铸造镁合金的应用及技术进展
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。镁因其低密度和高比强度而长期用于航空工业。航空材料减重带来的经济效益和性能提升非常显著。商用飞机和汽车减重带来的燃油成本节约是后者的近100倍。战斗机节省的燃油成本是商用飞机的近10倍。更重要的是，其机动性的提高可以大大提高其战斗力和生存能力。正因为如此，航空工业将采取各种措施来增加镁合金的消耗量。
1.2军事领域
镁合金具有重量轻、比强度和比刚度好、减振性能好、电磁干扰屏蔽能力强等特点，可以满足军工产品对减重、吸声、减震和防辐射的要求。
1.3汽车领域
用作汽车部件的镁合金通常具有以下优点:
1)提高燃油经济性综合标准，降低尾气排放和燃油成本。据测算，汽车使用的燃料有60%是靠自重消耗的。汽车每减重10%，油耗降低8%-10%；
2)减重可以增加车辆的载重量和有效载荷，也可以提高制动和加速性能；
3)可以大大改善车辆的噪音和振动。
1.4摩托车场
50年来，经过不断的技术创新，镁合金在摩托车上的应用在广度和深度上不断拓展。应用车型从赛车扩展到运动摩托车、轻型摩托车、概念摩托车，覆盖欧美日十几个主要摩托车品牌。镁合金应用部件涵盖40多种动力系统、传动系统和各种摩托车配件，其中仅英国的Dymay车轮就有400多种。目前，镁合金在我国摩托车上的应用还是空白。重庆隆鑫率先试制出型号为LXl50的“镁合金绿色概念摩托车”，在国内引起广泛关注。现在，使用的12零件中，有三个已经量产。
1.5 3C场
3C产品——计算机、通信、消费电子产品(Computer，Communication，consumer electronic products)是当今世界发展最快的行业，数字技术导致了各种数字产品的不断涌现。镁合金3C产品首先出现在日本。1998年，日本制造商开始在各种便携式商品(如PDA、手机等)中使用镁合金。).现在，最常见的使用镁合金的3C产品是笔记本电脑，它也是由日本索尼公司首先推出的。在3C产品向轻、薄、短、小方向发展趋势的推动下，镁合金的应用近年来不断增长。
2铸造镁合金的熔炼技术
铸造镁合金液的阻燃技术
2.1.1通量保护法
低熔点的化合物在低温下熔化成液体，铺展在镁合金表面，阻止镁液与空气接触，从而起到保护作用。目前常用的熔剂主要是无水光卤石(MGC L2-KC)并加入一些氟化物和氯化物。该剂使用方便，生产成本低，防护和使用效果好，适合中小企业的生产特点。但药剂使用前要再次脱水，使用时会释放出呛人的气味。由于助焊剂密度大，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，严重腐蚀厂房。因此，研究一种新型的、覆盖和细化效果好、无污染的镁合金熔剂是一个重要的课题。
2.1.2气体保护法
气体保护法是在镁合金液体表面覆盖一层惰性气体或能与镁反应形成致密氧化膜的气体，从而隔绝空气中的氧气。使用的主要保护气体有SF6、SO2、CO2、Ar、N2等。为了进一步提高防护效果，减少昂贵的SF6气体的消耗，国外一般在SF6气体中掺入空气或CO:混合气体等其他干气，以达到良好的防护效果，但存在以下问题:
1)污染环境，SF6会产生SO2、SF4等有毒气体，对全球变暖的作用是CO2的24900倍；
2)设备复杂，需要复杂的气体混合装置和密封装置；
3)腐蚀设备，显著降低坩埚的使用寿命。
2.1.3合金化方法
过去，铍被添加到镁合金中以提高其阻燃性能。但铍是有毒的，过多的铍会引起晶粒粗化，增加热裂倾向，所以受到添加量的限制。日本学者认为，添加一定量的钙可以明显提高镁合金的起燃温度，但存在添加量过高，镁合金力学性能严重恶化的问题。同时加入钙和锆有阻燃作用。国内研究表明，在镁合金AZ91D中添加稀土铈可以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
镁合金熔化变质的目的是改变镁合金的显微组织。这一过程对合金的晶粒尺寸和力学性能有很大影响，对镁液中的氧化物夹杂也有一定影响。结果表明，对于不含Al的镁合金，用Zr变质具有良好的晶粒细化效果，其原理是Zr发生包晶反应促进晶粒细化。在镁铝合金中加入合适的碳材料后，与合金液反应生成A1C4，可以起到异质晶核的作用，促进镁合金的晶粒细化。向AZ91镁合金中添加不同含量的混合稀土对其铸态和固溶时效组织和性能也有明显影响。
