鎂合金壓鑄模具技術必須注意的幾個問題

1、鎂合金壓鑄是一個集設計、制造與研究于一體的系統工程，鎂合金壓鑄工作者與從事鋅、鋁合金壓鑄的人員相比，應具有更全面的知識、經驗和研究開發能力。
汽車用鎂合金主要是壓鑄類產品，采用鎂壓鑄件使汽車質量減輕，耗油量減少，排出廢氣減少；且鎂合金壓鑄件具有降噪減振性能和鑄造精度高等優點，綜合經濟效益好，是汽車輕量化最有希望的重要材料，具有廣闊的應用前景。
我國是鎂資源極其豐富的國家，但由于目前我國在鎂合金壓鑄技術和應用方面處于落后地位，鎂資源大部分以初級產品形式出口國外，鎂的出口生產量遠大于國內消費量。隨著國內汽車工業及計算機、信息、通訊、儀表、航空航天等產業的迅速發展, 我國的鎂合金壓鑄工業也必將在強手如林的世界市場上占有一席之地。

2、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構材料，其比強度高于鋁合金和鋼，略低于比強度最高的纖維增強塑料；其比剛度與鋁合金和鋼相當，遠高于纖維增強塑料；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、磁屏蔽性遠優于鋁合金[1]；鑒于鎂合金的動力學粘度低，相同流體狀態(雷諾指數相等)下的充型速度遠大于鋁合金，加之鎂合金熔點、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牌號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。對與壓鑄鎂合金，目前主要有以下幾個方面的研究：
(1) 高溫使用性能：目前AZ及AM兩個系列的鎂合金壓鑄件占汽車用鎂合金壓鑄件的90%，這兩個系列的鎂合金在150℃以上強度均明顯下降。現已開發出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℃蠕變強度優于AZ91D和AM60B，且有較高伸長率、屈服強度和抗拉強度。大眾公司Beetle發動機曲軸箱以前一直采用AS41和AS42，最近采用的一種改進的合金AE42在高溫下的蠕變性能則更好些[1,2]。某些微量元素如稀土元素Y、Nd、Sr等，對壓鑄鎂合金具有明顯的晶粒細化作用，可提高壓鑄鎂合金的強度和抗蠕變能力，如最近研制的AE42的抗蠕變能力優于傳統MgAlSi合金，可在200～250℃長期使用[3]。但AS和AE合金對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，使生產和應用受到一定限制。
(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非常迅速。在工作情況下要提高吸收能量的能力，就應提高材料的斷裂韌性。通過在合金中減少鋁，可以做到這點。AM60和AM50在儀表板托架、轉向盤轉軸及座椅等安全部件上得到廣泛應用，AM20目前還應用到座椅的后背框架。另外，斷裂延伸率與溫度關系也是相當密切的，尤其是在約50℃以上時，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大應用的一大障礙。鎂的化學活性高，以鎂為基的合金和復合材料易發生微電池腐蝕，一般低純度壓鑄鎂合金的耐蝕性差。嚴格規定了Fe，Ni，Cu等雜質元素的高純度壓鑄鎂合金(如AZ91D)，以及含稀土的AE42，其鹽霧試驗的耐蝕性已超過壓鑄鋁合金A380，遠好于低碳鋼[4]。調整化學成分、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，但若不從材質本身解決問題，耐蝕性差始終是鎂合金件獲得大量應用的一個技術障礙。
(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[5]，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，獲得更為廣泛的應用前景。
(5) 鎂合金基復合材料：用碳化硅等顆粒增強的鎂合金基復合材料已進行了多年的研究開發，目前雖尚未達到在壓鑄領域商業應用的階段，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，并有將這種復合材料與半固態鑄造相結合，應用于壓鑄和擠壓鑄造領域的發展趨勢[5]。
3　鎂合金壓鑄方式
鎂合金可用冷室或熱室壓鑄機壓鑄。目前對熱室壓鑄機的改進主要包括：采用儲能器增壓，壓射柱塞的壓射速度可達6m/s；感應加熱鵝頸管和噴嘴，使之保持最適宜溫度；采用雙爐熔化保溫，并采用絕熱裝置和再循環管道，精確保持熔池溫度。當用普通冷室壓鑄機壓鑄鎂合金時，必須對壓鑄機的壓射系統和自動給料系統進行必要的改造，使之適用于鎂合金壓鑄的要求。改造的內容包括：(1) 將壓射系統的快壓射速度由壓鑄鋁合金時的4～5ｍ/ｓ提高到6～10ｍ/ｓ；(2) 縮短增壓過程的建壓時間；(3) 提高壓射力；(4) 采用電磁自動定量給料裝置，防止鎂合金在澆注過程中氧化；(5) 如采用真空壓鑄等特種壓鑄工藝時，配置必要的配套設備。
與其他壓鑄合金一樣，傳統的壓鑄技術使鎂合金液以高速的紊流和彌散狀態充填壓鑄型腔，氣體在高壓下或者溶解在壓鑄合金內，或者形成許多彌散分布在壓鑄件內的高壓微氣孔。因此用傳統壓鑄方法生產的鎂合金壓鑄件不能進行熱處理強化，也不能在較高溫度下使用。為了消除這種缺陷，提高壓鑄件的內在質量，擴大壓鑄件的應用范圍，近20年來研究開發了一些新的壓鑄方法，其中包括充氧壓鑄，半固態金屬流變或觸變壓鑄和擠壓鑄造，以及幾經起伏的真空壓鑄等。
真空壓鑄通過在壓鑄過程中抽除型腔內的氣體而消除或顯著減少壓鑄件內的氣孔和溶解氣體，提高壓鑄件的力學性能和表面質量。目前已成功地在冷室壓鑄機上用真空壓鑄法生產出AM60B鎂合金汽車輪轂，在鎖型力為2940kN的熱室壓鑄機上生產出AM60B鎂合金汽車方向盤零件，鑄件伸長率由8%提高至16%[6]。　　
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，置換型腔內的空氣，金屬液充型時，活性氣體與充型金屬液反應生成金屬氧化物微粒彌散分布在壓鑄件內，從而消除壓鑄件內的氣體，使壓鑄件可熱處理強化。日本輕金屬(株)用充氧壓鑄法生產計算機的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濟效益。該公司還用充氧壓鑄法成批生產了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%。