镁合金力学性能的影响因素（镁合金的性能与铸造方法应用）

镁合金力学性能的影响因素（镁合金的性能与铸造方法应用）[2].宫克强.特种铸造.机械工业出版社.1986[1].李隆盛.铸造合金及熔炼.机械工业出版社.1989半固态铸造半固态铸造是当液态金属在凝固时，进行强烈搅拌，并在一定的冷却速率下获得 5 0％左右甚至更高的固体组分的浆料，并将这种浆料进行压铸的方法。通常分为两种：第一是将上述半固态金属浆料直接压射到型腔里形成铸件的方法，称为流变铸造（Rheocasting）。第二是将半固态金属浆料预先制成根据零件的大小裁成小的锭块，需要时再将锭块重新加热到半固态，然后再送入压室进行压铸，称为触变铸造(Thixocasting)。半固态金属压铸的依据是：合金再半固态时，在切应力作用下，具有类似粘性液体流动的特性。半固态射压铸造机的具体工作原理为：室温状态下将镁合金碎料加入料斗，经进料器进入压射筒中，压射筒内旋转的螺旋给料器推动镁料慢慢向前移动，压射筒上的加热带对镁料进行加热，螺旋给料器对镁料进行剪切搅拌

​​20 世纪80 年代初期，北美汽车制造企业为了达到平均燃油标准（CAFE），都努力降低汽车自重，以减少燃油消耗。镁合金由于密度小、压铸性能好被认为是降低汽车自重的首选合金，各国都加紧进行镁合金生产及应用研究，镁合金工业因而进入飞速发展阶段。

镁合金的组织性能与分类
常用镁合金共有四大系列
⑴ Mg-Al-Si(AS)系列A S 系列具有较好的抗蠕变性，强度高，塑性、韧性好，但充型性能较差，常用于制造工作温度较高的发动机零件，如发动机曲轴等。⑵ Mg-Al-Zn(AZ)系列A Z 系列具有均衡的力学性能和铸造性能，屈服强度高并具有一定的耐盐雾腐蚀能力，适合制造形状复杂的薄壁压铸件，如阀套、离合器壳体等。⑶ Mg-Al-Mn(AM)系列A M 系列具有优异的韧性和塑性，适合制造受冲击的零部件，如汽车轮毂等 。⑷ Mg-Al-RE(AE)系列A E 系列具有比 A S 系列更好的抗蠕变性，但易粘模，压铸性能较差，并且稀土成本高，该合金暂时应用范围较小。镁合金的组织与性能特点镁合金在共晶温度时，具有α相单相组织， 而在常温下具有α β （Mg2Al3）组织。镁在α相中有一定的溶解度，而且镁原子半径与铝原子半径相差很大，故能产生很强的固溶强化作用 。α与β两相是以离异共晶形态存在，在铸态组织中β相以网状呈现在α相的晶界处，会降低合金的强度和塑性。采取固溶化及淬火处理，消除β相，能提高其机械性能。镁合金不具有时效强化作用，不宜进行强化处理。虽然镁在α相中溶解度随温度下降而降低，但由于镁原子在铝中容易扩散和聚集，即使在常温下也会发生自然时效过程，析出β相。当80℃以上，时效过程更快，故不宜用时效强化的热处理方法。
镁合金表面有一层由尖晶石构成的膜，因而使合金具有良好的耐海水、大气腐蚀性能。但合金只有在组织中不析出β相时才有此性能，如果是α β两相组织，则由于β相与α相之间有较大电位差，故有较大电化学腐蚀倾向。A Z 系列合金中 Z n 在合金中溶于α相，并在晶界上形成 T 相，有效抑制镁原子的扩散和β相的析出。因此其组织稳定性强，应力腐蚀倾向较小。合金中的表面活性元素 Be 富集于表面，而成为氧化铝膜中的组成物，增大了氧化膜的电阻率，故提高合金抗氧化性。又由于BeO 的体积是氧化前 Be 体积的 1.7 倍，提高了氧化膜的致密度，因而提高耐蚀性。A S 系列合金中的 S i、M n 的辅助强化，提高了组织稳定性，减小应力腐蚀倾向，S i 也减小了热裂倾向。另外，镁合金还具有其他一些特点，如密度低，但比强度、比刚度高；吸震性好；收缩率均匀一致，具有良好的蠕变强度；缩孔倾向小；流动性好、凝固快；与钢之间的粘附系数低，易脱模；与 F e 、C o 、C r 、W 等元素不溶或微溶，对钢质模具和工具侵蚀作用小；有良好的切削加工性能等优点。镁合金中的杂质元素及影响F e 是主要杂质元素，它可形成针状FeAl3 化合物造成合金的脆性。Fe 还能使淬火状态的合金在应力作用下更易析出β相，增大其应力腐蚀倾向。同时 Ni Cu 都会使其腐蚀速度加快。另外，镁合金中的Zn Ca Ce Nd 等对耐蚀性均有负面影响。Mn 可与 Fe 生成 Al-Fe-Mn 化合物，而减小了 Fe 的有害作用。但 Fe 与 Mn 在合金液中的溶解度的比值小于极限值时，镁合金才能获得良好的耐蚀性。Al 通过固溶强化作用和形成沉淀析出提高镁合金的强度及耐蚀性。
镁合金铸造方法常用的镁合金铸造方法有压力铸造、半固态铸造、挤压铸造等。压力铸造压力铸造是在高压作用下，使液态或半液态金属以较高的速度充填铸型型腔，并在压力作用下凝固而获得铸件的方法。高压和高速是压力铸造的两大特点，又由于充填时间短，从而使铸件具有自己特征。尺寸精度高；铸件的强度和表面硬度高；还可压铸成形状复杂的薄壁件。镁合金密度小、比强度（比刚度）高、熔点底、流动性好、凝固快、尺寸稳定性好、不腐蚀钢质模具等特点决定了其良好的压铸性能。镁合金压铸件占镁合金铸件总量的 80% 以上。
针对镁合金特点，镁合金热室压铸机的工作原理为：压室浸在保温坩埚的液体金属中，压射部件装在坩埚上面，熔化坩埚用含 C、C r 极低的合金材料制成，工作温度约为 660℃，当压射冲头上升时，液态金属通过进口进入压室内，合型后，在压射冲头下压时，液态金属沿着通道经鹅颈充填压铸型，压射速度一般在 8m/s 以上，冷却凝固成型，然后开型取件，完成一个压铸循环。镁合金热室压铸机适合生产薄壁中小压铸件。
1966年德国 FRECH 公司生产出了第 1 台镁合金热室压铸机，1994年930t的大型镁合金热室压铸机试制成功。镁合金冷室压铸机的压室与保温炉是分开的，压铸时，从保温炉中取出液态金属浇入室压后进行压铸。目前镁合金专用冷室压铸机还没有普及，只有德国FRECH、香港力劲机械厂有限公司等少数几家公司生产。
当普通冷室压铸机用于镁合金压铸生产时需对压射系统和给料系统进行改造，改造内容包括提高压射速度（到 6~10m/s ）、缩短增压过程的建压时间、提高压射力、采用自动给料系统防止镁合金氧化等。镁合金热室压铸机和冷室压铸机的对比情况见表 1。

