鎂合金壓鑄技術(shù)的綜述

張 洪 譚香玲

（湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學院 湖南 株洲 412000）

鎂合金具有比強度、比剛度高,阻尼減震性能優(yōu)良,機械加工方便，易于回收利用，符合環(huán)保要求等特性，在汽車、航空及3C領(lǐng)域等行業(yè)的應(yīng)用呈現(xiàn)快速的增長，是當今實際生產(chǎn)中采用的最輕的金屬結(jié)構(gòu)工程材料[1,2]。鎂合金熔點低、比熱容和相變潛熱小，與鐵的親和力弱[3]，鎂合金壓鑄具有耗能少、充型和凝固速度快、生產(chǎn)周期短、模具使用壽命長等優(yōu)勢。目前，70%以上采用鎂合金壓鑄成形。

1 鎂合金壓鑄設(shè)備的研究

鎂合金用壓鑄機有熱室和冷室兩大類。一般來說，通訊產(chǎn)品等許多小薄壁件采用熱室壓鑄機；大、壁厚及復(fù)雜零件，如汽車、摩托車上使用的鎂合金件，通常使用冷室壓鑄機。鎂合金冷室壓鑄機可采用普通鋁合金冷室壓鑄機，而鎂合金熱室壓鑄機廣泛采用專門設(shè)計的專用壓鑄機。

近年來美國、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。JSW和Husky兩家公司已于2003年開發(fā)出第二代觸變注射成形機，目前已研制生產(chǎn)出從6000kN到20000kN的半固態(tài)鑄造用壓鑄機，成形件重量可達7kg以上[4]。據(jù)最新報告，國內(nèi)首臺30000kN鎂合金壓鑄機通過國際鑒定大噸位鎂合金壓鑄機即將投入生產(chǎn)，必將使我國在鎂合金材料的應(yīng)用及壓鑄業(yè)的整體技術(shù)水平再上一個臺階。

最近，力勁集團已推出第一臺鎂合金專用壓鑄機，壓射速度是鋁合金壓鑄的1.5-3倍，型溫用循環(huán)熱煤油等介質(zhì)可精確制在270±5℃，并實現(xiàn)了外圍設(shè)備和原輔材料的專業(yè)化生產(chǎn)。在近年，我國在鎂合金壓鑄設(shè)備上取得了一定的成績。但是，目前的國產(chǎn)壓鑄機性能與國外先進設(shè)備相比有較大差距，液壓、電器元件可靠性差，壓鑄機普遍缺少先進的檢測與控制儀表，制約我國鎂合金壓鑄技術(shù)的迅速發(fā)展。為此，合理地選擇適用的壓鑄機，是一項技術(shù)性和經(jīng)濟性都很強的工作。

2 鎂合金壓鑄工藝參數(shù)的研究

在壓鑄生產(chǎn)過程中，選擇合適的工藝參數(shù)是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件先決條件。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。熱室機的壓射比壓在40MPa左右，冷室機的比壓要高于熱室機，通常的比壓為40-70MPa。實驗表明，薄臂鎂合金鑄件的澆口速度超過80m/s，比鋅合金和鋁合金的壓鑄模澆口速度要大的多。鎂合金的澆住溫度在熱室機壓鑄時要低一些，通常在620-640℃，冷室壓鑄機的溫度要高一些，一般在650-680℃。鎂合金壓鑄過程中的模具溫度一般保持在180-280℃之間。

Roland Fink[5]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、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。鎂合金鑄造性能如流動性對型溫和澆注溫度相當敏感。

張永忠[6]通過正交實驗表明：壓鑄態(tài)AZ91D鎂合金性能影響顯著的因素是澆注溫度，其次是壓射比壓和壓鑄型溫度。吳有伍[7]等人對ZA85壓鑄合金力學性能及鑄造性能進行了研究，認為影響最大的三個工藝參數(shù)分別是：壓射比壓、澆注溫度和模具溫度。江運喜等人[8]采用數(shù)值技術(shù)對半固態(tài)AZ91D鎂合金的壓鑄過程進行了研究，結(jié)果表明：壓鑄速度對型腔中鎂合金溫度影響很大，壓鑄速度為0.5m/s時，型腔末端大部分區(qū)域處于固相線溫度以下，因此壓鑄速度應(yīng)不小于1m/s，并認為模具溫度選擇為200℃是不合適的。張庭風[9]等對鎂合金的壓鑄工藝進行了系統(tǒng)的全面的研究，分別研究了壓射比壓、澆注溫度、模具溫度、壓射速度等壓鑄工藝參數(shù)對鎂合金抗拉強度、硬度、延伸率、沖擊韌性、流動性等性能影響。

