鎂合金是最輕的工程金屬材料之一，具有很好的比強度、比剛度等性能，特別適合制造要求重量輕、強度高、減震降噪的工程結(jié)構(gòu)部件和要求一定強度的殼類零件。鎂合金低熔點、低比熱及充型速度快等優(yōu)點極其適合於用現(xiàn)代壓鑄技術(shù)進行成形加工。現(xiàn)代科技和相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，使鎂合金的應(yīng)用範(fàn)圍迅速擴展，特別是在汽車工業(yè)和電子信息產(chǎn)業(yè)中獲得大量應(yīng)用。
本文主要介紹鎂合金壓鑄技術(shù)研究、開發(fā)、應(yīng)用的發(fā)展?fàn)顩r，希望藉此促進中國鎂壓鑄技術(shù)的發(fā)展及其在各個領(lǐng)域、尤其是汽車工業(yè)中的推廣應(yīng)用。
概述
長期以來，鎂的80%用於鋁合金的添加元素或冶金行業(yè)脫氧等、13%用於鑄造合金、3%用作變形制品。隨著科技進步及對鎂可貴性的認識，其產(chǎn)品廣泛用於航空、航天、汽車配件、電子及通訊等領(lǐng)域。
汽車行業(yè)采用鎂合金量的急劇增加是拉動鎂合金全球用量增加的重要因素，生產(chǎn)商在汽車上應(yīng)用鎂合金零部件不僅是為了減輕重量，更是藉此來不斷提高汽車的性價比，從而加強其在競爭日益激烈的汽車巿場上的競爭優(yōu)勢。預(yù)計1996~2008年全球用於汽車零部件的鎂量平均每年遞增15%以上，其中，北美增長速度為30%，歐洲則超過60%。
歐、美、日等發(fā)達國家的汽車制造公司在政府的協(xié)調(diào)下與科研院所密切合作，投入大量人力物力，實施多項大型研究發(fā)展計劃，研究用鎂合金制造汽車零部件。這些研究開發(fā)計劃促進了鎂合金在汽車上的應(yīng)用發(fā)展。
電子信息產(chǎn)業(yè)由於數(shù)字化的發(fā)展，巿場對電子及通訊產(chǎn)品高度集成化、輕薄化及可回收的要求愈來愈高。以前作為主要材料的工程塑料已經(jīng)無法滿足要求，因此人們把目光投向了鎂合金。例如，鎂合金具有優(yōu)異的薄壁鑄造性能，其壓鑄件壁厚可達0.8mm-1.5mm，并保持一定的強度、剛度和抗沖擊性能。因此，在薄壁、輕薄、抗沖擊、電磁屏蔽、散熱及環(huán)保等方面的要求之下，鎂合金成了制造商的最佳選擇。近年來，電子信息產(chǎn)業(yè)的鎂合金消耗量急劇增加，成為拉動全球鎂消耗量的另一重要因素。
過去，限制鎂合金廣泛應(yīng)用的主要因素是價格和鎂合金的生產(chǎn)工藝，近幾年這兩方面都有較大突破。隨著從鎂的冶煉到鎂合金的生產(chǎn)工藝不斷完善，以及容易回收的特性使鎂合金的價格進一步走低，新型鎂合金壓鑄技術(shù)的出現(xiàn)擴大了鎂合金的應(yīng)用範(fàn)圍，增加了鎂合金與其它工程材料的競爭力。
國外鎂合金壓鑄技術(shù)及其應(yīng)用
利用傳統(tǒng)的壓鑄技術(shù)壓鑄鎂合金，與壓鑄其它合金一樣，存在型腔內(nèi)氣體以及由壓鑄涂料產(chǎn)生的氣體無法順利排出的問題。這些氣體在高壓下或者溶解在鎂合金內(nèi)，或者形成許多彌散分布在壓鑄件內(nèi)的高壓微氣孔。因此，鑄件既不能進行熱處理強化，也不能在較高的溫度下使用。為了消除這種缺陷，提高壓鑄件的內(nèi)在質(zhì)量，擴大壓鑄件的應(yīng)用範(fàn)圍，近20年來，經(jīng)過材料工作者的不懈努力，開發(fā)出一些新的壓鑄技術(shù)，包括半固態(tài)壓鑄、觸變注射成形技術(shù)、充氧壓鑄、真空壓鑄等。
觸變注射成形技術(shù)
半固態(tài)壓鑄和觸變注射成形是較新的金屬制品生產(chǎn)技術(shù)。半固態(tài)金屬成形技術(shù)首先是由美國麻省理工學(xué)院Flemings教授於上世紀70年代開發(fā)的新一代金屬加工技術(shù)。目前在美國、日本、瑞士、意大利等國家，半固態(tài)成形已進入到工業(yè)化的增長期。這種工藝對鋁合金的半固態(tài)成形基本成熟。但由於鎂合金的錠料在二次加熱時易氧化燃燒，所以一般的半固態(tài)成形工藝不適宜鎂合金的半固態(tài)成形。因此，美國Dow Chemical公司研制了鎂合金的半固態(tài)觸變成形工藝與設(shè)備。觸變注射成形技術(shù)是一種把低熔點合金進行熔化，以高速、高壓把原料注入金屬模具內(nèi)進行成形的技術(shù)，目前已經(jīng)進入實用階段。
