鎂合金熔模精密鑄造技術(shù)研究現(xiàn)狀

陳詠華

（青海大學(xué)機(jī)械系，青海西寧810016）

·綜述·

鎂合金熔模精密鑄造技術(shù)研究現(xiàn)狀

陳詠華

（青海大學(xué)機(jī)械系，青海西寧810016）

概述了鎂合金材料的基本特性及性能、鎂合金的分類，介紹了鎂合金的成形工藝研究現(xiàn)狀，著重對鎂合金熔模精密鑄造技術(shù)進(jìn)行了論述，對其存在的問題進(jìn)行了討論，并展望了其發(fā)展前景。

鎂合金；成形技術(shù)；熔模精密鑄造

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著人類文明的快速進(jìn)步，金屬材料的消耗量急劇上升，金屬礦產(chǎn)資源逐漸趨于枯竭。20世紀(jì)中葉的能源危機(jī)使輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料得到了持續(xù)性的發(fā)展，其中鋁和塑料每10年以大約0.4數(shù)量級的速度增長，但是鎂作為一種輕質(zhì)材料，由于沒有充分發(fā)揮其性能潛力，其增長模式與鋁存在顯著差異。在很多傳統(tǒng)金屬礦產(chǎn)枯竭的今天，人們開始把目光轉(zhuǎn)向鎂，這必將加速鎂合金材料的開發(fā)與應(yīng)用。

鎂合金是工業(yè)應(yīng)用中最輕的結(jié)構(gòu)金屬，其密度為1.74 g/cm3，是鋁的2/3，鋼的1/4，具有比強(qiáng)度、比剛度高，導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性好，阻尼減震，電磁屏蔽，易于加工成形和容易回收等優(yōu)點(diǎn)。由于鎂合金具有一系列優(yōu)越的性能，因而使它在手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、飛機(jī)、汽車、摩托車、自行車、軍工產(chǎn)品、紡織、印刷、冶金化工和防腐等行業(yè)均獲得了應(yīng)用。同時(shí)，鎂合金也存在容易氧化燃燒、耐蝕性差、常溫力學(xué)性能差、高溫強(qiáng)度及蠕變性能低等缺點(diǎn)，大大限制了鎂合金的發(fā)展和應(yīng)用［1］。

鎂合金多用作結(jié)構(gòu)件，而作為結(jié)構(gòu)應(yīng)用的最大用途是鑄件，因此鎂合金的鑄造水平成為其應(yīng)用的關(guān)鍵。鑄件的質(zhì)量、性能取決于成型工藝以及合金成分，研究開發(fā)新型的鑄造技術(shù)和各種合金元素的作用是提高鎂合金材料性能、擴(kuò)大其在各個領(lǐng)域應(yīng)用的必由之路［2］。

1 鎂合金的分類

一般鎂合金的分類依據(jù)有合金的化學(xué)成分、成形工藝和合金中是否含鋯。

按照化學(xué)成分通常將鎂合金分為二元、三元及多組元系合金。二元系如Mg-Al，Mg-Zn，Mg-Mn，Mg-Zr等；三元系如Mg-Al-Mn，Mg-Al-Si等；多組元系如Mg-Th-Zn-Zr，Mg-Ag-Th-RE-Zr等。

按照成形工藝，鎂合金可分為鑄造鎂合金和變形鎂合金，兩者在成分、組織性能上存在著很大差異，鑄造鎂合金比變形鎂合金的應(yīng)用要廣泛的多。

根據(jù)是否含鋯，鎂合金可分為含鋯和無鋯兩大類。最常見的含鋯合金系是Mg-Zn-Zr，Mg-RE-Zr，Mg-Th-Zr，Mg-Ag-Zr系。不含鋯的鎂合金有Mg-Al，Mg-Mn和Mg-Zn系。鋯在鎂合金中的主要作用就是細(xì)化鎂合金晶粒。

2 鎂合金成形技術(shù)及國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)

