镁及镁合金压铸技术及其应用前景-压铸模

　　镁是极重要的有色金属，它比铝轻，能够很好地与其它金属构成高强度的合金，镁合金具有比重轻、比强度和比钢度高、导热导电性好、兼有良好的阻尼减震和电磁屏蔽性能、易于加工成型、容易回收等优点，因此被誉为“21世纪绿色工程材料”。但长期以来，由于受价格昂贵和技术方面的，镁和镁合金只少量应用于航空、航天及军事工业，因而被称为“贵族金属”。自20世纪90年代以来，在传统的应用领域里，镁的需求量不断增加。据报道，金属镁的需求量以每年5%的速度递增。镁是继钢铁、铝之后的第三大金属工程材料，被广泛地应用于航空航天、汽车、电子、移动通讯、冶金等领域。可以预计，由于其它结构金属生产成本的增加，金属镁在未来的重要性变的更大。

　　1.1镁的资源丰富镁的地壳表层储量居第8位，占1、9%（质量比），而我国的镁储量占世界第一。镁在自然界中以化合态存在，镁矿石主要包括菱镁矿（主要含MgCO3）和白云石（主要含CaCO3-MgCO3）。我国已探明的菱镁矿资源总量为３１．４5亿t，占世界储量的２２．５％，工业储量为２７亿t；白云石４０亿t；蛇纹石３０亿t。另外，盐湖和海水中也含有大量的镁。青海柴达木盆地的３３个盐湖镁盐储量为４７．５亿t，而且储存形式为非常有利于开采的高纯度氯化镁。每千克海水中约含３．８g氯化镁，１．７克硫酸镁，因而海水中含镁约为２．１t（２１００亿t）。据专家估计，镁资源的开采年限可达１０００年，对人类而言简直就是取之不尽用之。

　　压铸模的工作原理1.2镁及镁合金的优良特性镁是地球上储量最丰富的轻金属元素之一，镁的比重是１．７４g／cm３，只有铝的２／３，钛的２／５，钢的１／４；镁合金比铝合金轻３６％、比锌合金轻７３％、比钢轻７７％。除了比重低，镁还有很多其它的优异物理特性，这些优异的物理特性主要表现在：比铝高３０倍的减振性能；比塑料高２００倍的导热性能；其热膨胀性能只有塑料的１／２。和压铸铝合金相比，镁除了上述物能等优点，还具有较高的机械性能。镁的强度和钢度要明显好于塑料，延伸率和冲击抗力则明显好于压铸铝合金。镁有很好的加工性能，也就是说有很好的铸造性能。和其它材料比，它的制造成本很低，值得重视的是，尽管每公斤镁锭的价格要比铝和铁贵一些，但它单位体积的成品价格几乎是一样的。镁的物理化学特性使其比铝更适合压铸大型部件。镁单位体积的熔化潜热只有铝的２／３，比热只有铝的３／４，并且有非常低的溶铁性。这些特性使镁压铸件达到和铝几乎相同的单位重量生产成本。镁合金材料１８０８年面世，１８８６年使用于工业生产。镁合金压铸技术从１９１６年成功地将镁合金用于压铸件算起，至今也经历了八十余年的发展。人类在认识和驾驭镁合金及其制品的生产技术方面，经历了漫长的探索历程。从１９２７年推出高强度ＭgＡ１９Ｚn１开始，镁合金的工业应用获得了实质性的进展。１９３６年大众汽车公司开始用压铸镁合金生产“甲壳虫”汽车的发动机传动系统零件，１９４６年单车使用镁合金量达１８kg左右。美国在１９４８～１９６２年间用热室压铸机生产的汽车用镁合金压铸件达数百万件。尽管如此，过去镁合金作为结构材料主要用于航空领域，在其它领域，世界上镁的主要用途是生产铝合金，其次是用于钢的脱硫和球墨铸铁生产。近年来，由于人们对产品量化的要求日益迫切，镁合金性能的不断改善及压铸技术的显著进步，压铸镁合金的用量显著增长。特别是人类对汽车提出了进一步减轻重量、降低燃耗和排放、提高驾驶安全性和舒适性的要求，镁合金压铸技术正飞速发展。此外，镁合金压铸件已逐步扩大到其他领域，如手提电脑外壳，手提电锯机壳，鱼钩自动收线匣，机壳，移动电话机壳，航空器上的通信设备和雷达机壳，以及一些家用电器具等。

