90年代以來，在世界范圍內(nèi)，鎂作為一種迅速崛起的工程金屬材料，每年以15%的速率保持快速增長(zhǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋁、銅、鋅、鎳以及鋼鐵，這在近代工程金屬材料的應(yīng)用中是前所未有的。以鎂合金壓鑄件為例，根據(jù)國(guó)際鎂協(xié)會(huì)(International Magnesium Association)和HydroMagnesium的估計(jì)，1991年，在全球鎂合金壓鑄件中，鎂的應(yīng)用已達(dá)到24000t。此后每年以15%—20%的速率穩(wěn)步增長(zhǎng)，及至1997年，已達(dá)64 000t。2000年突破100 000t大關(guān)。到2008年，可能增加到240000t規(guī)模，其中80%是汽車工業(yè)的應(yīng)用。
1 鑄造鎂合金的應(yīng)用
1.1 航空航天領(lǐng)域
就航空材料而言，結(jié)構(gòu)減重和結(jié)構(gòu)承載與功能一體化是飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的重要方向。鎂由于其低密度、高比強(qiáng)度的特性使得其很早就在航空工業(yè)上得到應(yīng)用。航空材料減重帶來的經(jīng)濟(jì)效益和性能的改善十分顯著，商用飛機(jī)與汽車減重相同重量帶來的燃油費(fèi)用節(jié)省，前者是后者的近100倍。而戰(zhàn)斗機(jī)的燃油費(fèi)用節(jié)省又是商用飛機(jī)的近10倍，更重要的是其機(jī)動(dòng)性能改善可以極大提高其戰(zhàn)斗力和生存能力。正因?yàn)槿绱耍娇展I(yè)才會(huì)采取各種措施增加鎂合金的用量。
1.2 軍事領(lǐng)域
鎂合金重量輕、比強(qiáng)度和剛度好、減振性能好、電磁干擾屏蔽能力強(qiáng)等特點(diǎn)能滿足軍工產(chǎn)品對(duì)減重、吸噪、減震、防輻射的要求。
1.3 汽車領(lǐng)域
鎂合金用作汽車零部件通常表現(xiàn)為以下優(yōu)點(diǎn)：
1)提高燃油經(jīng)濟(jì)性綜合標(biāo)準(zhǔn)，降低廢氣排放和燃油成本，據(jù)測(cè)算，汽車所用燃料的60%消耗于汽車自重，汽車每減重10%，耗油將減少8%-10%;
2)重量減輕可以增加車輛的裝載能力和有效載荷，同時(shí)還可改善剎車和加速性能;
3)可以極大改善車輛的噪音、振動(dòng)現(xiàn)象。
1.4 摩托車領(lǐng)域
50多年來，經(jīng)過不斷的技術(shù)革新，鎂合金在摩托車上的應(yīng)用也不斷在廣度和深度上進(jìn)行擴(kuò)展，應(yīng)用車型從賽車擴(kuò)展到運(yùn)動(dòng)型摩托、輕便型摩托、概念型摩托，覆蓋歐美日十幾種主要摩托車品牌，鎂合金應(yīng)用部件涵蓋動(dòng)力系統(tǒng)，傳動(dòng)系統(tǒng)以及各種摩托車附件四十余種，其中僅英國(guó)的Dymay輪轂就應(yīng)用多達(dá)400種車型。國(guó)內(nèi)摩托車鎂合金的應(yīng)用目前尚屬空白，重慶隆鑫率先試制出型號(hào)為L(zhǎng)Xl50的“鎂合金綠色概念摩托車”，在國(guó)內(nèi)引起了廣泛的關(guān)注，所采用的12個(gè)零部件如今已有3個(gè)實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)。
1.5 3C領(lǐng)域