鑄造和塑性成形是目前鎂合金主要成形方法。鎂合金鑄造成形方法包括砂型鑄造、金屬型鑄造、熔模鑄造、消失模鑄造和壓鑄等在內(nèi)的多種工藝。其中壓鑄是最成熟、應(yīng)用最廣的技術(shù)。目前，90%以上的鎂合金產(chǎn)品是壓鑄成形的。

鎂合金塑性成形是通過在300℃～500℃溫度范圍內(nèi)擠壓、軋制、鍛造的方法固態(tài)成形?？缮a(chǎn)尺寸多樣的板、棒、管、型材及鍛件產(chǎn)品。由于變形加工消除了鑄造組織缺陷及細(xì)化了晶粒，并且可以通過熱處理工藝的應(yīng)用，使變形鎂合金具有更高的強(qiáng)度、更好的延展性和更好的力學(xué)性能，從而滿足更多結(jié)構(gòu)件的需要。

另外，鎂合金的半固態(tài)成形作為一種新型鑄造技術(shù)也得到了廣泛的研究與應(yīng)用。

3 鎂合金熔模鑄造

熔模精密鑄造（Investment Casting）是用可熔（溶）性一次模和型芯使鑄件成形的鑄造方法，又稱失蠟鑄造（Lost Wax Casting）。熔模鑄造所生產(chǎn)的鑄件精密，復(fù)雜，接近于零件最后的形狀，可不經(jīng)加工直接使用或只經(jīng)很少加工后使用，是一種近凈成形工藝［3］。采用熔模鑄造法生產(chǎn)鑄件時(shí)具有不需取模、無型芯和無分型面等特點(diǎn)，因而其鑄件的尺寸精度和表面粗糙度接近于熔模精鑄件。此外，熔模鑄造為鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了充分的自由度，原來多個零件組裝的構(gòu)件，可以通過分片制型后黏合成一體實(shí)現(xiàn)整體澆注，因此可以經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)許多復(fù)雜零件。

3．1 熔模鑄造工藝過程、特點(diǎn)和應(yīng)用

與其他鑄造方法和零件成形方法相比較，熔模鑄造工藝有下列特點(diǎn)：使用易熔模，不用開箱啟模；采用液體涂料制殼，形殼能很好的復(fù)制熔模；熱殼澆注，金屬液能很好的復(fù)制型殼。因此，熔模鑄造所生產(chǎn)的鑄件尺寸精度可達(dá)CT4～CT6級，壓制熔模時(shí)，采用型腔表面光潔度高的壓型，因此，熔模的表面光潔度也比較高。此外，型殼由耐高溫的特殊粘結(jié)劑和耐火材料配制成的耐火涂料涂掛在熔模上而制成，與熔融金屬直接接觸的型腔內(nèi)表面粗糙度可達(dá)Ra=0.8 μm～3.2 μm；可以鑄造形狀十分復(fù)雜的鑄件，特別可以精密鑄造高溫合金鑄件，如噴氣式發(fā)動機(jī)的葉片，其流線型外廓與冷卻用內(nèi)腔，用機(jī)械加工工藝幾乎無法形成，用熔模精密鑄造工藝生產(chǎn)不僅可以做到批量生產(chǎn)，保證鑄件的一致性，而且避免機(jī)械加工后殘留刀紋的應(yīng)力集中；鑄件的壁厚和最小鑄出孔可達(dá)0.5 mm，尺寸從幾毫米至上千毫米，質(zhì)量從1 g～1 000 kg的鑄件；合金材料不受限制，碳素鋼、不銹鋼、合金鋼、高溫合金、鑄鐵、鋁合金、銅合金、鎂合金、鈦合金等都可以用熔模鑄造制成；生產(chǎn)靈活性高，適應(yīng)性強(qiáng)，適用于大批量生產(chǎn)，也適用于小批、單件生產(chǎn)。

圖1 熔模鑄造工藝流程圖

由于熔模鑄件有著很高的尺寸精度和表面光潔度，可減少機(jī)械加工工作，只在零件要求較高的部位留少許加工余量即可，甚至某些鑄件只留打磨、拋光余量，不必機(jī)械加工即可使用。由此，采用熔模精密鑄造方法可大量節(jié)省機(jī)床設(shè)備和加工工時(shí)，大幅度節(jié)約金屬原材料。

