镁合金压铸技术的几个主要问题及其应用前景

作者：朱元右 姜银方

欢迎访问e展厅 展厅 8 有色金属展厅 铝/铝合金, 镁/镁合金, 钛/钛合金, 铜/铜合金, 镍/镍合金, ... 1前言 镁合金材料1808年面世, 1886年始用于工业生产。镁合金压铸技术从1916年成功地将镁合金用于压铸件算起，至今也经历了八十余年的发展。人类在认识和驾驭镁合金及其制品的生产技术方面，经历了漫长的探索历程。从1927年推出高强度MgAl9Zn1开始，镁合金的工业应用获得了实质性的进展。1936年德国大众汽车公司开始用压铸镁合金生产“甲壳虫”汽车的发动机传动系统零件，1946年单车使用镁合金量达18kg左右。美国在1948～1962年间用热室压铸机生产的汽车用镁合金压铸件达数百万件。尽管如此，过去镁合金作为结构材料主要用于航空领域，在其它领域，世界上镁的主要用途是生产铝合金，其次用于钢的脱硫和球墨铸铁生产。 近年来, 由于人们对产品轻量化的要求日益迫切，镁合金性能的不断改善及压铸技术的显著进步，压铸镁合金的用量显著增长。特别是人类对汽车提出了进一步减轻重量、降低燃耗和排放、提高驾驶安全性和舒适性的要求, 镁合金压铸技术正飞速发展。此外，镁合金压铸件已逐步扩大到其他领域，如手提电脑外壳，手提电锯机壳，鱼钩自动收线匣，录像机壳，移动电话机壳，航空器上的通信设备和雷达机壳，以及一些家用电器具等。 镁主要由含镁矿石提炼。我国辽宁省大石桥市一带的菱镁矿储量占世界储量的60%以上，矿石品位高达40%以上。我国生产的镁砂和镁砂制品大量用于出口。充分利用我国丰富的镁砂资源进行深度开发，结合我国汽车、计算机、通讯、航天、电子等新兴产业的发展，促进镁合金压铸件的生产和应用，是摆在我国铸造工作者面前的一项任务。 2、压铸镁合金的研究 镁合金的密度小于2g/cm3，是目前最轻的金属结构材料，其比强度高于铝合金和钢，略低于比强度最高的纤维增强塑料；其比刚度与铝合金和钢相当，远高于纤维增强塑料；其耐腐蚀性比低碳钢好得多，已超过压铸铝合金Ａ380；其减振性、磁屏蔽性远优于铝合金[1]；鉴于镁合金的动力学粘度低，相同流体状态(雷诺指数相等)下的充型速度远大于铝合金，加之镁合金熔点、比热容和相变潜热均比铝合金低，故其熔化耗能少，凝固速度快，镁合金实际压铸周期可比铝合金短50%。此外，镁合金与铁的亲和力小，固溶铁的能力低，因而不容易粘连模具表面，其所用模具寿命比铝合金高2～3倍。 常用的压铸镁合金大多是美国牌号AZ91，AM60，AM50，AM20，AS41和AE42，分别属于Mg-Al-Zn，Mg-Al-Mn，Mg-Al-Si和Mg-Al-RE四大系列。对与压铸镁合金，目前主要有以下几个方面的研究： (1) 高温使用性能：目前AZ及AM两个系列的镁合金压铸件占汽车用镁合金压铸件的90%，这两个系列的镁合金在150℃以上强度均明显下降。现已开发出150℃以上抗蠕变能力的AS系列压铸镁合金，如AS41A合金(Mg43%Al1%Si0.35%Mn)，其175℃蠕变强度优于AZ91D和AM60B，且有较高伸长率、屈服强度和抗拉强度。大众公司Beetle发动机曲轴箱以前一直采用AS41和AS42，最近采用的一种改进的合金AE42在高温下的蠕变性能则更好些[1,2]。某些微量元素如稀土元素Y、Nd、Sr等，对压铸镁合金具有明显的晶粒细化作用，可提高压铸镁合金的强度和抗蠕变能力，如最近研制的AE42的抗蠕变能力优于传统MgAlSi合金，可在200～250℃长期使用[3]。