3C產(chǎn)品——Computer，Communication，Consum·erElectronicProduct(計(jì)算機(jī)類、通訊類、消費(fèi)類電子產(chǎn)品)是當(dāng)今全球發(fā)展most快的產(chǎn)業(yè)，數(shù)字化技術(shù)導(dǎo)致了各類數(shù)字化產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)。鎂合金3C產(chǎn)品most早出現(xiàn)于日本，1998年，日本廠商開始在各種可攜式商品(如PDA.手機(jī)等)采用鎂合金材質(zhì)，如今運(yùn)用鎂合金most普遍的3C產(chǎn)品是筆記本電腦，也是由日本Sony公司率先推出的。在3C產(chǎn)品朝著輕、薄、短、小方向發(fā)展趨勢(shì)的推動(dòng)下，近年來鎂合金的應(yīng)用得到了持續(xù)增長(zhǎng)。
2 鑄造鎂合金的熔煉技術(shù)
2.1 鑄造鎂合金液的阻燃技術(shù)
2.1.1 熔劑保護(hù)法
利用低熔點(diǎn)的化合物在較低的溫度下熔化成液態(tài)，在鎂合金液面鋪開，因阻止鎂液與空氣接觸從而起到保護(hù)作用。現(xiàn)在普遍使用的熔劑由無水光鹵石(MgCI2—KC)為主，添加一些氟化物、氯化物組成。該劑使用較方便，生產(chǎn)成本低，保護(hù)使用效果好，適合于中小企業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)。但是，該劑使用前要重新脫水，使用時(shí)會(huì)釋放出嗆人的氣味。由于熔劑的密度較大會(huì)逐漸下沉，需要不斷添加。使用過程中釋放出大量有害氣體，污染環(huán)境、腐蝕廠房嚴(yán)重。因此，研究新型的覆蓋、精煉效果好且無公害的鎂合金熔劑是一項(xiàng)重要課題。
2.1.2氣體保護(hù)法
氣體保護(hù)法是在鎂合金液的表面覆蓋一層惰性氣體或者能與鎂反應(yīng)生成致密氧化膜的氣體，從而隔絕空氣中的氧，采用的主要保護(hù)氣體是SF6、S02、CO2、Ar、N2等。為了進(jìn)一步提高保護(hù)作用和減少較貴的SF6氣體的用量，國(guó)外一般在SF6氣體中混合空氣或其他干燥氣體如CO：混合氣體保護(hù)效果好，但是存在以下問題：
1)污染環(huán)境，SF6會(huì)產(chǎn)生S02、SF4等有毒氣體，SF6對(duì)全球變的作用是CO2的24900倍;
2)設(shè)備復(fù)雜，需要復(fù)雜的混氣裝置和密封裝置;
3)腐蝕設(shè)備，顯著降低坩堝使用壽命。
2.1.3 合金化法
過去人們采用在鎂合金中添加鈹元素來提高鎂合金的阻燃性能，但鈹?shù)亩拘暂^大，且加入量過高會(huì)引起晶粒粗化和增加熱裂傾向，因此受到添加量的限制。日本學(xué)者研究認(rèn)為，添加一定量的鈣能明顯提高鎂合金的著火點(diǎn)溫度，但是存在著加入量過高，且嚴(yán)重惡化鎂合金的力學(xué)性能。同時(shí)加入鈣和鋯具有阻燃效果。國(guó)內(nèi)研究認(rèn)為，在鎂合金AZ91D中加入稀土鈰可有效提高鎂合金的起燃溫度。
2.2 鎂合金熔體的變質(zhì)處理技術(shù)
