鑄造工藝中鎂的高壓鑄造法分析

張士雷

【摘 ?要】鎂合金體現(xiàn)出了獨特的功能與特點，鎂合金在未來必將廣泛進(jìn)行應(yīng)用。不管是在汽車還是航天領(lǐng)域，鎂合金都是具有良好發(fā)展趨勢的材料。

在實用金屬中鎂合金是最小的密度，體現(xiàn)出極好的散熱性、電磁屏蔽性、手感良好、外部美觀，因此替代塑料材質(zhì)迅速應(yīng)用在通訊工具、筆記本的殼體等方面。鎂合金在汽車行業(yè)的節(jié)能與輕量化方面具有最大的優(yōu)勢，已經(jīng)開始替代鋁部件，截止到目前，鎂合金已經(jīng)應(yīng)用于超過60余種的汽車零部件中。

1.鎂合金特點

1.1_目前的工程金屬

鎂合金具有最小的密度，大概是鋁的64%，鋼的23%，具備極高的比剛度與比強(qiáng)度。因此在剛度要求相同的情況下，構(gòu)件應(yīng)用鎂合金進(jìn)行制造能夠有效減輕自身的重量，在汽車、電子等領(lǐng)域的發(fā)展前景很好。

1.2.比較鎂合金和鋼、鋁

比較小的彈性模量，體現(xiàn)出極高的阻尼振動容量，也就是低慣性與減震性。由于彈性模量比較小，當(dāng)外力發(fā)生作用時會出現(xiàn)更加均勻的應(yīng)力分布，可以有效防止應(yīng)力過高集中。

1.3.極好的加工切削特點

其擁有的切削速度要比其它金屬大。例如鎂合金切削需要的功率是1，而鋁是1.8，鑄鐵是3.5。因為其的穩(wěn)定性極高，加工鎂合金尺寸需要極高的精度。

1.4.鎂合金導(dǎo)

良好的熱性，較強(qiáng)的抗磁干擾能力，廣泛應(yīng)用在計算機(jī)、電子和通訊行業(yè)中。

1.5.鎂元素

儲藏最豐富的元素，同時鎂合金方便進(jìn)行回收，因此，假如可以在生產(chǎn)中成功應(yīng)用鎂合金，不但能夠節(jié)約成本，還可以有效節(jié)省資源，對環(huán)境積極保護(hù)，促使人類健康發(fā)展。

1.6.鎂合金

耐腐蝕性不佳，其氧化膜不同于氧化鋁膜，不夠致密，不能對內(nèi)部金屬產(chǎn)生的腐蝕進(jìn)行保護(hù)。但是由于迅速發(fā)展的表面技術(shù)以及不斷開發(fā)的新型鎂合金，逐漸解決了較差耐腐蝕性的問題。

2.鎂的高壓鑄造工藝

2.1.重力與低壓鑄造

重力鑄造是指在地球重力作用下金屬液注入鑄型的工藝，也稱為砂型澆鑄、金屬型澆鑄、熔模鑄造、消失模鑄造等，低壓鑄造是指壓力作用下在型腔中填充液體金屬，最終產(chǎn)生鑄件工藝。

重力與低壓鑄造工藝非常適合生產(chǎn)復(fù)雜的幾何形狀的中小型鎂合金鑄件，更加有利于薄壁大型成形鑄件，幾乎全部的鎂合金鑄造都能夠利用重力與低壓鑄造工藝生產(chǎn)。

2.2.壓鑄

常常將壓鑄工藝稱為高壓壓力鑄造，這一鑄造過程凸顯了精密性。壓鑄鎂合金的優(yōu)點就是壁薄、近終形狀、極高的鑄造速度和鑄模時間長、優(yōu)良的形成性和較高的生產(chǎn)效率等。在壓鑄方面鎂合金的優(yōu)點為：較低的液粘度、良好的流動性，鑄件容易充型，很小的鑄造斜度，鑄件尺寸具有很高的精度，熔點與結(jié)晶的低潛熱，壓鑄過程中沖蝕模具程度較小，其模具使用時間較長，壓鑄需要的周期較短。鎂合金壓鑄包含了兩種方式，分別有熱室與冷室，重點要看鑄件的厚度，通常在薄壁鑄件中應(yīng)用熱室壓鑄。當(dāng)前93%都是采用壓鑄方法制造了鎂合金工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件。但是鎂合金卻很少用于壓鑄，相較于重力鑄造合金，壓鑄鎂合金數(shù)量比較少。