3.2 熔模鑄造發(fā)展

熔模鑄造在20世紀(jì)30年代末被用于航空渦輪增壓器生產(chǎn)，并得到迅速發(fā)展。半個多世紀(jì)以來，熔模鑄造一直保持著較快的發(fā)展速度。新材料、新工藝、新技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)熔模鑄造的發(fā)展，如水溶型芯、陶瓷型芯、金屬材料進(jìn)步、大型鑄件鑄造技術(shù)、鈦合金精鑄、定向凝固和單晶鑄造、過濾凈化、熱等靜壓、快速成形、計(jì)算機(jī)在熔模鑄造中的應(yīng)用、機(jī)械化自動化等。隨著技術(shù)發(fā)展，熔模鑄造已能生產(chǎn)更大、更精、更薄、更強(qiáng)的產(chǎn)品［4］。

1）更大更薄的產(chǎn)品

熔模鑄造即可生產(chǎn)小型鑄件，也能生產(chǎn)較大型鑄件，最大輪廓可達(dá)1.8 m，最大鑄件接近1 000 kg。

2）更精的產(chǎn)品

目前熔模鑄件除能達(dá)到高的尺寸公差外，還能達(dá)到較高的形位公差。鑄件表面粗糙度可達(dá)Ra 0.8 μm。

3）更強(qiáng)的產(chǎn)品

鑄造材料的改進(jìn)和工藝技術(shù)的進(jìn)步使鑄件的力學(xué)性能越來越好。

3.3 發(fā)展鎂合金熔模鑄造的意義

鎂合金具有較強(qiáng)的鑄造工藝性，幾乎所有的鑄造方法都可以用來生產(chǎn)鎂合金鑄件。

但是目前鎂合金鑄件的生產(chǎn)主要采用壓鑄工藝，研究方向也主要集中在壓鑄技術(shù)上，而壓鑄在零件成形的復(fù)雜性方面具有局限，設(shè)備和工裝、模具投入大。相比之下，熔模精密鑄造是一種工藝靈活的近凈形金屬成形方法，鑄件尺寸精度高，表面粗糙度高，能生產(chǎn)出形狀復(fù)雜的精密鑄件，如葉輪、空心葉片等。鑄造壁厚可達(dá)0.5 mm，最小孔徑1 mm以下，鑄件輪廓尺寸可從幾毫米到幾米。既適用于大批量生產(chǎn)，也適用于小批量甚至單件生產(chǎn)。熔模鑄造能適用于多種合金材料，在航空航天領(lǐng)域的鈦合金生產(chǎn)中得到了成功應(yīng)用。

在產(chǎn)品開發(fā)日益強(qiáng)調(diào)“個性化”的今天，小批量、多品種的柔性化生產(chǎn)成為機(jī)械加工領(lǐng)域的發(fā)展方向，而熔模精密鑄造的工藝特點(diǎn)正是與之相適應(yīng)的工藝方法。利用熔模精密鑄造技術(shù)生產(chǎn)鎂合金鑄件的研究在國際上鮮有報(bào)道，是一塊有待開拓的領(lǐng)域。針對這種情況，盡早針對鎂合金熔模精密鑄造工藝開展基礎(chǔ)研究，能夠更好地結(jié)合我國的原材料資源優(yōu)勢，促進(jìn)我國金屬材料成形綜合實(shí)力的提高，對鎂合金的進(jìn)一步推廣和樹立我國在該領(lǐng)域的領(lǐng)先地位非常有利。

3.4 鎂合金熔模鑄造技術(shù)現(xiàn)狀

熔模鑄造已廣泛應(yīng)用于鋁合金、鈦合金甚至鎳基超合金生產(chǎn)。在鎂合金鑄件的發(fā)展歷程中，有些工件結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，一些零部件壁厚非常薄，而且對表面粗糙度和尺寸公差要求很嚴(yán)格，這類工件很適合采用熔模鑄造生產(chǎn)。表1是砂型鑄造、熔模鑄造用部分鎂合金及化學(xué)成分。

