铸造镁合金的应用和技术进展

铸造镁合金的应用和技术进展90年代以来，在世界范围内，镁作为一种迅速崛起的工程金属材料，每年以15％的速率保持快速增长，远远高于铝、铜、锌、镍以及钢铁，这在近代工程金属材料的应用中是前所未有的。以镁合金压铸件为例，根据国际镁协会(InternationalMagnesiumAssociation)和HydroMagnesium的估计，1991年，在全球镁合金压铸件中，，镁的应用已达到24000t。此后每年以15％—20％的速率稳步增长，及至1997年，已达64000t。2000年突破100000t大关。到2008年，可能增加到240000t规模，其中80％是汽车工业的应用。1铸造镁合金的应用1．1航空航天领域就航空材料而言，结构减重和结构承载与功能一体化是飞机机体结构材料发展的重要方向。镁由于其低密度、高比强度的特性使得其很早就在航空工业上得到应用。航空材料减重带来的经济效益和性能的改善十分显著，商用飞机与汽车减重相同重量带来的燃油费用节省，前者是后者的近100倍。而战斗机的燃油费用节省又是商用飞机的近10倍，更重要的是其机动性能改善可以极大提高其战斗力和生存能力。正因为如此，航空工业才会采取各种措施增加镁合金的用量。1．2军事领域镁合金重量轻、比强度和刚度好、减振性能好、电磁干扰屏蔽能力强等特点能满足军工产品对减重、吸噪、减震、防辐射的要求。1。3汽车领域镁合金用作汽车零部件通常表现为以下优点：1)提高燃油经济性综合标准，降低废气排放和燃油成本，据测算，汽车所用燃料的60％消耗于汽车自重，汽车每减重10％，耗油将减少8％-10％；2)重量减轻可以增加车辆的装载能力和有效载荷，同时还可改善刹车和加速性能；3)可以极大改善车辆的噪音、振动现象。1．4摩托车领域50多年来，经过不断的技术革新，镁合金在摩托车上的应用也不断在广度和深度上进行扩展，应用车型从赛车扩展到运动型摩托、轻便型摩托、概念型摩托，覆盖欧美日十几种主要摩托车品牌，镁合金应用部件涵盖动力系统，传动系统以及各种摩托车附件四十余种，其中仅英国的Dymay轮毂就应用多达400种车型。国内摩托车镁合金的应用目前尚属空白，重庆隆鑫率先试制出型号为LXl50的“镁合金绿色概念摩托车”，在国内引起了广泛的关注，所采用的12个零部件如今已有3个实现了规模化生产。1．53C领域3C产品——Computer，Communication，Consum·erElectronicProduct(计算机类、通讯类、消费类电子产品)是当今全球发展最快的产业，数字化技术导致了各类数字化产品的不断涌现。镁合金3C产品最早出现于日本，1998年，日本厂商开始在各种可携式商品(如PDA．手机等)采用镁合金材质，如今运用镁合金最普遍的3C产品是笔记本电脑，也是由日本Sony公司率先推出的。在3C产品朝着轻、薄、短、小方向发展趋势的推动下，近年来镁合金的应用得到了持续增长。2铸造镁合金的熔炼技术2．1铸造镁合金液的阻燃技术2．1．1熔剂保护法利用低熔点的化合物在较低的温度下熔化成液态，在镁合金液面铺开，因阻止镁液与空气接触从而起到保护作用。现在普遍使用的熔剂由无水光卤石(MgCI2—KC)为主，添加一些氟化物、氯化物组成。该剂使用较方便，生产成本低，保护使用效果好，适合于中小企业的生产特点。但是，该剂使用前要重新脱水，使用时会释放出呛人的气味。由于熔剂的密度较大会逐渐下沉，需要不断添加。使用过程中释放出大量有害气体，污染环境、腐蚀厂房严重。因此，研究新型的覆盖、精炼效果好且无公害的镁合金熔剂是一项重要课题。2．1．2气体保护法气体保护法是在镁合金液的表面覆盖一层惰性气体或者能与镁反应生成致密氧化膜的气体，从而隔绝空气中的氧，采用的主要保护气体是SF6、S02、CO2、Ar、N2等。为了进一步提高保护作用和减少较贵的SF6气体的用量，国外一般在SF6气体中混合空气或其他干燥气体如CO：混合气体保护效果好，但是存在以下问题：1)污染环境，SF6会产生S02、SF4等有毒气体，SF6对全球变的作用是CO2的24900倍；2)设备复杂，需要复杂的混气装置和密封装置；3)腐蚀设备，显著降低坩埚使用寿命。