　　2．压铸镁合金的特性镁合金的密度小于２g/Cm3，是目前最轻的金属结构材料，其比强度高于铝合金和钢，略低与比强度最高的纤维增强塑料；其比钢度与铝合金和钢相当，远高于纤维增强塑料；其耐腐蚀性比低碳钢好的多，已超过压铸铝合金Ａ３８０；其减振性、磁屏蔽性远优于铝合金；鉴于镁合金的动力学粘度低，相同流体状态（雷诺指数相等）下的充型速度远大于铝合金，加之镁合金熔点、比热容和相变潜热均比铝合金低，故其熔化耗能少，凝固速度快，镁合金实际压铸周期可比铝合金短５０％。此外，镁合金与铁的亲和力小，固熔铁的能力低，因而不容易粘连模具表面，其所用模具寿命比铝合金高２~３倍。常用的压铸镁合金大多是美国牌号ＡＺ９１，ＡＭ６０，ＡＭ５０，ＡＭ２０，ＡＳ４１和ＡＥ４２，分别属于Ｍg-A1-Zn，Mg-A1-Mn，Mg-A1-Si和Mg-A1-RE四大系列。对与压铸镁合金，目前主要有以下几个方面的研究：

　　2.1使用性能：目前ＡＺ及ＡＭ两个系列的镁合金压铸件占汽车用镁合金压铸件的９０％，这两个系列的镁合金在１５０℃以上强度均明显下降。现已开发出150℃以上抗蠕变能力的AS系列压铸镁合金，如AS41A合金（Mg43�1%Si0.35%Mn），其175℃蠕变强度优于AZ91D和AM60B，且有较高伸长率、强度和抗拉强度。大众公司Beetle发动机曲轴箱以前一直采用AS41和AS42，最近采用的一种改进的合金AE42在高温下的蠕变性能则更好些。某些微量元素如稀土元素Y、Nd、Sr等，对压铸镁合金具有明显的晶粒细化作用，可提高压铸镁合金的强度和抗蠕变能力，如最近研制的AE42的抗蠕变能力优于传统MgA1Si合金，可在200~250℃长期使用。但AS和AE合金对高温性能的改善仍是有限的，其铸造性能比AZ和AE合金要差，加之稀土元素成本高，使生产和应用受到一定。

　　2.2延展性：目前，压铸件在需要安全及高断裂韧的用途上增长非常迅速。在工作情况下要提高吸收能量的能力，就应高材料的断裂韧性。通过在合金中减少铝，可以做这点。AM60和AM50在仪表板托架、转向盘转轴及座椅等件上得到广泛应用，AM20目前还应用到座椅的后背框架。另外，断裂延伸率与温度关系也是相当密切的，尤其是在约50℃以上时，随温度的增加而增加。

　　2.3镁合金的耐蚀性：耐蚀性也曾是镁合金扩大应用的一大障碍。镁的化学活性高，以镁为基的合金和复合材料易发生微电池腐蚀，一般低纯度压铸镁合金的耐蚀性差。严格了Fe、Ni、Cu等杂质元素的高纯度压铸镁合金（如AZ91D），以及含稀土的AE42，其盐雾实验的耐蚀性已超过压铸铝合金A380，远好于低碳钢。调整化学成分、表面处理和控制微观组织等均可改善其耐蚀性。尽管提高镁合金件耐蚀性的方法众多，但若不从材质本身解决问题，耐蚀性差始终是镁合金件获得大量应用的一个技术障碍。

　　2.4阻燃镁合金：在镁合金中添加AI（2.5%）、Be合金（Be入量为0.00005%~0.03%）或含Ca合金，也可有效地防止镁合金液的氧化。目前，一些研究者正在从事具有阻燃性能镁合金的研究，这一研究一旦获得成功，则镁合金就像铝合金一样和铸造，获得更为广泛的应用前景。

　　2.5镁合金基复合材料：用碳化硅等颗粒增强的镁合金基复合材料已进行了多年的研究开发，目前虽尚未达到在压铸领域商业应用的阶段，但已用砂型铸造、精密铸造等方法制成了叶轮、自行车曲柄、汽车缸套等铸件，并有将这种复合材料与半固态铸造相结合，应用于压铸和挤压铸造领域的发展趋势。

　　3.镁合金压铸方式：镁合金可用冷室或热室压铸机压铸。与其他压铸合金一样，传统的压铸技术使镁合金液以高速的紊流弥散状态充填压铸行腔，气体在高压下或者溶解在压铸合金内，或者形成许多弥散分布在压铸件内的高压微气孔。因此用传统压铸方法生产的镁合金压铸件不能进行热处理强化，也不能在较高温度下使用。为了消除这种缺陷，提高压铸件的内在质量，扩大压铸件的应用范围，近20年来研究开发了一些新的压铸方法，其中包括充氧压铸，半固态金属流变或触变压铸和挤压铸造　　电子信息毕业设计，以及几经起伏的真空压铸等。近年来美国、日本和英国等国的公司相继开发出镁合金半固态触变射压铸造机。镁合金半固态触变射压铸造机以一定压力将半固态镁合金射入压铸型内而使之成形，其工作原理类似于注塑机。它将预制的非枝晶态镁粒送入螺旋给料机构，在螺旋给料机构中将镁粒加热到半固态，并通过螺旋给料机构另一端的镁合金浆料收集室将半固态镁合金浆料送入压射室进行射压成形。这种铸造成形方法代表了镁合金铸件生产的一个发展方向。

