1　前言 　鎂合金材料1808年面世, 1886年始用于工業(yè)生產(chǎn)。鎂合金壓鑄技術(shù)從1916年成功地將鎂合金用于壓鑄件算起，至今也經(jīng)歷了八十余年的發(fā)展。人類在認(rèn)識(shí)和駕馭鎂合金及其制品的生產(chǎn)技術(shù)方面，經(jīng)歷了漫長的探索歷程。從1927年推出高強(qiáng)度MgAl9Zn1開始，鎂合金的工業(yè)應(yīng)用獲得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。1936年德國大眾汽車公司開始用壓鑄鎂合金生產(chǎn)“甲殼蟲”汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)零件，1946年單車使用鎂合金量達(dá)18kg左右。美國在1948～1962年間用熱室壓鑄機(jī)生產(chǎn)的汽車用鎂合金壓鑄件達(dá)數(shù)百萬件。盡管如此，過去鎂合金作為結(jié)構(gòu)材料主要用于航空領(lǐng)域，在其它領(lǐng)域，世界上鎂的主要用途是生產(chǎn)鋁合金，其次用于鋼的脫硫和球墨鑄鐵生產(chǎn)。 近年來, 由于人們對(duì)產(chǎn)品輕量化的要求日益迫切，鎂合金性能的不斷改善及壓鑄技術(shù)的顯著進(jìn)步，壓鑄鎂合金的用量顯著增長。特別是人類對(duì)汽車提出了進(jìn)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, 鎂合金壓鑄技術(shù)正飛速發(fā)展。此外，鎂合金壓鑄件已逐步擴(kuò)大到其他領(lǐng)域，如手提電腦外殼，手提電鋸機(jī)殼，魚鉤自動(dòng)收線匣，錄像機(jī)殼，移動(dòng)電話機(jī)殼，航空器上的通信設(shè)備和雷達(dá)機(jī)殼，以及一些家用電器具等。 鎂主要由含鎂礦石提煉。我國遼寧省大石橋市一帶的菱鎂礦儲(chǔ)量占世界儲(chǔ)量的60%以上，礦石品位高達(dá)40%以上。我國生產(chǎn)的鎂砂和鎂砂制品大量用于出口。充分利用我國豐富的鎂砂資源進(jìn)行深度開發(fā)，結(jié)合我國汽車、計(jì)算機(jī)、通訊、航天、電子等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)鎂合金壓鑄件的生產(chǎn)和應(yīng)用，是擺在我國鑄造工作者面前的一項(xiàng)任務(wù)。 2 壓鑄鎂合金的研究 鎂合金的密度小于2g/cm3，是目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，其比強(qiáng)度高于鋁合金和鋼，略低于比強(qiáng)度最高的纖維增強(qiáng)塑料；其比剛度與鋁合金和鋼相當(dāng)，遠(yuǎn)高于纖維增強(qiáng)塑料；其耐腐蝕性比低碳鋼好得多，已超過壓鑄鋁合金Ａ380；其減振性、磁屏蔽性遠(yuǎn)優(yōu)于鋁合金；鑒于鎂合金的動(dòng)力學(xué)粘度低，相同流體狀態(tài)(雷諾指數(shù)相等)下的充型速度遠(yuǎn)大于鋁合金，加之鎂合金熔點(diǎn)、比熱容和相變潛熱均比鋁合金低，故其熔化耗能少，凝固速度快，鎂合金實(shí)際壓鑄周期可比鋁合金短50%。此外，鎂合金與鐵的親和力小，固溶鐵的能力低，因而不容易粘連模具表面，其所用模具壽命比鋁合金高2～3倍。 常用的壓鑄鎂合金大多是美國牌號(hào)AZ91，AM60，AM50，AM20，AS41和AE42，分別屬于Mg-Al-Zn，Mg-Al-Mn，Mg-Al-Si和Mg-Al-RE四大系列。對(duì)與壓鑄鎂合金，目前主要有以下幾個(gè)方面的研究： (1) 高溫使用性能：目前AZ及AM兩個(gè)系列的鎂合金壓鑄件占汽車用鎂合金壓鑄件的90%，這兩個(gè)系列的鎂合金在150℃以上強(qiáng)度均明顯下降?，F(xiàn)已開發(fā)出150℃以上抗蠕變能力的AS系列壓鑄鎂合金，如AS41A合金(Mg43%Al1%Si0.35%Mn)，其175℃蠕變強(qiáng)度優(yōu)于AZ91D和AM60B，且有較高伸長率、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。大眾公司Beetle發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱以前一直采用AS41和AS42，最近采用的一種改進(jìn)的合金AE42在高溫下的蠕變性能則更好些。