鎂合金壓鑄技術的綜述

張 洪 譚香玲

（湖南鐵路科技職業技術學院 湖南 株洲 412000）

鎂合金具有比強度、比剛度高,阻尼減震性能優良,機械加工方便，易于回收利用，符合環保要求等特性，在汽車、航空及3C領域等行業的應用呈現快速的增長，是當今實際生產中采用的最輕的金屬結構工程材料[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、生產周期短、模具使用壽命長等優勢。目前，70%以上采用鎂合金壓鑄成形。

1 鎂合金壓鑄設備的研究

鎂合金用壓鑄機有熱室和冷室兩大類。一般來說，通訊產品等許多小薄壁件采用熱室壓鑄機；大、壁厚及復雜零件，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出鎂合金半固態觸變射壓鑄造機。JSW和Husky兩家公司已于2003年開發出第二代觸變注射成形機，目前已研制生產出從6000kN到20000kN的半固態鑄造用壓鑄機，成形件重量可達7kg以上[4]。據最新報告，國內首臺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，必將使我國在鎂合金材料的應用及壓鑄業的整體技術水平再上一個臺階。

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，型溫用循環熱煤油等介質可精確制在270±5℃，并實現了外圍設備和原輔材料的專業化生產。在近年，我國在鎂合金壓鑄設備上取得了一定的成績。但是，目前的國產壓鑄機性能與國外先進設備相比有較大差距，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的迅速發展。為此，合理地選擇適用的壓鑄機，是一項技術性和經濟性都很強的工作。

2 鎂合金壓鑄工藝參數的研究

在壓鑄生產過程中，選擇合適的工藝參數是獲得優質鑄件先決條件。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。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]采用數值技術對半固態AZ91D鎂合金的壓鑄過程進行了研究，結果表明：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，型腔末端大部分區域處于固相線溫度以下，因此壓鑄速度應不小于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 鎂合金傳統壓鑄

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狀態充填壓鑄型腔，使型腔內的氣體及由壓鑄涂料產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，或者形彌散分布在壓鑄件內的高壓微氣孔。在高溫下，這些高壓下溶解的氣體和微氣孔析出或膨脹導致鑄件變形和表面鼓泡。因此用傳統的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。

3.2 鎂合金真空壓鑄

真空壓鑄的主要優點有；減少鑄件內部氣孔、改善鑄件表面質量和有利于生產過程鑄件尺寸的穩定性。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值模擬，比較真空壓鑄與普通壓鑄對鑄件氣孔率的影響。結果表明：與壓鑄相比，真空壓鑄能有效減少鑄件的氣孔率、改善鑄件質量。由此看來，真空壓鑄在減少鑄件內含氣量方面無疑是十分有效的，但是。只有以常規壓鑄為基礎，真空壓鑄才會有明顯的效果，并且采用真空壓鑄時，還應注意真空氣道的設計及其面積的計算，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備，模具精度要求較高的，提高了成增加了技術難度和成本。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，當能與氧氣發生反應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生反應，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。

熔化狀態易與氧氣發生反應的鋁、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點外，還可以大大縮短鎂合金的時效時間。與普通壓鑄，經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]通過研究發現：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

鎂合金半固態壓鑄是一種非常新的金屬成形技術[13~14]。與壓鑄、擠壓鑄造以及傳統的鍛造相比，觸變成形有許多優勢。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展，大致先后經過兩個階段：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出鎂合金/鋁合金復合材質的汽車輪，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，再與鋁制輪緣結合(用鍍鉻螺栓)。整個過程只需一次注射成形，一次鍛造，再經熱處理后，經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、尺寸精度及優良品率，可更容易地生產薄壁筆記本外殼等[13~14]。

肖澤輝[17]采用雙螺桿機械攪拌方式制備半固態漿料,研究了AZ91D鎂合金半固態漿料的流變壓鑄成形工藝。結果表明:壓射壓力在40-50MPa,壓射充型速度在10-15m/s內,固相率在10%-60%的漿料都能流變壓鑄成薄壁圓形鑄件,半固態流變壓鑄成形比液態壓鑄成形的強度、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“凈近成形”。

4 結束語

目前，鎂合金成形方法有許多。根據鎂合金的性能特點及產品的結構特點，在現有的研究基礎上研究出最適合鎂合金成形的成形方法，對加大鎂合金的應用很有實際意義。

壓鑄鎂合金的充型規律、充型性能與充型臨界壁厚、壓鑄工藝參數的關系的研究，對促進鎂合金研究的發展是不可忽略的。

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

［1］肖澤輝，羅吉榮.鎂合金鑄造生產在我國的現狀及其發展對策[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的發展.鑄造，2005（17）：48-51.

［5］譚欽平.鎂合金壓鑄件生產技術的研究[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AZ91D鎂合金壓鑄過程的數值模擬.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壓鑄的數值模擬.輕合金加工技術，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.壓鑄鎂合金的應用現狀及發展趨勢.鑄造，1998（12）:50-52.

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

［14］王渠東,丁文江.鎂合金及其成形技術的國內外動態與發展.材料科學，2004.26(3)：39-46.

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

［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半固態流變壓鑄成形的研究[J].熱加工工藝,2004(2):78-80.