注射量控制是對鎂合金壓鑄成本進(jìn)行降低的方法之一。當(dāng)前先進(jìn)科學(xué)的真空壓鑄和充氧壓鑄，將出型腔中的氣體抽出對壓鑄件內(nèi)的氣孔進(jìn)行減少或者消除最終與合金中的氣體積實施溶解，相較于傳統(tǒng)的壓鑄技術(shù)，在對鑄造鎂合金壓鑄件的缺陷進(jìn)行消除以及提高力學(xué)功能和內(nèi)在質(zhì)量上這些技術(shù)具有很大的優(yōu)勢。

2.3.半固態(tài)鑄造

半固態(tài)是指合金內(nèi)不但產(chǎn)生了球團(tuán)狀固相還出現(xiàn)了流體液相。這一工藝成形溫度低，收縮凝固小，成形零件高精度，質(zhì)量良好。生產(chǎn)與應(yīng)用鎂合金半固態(tài)加工技術(shù)包括鑄造流變、鑄造觸變惡化觸變成形注射，具體應(yīng)用觸變成形的方法。這一工藝的優(yōu)勢在于：較低的成形溫度;較低的保溫時間，更少的熱疲勞，極少的熱腐蝕;在高溫時有效避免鎂合金發(fā)生腐蝕與燃燒;液體固化極少，因此限制了收縮孔隙;縮短了周期。

3.高壓鑄造的合金研制

3.1.合金元素

合金的蠕變性能積極改善降低沖擊作用所需要的性能。含有合金元素越高，鋁的含量也就越高，更加容易變脆。但是AE合金表現(xiàn)出了極好的抗蠕變性以及延展性，進(jìn)一步能夠比擬鋁含量相同的AM合金。合金優(yōu)異性能的顯微組織特點是，與金屬之間的相組織形成于樹晶軸間與晶粒邊界上并且體現(xiàn)為片狀結(jié)構(gòu)。這一粗大晶粒可以產(chǎn)生牢固的不易變形的隔離層，在集中應(yīng)力較小的情況下這種片狀結(jié)構(gòu)的金屬容易張開內(nèi)裂紋，發(fā)生變形，在裂紋界面上出現(xiàn)錯位的聚焦。

3.2.AE系合金的性能

3.2.1_機(jī)械性能

將合金元素加入鎂合金之后，對其進(jìn)行拉伸試驗時產(chǎn)生的屈服極限會由于下降的伸長率而提升。在一些鎂合金中，這一損失比要小于其他合金。AE合金的伸長率和強(qiáng)度是最好的匹配。

針對4種鎂合金與A380標(biāo)準(zhǔn)的鋁合金來講，在正常室溫下它們的應(yīng)力和形變之間的關(guān)系曲線類似，但是它們的伸長率不同。相較于應(yīng)用在傳動零件制造的鋁合金，全部鎂合金都體現(xiàn)出了極好的拉伸性。并且AE44合金的各種機(jī)械性能之間的匹配度最佳。

在溫度較高的情況下，斷裂AE44合金會增大伸長率，下降了強(qiáng)度極限。一般，在高溫下AE44合金表現(xiàn)了極好的屈服極限，而塑性在一40℃與+200℃范圍內(nèi)表現(xiàn)最好。

3.2.2.蠕變極限

為了對蠕變極限進(jìn)行測定，拉伸試驗及溫度不同的試驗在恒定負(fù)荷與不同負(fù)荷下進(jìn)行。例如，在不同負(fù)荷150℃下進(jìn)行試驗，時間決定了總體形變，并且重復(fù)試驗也體現(xiàn)出反應(yīng)的材料差異。有時為了實行蠕變試驗，需要在一定溫度下增加載荷。最佳的鎂合金能夠體現(xiàn)出與A380合金接近的蠕變極限性能，AE合金潛力巨大。