目前，熔模鑄造鎂合金工藝通常采用干砂造型工藝和石膏型工藝。

鎂與水的反應(yīng)激烈，反應(yīng)放出大量的熱，同時(shí)反應(yīng)放出的氫與氧迅速反應(yīng)及液態(tài)的水受熱迅速汽化而發(fā)生猛烈爆炸，引起鎂液的劇烈飛濺。

采用干砂避免普通型砂由于水分引起的鎂合金燃燒。

表1 砂型、熔模鑄造鎂合金的化學(xué)成分［5］（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

另外，鎂合金的收縮率是鋁的1.2倍，熱裂傾向較大，干砂退讓性好，可有效控制鎂合金的開裂。

采用石膏型熔模鑄造鎂合金可有效進(jìn)行防燃處理。用石膏型配方制備鑄型，用石蠟-硬脂酸低溫模料制備熔模，鑄型脫蠟焙燒后，氣體保護(hù)澆注鎂合金。保護(hù)氣氛主要起防燃作用，防燃作用有三個方面：a）驅(qū)除型腔中的空氣；b）覆蓋金屬液體表面，將金屬液與空氣隔離；c）氣體與鎂液反應(yīng)形成保護(hù)膜。

在鑄型中澆入適量硼酸。硼酸在澆注時(shí)可與鎂形成致密膜和釉質(zhì)保護(hù)膜。

硼酸受熱脫水，變?yōu)榕痿?，故硼酸與鎂液反應(yīng)為：

還原出的硼即與鎂液反應(yīng)而生成致密的Mg3B2膜，后一反應(yīng)生成的MgO·B2O3也能在鎂液表面形成致密的釉質(zhì)保護(hù)膜。

3.5 鎂合金熔模鑄造技術(shù)需解決的關(guān)鍵問題

1）開發(fā)適用于鎂合金熔模精密鑄造用型殼材料。

獲得適合于鎂合金澆注的型殼是鎂合金精密鑄造的基礎(chǔ)。針對鎂合金物化特性，選擇與鎂合金熔液相互接觸時(shí)性質(zhì)穩(wěn)定并具備熔體保護(hù)作用的耐火材料和黏結(jié)劑，避免鎂液在凝固過程中的燒蝕。

2）充分研究型殼性能對鎂合金表面質(zhì)量和充型的影響。

研究利用選定的型殼澆注時(shí)，鎂合金熔液的充型特性，研究形殼性能與鑄件澆不足、卷氣、卷渣等缺陷的規(guī)律，從而指導(dǎo)型殼設(shè)計(jì)。

3）型殼材料和工藝對鎂合金充型、界面反應(yīng)及冷卻后脫殼性能的影響機(jī)理研究。

4）制定適合于熔模精密鑄造鎂合金熔液保護(hù)方法。

鎂合金熔液在大氣條件下容易出現(xiàn)氧化燃燒的現(xiàn)象，這也是鎂合金熔模鑄造應(yīng)用較少的主要原因。因此掌握在精密鑄造工藝下進(jìn)行鎂合金澆注時(shí)的熔液保護(hù)問題非常重要。應(yīng)主要從研究鎂合金氧化的機(jī)理入手，尋找適合熔模鑄造工藝的熔體保護(hù)手段和裝備的基本原理，同時(shí)研究鎂合金精密鑄造澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及澆注操作的注意事項(xiàng)等。

5）鎂合金熔模鑄件的組織、性能特點(diǎn)。

熔模精密鑄造過程中采用不同的型殼體系，或澆注前對型殼的焙燒工藝不同，則鎂合金的冷卻過程也不相同，得到的鑄件組織也不同。因此研究鎂合金熔模鑄造鑄件的組織形態(tài)和性能指標(biāo)對于推廣鎂合金精密鑄件在工業(yè)領(lǐng)域的使用具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