3镁合金成形技术
镁合金成形可分为变形和铸造两种方法。目前主要采用铸造工艺。镁合金可以通过砂型铸造、消失模铸造、压铸和半固态铸造成型。近年来，开发了镁合金压铸新技术，包括真空压铸和氧气压铸。前者已成功生产汽车用AM60B镁合金轮毂和方向盘，后者也已用于生产汽车用镁合金零件。解决大型复杂汽车零件的成形问题是进一步发展和完善镁合金成形技术的方向。这里简单介绍一下镁合金的常用铸造方法。
3.1压铸
在该方法中，熔融镁合金以高速和高压注射到精密的金属模具型腔中，使其快速成形。根据镁液注入金属型腔的方式，压铸机可分为热室压铸机和冷室压铸机。
1)热室压铸机。其压力室直接浸入坩埚内的镁液中并长期处于受热状态，注射部分安装在坩埚上方。这样，不需要在压铸的每个循环中向压力室供应镁液，因此生产可以快速和连续，并且易于实现自动化。热室压铸机的优点是生产工艺简单，效率高；金属消耗少，工艺稳定；压入型腔的镁液干净，铸件质量好；镁液压腔流动性好，适合压制薄壁零件。而压制室、压铸凸模、坩埚等长时间浸泡在镁液中，影响使用寿命，对这些发热零件的材质要求也较高。镁合金热室压铸机更适合生产一些外观要求高的薄壁零件，比如手机、PDA外壳等。但由于镁合金热室压铸机采用冲头通过封闭的鹅颈管和喷嘴将镁合金液体直接压入金属型腔，注射时的增压压力较小，因此一般不适合汽车、航空航天等大型、厚大、重载的零件。
2)冷室压铸机。每次压射时，镁液通过手动或自动定量加料器注入压射套，因此铸造周期比热室压铸机长。冷室压铸机的特点是注射压力高，注射速度快，因此可以生产薄壁件或厚壁件，应用范围广；压铸机可以放大，合金类型容易更换，也可以用铝合金；压铸机的耗材比热室压铸机便宜。大多数情况下，大型、厚壁、有应力和特殊要求的压铸件都是用冷室压铸机生产的。
镁合金压铸时，由于注射速度较高，镁液充入型腔时，不可避免地会出现金属液的湍流和气体夹带，导致工件内部和表面产生孔洞缺陷。因此，如何提高高要求铸件的成品率是镁合金压铸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一种成形技术，可以获得高密度的镁合金制品，是一种有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。
触变铸造
触变铸造是将制备好的非枝晶棒材定量切割并重新加热至液固两相区(固相体积分数为50%-80%)，然后采用压铸或模锻工艺进行半固态成形。触变铸造不使用熔炼设备，钢锭便于运输，重新加热后易于加热，易于实现自动化。而预制坯的制备需要巨额投资，关键技术被少数国外公司垄断，导致其成本高昂，只适合制造高强度的关键零件。
流变铸造
流变铸造是以金属熔体为原料，经冷却搅拌制成半固态合金浆料，然后通过管道或容器输送到压铸机直接成型。对于流变铸造而言，由于非枝晶半固态合金浆料的保持、状态控制和输送困难，比触变铸造慢，其工业应用受到很大程度的限制。随着半固态铸造技术的发展，触变铸造对预制材料的均匀性和成本、感应加热控制和材料消耗、成形过程的可靠性和可重复性、废料回收等方面的限制越来越明显。，其经济效益不尽如人意。因此，流变铸造的发展再次引起人们的关注，日立制作所和UBE都开发了新的流变铸造工艺和设备。总之，流变铸造不仅可以低成本生产出高质量的零件，而且与触变铸造相比，生产流程显著缩短，更容易与传统压铸技术相衔接，减少设备投资。显然，流变铸造技术将有更大的应用潜力。
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，其强度和抗蠕变性大大降低，难以广泛用作汽车等行业关键零部件(如发动机零件)的材料。稀土元素(re)和硅(Si)是开发的耐热镁合金中使用的主要合金元素。稀土是提高镁合金耐热性的重要元素。含稀土的镁合金QE22和WE54具有与铝合金相同的高温强度，但稀土合金的高成本是其广泛应用的一大障碍。
Mg-Al-Si (As)合金是大众公司开发的压铸镁合金。在175 cC时，AS41合金的蠕变强度明显高于AZ91和AM60合金。然而，由于镁合金在凝固过程中会形成粗大的“中国式”Mg2Si相，从而损害其铸造性能和力学性能。发现微量Ca的加入可以改善汉字状MgaSi相的形貌，细化Mg2Si颗粒，改善AS系镁合金的组织和性能。
4.2耐腐蚀镁合金
镁合金的耐腐蚀性可以从两个方面解决:
1)严格限制镁合金中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约为az 9100倍，超过压铸铝合金A380，远优于低碳钢。
2)镁合金的表面处理。根据不同的耐腐蚀要求，可选择化学表面处理、阳极氧化处理、有机涂层、电镀、化学镀、热喷涂等方法。比如镁合金化学镀后的耐腐蚀性超过不锈钢。
4.3阻燃镁合金
镁合金在熔炼和铸造过程中容易发生剧烈的氧化燃烧。实践证明，熔剂保护和SF6、SO2、CO2、Ar等气体保护方法是有效的阻燃方法，但在应用中会造成严重的环境污染，降低合金性能，增加设备投资。
在纯镁中加入钙可以大大提高镁液的抗氧化燃烧能力，但加入大量的钙会严重恶化镁合金的力学性能，使得这种方法无法应用于生产实践。
近日，上海交通大学轻合金精密成形国家工程研究中心通过同时添加多种元素，开发出一种具有良好阻燃性和力学性能的汽车用阻燃镁合金，并成功在汽车变速箱盖上进行工业试验，生产出手机外壳、MP3外壳等电子产品外壳。
4.4高强度高韧性镁合金
现有镁合金的常温强度和塑性韧性有待进一步提高。在Mg-Zn和Mg-Y合金中加入Ca和Zr可以显著细化晶粒，提高其抗拉强度和屈服强度。添加Ag和Th可以提高Mg-Re-Zr合金的力学性能。例如，含Ag的QE22A合金在室温下具有高拉伸性能和抗蠕变性能，已被广泛用作飞机和导弹的高质量铸件。通过快速凝固粉末冶金、高挤压比和等通道转角挤压(ECAE)等手段，可以对镁合金晶粒进行非常精细的处理，从而获得高强度、高塑性甚至超塑性。
5中国铸造镁合金的应用概况
5.1生产受工艺和设备限制。
目前，中国原镁产量居世界第一。2000年全国产量约20万t，80%以上作为初级原料低价出口，国内消费约2万t..其中只有2000t用于桑塔纳变速箱壳体，其余用于合金制备等一般用途。由于镁合金的技术装备、开发和应用相对落后，国内镁工业呈现出严重的结构性矛盾。中国有色金属压铸已有相当的基础，目前有压铸厂及相关企业约3000家，压铸机生产企业约20家，年产量30万吨。其中铝压铸件占75.5%，镁压铸件只占1%左右。上海赣通汽车配件有限公司多年来一直为上海桑塔纳轿车生产镁合金压铸变速箱壳体。但总体上看，与发达国家相比，我国压铸件综合质量较差(加工余量大、废品率高、合金利用率低、铸造工艺装备基础条件差、环保和能耗问题严重、缺乏专门人才和新技术、产品开发能力)。导致产品价格上涨，缺乏竞争力。可以说，我们现有的基础根本不能满足镁合金产业化的要求。虽然镁合金是一种非常适合压铸的金属材料，但生产实践表明，镁合金压铸需要较高的技术水平和经验积累。总的来说，镁合金压铸的生产技术水平还很低。与铝合金压铸相比，镁合金压铸质量和产量稳定性差，废品率高，导致镁合金产品价格高，制约了镁合金产品的推广应用和新产品的开发。我国在实现镁合金产业化的过程中，应充分重视相关基础应用工作的研究和镁合金专业人才的培养。
5.2政府对此非常重视。
“九五”期间，科技部开展了镁合金材料在汽车上的应用、阻燃镁合金的开发和高质量牺牲镁阳极的研制等方面的研究。前期的研究工作还包括镁合金标准的研究、管理和运行机制的创新等相关内容。2000年，科技部启动了“镁合金开发应用及产业化”的前期战略研究，现该项目已被列为国家“十五”重大项目，正在组织联合攻关；在国家“863”计划中，也安排了镁合金新材料、新工艺的研究内容。国家计委今年也将镁合金产业化列为高技术产业化示范项目。兵器等军工集团也开始了相应的研发计划。
5.3国际合作日益活跃。
2001年5月，中国台湾省工业研究院一行5人访问中国大陆，并在中国大陆、香港和台湾省达成镁合金应用技术开发合作备忘录。香港生产力促进局也多次派人到北京洽谈这个项目的合作。香港力劲有限公司与清华大学合作建立“压铸高技术研究中心”；海峡两岸和香港成立了镁合金项目协调小组。清华大学成立“轻金属材料”中俄国际合作实验室；2000年6月5日至10月，组织国内专家赴欧洲考察和调研镁合金的工业应用项目。中美有关部门也在积极协商沟通；宁夏华源还与日本华源公司、日本金属株式会社签约开发耐热镁合金。
5.4企业态度非常积极。
上海汽车(集团)公司、一汽集团、东风公司、奇瑞、长安、江铃等汽车公司都在使用镁合金零部件。重庆隆鑫集团与西南铝业公司合资的重庆镁科技有限公司，开发了10多种镁合金摩托车零部件。这些镁合金零件已经装了30多万辆。自行车用镁量5 kS，总减重约3kg。