2．1．3合金化法过去人们采用在镁合金中添加铍元素来提高镁合金的阻燃性能，但铍的毒性较大，且加入量过高会引起晶粒粗化和增加热裂倾向，因此受到添加量的限制。日本学者研究认为，添加一定量的钙能明显提高镁合金的着火点温度，但是存在着加入量过高，且严重恶化镁合金的力学性能。同时加入钙和锆具有阻燃效果。国内研究认为，在镁合金AZ91D中加入稀土铈可有效提高镁合金的起燃温度。2．2镁合金熔体的变质处理技术镁合金熔炼变质的目的是改变镁合金的组织形态，该工艺对合金的晶粒大小和力学性能有较大的影响，且对镁液中的氧化夹杂亦有一定影响。研究表明，对于不含Al的镁合金，采用锆进行变质处理具有很好的晶粒细化效果，作用原理是Zr发生包晶反应，促进晶粒细化。在Mg—Al类合金中加入合适的碳素材料后，使其与合金液起化学反应生成A1C4，该化合物可以起到外来晶核的作用，促使镁合金的晶粒细化。在AZ91镁合金基础上添加不同含量的混合稀土，对其铸态和固溶时效的组织及性能也有明显的效果。3镁合金成形技术文献对镁合金成形技术的进展做了详细的阐述。镁合金成形分为变形和铸造两种方法，当前主要使用铸造成形工艺。镁合金可以砂型铸造、消失模铸造、压铸、半固态铸造等方法成型，近年来发展起来的镁合金压铸新技术有真空压铸和充氧压铸，前者已成功生产出AM60B镁合金汽车轮毅和方向盘，后者也己开始用于生产汽车上的镁合金零件。解决汽车大型和复杂形状零部件的成形问题是当前进一步开发和改进镁合金成形加工技术的方向。这里就现在常用的镁合金铸造方法作一简要介绍。3．1压铸该方法是将熔化的镁合金液，高速高压注入精密的金属型腔内，使其快速成形。根据把镁液送入金属型腔的方式，压铸机可分为热室压铸机和冷室压铸机两种。1)热室压铸机。其压室直接浸在坩埚内镁液中，长期处于被加热状态，压射部件装在坩埚上方。这样压铸每循环一次时，不必特意给压室供给镁液，所以生产能快速、连续，易实现自动化。热室压铸机的优点是生产工序简单，效率高；金属消耗量少，工艺稳定；压入型腔的镁液较干净，铸件质量较好；镁液压人型腔时流动性好，适于压薄壁件。但压室、压铸冲头及坩埚长期浸在镁液中，影响使用寿命，对这些热作件材料要求较高。镁合金热室压铸机更适合生产一些薄壁而外观要求较高的零件，如手机和掌上电脑外壳等，但由于镁合金热室压铸机是采用冲头直接将镁合金液经过封闭的鹅颈和喷嘴压人金属模型腔，因此压射时增压压力较小，一般不适用于汽车、航天航空等大型、壁厚、载荷大的零件。2)冷室压铸机。每次压射时，先由手工或通过自动定量给料机把镁液注入压射套筒内，因而铸造周期比热室压铸机要长些。冷室压铸机的特点是：压射压力高，压射速度快，所以可以生产薄壁件，也可以是厚壁件，适应范围宽；压铸机可大型化，且合金种类更换容易，也可与铝合金并用；压铸机的消耗品比热室压铸机的便宜。多数情况下，对大型、厚壁、受力和有特殊要求的压铸件采用冷室压铸机生产。镁合金压铸时，由于压射速度高，当镁液充填到模具型腔时，不可避免会有金属液紊流及卷气现象发生，造成工件内部和表面产生孔洞缺陷，因此对于要求高的铸件，如何提高其成品率是镁合金压铸所面临的主要问题之一。3．2半固态成形技术镁合金半固态成形是近年来发展起来的成形技术，可以获得高致密度的镁合金制品，是具竞争力的镁合金成形方法。半固态成形主要有以下几种方法。3．2．1触变铸造触变铸造是将制备的非枝晶组织的棒料定量切割后重新加热至液固两相区(固相体积分数为50％—80％)，然后再采用压铸或模锻工艺半固态成形，触变铸造不使用熔化设备，锭料重新加热后便于输送和加热，易于实现自动化；但是，制备预制坯料需要巨大的投资，而且关键技术为国外少数几家公司所垄断，导致其成本居高不下，仅适于制造需高强度的关键零件。3．2．