鎂合金熔煉變質(zhì)的目的是改變鎂合金的組織形態(tài)，該工藝對(duì)合金的晶粒大小和力學(xué)性能有較大的影響，且對(duì)鎂液中的氧化夾雜亦有一定影響。研究表明，對(duì)于不含Al的鎂合金，采用鋯進(jìn)行變質(zhì)處理具有很好的晶粒細(xì)化效果，作用原理是Zr發(fā)生包晶反應(yīng)，促進(jìn)晶粒細(xì)化。在Mg—Al類合金中加入合適的碳素材料后，使其與合金液起化學(xué)反應(yīng)生成A1C4，該化合物可以起到外來晶核的作用，促使鎂合金的晶粒細(xì)化。在AZ91鎂合金基礎(chǔ)上添加不同含量的混合稀土，對(duì)其鑄態(tài)和固溶時(shí)效的組織及性能也有明顯的效果。
3 鎂合金成形技術(shù)
鎂合金成形分為變形和鑄造兩種方法，當(dāng)前主要使用鑄造成形工藝。鎂合金可以砂型鑄造、消失模鑄造、壓鑄、半固態(tài)鑄造等方法成型，近年來發(fā)展起來的鎂合金壓鑄新技術(shù)有真空壓鑄和充氧壓鑄，前者已成功生產(chǎn)出AM60B鎂合金汽車輪毅和方向盤，后者也己開始用于生產(chǎn)汽車上的鎂合金零件。解決汽車大型和復(fù)雜形狀零部件的成形問題是當(dāng)前進(jìn)一步開發(fā)和改進(jìn)鎂合金成形加工技術(shù)的方向。這里就現(xiàn)在常用的鎂合金鑄造方法作一簡(jiǎn)要介紹。
3.1 壓鑄
該方法是將熔化的鎂合金液，高速高壓注入精密的金屬型腔內(nèi)，使其快速成形。根據(jù)把鎂液送入金屬型腔的方式，壓鑄機(jī)可分為熱室壓鑄機(jī)和冷室壓鑄機(jī)兩種。
1)熱室壓鑄機(jī)。其壓室直接浸在坩堝內(nèi)鎂液中，長(zhǎng)期處于被加熱狀態(tài)，壓射部件裝在坩堝上方。這樣壓鑄每循環(huán)一次時(shí)，不必特意給壓室供給鎂液，所以生產(chǎn)能快速、連續(xù)，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。熱室壓鑄機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)工序簡(jiǎn)單，效率高;金屬消耗量少，工藝穩(wěn)定;壓入型腔的鎂液較干凈，鑄件質(zhì)量較好;鎂液壓人型腔時(shí)流動(dòng)性好，適于壓薄壁件。但壓室、壓鑄沖頭及坩堝長(zhǎng)期浸在鎂液中，影響使用壽命，對(duì)這些熱作件材料要求較高。鎂合金熱室壓鑄機(jī)更適合生產(chǎn)一些薄壁而外觀要求較高的零件，如手機(jī)和掌上電腦外殼等，但由于鎂合金熱室壓鑄機(jī)是采用沖頭直接將鎂合金液經(jīng)過封閉的鵝頸和噴嘴壓人金屬模型腔，因此壓射時(shí)增壓壓力較小，一般不適用于汽車、航天航空等大型、壁厚、載荷大的零件。
2)冷室壓鑄機(jī)。每次壓射時(shí)，先由手工或通過自動(dòng)定量給料機(jī)把鎂液注入壓射套筒內(nèi)，因而鑄造周期比熱室壓鑄機(jī)要長(zhǎng)些。冷室壓鑄機(jī)的特點(diǎn)是： 壓射壓力高，壓射速度快，所以可以生產(chǎn)薄壁件，也可以是厚壁件，適應(yīng)范圍寬;壓鑄機(jī)可大型化，且合金種類更換容易，也可與鋁合金并用;壓鑄機(jī)的消耗品比熱室壓鑄機(jī)的便宜。多數(shù)情況下，對(duì)大型、厚壁、受力和有特殊要求的壓鑄件采用冷室壓鑄機(jī)生產(chǎn)。
鎂合金壓鑄時(shí)，由于壓射速度高，當(dāng)鎂液充填到模具型腔時(shí)，不可避免會(huì)有金屬液紊流及卷氣現(xiàn)象發(fā)生，造成工件內(nèi)部和表面產(chǎn)生孔洞缺陷，因此對(duì)于要求高的鑄件，如何提高其成品率是鎂合金壓鑄所面臨的主要問題之一。
3.2 半固態(tài)成形技術(shù)
鎂合金半固態(tài)成形是近年來發(fā)展起來的成形技術(shù)，可以獲得高致密度的鎂合金制品，是具競(jìng)爭(zhēng)力的鎂合金成形方法。半固態(tài)成形主要有以下幾種方法。