但AS和AE合金对高温性能的改善仍是有限的，其铸造性能比AZ和AE合金要差，加之稀土元素成本高，使生产和应用受到一定限制。 (2) 延展性：目前，镁压铸件在需要安全及高断裂韧性的用途上增长非常迅速。在工作情况下要提高吸收能量的能力，就应提高材料的断裂韧性。通过在合金中减少铝，可以做到这点。AM60和AM50在仪表板托架、转向盘转轴及座椅等安全部件上得到广泛应用，AM20目前还应用到座椅的后背框架。另外，断裂延伸率与温度关系也是相当密切的，尤其是在约50℃以上时，随温度的增加而增加。 (3) 镁合金的耐蚀性：耐蚀性也曾是镁合金扩大应用的一大障碍。镁的化学活性高，以镁为基的合金和复合材料易发生微电池腐蚀，一般低纯度压铸镁合金的耐蚀性差。严格规定了Fe，Ni，Cu等杂质元素的高纯度压铸镁合金(如AZ91D)，以及含稀土的AE42，其盐雾试验的耐蚀性已超过压铸铝合金A380，远好于低碳钢[4]。调整化学成分、表面处理和控制微观组织等均可改善其耐蚀性。尽管提高镁合金件耐蚀性的方法众多，但若不从材质本身解决问题，耐蚀性差始终是镁合金件获得大量应用的一个技术障碍。 (4) 阻燃镁合金：在镁合金中添加Al(2.5%)、Be合金(Be加入量为0.0005%～0.03%)或含Ca合金，也可有效地防止镁合金液的氧化。目前，一些研究者正在从事具有阻燃性能镁合金的研究[5]，这一研究一旦获得成功，则镁合金就像铝合金一样熔炼和铸造，获得更为广泛的应用前景。 (5) 镁合金基复合材料：用碳化硅等颗粒增强的镁合金基复合材料已进行了多年的研究开发，目前虽尚未达到在压铸领域商业应用的阶段，但已用砂型铸造、精密铸造等方法制成了叶轮、自行车曲柄、汽车缸套等铸件，并有将这种复合材料与半固态铸造相结合，应用于压铸和挤压铸造领域的发展趋势[5]。 3镁合金压铸方式 镁合金可用冷室或热室压铸机压铸。目前对热室压铸机的改进主要包括：采用储能器增压，压射柱塞的压射速度可达6m/s；感应加热鹅颈管和喷嘴，使之保持最适宜温度；采用双炉熔化保温，并采用绝热装置和再循环管道，精确保持熔池温度。当用普通冷室压铸机压铸镁合金时，必须对压铸机的压射系统和自动给料系统进行必要的改造，使之适用于镁合金压铸的要求。改造的内容包括： (1) 将压射系统的快压射速度由压铸铝合金时的4～5ｍ/ｓ提高到6～10ｍ/ｓ； (2) 缩短增压过程的建压时间； (3) 提高压射力； (4) 采用电磁自动定量给料装置，防止镁合金在浇注过程中氧化； (5) 如采用真空压铸等特种压铸工艺时，配置必要的配套设备。 与其他压铸合金一样，传统的压铸技术使镁合金液以高速的紊流和弥散状态充填压铸型腔，气体在高压下或者溶解在压铸合金内，或者形成许多弥散分布在压铸件内的高压微气孔。因此用传统压铸方法生产的镁合金压铸件不能进行热处理强化，也不能在较高温度下使用。为了消除这种缺陷，提高压铸件的内在质量，扩大压铸件的应用范围，近20年来研究开发了一些新的压铸方法，其中包括充氧压铸，半固态金属流变或触变压铸和挤压铸造，以及几经起伏的真空压铸等。 真空压铸通过在压铸过程中抽除型腔内的气体而消除或显著减少压铸件内的气孔和溶解气体，提高压铸件的力学性能和表面质量。目前已成功地在冷室压铸机上用真空压铸法生产出AM60B镁合金汽车轮毂，在锁型力为2940kN的热室压铸机上生产出AM60B镁合金汽车方向盘零件，铸件伸长率由8%提高至16%[6]。 充氧压铸又称无气孔压铸(Pore-Free Die Casting Process，即P.F法)。