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(zhǎng)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(guó)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(guó)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(zhǎng)。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(guó)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(guó)生產(chǎn)的鎂砂和鎂砂制品大量用于出口。充分利用我國(guó)豐富的鎂砂資源進(jìn)行深度開發(fā)，結(jié)合我國(guó)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(guó)鑄造工作者面前的一項(xiàng)任務(wù)。
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(guó)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。現(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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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。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，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(shì)。
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(zhǎng)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(guó)、日本和英國(guó)等國(guó)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。
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?jī)?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?jī)?nèi)必須安裝集塵器并配備防火砂及防火設(shè)施。
充型過程的研究計(jì)算機(jī)模擬
隨著鎂合金鑄件的應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣大，對(duì)壓鑄鎂合金的充型性能提出了更高的要求。而目前對(duì)壓鑄鎂合金的充型規(guī)律、充型性能與壓鑄工藝參數(shù)的關(guān)系、充型臨界壁厚等了解甚少，因此，亟需進(jìn)行系統(tǒng)研究。為此，應(yīng)大力開展鎂合金充型及凝固過程的計(jì)算機(jī)模擬研究，并在此基礎(chǔ)上形成專家系統(tǒng)，以指導(dǎo)壓鑄工藝的制定、壓鑄型設(shè)計(jì)、壓鑄件質(zhì)量控制，提高鎂合金壓鑄件的合格率及壓鑄型的使用壽命。
數(shù)值模擬軟件在汽車鎂壓鑄件中應(yīng)用最為普遍，德國(guó)的一些汽車行業(yè)已經(jīng)成功地模擬了座椅架、觸變成型燃油泵、奧迪5倍速變速箱、車輪、4缸發(fā)動(dòng)機(jī)缸體等汽車用鎂合金壓鑄件，有效地縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，極大增強(qiáng)了企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。
在汽車工業(yè)中的應(yīng)用前景
據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，現(xiàn)在世界工程構(gòu)件鎂合金需求的98%來自于壓鑄行業(yè)，而其中的70%以上又用于汽車工業(yè)，因此鎂合金的壓鑄工藝性能對(duì)其在工業(yè)中應(yīng)用的發(fā)展起著決定性的作用。
北美是鎂合金用量最多的地區(qū)，其年發(fā)展速度為30%。著名的汽車公司如福特、通用和克萊斯勒等公司在過去的十幾年里一直致力于新型鎂合金和鎂合金離合器殼體、轉(zhuǎn)向柱架、進(jìn)氣歧管及照明夾持器等汽車零部件的開發(fā)與應(yīng)用。1996年政府能源部與通用、福特和克萊斯勒三大集團(tuán)簽署了一項(xiàng)名為“PNGV”(新一代交通工具)的合作計(jì)劃，該計(jì)劃的目的在于生產(chǎn)出符合市場(chǎng)要求的節(jié)能轎車。通用汽車公司于1997年成功地開發(fā)出鎂合金汽車輪轂，并且與世界最大的鎂生產(chǎn)與加工公司——Hydro公司簽定了應(yīng)用鎂合金壓鑄件的協(xié)議；威斯康辛Lindberg觸變成形發(fā)展中心對(duì)鎂合金壓鑄技術(shù)進(jìn)行了創(chuàng)新，采用半固態(tài)壓鑄技術(shù)生產(chǎn)出鎂合金賽車離合器片與汽車傳動(dòng)零件。歐洲的鎂合金用量?jī)H次于北美，其年發(fā)展速度為60%。著名的奔馳汽車公司最早將鎂合金壓鑄件應(yīng)用于汽車座支架，奧迪汽車公司第一個(gè)推出鎂合金壓鑄汽車儀表板，可以說德國(guó)是推動(dòng)鎂合金壓鑄發(fā)展的先驅(qū)與主力軍。1997年，德國(guó)又由聯(lián)邦科技教育部(BMBF)牽頭，聯(lián)合大眾汽車公司等50余家企業(yè)和慕尼黑工業(yè)大學(xué)等6所大學(xué)及研究所，投資2500萬馬克進(jìn)行了一項(xiàng)為期3年的“MADICA”(鎂合金壓鑄)發(fā)展項(xiàng)目。豐田汽車公司首先制造出鎂合金汽車輪轂、轉(zhuǎn)向軸系統(tǒng)、凸輪罩等零部件；三菱公司與澳大利亞工業(yè)科技部合作，開發(fā)出超輕量鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)。