一鎂合金鑄造成型技術

1.1壓鑄鎂合金

自1927年推出高強度MgAl9Znl以來，鎂合金的工業應用獲得了實質性進展。1936年車公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，至1980年，鎂合金壓鑄件用達38萬噸。德國政府制訂了一個投資2500萬德國馬克的鎂合金研究開發計劃，主要研究壓合金工藝，快速原型化與工具制造技術和半固態成型工藝，以提高德國在鎂合金應用方面的能力。鎂合金具有良好的充型能力，充型后凝固速度較快，對壓鑄型的熱沖擊較小，可用于壓鑄薄壁件而不會出現熱裂和欠鑄等缺陷。鎂合金減輕壓鑄型的熱疲勞現象，延長壓鑄型的使用壽命，縮短壓鑄件的留型時間，壓鑄生產速率比鋁合金快約75%。鎂合金與鐵基本不發生反應，不侵蝕鋼坩堝和壓鑄型，既避免了坩堝對鎂合金液的污染，又延長了鋼坩堝和壓鑄型的壽命，使得鎂合金不但象鋁合金一樣可用于冷室壓鑄機壓鑄，而且可以用效率更高的熱室壓鑄機壓鑄。鎂合金的收縮率均勻一致，脫型力比鋁合金低20%-30%因而，鎂合金壓鑄件不但具有較高的尺寸精度，而且其壓鑄件的清理能耗不到鋁合金壓鑄件60%。壓鑄鎂合金一般以Al為主要合金元素，常用的主要有3個系列：

AZ(Mg-Al-Zn-Mn)，AM(Mg-Al-Mn)，AS(Mg-Al-Si-Mn)系。影響鎂合金壓鑄發展的主要問題是合金液易氧化燃燒，這給熔煉帶來一系列困難，并造成對環境和合金本身的污染，對熔煉設備的侵蝕及壓鑄生產成本的增加。目前，一些研究者正在從事性能接近現有鎂合金的阻燃性鎂合金的研究。

1.2鎂合金半固態鑄造

美國DOWChemical公司開發的半固態熔射成型工藝，它融合了塑料注射成型與金屬壓鑄工藝的特點。用該工藝生產的壓鑄件，內在和表面品質明顯改善，尺寸精度、力學性能和耐蝕性都獲得提高，且不需要配置熔爐，工作環境潔凈。但其成形壓力較高，約為熱室壓鑄的3倍，且鎂合金需預制成屑片，使生產成本提高10%，其設備投資比較昂貴。

1.3擠壓鑄造鎂合金

擠壓鑄造技術的發展趨勢是與其他鑄造成型技術相結合。日本東芝機器公司研究了LEOMACS系統，其特點是將擠壓鑄造與低壓鑄造及電磁定量澆注泵結，不但可減少鑄件的不均勻凝固，合成一體，具有下列特點：

（1）縮短了從供料到擠壓之間金屬液的停留時間，而且縮短了鑄件生產的循環周期；

（2）生產過程中金屬液與空氣隔絕，有效地防止了鎂合金液的氧化燃燒；

（3）鎂合金液可在較低溫度下保溫和澆注。因此該設備可生產形狀復雜的薄壁鎂合金鑄件。但該設備投資很高，限制了其廣泛工業化的應用。

該鑄造工藝可在同一工作單元內實現對熔體的攪拌、壓射及施加擠壓壓力。安裝在壓射室外圍的電磁攪拌裝置用于攪拌降溫過程中的熔體，當達到特定固相分數所要求的攪拌時間后，壓射沖頭將漿料壓入型腔并保溫。這種工藝充分利用了兩種鑄造成型方法的長處，克服流變鑄造本身的局限，并可提高鑄型的壽命。

1.4其他鎂合金鑄造成形方法

低壓鑄造和差壓鑄造已實際用于生產汽車的鎂合金零件。這兩種鑄造方法用于鎂合金的特點是在鑄造過程中將加壓系統與合金的氣體保護有效地結合起來。消失模鑄造是目前國際上最先進的鑄造工藝之一，鎂合金消失模鑄造的優點是

（1）采用干砂，避免了普通砂型鑄造由于水分引起的鎂合金燃燒難題，且消失模氣化形成的還原氣氛，可抑制鎂合金氧化燃燒；

（2）鎂合金收縮率是鋁合金的1.2倍，熱裂傾向大，干砂退讓性好，可有效地解決這個問題。鎂合金消失模鑄造是1種先進材料和先進工藝結合的新技術，在用于生產汽車的復雜零件方面將顯示巨大的優越性。目前，鎂合金消失模鑄造技術的研究和應用剛剛起步，有待于進一步的發展。

二鎂合金的熔煉技術

2.1合金液的阻燃技術

熔劑保護法是利用低熔點的化合物在較低的溫度下熔化成液態，在鎂合金液面鋪開，因阻止鎂液與空氣接觸從而起到保護作用。現在普遍使用的熔劑由無水光鹵石(MgCl2-KC)為主，添加一些氟化物、氯化物組成。該劑使用較方便，生產成本低，保護使用效果好，適合于中小企業的生產特點。但是，該劑使用前要重新脫水，使用時會釋放出嗆人的氣味。由于熔劑的密度較大會逐漸下沉，需要不斷添加。使用過程中釋放出大量有害氣體，污染環境、腐蝕廠房嚴重。因此，研究新型的覆蓋、精煉效果好且無公害的鎂合金熔劑是1項重要課題。

