4鎂合金熔煉作業與安全生產

由于鎂合金液很容易氧化，而且表面生成的氧化膜是疏松的，其致密系數α值僅為0.79，不能防止合金繼續氧化。鎂合金液與大氣中氧、水蒸氣、氮反應生成不熔于鎂液的難熔的MgO、Mg3N2等化合物，混入鑄型后即形成“氧化夾渣”。因此，熔煉合金時防氧化至關重要。鎂合金的熔體保護主要有兩種方法，即熔劑保護和氣體保護。

用保護熔劑熔煉通常會帶來以下問題：(1)氯鹽和氟鹽高溫下易揮發產生有毒氣體，如HCl，Cl2，HF等；(2)由于熔劑的密度較大，部分熔劑會隨同鎂液混入鑄型造成“熔劑夾渣”；(3)熔劑揮發產生的氣體有可能滲入合金液中，成為材料使用過程中的腐蝕源，加速材料腐蝕，降低使用壽命。

目前多數廠家使用氣體保護，即用干燥的SF6、N2、CO2、SO2氣體中的2～4種組成混合氣體，在鎂合金熔池表面形成致密的連續薄膜以阻止鎂合金液的氧化。SF6不是毒性氣體，但它對地球的溫室效應比CO2嚴重24000倍，而鎂工業的SF6用量占世界總用量的7%(1996年)，將來必然會限制其用量乃至停止其使用，但目前尚未找到SF6的合適替代物。研究表明，用硫磺粉末撒于熔池表面形成的SO2對鎂合金液有保護作用。

鎂合金壓鑄件生產的危險大多由加工及后處埋過程中的過失所引起。據日本方面統計，鎂合金壓鑄件生產過程中引發的危險，熔煉占25%，鑄造占10%，加工占39%，貯藏及廢棄物占16%，電氣占3%，其他占7%。顯然，加工和后處理過程的危險性超過壓鑄過程3～4倍。加工過程中，無論是噴砂、車削、銑削、拋光等，均不可避免會產生鎂塵屑及火花，如廠房內通鳳不良，空氣中鎂塵濃度過大，一旦火花與空氣或地面的鎂塵接觸，輕則燃燒，重則爆炸。因此廠房內必須安裝集塵器并配備防火砂及防火設施。

5壓鑄型設計

由于鎂合金的化學、物理參數及壓鑄特性與鋁合金有很大差異，因此鑄型設計則不能完全套用鋁合金壓鑄型設計原則[8]。

鎂合金液易氧化燃燒，鑄造時熱裂傾向比鋁合金大，在熔化、澆注及壓鑄型溫控制等方面都比鋁合金壓鑄復雜。鎂合金充型時間短，排氣問題尤為突出，鎂合金的比熱容和相變潛熱均比鋁合金低，因而壓鑄過程中容易發生局部(薄截面部位)提前結晶現象，導致補縮通道堵塞，產生澆不足的缺陷。鎂合金壓鑄型設計主要考慮以下幾個方面：

(1)壓鑄機選擇。采用何種形式的壓鑄機進行生產主要取決于鑄件的壁厚。RolandFink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。

(2)工藝參數。在壓鑄生產過程中，選擇合適的工藝參數是獲得優質鑄件發揮壓鑄機最大生產率的先決條件，是正確設計壓鑄模的依據。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等。由于壓鑄件壁厚和復雜程度的不同，工藝參數選擇的變化范圍很大。鎂合金同鋁、鋅合金相比，流動性更好，因此二級壓射速度可以更大，鎂合金的沖頭速度比鋁合金快約30%，最大甚至超過10m/s。由于鎂合金鑄造性能如流動性對型溫和澆注溫度相當敏感，在充型過程中鎂合金液極易凝固，必須精確控制型溫和澆注溫度，否則就易出廢品。

