镁合金铸造成型最新研究进展.pdf

第30卷第2期 2011年2月 中国材料进展 MATERIALS CHINA Vo1．3O No．2 Feb．2011 镁合金铸造成型最新研究进展 刘 正 (沈阳工业大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110870) 摘 要：近年来镁合金在汽车轻量化方面发挥了积极的作用。为了适应镁合金快速发展的需求，镁合金的铸造技术，尤其是 压铸技术得到了长足的发展。在传统铸造工艺的基础上介绍了几种镁合金铸造工艺的新进展，主要包括镁合金真空低压消失 模铸造新技术、镁合金液态压铸锻造双控成型技术、充氧压铸技术、真空压铸技术、半固态压铸技术、镁合金双辊连续铸轧 技术及镁合金电磁连续铸造技术。 关键词：镁合金；铸造技术；压铸工艺 中图分类号：TG 146．22 文献标识码：A 文章编号：1674—3962(2011)02—0010—06 Progress on Research of Magnesium Casting Technique LIU Zheng (School of Materials Science and Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 1 10870，China) Abstract：Magnesium alloy has been playing an impo~ant role in lightweighting of automobile in recent years．In order to keep pace with the fast development of magnesium alloy，great progress has been made for magnesium casting tech- nique，especially the die casting technique．Based on the traditional casting technique，new progresses of several magnesi— um casting techniques were introduced，including magnesium low—pressure expendable pattern casting process，magnesium liquid diecasting—forging double control forming technology，magnesium pore—free die casting process，magnesium vacuum die casting process，magnesium semi—solid die—casting technologies，magnesium twin·roller continuous casting process， and magnesium electromagnetic continuous casting process． Key words：magnesium alloy；casting technique；die casting technology 1 前 言 铸造是人类掌握比较早的一种金属热加工工艺，已 有约6000年的历史。在所有的金属成型方法中，铸造 属于比较经济的毛坯成形方法，特别是对于汽车发动机 的缸体和缸盖，船舶螺旋桨以及精致的艺术品等形状复 杂的零件，以及燃汽轮机的镍基合金零件等难以切削的 零件，铸造方法更能突显出它的优势。 按照不同的划分方法，Mg合金零件的铸造成形方 法有砂型铸造、金属型铸造、低压铸造、消失模铸造、 压力铸造、挤压铸造以及新型的半固态铸造等。在这些 铸造方法中，对于大多数金属而言，砂型铸造、金属型 铸造被用得较多，被认为是传统铸造。砂型铸造是1种 以砂作为主要造型材料，一般采用重力铸造，有特殊要 求时也可采用低压铸造、离心铸造等工艺。砂型铸造的 收稿日期：2011一O1—11 基金项目：国家973计划资助项目(2007CB613705) 通信作者：刘正，男，1957年生，教授，博士生导师 适应性很广，小件、大件，简单件、复杂件，单件、大 批量都可采用。