该法在金属液充型前，将氧气或其他活性气体充入型腔，置换型腔内的空气，金属液充型时，活性气体与充型金属液反应生成金属氧化物微粒弥散分布在压铸件内，从而消除压铸件内的气体，使压铸件可热处理强化。日本轻金属(株)用充氧压铸法生产计算机的AZ91镁合金整体磁头支架，代替原先的多层叠合支架，不但减轻了支架重量，并且取得了很大的经济效益。该公司还用充氧压铸法成批生产了AM60镁合金汽车轮毂和摩托车轮毂，与铝轮毂相比，重量减轻15%。 近年来美国、日本和英国等国的公司相继成功开发出镁合金半固态触变射压铸造机。镁合金半固态触变射压铸造机以一定压力将半固态镁合金射入压铸型内而使之成形，其工作原理类似于注塑机。它将预制的非枝晶态镁粒送入螺旋给料机构，在螺旋给料机构中将镁粒加热到半固态，并通过螺旋给料机构另一端的镁合金浆料收集室将半固态镁合金浆料送入压射室进行射压成形。这种铸造成形方法代表了镁合金铸件生产的一个发展方向。 4镁合金熔炼作业与安全生产 由于镁合金液很容易氧化，而且表面生成的氧化膜是疏松的，其致密系数α值仅为0.79，不能防止合金继续氧化。镁合金液与大气中氧、水蒸气、氮反应生成不熔于镁液的难熔的MgO、Mg3N2等化合物，混入铸型后即形成“氧化夹渣”。因此，熔炼合金时防氧化至关重要。镁合金的熔体保护主要有两种方法，即熔剂保护和气体保护。 用保护熔剂熔炼通常会带来以下问题： (1) 氯盐和氟盐高温下易挥发产生有毒气体，如HCl，Cl2，HF等； (2) 由于熔剂的密度较大，部分熔剂会随同镁液混入铸型造成“熔剂夹渣”； (3) 熔剂挥发产生的气体有可能渗入合金液中，成为材料使用过程中的腐蚀源，加速材料腐蚀，降低使用寿命。 目前多数厂家使用气体保护，即用干燥的SF6、N2、CO2、SO2气体中的2～4种组成混合气体，在镁合金熔池表面形成致密的连续薄膜以阻止镁合金液的氧化。SF6不是毒性气体，但它对地球的温室效应比CO2严重24000倍，而镁工业的SF6用量占世界总用量的7%(1996年)，将来必然会限制其用量乃至停止其使用，但目前尚未找到SF6的合适替代物。研究表明，用硫磺粉末撒于熔池表面形成的SO2对镁合金液有保护作用[7]。 镁合金压铸件生产的危险大多由加工及后处埋过程中的过失所引起。据日本方面统计，镁合金压铸件生产过程中引发的危险，熔炼占25%，铸造占10%，加工占39%，贮藏及废弃物占16%，电气占3%，其他占7%。显然，加工和后处理过程的危险性超过压铸过程3～4倍。加工过程中，无论是喷砂、车削、铣削、抛光等，均不可避免会产生镁尘屑及火花，如厂房内通凤不良，空气中镁尘浓度过大，一旦火花与空气或地面的镁尘接触，轻则燃烧，重则爆炸。因此厂房内必须安装集尘器并配备防火砂及防火设施。 5压铸型设计 由于镁合金的化学、物理参数及压铸特性与铝合金有很大差异，因此铸型设计则不能完全套用铝合金压铸型设计原则[8]。 镁合金液易氧化燃烧，铸造时热裂倾向比铝合金大，在熔化、浇注及压铸型温控制等方面都比铝合金压铸复杂。镁合金充型时间短，排气问题尤为突出，镁合金的比热容和相变潜热均比铝合金低，因而压铸过程中容易发生局部(薄截面部位)提前结晶现象，导致补缩通道堵塞，产生浇不足的缺陷。镁合金压铸型设计主要考虑以下几个方面： (1) 压铸机选择。采用何种形式的压铸机进行生产主要取决于铸件的壁厚。Roland Fink在对“镁合金压铸工艺的优化”问题进行研究的过程中，通过对镁合金压铸经济性、冷室压铸和热室压铸过程分析提出，一般情况下小于1kg的铸件需要采用热室压铸机，以保证薄壁件的充满，大件则推荐采用冷室压铸机。 (2) 工艺参数。