某些微量元素如稀土元素Y、Nd、Sr等，對(duì)壓鑄鎂合金具有明顯的晶粒細(xì)化作用，可提高壓鑄鎂合金的強(qiáng)度和抗蠕變能力，如最近研制的AE42的抗蠕變能力優(yōu)于傳統(tǒng)MgAlSi合金，可在200～250℃長期使用。但AS和AE合金對(duì)高溫性能的改善仍是有限的，其鑄造性能比AZ和AE合金要差，加之稀土元素成本高，使生產(chǎn)和應(yīng)用受到一定限制。 (2) 延展性：目前，鎂壓鑄件在需要安全及高斷裂韌性的用途上增長非常迅速。在工作情況下要提高吸收能量的能力，就應(yīng)提高材料的斷裂韌性。通過在合金中減少鋁，可以做到這點(diǎn)。AM60和AM50在儀表板托架、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)軸及座椅等安全部件上得到廣泛應(yīng)用，AM20目前還應(yīng)用到座椅的后背框架。另外，斷裂延伸率與溫度關(guān)系也是相當(dāng)密切的，尤其是在約50℃以上時(shí)，隨溫度的增加而增加。 (3) 鎂合金的耐蝕性：耐蝕性也曾是鎂合金擴(kuò)大應(yīng)用的一大障礙。鎂的化學(xué)活性高，以鎂為基的合金和復(fù)合材料易發(fā)生微電池腐蝕，一般低純度壓鑄鎂合金的耐蝕性差。嚴(yán)格規(guī)定了Fe，Ni，Cu等雜質(zhì)元素的高純度壓鑄鎂合金(如AZ91D)，以及含稀土的AE42，其鹽霧試驗(yàn)的耐蝕性已超過壓鑄鋁合金A380，遠(yuǎn)好于低碳鋼[4]。調(diào)整化學(xué)成分、表面處理和控制微觀組織等均可改善其耐蝕性。盡管提高鎂合金件耐蝕性的方法眾多，但若不從材質(zhì)本身解決問題，耐蝕性差始終是鎂合金件獲得大量應(yīng)用的一個(gè)技術(shù)障礙。 (4) 阻燃鎂合金：在鎂合金中添加Al(2.5%)、Be合金(Be加入量為0.0005%～0.03%)或含Ca合金，也可有效地防止鎂合金液的氧化。目前，一些研究者正在從事具有阻燃性能鎂合金的研究[5]，這一研究一旦獲得成功，則鎂合金就像鋁合金一樣熔煉和鑄造，獲得更為廣泛的應(yīng)用前景。 (5) 鎂合金基復(fù)合材料：用碳化硅等顆粒增強(qiáng)的鎂合金基復(fù)合材料已進(jìn)行了多年的研究開發(fā)，目前雖尚未達(dá)到在壓鑄領(lǐng)域商業(yè)應(yīng)用的階段，但已用砂型鑄造、精密鑄造等方法制成了葉輪、自行車曲柄、汽車缸套等鑄件，并有將這種復(fù)合材料與半固態(tài)鑄造相結(jié)合，應(yīng)用于壓鑄和擠壓鑄造領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。 3　鎂合金壓鑄方式 鎂合金可用冷室或熱室壓鑄機(jī)壓鑄。目前對(duì)熱室壓鑄機(jī)的改進(jìn)主要包括：采用儲(chǔ)能器增壓，壓射柱塞的壓射速度可達(dá)6m/s；感應(yīng)加熱鵝頸管和噴嘴，使之保持最適宜溫度；采用雙爐熔化保溫，并采用絕熱裝置和再循環(huán)管道，精確保持熔池溫度。當(dāng)用普通冷室壓鑄機(jī)壓鑄鎂合金時(shí)，必須對(duì)壓鑄機(jī)的壓射系統(tǒng)和自動(dòng)給料系統(tǒng)進(jìn)行必要的改造，使之適用于鎂合金壓鑄的要求。改造的內(nèi)容包括：(1) 將壓射系統(tǒng)的快壓射速度由壓鑄鋁合金時(shí)的4～5ｍ/ｓ提高到6～10ｍ/ｓ；(2) 縮短增壓過程的建壓時(shí)間；(3) 提高壓射力；(4) 采用電磁自動(dòng)定量給料裝置，防止鎂合金在澆注過程中氧化；(5) 如采用真空壓鑄等特種壓鑄工藝時(shí)，配置必要的配套設(shè)備。 與其他壓鑄合金一樣，傳統(tǒng)的壓鑄技術(shù)使鎂合金液以高速的紊流和彌散狀態(tài)充填壓鑄型腔，氣體在高壓下或者溶解在壓鑄合金內(nèi)，或者形成許多彌散分布在壓鑄件內(nèi)的高壓微氣孔。因此用傳統(tǒng)壓鑄方法生產(chǎn)的鎂合金壓鑄件不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，也不能在較高溫度下使用。為了消除這種缺陷，提高壓鑄件的內(nèi)在質(zhì)量，擴(kuò)大壓鑄件的應(yīng)用范圍，近20年來研究開發(fā)了一些新的壓鑄方法，其中包括充氧壓鑄，半固態(tài)金屬流變或觸變壓鑄和擠壓鑄造，以及幾經(jīng)起伏的真空壓鑄等。 真空壓鑄通過在壓鑄過程中抽除型腔內(nèi)的氣體而消除或顯著減少壓鑄件內(nèi)的氣孔和溶解氣體，提高壓鑄件的力學(xué)性能和表面質(zhì)量。