镁合金压铸技术的综述

张 洪 谭香玲

（湖南铁路科技职业技术学院 湖南 株洲 412000）

镁合金具有比强度、比刚度高,阻尼减震性能优良,机械加工方便，易于回收利用，符合环保要求等特性，在汽车、航空及3C领域等行业的应用呈现快速的增长，是当今实际生产中采用的最轻的金属结构工程材料[1,2]。镁合金熔点低、比热容和相变潜热小，与铁的亲和力弱[3]，镁合金压铸具有耗能少、充型和凝固速度快、生产周期短、模具使用寿命长等优势。目前，70%以上采用镁合金压铸成形。

1 镁合金压铸设备的研究

镁合金用压铸机有热室和冷室两大类。一般来说，通讯产品等许多小薄壁件采用热室压铸机；大、壁厚及复杂零件，如汽车、摩托车上使用的镁合金件，通常使用冷室压铸机。镁合金冷室压铸机可采用普通铝合金冷室压铸机，而镁合金热室压铸机广泛采用专门设计的专用压铸机。

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。JSW和Husky两家公司已于2003年开发出第二代触变注射成形机，目前已研制生产出从6000kN到20000kN的半固态铸造用压铸机，成形件重量可达7kg以上[4]。据最新报告，国内首台30000kN镁合金压铸机通过国际鉴定大吨位镁合金压铸机即将投入生产，必将使我国在镁合金材料的应用及压铸业的整体技术水平再上一个台阶。

最近，力劲集团已推出第一台镁合金专用压铸机，压射速度是铝合金压铸的1.5-3倍，型温用循环热煤油等介质可精确制在270±5℃，并实现了外围设备和原辅材料的专业化生产。在近年，我国在镁合金压铸设备上取得了一定的成绩。但是，目前的国产压铸机性能与国外先进设备相比有较大差距，液压、电器元件可靠性差，压铸机普遍缺少先进的检测与控制仪表，制约我国镁合金压铸技术的迅速发展。为此，合理地选择适用的压铸机，是一项技术性和经济性都很强的工作。

2 镁合金压铸工艺参数的研究

在压铸生产过程中，选择合适的工艺参数是获得优质铸件先决条件。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。热室机的压射比压在40MPa左右，冷室机的比压要高于热室机，通常的比压为40-70MPa。实验表明，薄臂镁合金铸件的浇口速度超过80m/s，比锌合金和铝合金的压铸模浇口速度要大的多。镁合金的浇住温度在热室机压铸时要低一些，通常在620-640℃，冷室压铸机的温度要高一些，一般在650-680℃。镁合金压铸过程中的模具温度一般保持在180-280℃之间。

Roland Fink[5]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。镁合金铸造性能如流动性对型温和浇注温度相当敏感。

张永忠[6]通过正交实验表明：压铸态AZ91D镁合金性能影响显著的因素是浇注温度，其次是压射比压和压铸型温度。吴有伍[7]等人对ZA85压铸合金力学性能及铸造性能进行了研究，认为影响最大的三个工艺参数分别是：压射比压、浇注温度和模具温度。江运喜等人[8]采用数值技术对半固态AZ91D镁合金的压铸过程进行了研究，结果表明：压铸速度对型腔中镁合金温度影响很大，压铸速度为0.5m/s时，型腔末端大部分区域处于固相线温度以下，因此压铸速度应不小于1m/s，并认为模具温度选择为200℃是不合适的。张庭风[9]等对镁合金的压铸工艺进行了系统的全面的研究，分别研究了压射比压、浇注温度、模具温度、压射速度等压铸工艺参数对镁合金抗拉强度、硬度、延伸率、冲击韧性、流动性等性能影响。

3 镁合金压铸工艺的研究

3.1 镁合金传统压铸

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状态充填压铸型腔，使型腔内的气体及由压铸涂料产生的气体无法顺利排出，这些气体在高压下或者溶解在压铸合金内，或者形弥散分布在压铸件内的高压微气孔。在高温下，这些高压下溶解的气体和微气孔析出或膨胀导致铸件变形和表面鼓泡。因此用传统的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。

3.2 镁合金真空压铸

真空压铸的主要优点有；减少铸件内部气孔、改善铸件表面质量和有利于生产过程铸件尺寸的稳定性。其它方面还有：压射时的比压可降低约40%，有利于延长模具寿命；选用稍小的压铸机；增加压铸件的可热处理性和可焊。