3.2.1 觸變鑄造
觸變鑄造是將制備的非枝晶組織的棒料定量切割后重新加熱至液固兩相區(qū)(固相體積分?jǐn)?shù)為50%—80%)，然后再采用壓鑄或模鍛工藝半固態(tài)成形，觸變鑄造不使用熔化設(shè)備，錠料重新加熱后便于輸送和加熱，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化;但是，制備預(yù)制坯料需要巨大的投資，而且關(guān)鍵技術(shù)為國(guó)外少數(shù)幾家公司所壟斷，導(dǎo)致其成本居高不下，僅適于制造需高強(qiáng)度的關(guān)鍵零件。
3.2.2 流變鑄造
流變鑄造采用金屬熔體做原料，冷卻攪拌產(chǎn)生半固態(tài)合金漿料后，以管路或容器輸送至壓鑄機(jī)直接成形，對(duì)于流變鑄造，由于非枝晶半固態(tài)合金漿料在保持、狀態(tài)控制和輸送等方面存在著困難，在很大程度上限制了其工業(yè)應(yīng)用，從而慢于觸變鑄造工業(yè)應(yīng)用的步伐。隨半固態(tài)鑄造技術(shù)的進(jìn)展，觸變鑄造在預(yù)制材料均勻性及成本、感應(yīng)加熱控制及材料消耗、成形過程的可靠性及重復(fù)性、廢料回收等方面的限制越來越明顯，其經(jīng)濟(jì)效益很難盡人如意，因此開發(fā)流變鑄造再度受到人們的重視，日本日立制作所及UBE都開發(fā)出新的流變鑄造工藝及設(shè)備。總之，流變鑄造不僅可以低成本生產(chǎn)高質(zhì)量的成形件，而且生產(chǎn)流程將比觸變鑄造顯著縮短，更易于與傳統(tǒng)壓鑄技術(shù)接軌，減少設(shè)備投資。顯然，流變鑄造技術(shù)將會(huì)有更大的應(yīng)用潛力。
4 高性能鑄造鎂合金的研究進(jìn)展
4.1 耐熱鎂合金
耐熱性差是阻礙鎂合金廣泛應(yīng)用的主要原因之一，當(dāng)溫度升高時(shí)，它的強(qiáng)度和抗蠕變性能大幅度下降，使它難以作為關(guān)鍵零件(如發(fā)動(dòng)機(jī)零件)材料在汽車等工業(yè)中得到更廣泛的應(yīng)用。己開發(fā)的耐熱鎂合金中所采用的合金元素主要有稀土元素(RE)和硅(Si)。稀土是用來提高鎂合金耐熱性能的重要元素。含稀土的鎂合金QE22和WE54具有與鋁合金相當(dāng)?shù)母邷貜?qiáng)度，但是稀土合金的高成本是其被廣泛應(yīng)用的一大阻礙。
Mg—Al—Si(AS)系合金是德國(guó)大眾汽車公司開發(fā)的壓鑄鎂合金。175 cC時(shí)，AS41合金的蠕變強(qiáng)度明顯高于AZ91和AM60合金。但是，AS系鎂合金由于在凝固過程中會(huì)形成粗大的漢字狀Mg2Si相，損害了鑄造性能和機(jī)械性能。研究發(fā)現(xiàn)，微量Ca的添加能夠改善漢字狀MgaSi相的形態(tài)，細(xì)化Mg2Si顆粒，提高AS系列鎂合金的組織和性能。
4.2 耐蝕鎂合金
鎂合金的耐蝕性問題可通過兩個(gè)方面來解決：
1)嚴(yán)格限制鎂合金中的Pe、Cu、Ni等雜質(zhì)元素的含量。例如，高純AZ91HP鎂合金在鹽霧試驗(yàn)中的耐蝕性大約是AZ91C的100倍，超過了壓鑄鋁合金 A380，比低碳鋼還好得多。2)對(duì)鎂合金進(jìn)行表面處理。根據(jù)不同的耐蝕性要求，可選擇化學(xué)表面處理、陽極氧化處理、有機(jī)物涂覆、電鍍、化學(xué)鍍、熱噴涂等方法處理。例如，經(jīng)化學(xué)鍍的鎂合金，其耐蝕性超過了不銹鋼。
4.3 阻燃鎂合金