3 鎂合金壓鑄工藝的研究

3.1 鎂合金傳統(tǒng)壓鑄

傳統(tǒng)的壓鑄技術(shù)使鎂合金液以高速的紊流和彌散狀態(tài)充填狀態(tài)充填壓鑄型腔，使型腔內(nèi)的氣體及由壓鑄涂料產(chǎn)生的氣體無法順利排出，這些氣體在高壓下或者溶解在壓鑄合金內(nèi)，或者形彌散分布在壓鑄件內(nèi)的高壓微氣孔。在高溫下，這些高壓下溶解的氣體和微氣孔析出或膨脹導(dǎo)致鑄件變形和表面鼓泡。因此用傳統(tǒng)的壓鑄方法生產(chǎn)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。

3.2 鎂合金真空壓鑄

真空壓鑄的主要優(yōu)點有；減少鑄件內(nèi)部氣孔、改善鑄件表面質(zhì)量和有利于生產(chǎn)過程鑄件尺寸的穩(wěn)定性。其它方面還有：壓射時的比壓可降低約40%，有利于延長模具壽命；選用稍小的壓鑄機；增加壓鑄件的可熱處理性和可焊。

雷黎[10]等人運用有限元模擬軟件對鎂合金AZ91D零件在普通壓鑄與真空壓鑄下進行計算機數(shù)值模擬，比較真空壓鑄與普通壓鑄對鑄件氣孔率的影響。結(jié)果表明：與壓鑄相比，真空壓鑄能有效減少鑄件的氣孔率、改善鑄件質(zhì)量。由此看來，真空壓鑄在減少鑄件內(nèi)含氣量方面無疑是十分有效的，但是。只有以常規(guī)壓鑄為基礎(chǔ)，真空壓鑄才會有明顯的效果，并且采用真空壓鑄時，還應(yīng)注意真空氣道的設(shè)計及其面積的計算，尤其是計算臨界面積。以免錯判真空壓鑄的效果真空壓鑄對其模具加工精度要求較高，另外需附加一套真空專用設(shè)備，模具精度要求較高的，提高了成增加了技術(shù)難度和成本。上海交通大學輕合金國家工程中心對鎂合金AZ91D的真空壓鑄進行了研究[6]，結(jié)果表明：真空壓鑄可以明顯降低AZ91D壓鑄含量，提高合金的致密度，特別是提高遠離澆口處的密度，使鑄件達到了可以進行熱處理的水平，解決了普通壓鑄件密度隨距離澆口位置的增大而減小的問題。

3.3 鎂合金充氧壓鑄

充氧壓鑄是在金屬液充填壓鑄型前，將氧氣充入型腔取代其中的空氣，當能與氧氣發(fā)生反應(yīng)的金屬液壓入型腔時，一部分氧氣通過排氣槽排出，而殘留在型腔中的氧氣就與金屬液發(fā)生反應(yīng)，生成氧化物微粒，呈彌散狀分布在鑄件中，從而消除了壓鑄件中的氣孔。與普通壓鑄相比,充氧壓鑄具有消除或減少了壓鑄件內(nèi)部氣孔，提高了鑄件致密度，因而使得充氧壓鑄件強度可提高，伸長率增加，并可進行熱處理。

熔化狀態(tài)易與氧氣發(fā)生反應(yīng)的鋁、鎂、鋅合金均適合充氧壓鑄。鎂合金采用充氧壓鑄除具備一般充氧壓鑄的優(yōu)點外，還可以大大縮短鎂合金的時效時間。與普通壓鑄，經(jīng)時效時處理后充氧壓鑄鎂合金的沖擊韌性增加得十分顯著。汪之清[11]通過研究發(fā)現(xiàn)：充氧壓鑄可消除壓鑄件的氣孔，使壓鑄件可以熱處理或焊接。

3.4 鎂合金觸變壓鑄

鎂合金半固態(tài)壓鑄是一種非常新的金屬成形技術(shù)[13~14]。與壓鑄、擠壓鑄造以及傳統(tǒng)的鍛造相比，觸變成形有許多優(yōu)勢。隨著鎂合金鑄件的需求，鎂合金觸變壓鑄成形得以突飛猛進的發(fā)展，大致先后經(jīng)過兩個階段：觸變注射成形和新一代觸變注射成形。JSW與日本汽車輪轂廠合作已開發(fā)出鎂合金/鋁合金復(fù)合材質(zhì)的汽車輪，這種兩片式輪轂采用鑄鍛組合法，首先采用觸變注射成形鎂合金輪轂，切除澆道后，把輪轂再加熱進行溫鍛，以提高力學性能，再與鋁制輪緣結(jié)合(用鍍鉻螺栓)。整個過程只需一次注射成形，一次鍛造，再經(jīng)熱處理后，經(jīng)極少量的機加工就可完成。第二代觸變注射成形機提高了成形安定性、尺寸精度及優(yōu)良品率，可更容易地生產(chǎn)薄壁筆記本外殼等[13~14]。