　　4.市场发展预测据文献报道，现界工程构件镁合金需求的98%来自于压铸行业，而其中的70%以上又用于汽车工业，因此镁合金的压铸工艺性能对其在工业中应用的发展起着决定性的作用。是镁合金用量最多的地区，其年发展速度为30%。著名的汽车公司如福特、通用和克莱斯勒等公司在过去的十几年里一直致力于新型镁合金和镁合金离合器壳体、转向柱架、进气歧管及照明夹持器等汽车零部件的开发与应用。1996年能源部与通用、福特和克莱斯勒三大集团签署了一项名为“PNGV”（新一代交通工具）的合作计划，该计划的目的在于生产出符合市场要求的节能轿车。通用汽车公司于1997年成功地开发出镁合金汽车轮毂，并且与世界最大的镁生产与加工公司——Haydro公司签定了应用镁合金压铸件的协议；威斯康辛Lindberg触变成形发展中心对镁合金压铸技术进行了创新，采用半固态压铸技术生产出镁合金赛车离合器片与汽车传动零件。欧洲的镁合金用量仅次于，其年发展速度为60%。著名的奔驰汽车公司最早将镁合金压铸件应用于汽车座支架，奥迪汽车公司第一个推出镁合金压铸汽车仪表板，可以说是推动镁合金压铸发展的与主动军。1997年，又由联邦科技教育部（BMBF）牵头，联合大众汽车公司等50余家企业和慕尼黑工业大学等6所大学及研究所，投资2500万马克进行了一项为期3年的“MADICA”（镁合金压铸）发展项目。风田汽车公司首先制造出镁合金汽车轮毂、转向轴系统、凸轮罩等零部件；三菱公司与工业科技部合作，开发出超轻量镁合金发动机。目前，日本的各家汽车公司都生产和应用了大量的镁合金壳体类压铸件。近年来，人类对汽车提出了进一步减重量、降低燃耗和排放、提高驾驶安全性和舒适性的要求，由于镁比钢材轻75%用镁合金压铸件取代钢件可使轿车单重减少0.7L，因此汽车用镁合金压铸件产量在工业发达国家出现了持续快速增长的势头。福特汽车公司的目标是力争几年后中型车百公里油耗少到3升；目前AudiA6轿车的单车镁合金压铸件总重以达14.2kg。其未来目标是将单车镁合金压铸件总重增加到50~80kg。日本三菱铝业公司正与工业科技部合作开发一种超轻质量的镁发动机。目前，轿车上采用镁合金的部件有座椅上一些部件、膝垫、转向柱部件、转向盘、制动与离合器踏板托架、安全气囊装置、踏板托架、轿车音响小的散热器框架、镜托架以及可开式车顶的一些部件；轿车发动机中的发动机机体、气缸盖、进气管、油泵壳体、辅助装置的支架以及电器接线装置；还有变速箱、离合器壳体、转向盘.柱、阀盖、阀板、车窗、马达壳体、油滤接头、进气歧管、镜罩、大灯保持架、制动防抱死系统的托架、车轮、油箱门。未来的发展中，在一些大型压铸件上，也将拓展它的应用，如车顶、发动机盖、后舱盖、内门板框架、仪表板等。其它的如需要安全及高断裂韧性的零部件，也将是镁合金拓展应用的领域，如座椅框架、转向柱、车身板、发动机前的散热器格栅加强板及一些车身结构支撑件。汽车在向着更安全、更轻便、更省材与更节能、污染更轻、更舒适的方向发展，要求对汽车采用新的概念设计，这为镁合金在汽车工业中的应用开辟了更加广阔的领域。镁合金压铸件在汽车中的应用量将随着汽车产量的逐渐增长而以更快的速度上升。

　　随着我国加入WTO世界，将进一步加速成为全球制造中心的趋势，镁合金压铸品生产工艺烦杂，需要大量的人工操作，难要全面实现自动化。基于原料，注塑模毕业设计。劳力成本和就近配套的需要，世界发达国家的镁合金产品亦会逐步向我国转移，为我国镁合金产品的发展提供了更大的机遇。6.结语镁合金压铸是一个集设计、制造与研究于一体的系统工程，汽车用镁合金主要是压铸类产品，采用镁压铸件使汽车质量减轻，耗油量减少，排出废气减少；且镁合金压铸件具有减噪减振性能和铸造精度高等优点，综合经济效益好，是汽车轻量化最有希望的重要材料。具有广阔的应用前景。我国是镁资源极其丰富的国家，原镁产量居世界首位，占全球产量的40%，为发展镁合金压铸提供了良好的基础。同时，镁合金作为最轻的金属工程材料，凭借其优良的机械性能和抗电磁干扰及屏蔽性能　　注塑模毕业设计，在我国汽车、摩托车及3C领域的应用越来越广，可以预计，我国镁合金压铸业大发展的时期正在到来。

　　压铸模温机油加热器