砂型铸造的不足之处主要表现为：砂质 铸型只能浇注一次，获得铸件后铸型即损坏，必须重新 造型，所以砂型铸造的生产效率较低；又因为砂的整体 性质软而多孔，所以砂型铸造的铸件尺寸精度较低，表 面也较粗糙。金属型铸造既可采用重力铸造，也可采用 压力铸造，优点是模具能反复多次使用，每浇注一次金 属液，就获得一次铸件，寿命长，生产效率高，而且铸 件尺寸精度好，表面光洁，在浇注相同金属液的情况下， 铸件强度要比砂型的更高，更不容易损坏，在大批量生 产有色金属的中、小铸件时，只要铸件材料的熔点不过 高，一般都优先选用金属型铸造。但是，金属型铸造也 有一些不足之处：因为耐热合金钢和在它上面做出中空 型腔的加工都比较昂贵，所以金属型的模具费用高。此 外，金属型的模具受模具材料尺寸和型腔加工设备、铸 造设备能力的限制，所以对特别大的铸件也显得无能为 力。因而在小批量及大件生产中，很少使用金属型铸造。 进入21世纪，铸造的发展速度很快，其重要因素 之一是产品技术的进步，对铸件各种机械物理性能和机 第2期 刘正：镁合金铸造成型最新研究进展 l1 械加工性能的要求都在不断提高，为了适应快速发展的 高品质镁合金产品要求，镁合金铸造技术取得了重大进 展，在传统的方法基础上探索出了一些新的方法。 2 镁合金真空低压消失模铸造新技术 新型铸造技术由于其诸多优点而被称为“2l世纪的 新型铸造技术”及“铸造中的绿色工程” 。 。初步实验 研究表明，镁合金的特点非常适合消失模铸造工艺。但 是，由于液态镁合金的热容量小、流动性和充型能力较 差，在重力下实施镁合金的消失模铸造，很容易产生浇 不足、冷隔等缺陷” 。华中科技大学将反重力的低压 N 铸造与真空消失模铸造有机地结合起来，应用于Mg(A1) 合金的液态精密成形，开发出了1种新的Mg(A1)合金真 空低压消失模铸造方法及其设备 。图1为镁合金真空 低压消失模铸造原理图 。该铸造方法的显著特点是， 金属液在真空和气压的双重作用下浇注充型，液态Mg合 金的充型能力较重力消失模铸造大为提高，可以容易地 克服Mg合金消失模铸造中常见的浇不足、冷隔等缺陷， 且不需太高的浇注温度，因而是铸造高精度、薄壁复杂 Mg合金铸件的一种好的方法。华中科技大学采用反重 力的真空低压消失模铸造方法，浇注成形了电机壳体、 飞机导轮和排气管等多种复杂的Mg合金铸件 。 图1 Mg镁合金真空低压消失模铸造工艺原理及测试装置示意图：l真空泵，2数据采集系统，3 PC机，4模样，5干砂， 6砂箱，7充型和气体保护控制柜，8温控仪，9电炉，10坩埚，11升液管，12真空储气罐 Fig．1 The schematic illustration of magnesium low—pressure expendable pattern casting process and the data acquisition system：1 vac- uum pump，2 data acquisition system，3 personal conlputer，4 mould，5 dry sand，6 sand box，7 control system of filling and gas protection，8 temperature controller，9 melting furnace，lO crucible，】1 liquid lifting tube，and l2 gas storage jar 3 镁合金压铸技术新进展 利用传统的压铸技术压铸Mg合金，存在型腔内气 体以及由压铸涂料产生的气体无法顺利排出的问题。这 些气体在高压下或者溶解在Mg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，铸件既不能 进行热处理强化，也不能在较高的温度下使用。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，经过材料工作者的不懈努力，开发 出一些新的压铸技术，包括铸锻双控成型、半固态压 铸、触变注射成形技术、充氧压铸技术、真空压铸等。 3．1 液态压铸锻造双控成型技术 铸锻双控成型技术 是哈尔滨工业大学与香港佳瑞 集团近年合作研发的1种新型工艺，可以在同一成型过 程中连续完成压铸和锻造两种工艺，同时实现对零件形 状、尺寸和性能的精确控制。