表1 镁合金冷室压铸机与热室压铸机的对比

半固态铸造半固态铸造是当液态金属在凝固时，进行强烈搅拌，并在一定的冷却速率下获得 5 0％左右甚至更高的固体组分的浆料，并将这种浆料进行压铸的方法。通常分为两种：
第一是将上述半固态金属浆料直接压射到型腔里形成铸件的方法，称为流变铸造（Rheocasting）。第二是将半固态金属浆料预先制成根据零件的大小裁成小的锭块，需要时再将锭块重新加热到半固态，然后再送入压室进行压铸，称为触变铸造(Thixocasting)。半固态金属压铸的依据是：合金再半固态时，在切应力作用下，具有类似粘性液体流动的特性。半固态射压铸造机的具体工作原理为：室温状态下将镁合金碎料加入料斗，经进料器进入压射筒中，压射筒内旋转的螺旋给料器推动镁料慢慢向前移动，压射筒上的加热带对镁料进行加热，螺旋给料器对镁料进行剪切搅拌，促使碎料熔化成半固态，当半固态镁料在压射筒的另一端聚集到一定量时，用高速旋转的螺旋给料器把半固态镁合金压入型腔中并在高压下成型。与传统铸造方法相比，半固态射压铸造具有以下优点：
(1)浇注温度低，且半固态金属在搅拌时已有部分熔化潜热散失掉，减少了对压室，压铸型型腔和压铸机组成部件的热冲击。(2)由于半固态金属比全液态金属大，内浇口处流速低，因而充填时少喷溅，无湍流，卷入空气少；又由于半固态收缩小，所以铸件不易出现缩孔、缩松，提高铸件质量，尺寸稳定。(3) 不需熔化及处理合金，生产过程安全。(4) 不用 SF6 等保护性气体和熔剂，铸件夹杂少，力学性能好，同时对环境污染小。(5)采用陶瓷加热带加热，能源利用率高，并且由于镁合金不需加热到熔化状态，所以比其它铸造方法节约能源。(6)半固态金属像软固体一样输送到压室，简单方便。(7)半固态铸件的表面有一富铝层，具有良好的耐蚀性。(8)金属料回收率达 100%。AZ91D 、AM60B 、AS41 、AE42等合金都可用于半固态射压铸造生产，产品广泛用于电子、汽车零部件等。
挤压铸造挤压铸造是低速充型，在高压下凝固的铸造生产技术，分为直接挤压铸造和间接挤压铸造。直接挤压铸造的充型压力直接施加在金属液上，凝固快，铸件组织致密，缺点是需要配置精确的定量浇注系统，适合生产形状简单的对称结构铸件；间接挤压铸造是通过浇道传递压力，在合金凝固过程中难以保持较高的压力，但由于不需要定量浇注，所以目前镁合金生产多用间接挤压铸造法。镁合金挤压铸造的铸型温度一般为200~300℃，充型压力为 50~150MPa，浇注时的过热温度为30~140℃，通常采用石墨基涂料。镁合金的铸造方法还包括低压铸造、差压铸造、消失模铸造和砂型铸造等。各种铸造方法都有其优、缺点，将不同的铸造方法相结合可达到事半功倍的效果，如挤压铸造可与差压铸造、半固态射压铸造相结合，消失模铸造可与低压铸造、差压铸造相结合等。
我国镁资源丰富，菱镁砂矿储量约27亿t，居世界首位。青海湖也储有丰富的高品质镁资源，辽宁大石桥、海城、岫岩都有着丰富的镁矿资源。我们应进一步开发镁资源，同时开发镁合金压铸件市场，挖掘镁合金压铸件在我国汽车、通讯、电子等方面的应用潜力。

文献参考：

[1].李隆盛.铸造合金及熔炼.机械工业出版社.1989

[2].宫克强.特种铸造.机械工业出版社.1986

[3].袁晓光，白彦华等.飞速发展的压铸技术.铸造.2000，（7）

[4].范琦.飞速发展的镁合金工业.特种铸造及有色金属.2001，（S 1）

[5].吴炳尧.镁合金压铸技术分析.铸造.2000 ，（8 ）

[6].MS Yong Dr A JClegg.Evaluation of squeezecast magnesium alloy and composite.FOUNDRYMAN 1999 (3)​​​​