目前已成功地在冷室壓鑄機(jī)上用真空壓鑄法生產(chǎn)出AM60B鎂合金汽車輪轂，在鎖型力為2940kN的熱室壓鑄機(jī)上生產(chǎn)出AM60B鎂合金汽車方向盤零件，鑄件伸長率由8%提高至16%?！　? 充氧壓鑄又稱無氣孔壓鑄(Pore-Free Die Casting Process，即P.F法)。該法在金屬液充型前，將氧氣或其他活性氣體充入型腔，置換型腔內(nèi)的空氣，金屬液充型時(shí)，活性氣體與充型金屬液反應(yīng)生成金屬氧化物微粒彌散分布在壓鑄件內(nèi)，從而消除壓鑄件內(nèi)的氣體，使壓鑄件可熱處理強(qiáng)化。日本輕金屬(株)用充氧壓鑄法生產(chǎn)計(jì)算機(jī)的AZ91鎂合金整體磁頭支架，代替原先的多層疊合支架，不但減輕了支架重量，并且取得了很大的經(jīng)濟(jì)效益。該公司還用充氧壓鑄法成批生產(chǎn)了AM60鎂合金汽車輪轂和摩托車輪轂，與鋁輪轂相比，重量減輕15%。 近年來美國、日本和英國等國的公司相繼成功開發(fā)出鎂合金半固態(tài)觸變射壓鑄造機(jī)。鎂合金半固態(tài)觸變射壓鑄造機(jī)以一定壓力將半固態(tài)鎂合金射入壓鑄型內(nèi)而使之成形，其工作原理類似于注塑機(jī)。它將預(yù)制的非枝晶態(tài)鎂粒送入螺旋給料機(jī)構(gòu)，在螺旋給料機(jī)構(gòu)中將鎂粒加熱到半固態(tài)，并通過螺旋給料機(jī)構(gòu)另一端的鎂合金漿料收集室將半固態(tài)鎂合金漿料送入壓射室進(jìn)行射壓成形。這種鑄造成形方法代表了鎂合金鑄件生產(chǎn)的一個(gè)發(fā)展方向。 4　鎂合金熔煉作業(yè)與安全生產(chǎn) 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(shù)α值僅為0.79，不能防止合金繼續(xù)氧化。鎂合金液與大氣中氧、水蒸氣、氮反應(yīng)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(shí)防氧化至關(guān)重要。鎂合金的熔體保護(hù)主要有兩種方法，即熔劑保護(hù)和氣體保護(hù)。 用保護(hù)熔劑熔煉通常會(huì)帶來以下問題：(1) 氯鹽和氟鹽高溫下易揮發(fā)產(chǎn)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(huì)隨同鎂液混入鑄型造成“熔劑夾渣”；(3) 熔劑揮發(fā)產(chǎn)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(shù)廠家使用氣體保護(hù)，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(xù)薄膜以阻止鎂合金液的氧化。SF6不是毒性氣體，但它對(duì)地球的溫室效應(yīng)比CO2嚴(yán)重24000倍，而鎂工業(yè)的SF6用量占世界總用量的7%(1996年)，將來必然會(huì)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(duì)鎂合金液有保護(hù)作用。 鎂合金壓鑄件生產(chǎn)的危險(xiǎn)大多由加工及后處埋過程中的過失所引起。據(jù)日本方面統(tǒng)計(jì)，鎂合金壓鑄件生產(chǎn)過程中引發(fā)的危險(xiǎn)，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(xiǎn)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(huì)產(chǎn)生鎂塵屑及火花，如廠房內(nèi)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(nèi)必須安裝集塵器并配備防火砂及防火設(shè)施。 5　壓鑄型設(shè)計(jì) 由于鎂合金的化學(xué)、物理參數(shù)及壓鑄特性與鋁合金有很大差異，因此鑄型設(shè)計(jì)則不能完全套用鋁合金壓鑄型設(shè)計(jì)原則[8]。 鎂合金液易氧化燃燒，鑄造時(shí)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(fù)雜。鎂合金充型時(shí)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(fā)生局部(薄截面部位)提<