4 鎂合金的應(yīng)用

4.1鎂合金在航天航空的應(yīng)用

航天航空工業(yè)作為一個高科技領(lǐng)域，而該領(lǐng)域中所工作的航天航空產(chǎn)品對其使用的材料提出了4點非?？量痰男阅芤螅好芏刃?、剛度大、減震能力強(qiáng)和熱導(dǎo)率高。

鎂合金自身一系列優(yōu)點使得其在航天航空領(lǐng)域中得到巨大的發(fā)展空間。世界各國將不斷的開發(fā)研究鎂合金在航天航空中的應(yīng)用。法國的塞德航空公司直升飛機(jī)的齒輪箱鑄件是由Mg-Zn-Re-Zr鎂合金鑄成，在鎂合金中加少量Ag，使時效強(qiáng)化的稀土鎂合金的拉伸性能得到顯著提高，如民航機(jī)的著落機(jī)輪和直升飛機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)翼附件等。美國已經(jīng)在戰(zhàn)斗機(jī)上應(yīng)用了鎂合金，穩(wěn)定的提升了戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)性能。美國還最早將鎂合金板材應(yīng)用于火箭、螺旋槳、導(dǎo)彈尾翼等航天航空重要部位，這些由鎂合金制造的部件的綜合性能最終替代了傳統(tǒng)使用鋁合金構(gòu)造件，且整體性能得到顯著提升。我國近年來也將鎂合金構(gòu)件應(yīng)用于戰(zhàn)斗機(jī)、直升飛機(jī)、軍用運(yùn)輸機(jī)、民航機(jī)、人造衛(wèi)星、運(yùn)載火箭等。變形鎂合金比鑄造鎂合金具有更高的強(qiáng)度和延伸性能，比傳統(tǒng)的變形鋁合金更輕，因此在已在導(dǎo)彈、軍用雷達(dá)、衛(wèi)星和航天飛機(jī)上大量利用了各種牌號的變形鎂合金。

4.2鎂合金在汽車工業(yè)的應(yīng)用

二十世紀(jì)以來，全球的能源危機(jī)和社會環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，汽車工業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一同樣面臨著節(jié)能減排的挑戰(zhàn)，節(jié)能減排已成為當(dāng)務(wù)之急。汽車的整體重量對其能源消耗有著至關(guān)重要的作用，汽車的自身重量與燃料的使用成正比，汽車重量的減輕就能夠減少燃料的燃燒及減低廢氣的排放量，最終實現(xiàn)節(jié)能減排的效果。因此鎂合金將作為汽車產(chǎn)業(yè)的首選新材料。目前鎂合金在汽車上的應(yīng)用零部件主要歸納為2類。（1）殼體類。如門框、座椅架、發(fā)動機(jī)機(jī)罩、車頂板曲軸箱、變速箱體、離合器殼體、儀表板、氣缸蓋等。（2）支架類。如方向盤、座椅框架、轉(zhuǎn)向支架、剎車支架、分配支架等。鎂合金在汽車上應(yīng)用潛力最大的是整體部件，例如發(fā)動機(jī)機(jī)罩、后備行李箱蓋、車頂板、車體加強(qiáng)板、儀表盤、保險杠、內(nèi)側(cè)車門框架和后部車廂隔板，甚至是油底盤、發(fā)動機(jī)氣缸體和氣缸蓋等。其中有許多鎂合金汽車部件已經(jīng)在開發(fā)甚至開始應(yīng)用。

5結(jié)束語

當(dāng)今不斷涌現(xiàn)的各種高新技術(shù)，發(fā)展速度極快。高新技術(shù)逐漸增加了對傳統(tǒng)工藝的影響，這也是目前科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。傳統(tǒng)的鑄造產(chǎn)業(yè)，在一定程度上其發(fā)展水平對制造業(yè)的發(fā)展造成了限制與影響。鎂鑄造也緊密聯(lián)系高新技術(shù)將是對傳統(tǒng)的鑄造業(yè)的重要改革。新技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用有效提高了企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，提高了企業(yè)本身的競爭能力，也是企業(yè)未來的重要發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

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[2]曾大本，培杰.鎂合金壓鑄業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].鑄造，2009，（2

（作者單位：漢特曼輕金屬鑄造（天津）有限公司）