在压铸生产过程中，选择合适的工艺参数是获得优质铸件发挥压铸机最大生产率的先决条件，是正确设计压铸模的依据。压铸时，影响合金液充填成型的因素很多，其中主要有压射压力、压射速度、充填时间和压铸模温度等等。由于压铸件壁厚和复杂程度的不同，工艺参数选择的变化范围很大。镁合金同铝、锌合金相比，流动性更好，因此二级压射速度可以更大，镁合金的冲头速度比铝合金快约30%，最大甚至超过10ｍ/ｓ。由于镁合金铸造性能如流动性对型温和浇注温度相当敏感，在充型过程中镁合金液极易凝固，必须精确控制型温和浇注温度，否则就易出废品。 (3) 浇注系统设计。浇注系统对金属液流动的方向、排气溢流条件、模具的温度分布、压力的传递、充填时间的长短及金属液通过浇道处的速度和流动状态等各个方面，起着重要的控制与调节作用。浇注系统设计总结如下： 内浇道位置：由于镁合金在型腔中比铝、锌等合金凝固都要快，并且一般镁合金压铸件为薄壁零件，因此内浇道位置的选择必须尽量避免直接冲击型腔表面，保证金属液在型腔中的流动路径最短，以防止出现浇不足和冷隔现象。 充型速度：一般说来，由于镁合金的热力学特性，合金向模具的热传递速度很快，而且凝固区间大，流动性较差，因此为避免浇道镁液过早凝固，应使镁液高速平稳地充入型腔[9]。一般内浇道流速为90～100ｍ/ｓ，对于有些薄壁镁合金压铸件来说，内浇道速度甚至高达20ｍ/ｓ。 内浇道尺寸：在许多情况下，内浇道通过机加工去掉。内浇道宽度应该小于壁厚的50%，以避免修边过程中对铸件造成损伤。为了获得最小的内浇道厚度，同时保证镁压铸件薄壁的要求，内浇道宽度应该尽量取大以保证合适的内浇道截面积。 充填时间：它与内浇道速度紧密相关，对于表面质量要求高的薄壁铸件影响很大。充填时间较铝合金少0%，通常取为10～100ｍｓ。 溢流槽设计对于薄壁镁合金压铸件，最佳的溢流槽入口面积约为内浇道截面积的20%～25%[9]。 5充型过程的研究计算机模拟 随着镁合金铸件的应用领域日趋广大，对压铸镁合金的充型性能提出了更高的要求。而目前对压铸镁合金的充型规律、充型性能与压铸工艺参数的关系、充型临界壁厚等了解甚少，因此，亟需进行系统研究。为此，应大力开展镁合金充型及凝固过程的计算机模拟研究，并在此基础上形成专家系统，以指导压铸工艺的制定、压铸型设计、压铸件质量控制，提高镁合金压铸件的合格率及压铸型的使用寿命[10]。 数值模拟软件在汽车镁压铸件中应用最为普遍，德国的一些汽车行业已经成功地模拟了座椅架、触变成型燃油泵、奥迪5倍速变速箱、车轮、4缸发动机缸体等汽车用镁合金压铸件，有效地缩短了产品开发周期，极大增强了企业市场竞争能力[10]。 6在汽车工业中的应用前景 据文献[11]报道，现在世界工程构件镁合金需求的98%来自于压铸行业，而其中的70%以上又用于汽车工业，因此镁合金的压铸工艺性能对其在工业中应用的发展起着决定性的作用。 北美是镁合金用量最多的地区，其年发展速度为30%。著名的汽车公司如福特、通用和克莱斯勒等公司在过去的十几年里一直致力于新型镁合金和镁合金离合器壳体、转向柱架、进气歧管及照明夹持器等汽车零部件的开发与应用。1996年政府能源部与通用、福特和克莱斯勒三大集团签署了一项名为“PNGV”(新一代交通工具)的合作计划，该计划的目的在于生产出符合市场要求的节能轿车。通用汽车公司于1997年成功地开发出镁合金汽车轮毂，并且与世界最大的镁生产与加工公司——Hydro公司签定了应用镁合金压铸件的协议；威斯康辛Lindberg触变成形发展中心对镁合金压铸技术进行了创新，采用半固态压铸技术生产出镁合金赛车离合器片与汽车传动零件。