鎂合金在熔煉澆鑄過程中容易發(fā)生劇烈的氧化燃燒。實(shí)踐證明，熔劑保護(hù)法和SF6、SO2、CO2、Ar等氣體保護(hù)法是行之有效的阻燃方法，但他們?cè)趹?yīng)用中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染，并使得合金性能降低，設(shè)備投資增大。
純鎂中加鈣能夠大大提高鎂液的抗氧化燃燒能力，但是由于添加大量鈣會(huì)嚴(yán)重惡化鎂合金的機(jī)械性能，使這一方法無法應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。
most近，上海交通大學(xué)輕合金精密成型國(guó)家工程研究中心通過同時(shí)加入幾種元素，開發(fā)了一種阻燃性能和力學(xué)性能均良好的轎車用阻燃鎂合金，成功地進(jìn)行了轎車變速箱殼蓋的工業(yè)試驗(yàn)，并生產(chǎn)出了手機(jī)殼體、MP3殼體等電子產(chǎn)品外殼。
4.4 高強(qiáng)高韌鎂合金
現(xiàn)有鎂合金的常溫強(qiáng)度和塑韌性均有待進(jìn)一步提高。在Mg—Zn和Mg—Y合金中加人Ca、Zr可顯著細(xì)化晶粒，提高其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度;加入Ag和Th能夠提高M(jìn)g—RE—Zr合金的力學(xué)性能，如含Ag的QE22A合金具有高室溫拉伸性能和抗蠕變性能，已廣泛用作飛機(jī)、導(dǎo)彈的優(yōu)質(zhì)鑄件;通過快速凝固粉末冶金、高擠壓比及等通道角擠(ECAE)等方法，可使鎂合金的晶粒處理得很細(xì)，從而獲得高強(qiáng)度、高塑性甚至超塑性。
5 我國(guó)鑄造鎂合金的應(yīng)用概況
5.1 生產(chǎn)受技術(shù)和裝備的制約
目前我國(guó)原鎂產(chǎn)量居世界首位。2000年全國(guó)產(chǎn)量約200000t，80%以上作為初級(jí)原料低價(jià)出口，國(guó)內(nèi)消費(fèi)20000t左右。其中只有2000t用于桑塔納轎車變速箱殼體，其余均作為合金制備等一般用途。由于鎂合金的技術(shù)裝備和開發(fā)應(yīng)用相對(duì)滯后，國(guó)內(nèi)鎂行業(yè)表現(xiàn)出嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性矛盾。我國(guó)有色金屬壓鑄已有相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)，現(xiàn)擁有壓鑄廠點(diǎn)及相關(guān)企業(yè)總共約3000家，壓鑄機(jī)制造廠約有20家，年產(chǎn)壓鑄件300000t。其中鋁壓鑄件占75.5%，鎂壓鑄件僅占1%左右。上海乾通汽車附件有限公司為上海桑塔納轎車生產(chǎn)鎂合金壓鑄變速箱外殼已有多年歷史。但總體上看，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比我國(guó)的壓鑄件綜合質(zhì)量較差(加工余量大、廢品率高、合金利用率低、鑄造工藝裝備基礎(chǔ)條件差、環(huán)保和能耗問題較嚴(yán)重、缺乏專門人才和新工藝新產(chǎn)品開發(fā)能力)。致使產(chǎn)品價(jià)格較高缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。可以說我們現(xiàn)有的基礎(chǔ)完全不能適應(yīng)鎂合金產(chǎn)業(yè)化的要求。