(3)澆注系統設計。澆注系統對金屬液流動的方向、排氣溢流條件、模具的溫度分布、壓力的傳遞、充填時間的長短及金屬液通過澆道處的速度和流動狀態等各個方面，起著重要的控制與調節作用。澆注系統設計總結如下：

內澆道位置：由于鎂合金在型腔中比鋁、鋅等合金凝固都要快，并且一般鎂合金壓鑄件為薄壁零件，因此內澆道位置的選擇必須盡量避免直接沖擊型腔表面，保證金屬液在型腔中的流動路徑最短，以防止出現澆不足和冷隔現象。

充型速度：一般說來，由于鎂合金的熱力學特性，合金向模具的熱傳遞速度很快，而且凝固區間大，流動性較差，因此為避免澆道鎂液過早凝固，應使鎂液高速平穩地充入型腔[9]。一般內澆道流速為90～100m/s，對于有些薄壁鎂合金壓鑄件來說，內澆道速度甚至高達20m/s。

內澆道尺寸：在許多情況下，內澆道通過機加工去掉。內澆道寬度應該小于壁厚的50%，以避免修邊過程中對鑄件造成損傷。為了獲得最小的內澆道厚度，同時保證鎂壓鑄件薄壁的要求，內澆道寬度應該盡量取大以保證合適的內澆道截面積。

充填時間：它與內澆道速度緊密相關，對于表面質量要求高的薄壁鑄件影響很大。充填時間較鋁合金少0%，通常取為10～100ms。

溢流槽設計對于薄壁鎂合金壓鑄件，最佳的溢流槽入口面積約為內澆道截面積的20%～25%[9]。

5充型過程的研究計算機模擬

隨著鎂合金鑄件的應用領域日趨廣大，對壓鑄鎂合金的充型性能提出了更高的要求。而目前對壓鑄鎂合金的充型規律、充型性能與壓鑄工藝參數的關系、充型臨界壁厚等了解甚少，因此，亟需進行系統研究。為此，應大力開展鎂合金充型及凝固過程的計算機模擬研究，并在此基礎上形成專家系統，以指導壓鑄工藝的制定、壓鑄型設計、壓鑄件質量控制，提高鎂合金壓鑄件的合格率及壓鑄型的使用壽命。

數值模擬軟件在汽車鎂壓鑄件中應用最為普遍，德國的一些汽車行業已經成功地模擬了座椅架、觸變成型燃油泵、奧迪5倍速變速箱、車輪、4缸發動機缸體等汽車用鎂合金壓鑄件，有效地縮短了產品開發周期，極大增強了企業市場競爭能力。

6在汽車工業中的應用前景

據文獻報道，現在世界工程構件鎂合金需求的98%來自于壓鑄行業，而其中的70%以上又用于汽車工業，因此鎂合金的壓鑄工藝性能對其在工業中應用的發展起著決定性的作用。

北美是鎂合金用量最多的地區，其年發展速度為30%。著名的汽車公司如福特、通用和克萊斯勒等公司在過去的十幾年里一直致力于新型鎂合金和鎂合金離合器殼體、轉向柱架、進氣歧管及照明夾持器等汽車零部件的開發與應用。1996年政府能源部與通用、福特和克萊斯勒三大集團簽署了一項名為“PNGV”(新一代交通工具)的合作計劃，該計劃的目的在于生產出符合市場要求的節能轎車。通用汽車公司于1997年成功地開發出鎂合金汽車輪轂，并且與世界最大的鎂生產與加工公司——Hydro公司簽定了應用鎂合金壓鑄件的協議；威斯康辛Lindberg觸變成形發展中心對鎂合金壓鑄技術進行了創新，采用半固態壓鑄技術生產出鎂合金賽車離合器片與汽車傳動零件。歐洲的鎂合金用量僅次于北美，其年發展速度為60%。著名的奔馳汽車公司最早將鎂合金壓鑄件應用于汽車座支架，奧迪汽車公司第一個推出鎂合金壓鑄汽車儀表板，可以說德國是推動鎂合金壓鑄發展的先驅與主力軍。1997年，德國又由聯邦科技教育部(BMBF)牽頭，聯合大眾汽車公司等50余家企業和慕尼黑工業大學等6所大學及研究所，投資2500萬馬克進行了一項為期3年的“MADICA”(鎂合金壓鑄)發展項目。豐田汽車公司首先制造出鎂合金汽車輪轂、轉向軸系統、凸輪罩等零部件；三菱公司與澳大利亞工業科技部合作，開發出超輕量鎂合金發動機。目前，日本的各家汽車公司都生產和應用了大量的鎂合金殼體類壓鑄件。圖1是1991～2006年世界各地區鎂合金壓鑄件需求量情況。圖2是1997年世界上鎂合金用量最大的10家汽車公司。