肖澤輝[17]采用雙螺桿機械攪拌方式制備半固態(tài)漿料,研究了AZ91D鎂合金半固態(tài)漿料的流變壓鑄成形工藝。結(jié)果表明:壓射壓力在40-50MPa,壓射充型速度在10-15m/s內(nèi),固相率在10%-60%的漿料都能流變壓鑄成薄壁圓形鑄件,半固態(tài)流變壓鑄成形比液態(tài)壓鑄成形的強度、伸長率分別提高,并可施以熱處理,進一步提高性能,易于實現(xiàn)“凈近成形”。

4 結(jié)束語

目前，鎂合金成形方法有許多。根據(jù)鎂合金的性能特點及產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點，在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上研究出最適合鎂合金成形的成形方法，對加大鎂合金的應(yīng)用很有實際意義。

壓鑄鎂合金的充型規(guī)律、充型性能與充型臨界壁厚、壓鑄工藝參數(shù)的關(guān)系的研究，對促進鎂合金研究的發(fā)展是不可忽略的。

如何提高鎂合金壓鑄技術(shù)，是鎂合金得到更廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。國內(nèi)外對鎂合金壓鑄技術(shù)的研究開展了大量的工作，取得了顯著成績，并形成了規(guī)模生產(chǎn)。這為鎂合金壓鑄技術(shù)的更進一步發(fā)展打下了良好基礎(chǔ)。應(yīng)充分利用鎂合金壓鑄技術(shù)上已取得成果，結(jié)合鎂合金壓鑄的特點及實際生產(chǎn)，進一步研究及改進鎂合金壓鑄技術(shù)，以充分利用中國豐富的鎂礦資源和巨大的鎂生產(chǎn)能力。

［1］肖澤輝，羅吉榮.鎂合金鑄造生產(chǎn)在我國的現(xiàn)狀及其發(fā)展對策[J].輕金屬，2004(2):43-45.

［2］Friedrich H,Schumann S.Research for a “New age of magnesium”in the automotive industry.Journal of Materials Processing Technology,2002,117(3):276-281.

［3］Avedesian M M,Baker H.Magnesium and Magnesium Alloys.ASM International.Materials Park,USA,1999.

［4］汪之清.國外鎂合金壓鑄技術(shù)的發(fā)展.鑄造，2005（17）：48-51.

［5］譚欽平.鎂合金壓鑄件生產(chǎn)技術(shù)的研究[D].重慶大學,2002.

［6］張永忠,張奎,崔代金,等.AZ91D鎂合金的壓鑄工藝及性能.鑄造，2000（2）：74-78.

［7］吳有伍，劉放軍.ZA85 鎂合金壓鑄工藝的研究.鑄造，2006（55）：350-354.

［8］江運喜，黃國杰，謝水生，等.半固態(tài)AZ91D鎂合金壓鑄過程的數(shù)值模擬.塑性工程學報，2006（13）:89-92.

［9］張庭風.壓鑄工藝對AM60B鎂合金組織和性能的影響[D].蘭州大學,2007.

［10］雷黎，于彥東，王建榮，等.鎂合金AZ91 D壓鑄的數(shù)值模擬.輕合金加工技術(shù)，2006(34):13-18.

［11］汪之清.充氧壓鑄.特種鑄造及有色合金，1996（3）：36-41.

［12］王渠東，曾小勤，朱燕萍.壓鑄鎂合金的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.鑄造，1998（12）:50-52.

［13］陳振華，嚴紅革，陳吉華，等.鎂合金[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004.

［14］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.材料科學，2004.26(3)：39-46.

［15］賀雄偉,揭小平,閆洪.AM60鎂合金半固態(tài)觸變壓鑄充型過程的數(shù)值模擬.輕合金加工技術(shù).

［16］嚴炎祥，姚敏,等.用SF6混合氣體保護鎂合金熔液.特種鑄造及有色合金，1996（4）：41-43.

［17］肖澤輝,羅吉榮,吳樹森,等.AZ91D半固態(tài)流變壓鑄成形的研究[J].熱加工工藝,2004(2):78-80.