铸锻双控成型不仅可以像 压铸一样控制零件形状 尺寸，而且可以使零件产生塑 性变形，强度得到较大提高，同时还可以通过热处理提 高强度。因此，铸锻双控成形工艺适合生产形状复杂和 高强度的汽车零部件和其他结构件。液态铸锻双控成形 工艺流程如图2所示。液态铸锻双控成形技术主要是通 过控制压射速度、液料及模具温度、锻造开始时间和锻 造力等参数来实现对制件尺寸与性能的控制。铸锻双控 成形机就是将压铸工艺和锻造工艺在一台设备中实现， 它用液压油缸来完成合模和开模动作，采用精确的分级 压射系统将液态金属注入模具的型腔内，在液态金属完 全注满模具型腔的瞬间，高压力的锻压油缸作用在模具 的锻造冲头上，实施了液态锻造的过程，使压铸过程卷 入的气孑L排出或缩小，从而使金属组织得到进一步改 善，提高了铸件的致密度，减少了单纯压铸成形容易产 生气孔和组织疏松的缺陷。采用该技术已经成功生产出 了AZ91DMg合金宝马摩托车缸体零件，其机械性能明 显优于普通压铸件，并且能够通过热处理进一步提高其 机械性能。 12 中国材料进展 第3O卷 Pouring metal liguid Mould closing 礴 霹露 — — 图2液态铸锻双控成形工艺流程图 Fig．2 Flow-process diagram of magnesium liquid diecasting—forg- ing double control forming technology 3．2充氧压铸技术 充氧压铸 。。又称为无气孔压铸(Pore—Free Die cast ing Process，PF法)，该法在金属液充模前，将氧气或其 他活性气体充人模穴，置换模穴内的空气，金属液充模 时，活性气体与金属液反应生成金属氧化物微粒弥散分 布在压铸件内，可消除压铸件内的气体，使压铸件可热 处理强化。用充氧压铸法得到的镁合金的力学性能如表 1所示 。表中对普通压铸与充氧压铸法得到的镁合金 表1 充氧压铸镁合金的力学性能 Table 1 Mechanical properties of Pore—Free Die Casting Process 的力学性能进行了比较，从表中可以看出，充氧压铸镁 合金的性能增加十分显著。但是由于充氧压铸需附加充 氧控制装置，铸型充氧不但消耗氧气，还增加了铸造循 环时间。由於这些原因，充氧压铸件比普通压铸件的价 格要贵10％～15％。但采用充氧压铸后减少了铸件废 品，提高了性能，节省了机械加工费用，综合起来考 虑，对质量要求较高的铸件反而可以节约成本10％一 30％。因此，充氧压铸特别适合于需要热处理提高力学 性能、有气密性要求、在较高温度下使用或需要焊接组 合的压铸件。日本轻金属株式会社采用充氧压铸法批量 生产镁合金磁头支架，该支架过去由多层迭合组成，现 改为整体压铸件，不但实现了轻量化，而且有很大的经 济价值。该公司使用充氧压铸法生产的镁合金摩托车轮 和汽车轮已投入生产，与铝轮相比，镁轮的重量减 轻15％ 。 3．3真空压铸技术 普通压铸由于需要在高速下充型，压室和型腔中的 部分气体难以通过排气孔和溢流槽排出，镁合金压铸件 中常含有大量的层状孔穴形的铸态缺陷。在镁合金凝固 收缩过程中，由于镁合金的凝固区域较宽，易于产生枝 晶，被枝晶封闭的局部地区由于液体补缩受阻将形成负 压，成为卷入气体析出的有利位置。因此，镁合金中的 疏松将有利于气孔的形成，而气体又助长了疏松的长 大。显然，若能控制和减少镁合金中的气体卷入量，就 会降低镁合金中的缩松量和缩松倾向，改善压铸件的力 学性能。为了减少压铸件中的气体含量，可采取真空压 铸工艺。真空压铸工艺过程如图3所示。在镁合金熔融 液体进入型腔之前的瞬间，将型腔中的气体抽出，使得 镁合金压铸充型过程不受气流干扰，压铸件中的气体含 量减少，铸态组织得以改善。对于一些牌号的合金而 言，由于铸件中含气量减少，因而可通过热处理进一步 改善其组织和性能 。目前，国外研究发展了几种 以模具内设置抽气截流阀为特征的真空压铸系统，配用 这些系统实现真空压铸时，模具外边不需要罩子，动作 程序与一般压铸机相同。在中美加国际合作项目“镁质 汽车前端开发”中，美方在相关压铸件的研制和开发中， 为了提高材料的安全性，主要采用的是超真空压铸。真 空压铸通过在压铸过程中抽除型腔(包括压室)内的气 体而消除或显著减少压铸件内的气孔和溶解气体，提高 压铸件的力学性能和表面质量。