雖然鎂合金從鑄造工藝性看是一種非常適合于壓鑄的金屬材料，但生產(chǎn)實(shí)踐表明，鎂合金壓鑄需要很高的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)的積累。總的講鎂合金壓鑄的生產(chǎn)技術(shù)水平現(xiàn)在還很低，相對(duì)鋁合金壓鑄，鎂合金壓鑄件的質(zhì)量和產(chǎn)量的穩(wěn)定性較差、廢品率較高，致使鎂合金產(chǎn)品價(jià)格較高，制約了鎂合金產(chǎn)品的推廣應(yīng)用和新產(chǎn)品的開發(fā)。應(yīng)充分重視實(shí)現(xiàn)我國(guó)鎂合金產(chǎn)業(yè)化過程中相關(guān)應(yīng)用基礎(chǔ)工作的研究和鎂合金專門人才的培養(yǎng)。
5.2 政府高度重視
在“九五”期間科技部已開展了“鎂合金材料在轎車上的應(yīng)用研究”、“阻燃鎂合金的研制”、“高品質(zhì)犧牲鎂陽極的研制”等課題的研究。前期投入的研究工作還有鎂合金標(biāo)準(zhǔn)的研究、管理與運(yùn)行機(jī)制創(chuàng)新研究等相關(guān)內(nèi)容。2000年科技部啟動(dòng)了“鎂合金開發(fā)應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化”的前期戰(zhàn)略研究，現(xiàn)該項(xiàng)目已列為國(guó)家“十五”重大科技攻關(guān)重大專項(xiàng)，正組織力量聯(lián)合攻關(guān);在國(guó)家“863”計(jì)劃中也安排了有關(guān)鎂合金新材料、新工藝的研究?jī)?nèi)容;國(guó)家計(jì)委也將鎂合金產(chǎn)業(yè)化列為今年高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范項(xiàng)目;兵器等軍工集團(tuán)也開始啟動(dòng)了相應(yīng)的研究開發(fā)計(jì)劃。
5.3 國(guó)際合作日益活躍
2001年5月，中國(guó)臺(tái)灣工業(yè)研究院一行5人前來祖國(guó)大陸考察訪問，并就大陸、香港、臺(tái)灣地區(qū)共同開發(fā)鎂合金應(yīng)用技術(shù)達(dá)成合作備忘錄;香港生產(chǎn)力促進(jìn)局也曾就該項(xiàng)目的合作事宜派人來京進(jìn)行了多次洽談;香港力勁公司與清華大學(xué)合作成立了“壓鑄高新技術(shù)研究中心”;海峽兩岸及香港已成立鎂合金項(xiàng)目協(xié)調(diào)小組;清華大學(xué)成立了中俄“輕金屬材料”國(guó)際合作實(shí)驗(yàn)室;2000年10月組織國(guó)內(nèi)有關(guān)專家赴歐洲就鎂合金工業(yè)化應(yīng)用項(xiàng)目進(jìn)行了考察、調(diào)研;中美有關(guān)部門也正在積極洽談、溝通;寧夏華源與日本華源公司和日本金屬株式會(huì)社還簽署了共同開發(fā)耐熱鎂合金的合同書等。
5.4 企業(yè)態(tài)度非常積極
上海汽車(集團(tuán))公司、一汽集團(tuán)、東風(fēng)公司、奇瑞、長(zhǎng)安、江鈴等汽車企業(yè)都在用鎂合金零部件;重慶隆鑫集團(tuán)和西南鋁業(yè)集團(tuán)公司等單位合資組建的重慶鎂業(yè)科技股份有限公司已經(jīng)開發(fā)出了10多種鎂合金摩托車零部件。這些鎂合金零部件累計(jì)裝車30多萬輛。其單車用鎂量達(dá)5 kS，總減重約3kg。