雷黎[10]等人运用有限元模拟软件对镁合金AZ91D零件在普通压铸与真空压铸下进行计算机数值模拟，比较真空压铸与普通压铸对铸件气孔率的影响。结果表明：与压铸相比，真空压铸能有效减少铸件的气孔率、改善铸件质量。由此看来，真空压铸在减少铸件内含气量方面无疑是十分有效的，但是。只有以常规压铸为基础，真空压铸才会有明显的效果，并且采用真空压铸时，还应注意真空气道的设计及其面积的计算，尤其是计算临界面积。以免错判真空压铸的效果真空压铸对其模具加工精度要求较高，另外需附加一套真空专用设备，模具精度要求较高的，提高了成增加了技术难度和成本。上海交通大学轻合金国家工程中心对镁合金AZ91D的真空压铸进行了研究[6]，结果表明：真空压铸可以明显降低AZ91D压铸含量，提高合金的致密度，特别是提高远离浇口处的密度，使铸件达到了可以进行热处理的水平，解决了普通压铸件密度随距离浇口位置的增大而减小的问题。

3.3 镁合金充氧压铸

充氧压铸是在金属液充填压铸型前，将氧气充入型腔取代其中的空气，当能与氧气发生反应的金属液压入型腔时，一部分氧气通过排气槽排出，而残留在型腔中的氧气就与金属液发生反应，生成氧化物微粒，呈弥散状分布在铸件中，从而消除了压铸件中的气孔。与普通压铸相比,充氧压铸具有消除或减少了压铸件内部气孔，提高了铸件致密度，因而使得充氧压铸件强度可提高，伸长率增加，并可进行热处理。

熔化状态易与氧气发生反应的铝、镁、锌合金均适合充氧压铸。镁合金采用充氧压铸除具备一般充氧压铸的优点外，还可以大大缩短镁合金的时效时间。与普通压铸，经时效时处理后充氧压铸镁合金的冲击韧性增加得十分显著。汪之清[11]通过研究发现：充氧压铸可消除压铸件的气孔，使压铸件可以热处理或焊接。

3.4 镁合金触变压铸

镁合金半固态压铸是一种非常新的金属成形技术[13~14]。与压铸、挤压铸造以及传统的锻造相比，触变成形有许多优势。随着镁合金铸件的需求，镁合金触变压铸成形得以突飞猛进的发展，大致先后经过两个阶段：触变注射成形和新一代触变注射成形。JSW与日本汽车轮毂厂合作已开发出镁合金/铝合金复合材质的汽车轮，这种两片式轮毂采用铸锻组合法，首先采用触变注射成形镁合金轮毂，切除浇道后，把轮毂再加热进行温锻，以提高力学性能，再与铝制轮缘结合(用镀铬螺栓)。整个过程只需一次注射成形，一次锻造，再经热处理后，经极少量的机加工就可完成。第二代触变注射成形机提高了成形安定性、尺寸精度及优良品率，可更容易地生产薄壁笔记本外壳等[13~14]。

肖泽辉[17]采用双螺杆机械搅拌方式制备半固态浆料,研究了AZ91D镁合金半固态浆料的流变压铸成形工艺。结果表明:压射压力在40-50MPa,压射充型速度在10-15m/s内,固相率在10%-60%的浆料都能流变压铸成薄壁圆形铸件,半固态流变压铸成形比液态压铸成形的强度、伸长率分别提高,并可施以热处理,进一步提高性能,易于实现“净近成形”。

4 结束语

目前，镁合金成形方法有许多。根据镁合金的性能特点及产品的结构特点，在现有的研究基础上研究出最适合镁合金成形的成形方法，对加大镁合金的应用很有实际意义。

压铸镁合金的充型规律、充型性能与充型临界壁厚、压铸工艺参数的关系的研究，对促进镁合金研究的发展是不可忽略的。

如何提高镁合金压铸技术，是镁合金得到更广泛应用的关键。国内外对镁合金压铸技术的研究开展了大量的工作，取得了显著成绩，并形成了规模生产。这为镁合金压铸技术的更进一步发展打下了良好基础。应充分利用镁合金压铸技术上已取得成果，结合镁合金压铸的特点及实际生产，进一步研究及改进镁合金压铸技术，以充分利用中国丰富的镁矿资源和巨大的镁生产能力。

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［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.

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［4］汪之清.国外镁合金压铸技术的发展.铸造，2005（17）：48-51.

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