2流变铸造流变铸造采用金属熔体做原料，冷却搅拌产生半固态合金浆料后，以管路或容器输送至压铸机直接成形，对于流变铸造，由于非枝晶半固态合金浆料在保持、状态控制和输送等方面存在着困难，在很大程度上限制了其工业应用，从而慢于触变铸造工业应用的步伐。随半固态铸造技术的进展，触变铸造在预制材料均匀性及成本、感应加热控制及材料消耗、成形过程的可靠性及重复性、废料回收等方面的限制越来越明显，其经济效益很难尽人如意，因此开发流变铸造再度受到人们的重视，日本日立制作所及UBE都开发出新的流变铸造工艺及设备。总之，流变铸造不仅可以低成本生产高质量的成形件，而且生产流程将比触变铸造显著缩短，更易于与传统压铸技术接轨，减少设备投资。显然，流变铸造技术将会有更大的应用潜力。4高性能铸造镁合金的研究进展4．1耐热镁合金耐热性差是阻碍镁合金广泛应用的主要原因之一，当温度升高时，它的强度和抗蠕变性能大幅度下降，使它难以作为关键零件(如发动机零件)材料在汽车等工业中得到更广泛的应用。己开发的耐热镁合金中所采用的合金元素主要有稀土元素(RE)和硅(Si）。稀土是用来提高镁合金耐热性能的重要元素。含稀土的镁合金QE22和WE54具有与铝合金相当的高温强度，但是稀土合金的高成本是其被广泛应用的一大阻碍。Mg—Al—Si(AS)系合金是德国大众汽车公司开发的压铸镁合金。175cC时，AS41合金的蠕变强度明显高于AZ91和AM60合金。但是，AS系镁合金由于在凝固过程中会形成粗大的汉字状Mg2Si相，损害了铸造性能和机械性能。研究发现，微量Ca的添加能够改善汉字状MgaSi相的形态，细化Mg2Si颗粒，握高AS系列镁合金的组织和性能。4．2耐蚀镁合金镁合金的耐蚀性问题可通过两个方面来解决：1)严格限制镁合金中的Pe、Cu、Ni等杂质元素的含量。例如，高纯AZ91HP镁合金在盐雾试验中的耐蚀性大约是AZ91C的100倍，超过了压铸铝合金A380，比低碳钢还好得多。2)对镁合金进行表面处理。根据不同的耐蚀性要求，可选择化学表面处理、阳极氧化处理、有机物涂覆、电镀、化学镀、热喷涂等方法处理。例如，经化学镀的镁合金，其耐蚀性超过了不锈钢)。4．3阻燃镁合金镁合金在熔炼浇铸过程中容易发生剧烈的氧化燃烧。实践证明，熔剂保护法和SF6、SO2、CO2、Ar等气体保护法是行之有效的阻燃方法，但他们在应用中会产生严重的环境污染，并使得合金性能降低，设备投资增大。纯镁中加钙能够大大提高镁液的抗氧化燃烧能力，但是由于添加大量钙会严重恶化镁合金的机械性能，使这一方法无法应用于生产实践。最近，上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心通过同时加入几种元素，开发了一种阻燃性能和力学性能均良好的轿车用阻燃镁合金，成功地进行了轿车变速箱壳盖的工业试验，并生产出了手机壳体、MP3壳体等电子产品外壳。4．4高强高韧镁合金现有镁合金的常温强度和塑韧性均有待进一步提高。在Mg—Zn和Mg—Y合金中加人Ca、Zr可显著细化晶粒，提高其抗拉强度和屈服强度；加入Ag和Th能够提高Mg—RE—Zr合金的力学性能，如含Ag的QE22A合金具有高室温拉伸性能和抗蠕变性能，已广泛用作飞机、导弹的优质铸件；通过快速凝固粉末冶金、高挤压比及等通道角挤(ECAE)等方法，可使镁合金的晶粒处理得很细，从而获得高强度、高塑性甚至超塑性。5我国铸造镁合金的应用概况5．1生产受技术和装备的制约目前我国原镁产量居世界首位。2000年全国产量约200000t，80％以上作为初级原料低价出口，国内消费20000t左右。其中只有2000t用于桑塔纳轿车变速箱壳体，其余均作为合金制备等一般用途。由于镁合金的技术装备和开发应用相对滞后，国内镁行业表现出严重的结构性矛盾。我国有色金属压铸已有相当的基础，现拥有压铸厂点及相关企业总共约3000家，压铸机制造厂约有20家，年产压铸件300000t。其中铝压铸件占75．5％，镁压铸件仅占1％左右。上海乾通汽车附件有限公司为上海桑塔纳轿车生产镁合金压铸变速箱外壳已有多年历史。但总体上看，与发达国家