近年來，人類對汽車提出了進一步減輕重量、降低燃耗和排放、提高駕駛安全性和舒適性的要求，由于鎂比鋼材輕75%，用鎂合金壓鑄件取代鋼件可使轎車單重減少10%，而車體重量每減少100kg則百公里油耗可減少0.7，因此汽車用鎂合金壓鑄件產量在工業發達國家出現了持續快速增長的勢頭。福特汽車公司的目標是力爭幾年后中型車百公里油耗少到3升；目前AudiA6轎車的單車鎂合金壓鑄件總重已達14.2kg。其未來目標是將單車鎂合金壓鑄件總重增加到50～80kg。日本三菱鋁業公司正與澳大利亞工業科技部合作開發一種超輕質量的鎂發動機。

目前，轎車上采用鎂合金的部件有座椅上一些部件、膝墊、轉向柱部件、轉向盤、制動與離合器踏板托架、安全氣囊限制裝置、踏板托架、轎車音響小的散熱器框架、鏡托架以及可開式車頂的一些部件；轎車發動機中的發動機機體、氣缸蓋、進氣管、油泵殼體、輔助裝置的支架以及電器接線裝置；還有變速箱、離合器殼體、轉向盤.柱、閥蓋、閥板、車窗、馬達殼體、油濾接頭、進氣歧管、鏡罩、大燈保持架、制動防抱死系統的托架、車輪、油箱門。未來的發展中，在一些大型壓鑄件上，也將拓展它的應用，如車頂、發動機蓋、后艙蓋、內門板框架、儀表板等。其它的如需要安全及高斷裂韌性的零部件，也將是鎂合金拓展應用的領域，如座椅框架、轉向柱、車身保護板、發動機前的散熱器格柵加強板及一些車身結構支撐件。目前，我國汽車上使用鎂壓鑄件只有桑塔納轎車的變速器箱體和箱蓋。

汽車在向著更安全、更輕便、更省材與更節能、環境污染更輕、更舒適的方向發展，要求對汽車采用新的概念設計，這為鎂合金在汽車工業中的應用開僻了更加廣闊的領域。鎂合金壓鑄件在汽車中的應用量將隨著汽車產量的逐漸增長而以更快的速度上升。

7結語

鎂合金壓鑄是一個集設計、制造與研究于一體的系統工程，鎂合金壓鑄工作者與從事鋅、鋁合金壓鑄的人員相比，應具有更全面的知識、經驗和研究開發能力。

汽車用鎂合金主要是壓鑄類產品，采用鎂壓鑄件使汽車質量減輕，耗油量減少，排出廢氣減少；且鎂合金壓鑄件具有降噪減振性能和鑄造精度高等優點，綜合經濟效益好，是汽車輕量化最有希望的重要材料，具有廣闊的應用前景。

我國是鎂資源極其豐富的國家，但由于目前我國在鎂合金壓鑄技術和應用方面處于落后地位，鎂資源大部分以初級產品形式出口國外，鎂的出口生產量遠大于國內消費量。隨著國內汽車工業及計算機、信息、通訊、儀表、航空航天等產業的迅速發展，我國的鎂合金壓鑄工業也必將在強手如林的世界市場上占有一席之地。