目前，日本的各家汽車公司都生產(chǎn)和應(yīng)用了大量的鎂合金殼體類壓鑄件�！ ℃V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(zhǎng)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(guó)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(guó)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(zhǎng)。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(guó)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(guó)生產(chǎn)的鎂砂和鎂砂制品大量用于出口。充分利用我國(guó)豐富的鎂砂資源進(jìn)行深度開發(fā)，結(jié)合我國(guó)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(guó)鑄造工作者面前的一項(xiàng)任務(wù)。
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(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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。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，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(shì)。
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(zhǎng)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(guó)、日本和英國(guó)等國(guó)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。
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?jī)?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?jī)?nèi)必須安裝集塵器并配備防火砂及防火設(shè)施。
充型過程的研究計(jì)算機(jī)模擬
隨著鎂合金鑄件的應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣大，對(duì)壓鑄鎂合金的充型性能提出了更高的要求。而目前對(duì)壓鑄鎂合金的充型規(guī)律、充型性能與壓鑄工藝參數(shù)的關(guān)系、充型臨界壁厚等了解甚少，因此，亟需進(jìn)行系統(tǒng)研究。為此，應(yīng)大力開展鎂合金充型及凝固過程的計(jì)算機(jī)模擬研究，并在此基礎(chǔ)上形成專家系統(tǒng)，以指導(dǎo)壓鑄工藝的制定、壓鑄型設(shè)計(jì)、壓鑄件質(zhì)量控制，提高鎂合金壓鑄件的合格率及壓鑄型的使用壽命。
數(shù)值模擬軟件在汽車鎂壓鑄件中應(yīng)用最為普遍，德國(guó)的一些汽車行業(yè)已經(jīng)成功地模擬了座椅架、觸變成型燃油泵、奧迪5倍速變速箱、車輪、4缸發(fā)動(dòng)機(jī)缸體等汽車用鎂合金壓鑄件，有效地縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，極大增強(qiáng)了企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。
在汽車工業(yè)中的應(yīng)用前景
據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，現(xiàn)在世界工程構(gòu)件鎂合金需求的98%來自于壓鑄行業(yè)，而其中的70%以上又用于汽車工業(yè)，因此鎂合金的壓鑄工藝性能對(duì)其在工業(yè)中應(yīng)用的發(fā)展起著決定性的作用。
北美是鎂合金用量最多的地區(qū)，其年發(fā)展速度為30%。著名的汽車公司如福特、通用和克萊斯勒等公司在過去的十幾年里一直致力于新型鎂合金和鎂合金離合器殼體、轉(zhuǎn)向柱架、進(jìn)氣歧管及照明夾持器等汽車零部件的開發(fā)與應(yīng)用。1996年政府能源部與通用、福特和克萊斯勒三大集團(tuán)簽署了一項(xiàng)名為“PNGV”(新一代交通工具)的合作計(jì)劃，該計(jì)劃的目的在于生產(chǎn)出符合市場(chǎng)要求的節(jié)能轎車。通用汽車公司于1997年成功地開發(fā)出鎂合金汽車輪轂，并且與世界最大的鎂生產(chǎn)與加工公司——Hydro公司簽定了應(yīng)用鎂合金壓鑄件的協(xié)議；威斯康辛Lindberg觸變成形發(fā)展中心對(duì)鎂合金壓鑄技術(shù)進(jìn)行了創(chuàng)新，采用半固態(tài)壓鑄技術(shù)生產(chǎn)出鎂合金賽車離合器片與汽車傳動(dòng)零件。歐洲的鎂合金用量?jī)H次于北美，其年發(fā)展速度為60%。著名的奔馳汽車公司最早將鎂合金壓鑄件應(yīng)用于汽車座支架，奧迪汽車公司第一個(gè)推出鎂合金壓鑄汽車儀表板，可以說德國(guó)是推動(dòng)鎂合金壓鑄發(fā)展的先驅(qū)與主力軍。1997年，德國(guó)又由聯(lián)邦科技教育部(BMBF)牽頭，聯(lián)合大眾汽車公司等50余家企業(yè)和慕尼黑工業(yè)大學(xué)等6所大學(xué)及研究所，投資2500萬馬克進(jìn)行了一項(xiàng)為期3年的“MADICA”(鎂合金壓鑄)發(fā)展項(xiàng)目。豐田汽車公司首先制造出鎂合金汽車輪轂、轉(zhuǎn)向軸系統(tǒng)、凸輪罩等零部件；三菱公司與澳大利亞工業(yè)科技部合作，開發(fā)出超輕量鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)。目前，日本的各家汽車公司都生產(chǎn)和應(yīng)用了大量的鎂合金殼體類壓鑄件。