欧洲的镁合金用量仅次于北美，其年发展速度为60%。著名的奔驰汽车公司最早将镁合金压铸件应用于汽车座支架，奥迪汽车公司第一个推出镁合金压铸汽车仪表板，可以说德国是推动镁合金压铸发展的先驱与主力军。1997年，德国又由联邦科技教育部(BMBF)牵头，联合大众汽车公司等50余家企业和慕尼黑工业大学等6所大学及研究所，投资2500万马克进行了一项为期3年的“MADICA”(镁合金压铸)发展项目。丰田汽车公司首先制造出镁合金汽车轮毂、转向轴系统、凸轮罩等零部件；三菱公司与澳大利亚工业科技部合作，开发出超轻量镁合金发动机。目前，日本的各家汽车公司都生产和应用了大量的镁合金壳体类压铸件。 近年来，人类对汽车提出了进一步减轻重量、降低燃耗和排放、提高驾驶安全性和舒适性的要求，由于镁比钢材轻75%，用镁合金压铸件取代钢件可使轿车单重减少10%，而车体重量每减少100kg则百公里油耗可减少0.7Ｌ，因此汽车用镁合金压铸件产量在工业发达国家出现了持续快速增长的势头[11]。福特汽车公司的目标是力争几年后中型车百公里油耗少到3升；目前AudiA6轿车的单车镁合金压铸件总重已达14.2kg。其未来目标是将单车镁合金压铸件总重增加到50～80kg。日本三菱铝业公司正与澳大利亚工业科技部合作开发一种超轻质量的镁发动机。 目前，轿车上采用镁合金的部件有座椅上一些部件、膝垫、转向柱部件、转向盘、制动与离合器踏板托架、安全气囊限制装置、踏板托架、轿车音响小的散热器框架、镜托架以及可开式车顶的一些部件；轿车发动机中的发动机机体、气缸盖、进气管、油泵壳体、辅助装置的支架以及电器接线装置；还有变速箱、离合器壳体、转向盘.柱、阀盖、阀板、车窗、马达壳体、油滤接头、进气歧管、镜罩、大灯保持架、制动防抱死系统的托架、车轮、油箱门。未来的发展中，在一些大型压铸件上，也将拓展它的应用，如车顶、发动机盖、后舱盖、内门板框架、仪表板等。其它的如需要安全及高断裂韧性的零部件，也将是镁合金拓展应用的领域，如座椅框架、转向柱、车身保护板、发动机前的散热器格栅加强板及一些车身结构支撑件。目前，我国汽车上使用镁压铸件只有桑塔纳轿车的变速器箱体和箱盖。 汽车在向着更安全、更轻便、更省材与更节能、环境污染更轻、更舒适的方向发展，要求对汽车采用新的概念设计，这为镁合金在汽车工业中的应用开僻了更加广阔的领域。镁合金压铸件在汽车中的应用量将随着汽车产量的逐渐增长而以更快的速度上升。 7结语 镁合金压铸是一个集设计、制造与研究于一体的系统工程，镁合金压铸工作者与从事锌、铝合金压铸的人员相比，应具有更全面的知识、经验和研究开发能力。 汽车用镁合金主要是压铸类产品，采用镁压铸件使汽车质量减轻，耗油量减少，排出废气减少；且镁合金压铸件具有降噪减振性能和铸造精度高等优点，综合经济效益好，是汽车轻量化最有希望的重要材料，具有广阔的应用前景。 我国是镁资源极其丰富的国家，但由于目前我国在镁合金压铸技术和应用方面处于落后地位，镁资源大部分以初级产品形式出口国外，镁的出口生产量远大于国内消费量。随着国内汽车工业及计算机、信息、通讯、仪表、航空航天等产业的迅速发展, 我国的镁合金压铸工业也必将在强手如林的世界市场上占有一席之地。 参考文献 [1] ChenLH. 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文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/26/2004)