在發達國家，通常用氣體保護法熔煉鎂合金且取得了較好的效果。氣體保護法是在鎂合金液的表面覆蓋1層惰性氣體或者能與鎂反應生成致密氧化膜的氣體，從而隔絕空氣中的氧，采用的主要保護氣體是SF6，SO2，CO2，Ar，N2.等。為了進一步提高保護作用和減少較貴的SF6氣體的用量，國外一般在SF6氣體中混合空氣或其他干燥氣體如CO2.混合氣體保護效果好，但是存在以下問題:

（1）污染環境，SF6會產生SO2，SF4等有毒氣體，SF62對全球變的作用是CO2的24900倍；

（2）設備復雜，需要復雜的混氣裝置和密封裝置。

（3）腐蝕設備，顯著降低坩堝使用壽命。

提高鎂合金液阻燃性較為實用的另一方法是采用合金化法。很早以前，人們就采用在鎂合金中添加鈹元素來提高鎂合金的阻燃性能，但鈹的毒性較大，且加入量過高會引起晶粒粗化和增加熱裂傾向，因此受到添加量的限制。日本學者研究認為，添加一定量的鈣能明顯提高鎂合金的著火點溫度，但是存在著加入量過高，且嚴重惡化鎂合金的力學性能。同時加入鈣和鋯具有阻燃效果。國內研究認為，在鎂合金中同時加入稀土和較高含量的鈹，可獲得能在大氣中直接熔煉、并具有較好鑄造性能和力學性能的鎂合金。我們研究發現了另1種對鎂合金起阻燃作用的元素。試驗結果顯示，加入微量的該元素，并通過與其他元素復合作用可明顯提高鎂液的著火點溫度。該元素對鎂合金還具有晶粒細化和強化等有利作用，改善了鎂合金的力學等性能。

2．2熔體的變質處理技術

鎂合金熔煉變質的目的是改變鎂合金的組織形態，該工藝對合金的晶粒大小和力學性能有較大的影響，且對鎂液中的氧化夾雜亦有一定影響。研究表明，對于不含Al的鎂合金，采用鋯進行變質處理具有很好的晶粒細化效果，作用原理是Zr發生包晶反應，促進晶粒細化。在Mg-Al類合金中加入合適的碳素材料后，使其與合金液起化學反應生成AlC4，該化合物可以起到外來晶核的作用，促使鎂合金的晶粒細化，采用CcCl6是工藝措施之一。最近，日本采用氬氣混合加入高純碳粉的工藝方法加入碳，獲得了較好的變質效果，并考察了加入溫度、處理時間等因素對變質效果的影響。我們的試驗研究表明，在含Mg，Al等合金元素的條件下，對工業用鎂合金液采用過熱高溫處理具有明顯的晶粒細化作用。將高溫鎂合金熔體快速降至低溫進行澆注，鑄件仍能保留晶粒細化的效果，顯示鎂合金組織結構具有遺傳性。我們另外的研究還顯示，用碳酸鹽對鎂合金液進行處理也具有較好的變質作用。

三新型高性能鎂合金的研究和開發

為了提高鎂合金的耐熱性能，國內、國外的研究者還研已經開發出一系列含稀土的鎂合金，開發了含Zr高溫鎂合金，Mg-Al-Si基合金，Mg-Zn-Cu基合金等。究了顆粒增強和石墨纖維增強鎂基復合材料。鎂合金的另一用途是制備非晶合金材料。研究表明，鎂基合金具有很強的非晶形成能力。通過快速凝固方式，可以制成具有很高強度和韌性的非晶材料，目前，已制出9mm直徑的桿狀鎂基非晶。鎂基合金是塊體非晶未來發展方向之一。另據報導，鎂基合金作為儲氫功能材料具有儲氫能力強、原材料便宜等一系列優點，鎂可以儲存7.7%的氫，用機械合金化方法已經生產出實用的鎂基儲氫功能材料，目前，正在實驗室進一步的試驗研究。我們采用快速凝固的方法開展了鎂基非晶材料的研究，認為Mg-Ni-RE合金、Mg-Al-Ca合金具有較強的非晶形成能力，非晶的形成與諸多因素有關，尤其是合金成分對非晶形成能力有重要的影響，非晶形成能力還與熔體的粘滯性有聯系。性能測試顯示，基非晶材料的耐蝕性能、韌性和硬度明顯地提高。隨著對電器、管道使用壽命的不斷提高，研究更有效的陽極犧牲材料具有重要的實際意義。最常用的鎂陽極材料為AZ63A(Mg-Al-Zn)合金，目前，已研究開發了含錳鎂合金陽極材料，該類材料具有更高的電負性和電流效率，國外應用較廣。我們正在研究更高電流效率的鎂基腐蝕控制材料。

四展望

未來世界，鎂合金鑄件將大量被應用是不容質疑的。我國豐富的鎂礦資源為發展鎂合金提供了物質基礎。僅舉一例說明鎂合金的應用前景：專家預測，2005年轎車耗油量一般要降到3L/100Km，要求二氧化碳排放量減低至120mg/Kg。當汽車自重減少100k、每行駛100km，可減少油耗0.4ml，因此汽車采用更多的鎂合金鑄件是理所當然的。預計2030年全世界將擁有汽車10億輛，鎂合金鑄件的用量也是可想而知。我國在鎂合金方面的研究與應用開發才剛剛起步，與國外相比有較大的差距。可以確信，鎂合金作為最有發展前途的金屬材料將被廣泛應用于汽車工業及其他各種產品中。在認識到國際的發展趨勢和我國研究應用現狀后，我們應該有所作為，迎頭趕上時代的潮流，趕超世界先進水平，為迎接鎂合金應用高潮的到來作好理論和技術上的準備，為鎂合金材料科學的發展做出貢獻。