6）進(jìn)行適于熔模鑄造用阻燃鎂合金的研制與開發(fā)。

解決鎂合金在熔煉和澆注過程中的氧化和燃燒問題的方法通常有兩種，即熔劑保護(hù)法和氣體保護(hù)法。熔劑保護(hù)通過將低熔點(diǎn)鹵鹽（氯化鎂、氯化鈉、氯化鉀等）混合物覆蓋在鎂合金液表面，阻止鎂與空氣的接觸，保護(hù)鎂合金不氧化燃燒。但由于熔劑很難與鎂熔體完全分離導(dǎo)致在熔體中形成熔劑夾雜，會大幅降低鎂合金的耐腐蝕性和力學(xué)性能，而熔劑保護(hù)最大的缺點(diǎn)是反應(yīng)過程中產(chǎn)生有害氣體嚴(yán)重污染環(huán)境并對人體健康造成危害。

氣體保護(hù)法通過在合金液上密封一層惰性氣體（如Ar）或使鎂液表面生成保護(hù)性氧化膜（如SO2、SF6）的氣體來阻燃，但這種方法會帶來嚴(yán)重的環(huán)境問題。

通過向鎂合金中添加合金元素，使其在熔煉過程中自動生成保護(hù)性氧化膜，阻止鎂合金的氧化燃燒。合金化阻燃方法簡單，能大幅降低設(shè)備及工藝的復(fù)雜程度，不會產(chǎn)生嚴(yán)重環(huán)境污染。因此，研制開發(fā)具備較高力學(xué)性能的適于熔模鑄造用的阻燃鎂合金，對于熔模鑄造鎂合金工藝的工業(yè)應(yīng)用有重大意義。

4 結(jié)論

中國是鎂資源大國、生產(chǎn)大國、出口大國，菱鎂礦儲量居世界首位，約31.45億t，占全球儲量的60%，礦石品味超過40%［6］。目前，國際公認(rèn)的具有最大鎂資源礦藏量的前八名國家分別是澳大利亞、中國、波蘭、俄羅斯、美國、印度、希臘和加拿大。目前，我國已占全球鎂生產(chǎn)能力的3/4，產(chǎn)量的2/3［7］，但鎂合金應(yīng)用開發(fā)嚴(yán)重滯后，80%以上作為初級原料低價(jià)出口。與發(fā)達(dá)國家相比，我國鎂合金的加工成形技術(shù)有很大差距，隨著鎂合金應(yīng)用需求的增加，研究具有高效、節(jié)能、低成本、短流程的成形技術(shù)，具有重要意義。熔模精密鑄造成形技術(shù)是很有有應(yīng)用前景的鎂合金成形技術(shù)。

［1］王渠東，丁文江.鎂合金及其成形技術(shù)的國內(nèi)外動態(tài)與發(fā)展［J］.世界科技研究與發(fā)展—材料科學(xué)，2004，26（3）：39-45.

［2］陳亞軍，黃天佑.鎂合金應(yīng)用現(xiàn)狀及鑄造技術(shù)研究進(jìn)展［J］.銅業(yè)工程，2005，（1）：45-49.

［3］姜不居主編．特種鑄造［M］．北京：中國水利水電出版社，2005.

［4］姜不居主編．熔模精密鑄造［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［5］陳振華．鎂合金［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［6］Cahn R W著．非鐵R U合金的結(jié)構(gòu)與性能［M］．道云譯．北京：科學(xué)出版社，1999.

［7］丁文江．鎂合金科學(xué)與技術(shù)［M］．北京：科學(xué)出版社，2007.

Research Status on Magnesium Alloy Investment Casting Techniques

CHEN Yong-hua
（Department of Mechanical，Qinghai University，Xining Qinghai 810016，China）

The paper reviews the property of magnesium alloys and its characteristic，the type of magnesium alloys.The present situation of the formation technology of magnesium alloys was summarized.Investment casting techniques of magnesium alloy and its present question were discussed，the development of the investment casting techniques of magnesium alloy was presented.

magnesium alloy，forming technology，investment casting

TG249

A

1674-6694（2010）06-0047-04

2010-10-12

陳詠華（1977-），男，在讀碩士研究生，講師，主要從事熔模精密鑄造技術(shù)研究。