目前国内的上海交通大 学采用真空压铸技术成功生产出镁合金减震塔Ⅲ 。现 阶段，真空压铸镁合金铸件的最小壁厚可达到：1．5～ 2．0 mE，真空度≤80 KPa，冲头速度最大达10 m／s，充 型时间20～30 ms，铸件强度可提高10％以上，韧性提 高20％～50％。 3．4半固态压铸技术 20世纪7O年代初，美国麻省理工学院M．c． Flemings教授等人首次提出了半固态成形技术(Semi Solid Forming of Metal，简称SSM)。该技术综合了传统 的铸造和锻造两种成形方法的优点 ，既可以提高零件 的力学性能，也可以成形形状复杂的零部件，具有高效、 优质、节能和近终成形等优点 。作为新型成形技术， 金属半固态加工已成为当今最活跃的研究领域之一，在 航空航天、汽车、军工、电器、电子制品等行业有开发 第2期 刘正：镁合金铸造成型最新研究进展 13 (a) Vacuurn (c) 图3镁合金真空压铸的工艺过程示意图：(a)压射前，(b)压 射中，(c)充填结束 Fig．3 Flow—process diagram of magnesium vacuum die casting： (a)Before pressing injection，(b)During injection，and (C)Fill ending 潜力和发展前景。半固态压铸是半固态成形技术中的一 个重要分支，分为流变压铸和触变压铸两种。流变压铸 是将制备好的半固态金属浆料直接转移到压射室进行压 铸的方法。触变压铸需要将浆料凝固成坯，再按照铸件 的重量对坯料切割成块并进行二次加热，达到预定的温 度后转移到压射室进行成形的方法。由于流变压铸流程 短、材料损失少、节能低耗，易被中小型企业所接受， 因此，流变压铸的研究越来越受到重视，代表了半固态 压铸发展的方向。 3．4．1半固态流变压铸成形技术 半固态金属的流变压铸是美国MIT的Flernings等的 早期研究的工艺，它将制备出的半固态金属浆料直接送 往压铸机的压室，进行流变压铸。然而，早期通过强烈 机械搅拌获得的半固态金属浆料的保存和输送很困难， 因而半固态金属流变铸造技术的进展一度很缓慢。但是 近年来为了降低铸件的生产成本和提高铸件品质，半固 态金属浆料的流变铸造技术再次成为主要研究方向，许 多新型的流变铸造技术正在取得突破性进展 …。比如： 单螺旋机械搅拌式流变铸造技术、双螺旋机械搅拌式流 变铸造技术、低过热度倾斜板浇注式流变铸造技术、低 过热度浇注和弱机械搅拌式流变铸造技术、连续流变转 换式流变压铸技术等。 3．4．2半固态触变压铸成形技术 半固态流变压铸目前在美国、H本、瑞士、意大利 等国家已进入到工业化的增长期。这种工艺对Al合金 的半固态成形基本成熟，但由于Mg合金的锭料在二次 加热时易氧化燃烧，所以一般的半固态成形工艺不适宜 Mg合金。因此，美国Dow Chemical公司研制了Mg合金 的半固态触变压铸成形工艺与设备。触变压铸成形技术 是1种把低熔点合金进行熔化，以高速、高压把原料注 入金属模具内进行成形的技术，目前已经进入实用阶 段。触变压铸成形的成形压力高，能促进金属模具和 Mg合金料浆间的热传递，导致表面附近的晶粒微细化， 对成形产品赋予了高耐蚀性和机械强度。这个铸造压力 还能提高产品对金属模的复制性，加强筋和凸起部的成 形。料浆的温度与普通压铸方法相比，低50～100 ， 因而能控制产品由于热收缩而引起的尺寸变化，并提高 模具的使用寿命。此外，触变压铸成形的零件可以热处 理，而且不需要配备熔化炉、不使用SF6防燃气体、不 产生浮渣等，兼顾了安全性和环保要求。因此，触变压 铸成形技术是今后实用的成形方法。目前，利用触变压 铸成形技术可以制备手机、笔记本电脑、数码照相机、 摄像相机、液晶投影仪等可移动通讯器材的壳体。座 椅、方向盘等汽车零部件的成形应用也在研究开发中 3．5 Mg合金电磁连续铸造 东北大学发明了1种Mg合金电磁低温半连续铸造 方法EMC(Electromagnetic Casting) 。。 ，包括熔化Mg、 添加组合阻燃元素、添加合金元素、保温、静置、在电 磁场下半连续铸造步骤。通过添加组合阻燃元素实现 Mg合金的无覆盖或保护熔炼，缩短工艺流程，提高熔 体质量；并通过施加电磁场和优化结晶器结构实现Mg 合金低温、高速半连铸；并通过控制工艺参数获得无裂 纹，表面平整光洁，组织细化且均匀，无溶质偏析的 Mg合金锭坯。 