出符合市場要求的節能轎車。通用汽車公司于1997年成功地開發出鎂合金汽車輪轂，并且與世界最大的鎂生產與加工公司——Hydro公司簽定了應用鎂合金壓鑄件的協議；威斯康辛Lindberg觸變成形發展中心對鎂合金壓鑄技術進行了創新，采用半固態壓鑄技術生產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，其年發展速度為60%。著名的奔馳汽車公司最早將鎂合金壓鑄件應用于汽車座支架，奧迪汽車公司第一個推出鎂合金壓鑄汽車儀表板，可以說德國是推動鎂合金壓鑄發展的先驅與主力軍。1997年，德國又由聯邦科技教育部(BMBF)牽頭，聯合大眾汽車公司等50余家企業和慕尼黑工業大學等6所大學及研究所，投資2500萬馬克進行了一項為期3年的“MADICA”(鎂合金壓鑄)發展項目。豐田汽車公司首先制造出鎂合金汽車輪轂、轉向軸系統、凸輪罩等零部件；三菱公司與澳大利亞工業科技部合作，開發出超輕量鎂合金發動機。目前，日本的各家汽車公司都生產和應用了大量的鎂合金殼體類壓鑄件。
近年來，人類對汽車提出了進一步減輕重量、降低燃耗和排放、提高駕駛安全性和舒適性的要求，由于鎂比鋼材輕75%，用鎂合金壓鑄件取代鋼件可使轎車單重減少10%，而車體重量每減少100kg則百公里油耗可減少0.7，因此汽車用鎂合金壓鑄件產量在工業發達國家出現了持續快速增長的勢頭。福特汽車公司的目標是力爭幾年后中型車百公里油耗少到3升；目前AudiA6轎車的單車鎂合金壓鑄件總重已達14.2kg。其未來目標是將單車鎂合金壓鑄件總重增加到50～80kg。日本三菱鋁業公司正與澳大利亞工業科技部合作開發一種超輕質量的鎂發動機。
目前，轎車上采用鎂合金的部件有座椅上一些部件、膝墊、轉向柱部件、轉向盤、制動與離合器踏板托架、安全氣囊限制裝置、踏板托架、轎車音響小的散熱器框架、鏡托架以及可開式車頂的一些部件；轎車發動機中的發動機機體、氣缸蓋、進氣管、油泵殼體、輔助裝置的支架以及電器接線裝置；還有變速箱、離合器殼體、轉向盤.柱、閥蓋、閥板、車窗、馬達殼體、油濾接頭、進氣歧管、鏡罩、大燈保持架、制動防抱死系統的托架、車輪、油箱門。未來的發展中，在一些大型壓鑄件上，也將拓展它的應用，如車頂、發動機蓋、后艙蓋、內門板框架、儀表板等。其它的如需要安全及高斷裂韌性的零部件，也將是鎂合金拓展應用的領域，如座椅框架、轉向柱、車身保護板、發動機前的散熱器格柵加強板及一些車身結構支撐件。目前，我國汽車上使用鎂壓鑄件只有桑塔納轎車的變速器箱體和箱蓋。
汽車在向著更安全、更輕便、更省材與更節能、環境污染更輕、更舒適的方向發展，要求對汽車采用新的概念設計，這為鎂合金在汽車工業中的應用開僻了更加廣闊的領域。鎂合金壓鑄件在汽車中的應用量將隨著汽車產量的逐漸增長而以更快的速度上升。
8 結語
鎂合金壓鑄是一個集設計、制造與研究于一體的系統工程，鎂合金壓鑄工作者與從事鋅、鋁合金壓鑄的人員相比，應具有更全面的知識、經驗和研究開發能力。
汽車用鎂合金主要是壓鑄類產品，采用鎂壓鑄件使汽車質量減輕，耗油量減少，排出廢氣減少；且鎂合金壓鑄件具有降噪減振性能和鑄造精度高等優點，綜合經濟效益好，是汽車輕量化最有希望的重要材料，具有廣闊的應用前景。
我國是鎂資源極其豐富的國家，但由于目前我國在鎂合金壓鑄技術和應用方面處于落后地位，鎂資源大部分以初級產品形式出口國外，鎂的出口生產量遠大于國內消費量。隨著國內汽車工業及計算機、信息、通訊、儀表、航空航天等產業的迅速發展,我國的鎂合金壓鑄工業也必將在強手如林的世界市場上占有一席之地。