3．6 Mg合金双辊连续铸轧工艺 Mg合金采用双辊铸轧可以直接从熔体生产出近终 厚度的Mg合金板坯，减少了反复热轧的道次，从而降 C K 中国材料进展 第30卷 低了生产成本，提高了生产效率，是1种新开发的Mg 合金坯料的铸造方法，主要用来生产变形Mg合金板材 的坯料。双辊铸轧工艺可比传统的生产工艺节约成本 50％以上。双辊铸轧的冷却速率可以达到10～10 K／s， 这样快速的凝固速度可使显微组织均匀，晶粒细化，固 溶度提高。由于晶格空位增加和在铸轧材料中沿亚晶界 的细沉淀物(小于10 nm)的分布增加使基体的非均质形 核得到强化。双辊铸轧材料的这些特征使Mg合金的力 学性能得到明显提高。采用双辊铸轧可显著细化铸坯显 微组织，提高Mg合金的强度与塑性，而且可以避免常 规微合金化可能带来的有害的以及无法预测的微电池现 象，提高Mg合金的耐蚀性 。 4 结 语 Mg作为工程金属，它的开发、应用远不如钢铁、 cu，A1等金属成熟。可是，在众多传统金属矿产资源 趋于枯竭、节能和环保观念受到高度重视的今天，加速 Mg的开发和应用已经成为人类社会可持续发展的重要 措施之一，如何加速Mg的开发应用也是业界日益升温 的话题。同样，作为Mg合金的铸造技术在许多方面都 需要进一步发展、完善，Mg合金铸件的生产经验有待 积累。我国有丰富的Mg资源，有广阔的Mg铸件应用空 间。只要我国的铸造工作者共同努力，在国外已有Mg 铸造技术的基础上进一步研究开发，我国Mg铸造业一 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级人选、重庆市首届有 突出贡献的中青年专 家、福特教授、国家重 大基础研究“973”计划 “高性能镁合金材料”项 目首席科学家、科技部 “十一五”国家“863”计 划新材料领域专家组成 员、国家自然科学基金 委金属学科评审专家组 成员、澳大利亚国家轻 金属研究中心国际技术 委员会成员、国际铝合 金大会(ICAA)国际专家 委员会成员；先后主持 了杰出青年基金、自然 科学基金重点项目， “863”计划项目，“973” 计划项目，国防重大基 础研究计划项目等科研 项目16项；获省部级一 等奖2项，国家科技进 步二等奖1项；发表学 术论文150余篇。 王福会：男，1960 年生，研究员、博导； 1996年度国家杰出青年 基金获得者；兼任中国 腐蚀与防护学会第二届 青年工作委员会主任、 中国腐蚀与防护学高温 专业委员会主任、中国 机械工程学会表面工程 分会副主任委员、高温 腐蚀与防护系列国际会 议的顾问委员；I992年 获中科院院长奖学金特 别奖、1993年获国际材 料联合会颁发的青年科 学家与工程师奖、1994 年获中科院有突出贡献 的中青年专家称号、 1995年获中科院首届优 秀青年称号、2001年获 中科院青年科学家奖、 2005年获中国优秀博士 后称号；2010年获辽宁 省自然科学一等奖；发 表SCI收录论文250余 篇，获发明专利20多项。 曾小勤：男，1975 年生，教授；上海市镁 材料及应用工程技术研 究中心常务副主任、轻 合金精密成型国家工程 研究中心能源材料研究 室主任；曾主持和参与 国家“863”计划、“973” 计划、国家自然科学基 金、科技部国际合作和 国防科工委军品配套项 目等3O余项；在镁高温 氧化机理、稀土镁合金 强化理论等方面开展了 较深入研究；发表SC1 收录论文120篇，参与 撰写镁合金专著《镁基 轻质合金基础理论及其 应用》和《镁合金科学与 技术》，申请发明专利 48项，美国专利1项。 袁广银：男，1970 年生，教授，博导； 2002年获日本学术振兴 会研究基金资助，2007 特约撰稿人袁广银 年人选教育部新世纪优 秀人才支持计划，2008 年荣获上海交通大学 “晨星青年学者奖励计 划”SMC优秀青年教师 奖；主要从事新型轻金 属材料的组织控制与强 韧化、可降解医用金属 材料及其表面改性研究 等；曾先后主持或参与 国家自然基金，“863” 重点项目，国家“973” 项目等2O余项；获 2007年上海市科技进步 一等奖、2008上海市发 明创造专利奖三等奖各 l项；合著“镁合金科学 与技术”，发表学术论 文5O余篇，其中SCI收 录40余篇，申请发明专 利10项(授权6项)。