觸變注射成形的鑄造壓力高，能促進金屬模具和鎂合金料漿間的熱傳遞，導(dǎo)致表面附近的晶粒微細化，對成形產(chǎn)品賦予了高耐蝕性和機械強度。這個鑄造壓力還能提高產(chǎn)品對金屬模的復(fù)制性，加強筋和凸起部的成形容易。料漿的溫度與普通壓鑄方法相比，低50?100℃，因而能控制產(chǎn)品由於熱收縮而引起的尺寸變化，并提高模具的使用壽命。此外，觸變注射成形的零件可以熱處理，而且不需要配備熔化爐、不使用SF6防燃氣體、不產(chǎn)生浮渣和淤渣等，兼顧了安全性和環(huán)保要求（SF6破壞大氣臭氧層）。因此，觸變注射成形技術(shù)是今後實用的成形方法。
目前，利用觸變注射成形技術(shù)可以制備手機、筆記本電腦、數(shù)碼照相機、攝像相機、液晶投影儀等可移動通訊器材的殼體。座椅、方向盤等汽車零部件的成形應(yīng)用也在研究開發(fā)中。
充氧壓鑄
充氧壓鑄是金屬液充填壓鑄型腔前，將氧氣充入型腔取代其中的空氣，當(dāng)能與氧氣發(fā)生反應(yīng)的金屬液壓入型腔時，一部分氧氣通過排氣槽排出，而殘留在型腔中的氧氣就與金屬液發(fā)生反應(yīng)，生成氧化物顆粒，呈彌散狀分布在鑄件中，從而消除了壓鑄件的氣孔。充氧壓鑄件的晶粒非常細小，從而具有良好的拉伸強度與疲勞性能。而普通壓鑄件的顯微組織中有相當(dāng)數(shù)量的含鐵針狀組織，降低了塑性。由於充氧壓鑄消除了壓鑄件中的氣孔，因此，壓鑄件可以熱處理與焊接。充氧壓鑄需附加充氧控制裝置，鑄型充氧不但消耗氧氣，還增加了鑄造循環(huán)時間。由於這些原因，充氧壓鑄件比普通壓鑄件的價格要貴10%?15%。但采用充氧壓鑄後減少了鑄件廢品，提高了性能，節(jié)省了機械加工費用，綜合起來考慮，對質(zhì)量要求較高的鑄件反而可以節(jié)約10%?30%。因此，充氧壓鑄特別適合於需要熱處理提高力學(xué)性能、有氣密性要求、在較高溫度下使用或需要焊接組合的壓鑄件。
日本輕金屬株式會社采用充氧壓鑄法批量生產(chǎn)鎂合金磁頭支架，該支架過去由多層迭合組成，現(xiàn)改為整體壓鑄件，不但實現(xiàn)了輕量化，而且有很大的經(jīng)濟價值。該公司使用充氧壓鑄法生產(chǎn)的鎂合金摩托車輪和汽車輪已投入生產(chǎn)，與鋁輪相比，鎂輪的重量減輕15%。
真空壓鑄
真空壓鑄通過在壓鑄過程中抽除型腔內(nèi)的氣體而消除或顯著減少壓鑄件內(nèi)的氣孔和溶解氣體，提高壓鑄件的力學(xué)性能和表面質(zhì)量。目前已經(jīng)成功的在冷室壓鑄機生產(chǎn)出AM60B鎂合金汽車輪轂，在鎖模力為2940kN的熱室壓鑄機上生產(chǎn)出AM60B鎂合金汽車方向盤，鑄件伸長率由8%提高至16%。
國內(nèi)鎂合金壓鑄技術(shù)及其應(yīng)用
壓鑄生產(chǎn)的迅速發(fā)展引起了國家科技部門和社會各界以及國外和港臺地區(qū)廠商前所未有的關(guān)注，并已形成一股強大的推動力。
國內(nèi)鎂合金壓鑄發(fā)展?fàn)顩r
近年來，國內(nèi)鎂合金壓鑄件產(chǎn)量平均年增長率達到了18%。2001年鎂合金壓鑄件生產(chǎn)簡況統(tǒng)計。
以廣東為例，目前已經(jīng)發(fā)展到11家鎂合金壓鑄廠，共擁有壓鑄機46臺。產(chǎn)品主要有：筆記本電腦外殼、掌上電腦外殼、手機外殼、照相機零件等。圖2為國內(nèi)制備的鎂合金變速箱殼體及鎂合金方向盤。全國從事鎂合金壓鑄的單位已經(jīng)發(fā)展到五十馀家，其中上海乾通汽車附件公司生產(chǎn)的鎂合金汽車變速箱殼體、浙江岱美聚氨酯有限公司生產(chǎn)的鎂合金汽車方向盤，深圳富士康公司、深圳嘉豐金屬制品廠和東莞寶元科技鎂合金廠以及青島金谷鎂業(yè)股份有限公司等開發(fā)的鎂合金筆記本電腦外殼和手機外殼，均為鎂合金應(yīng)用的典範(fàn)。由於鎂合金獨特的性能優(yōu)勢，最近重慶鎂業(yè)科技股份有限公司已推出鎂合金概念摩托車；隆鑫集團和重慶華鷹摩托車公司開發(fā)了“鎂合金六檔機”，產(chǎn)品已批量生產(chǎn)投放巿場。這說明摩托車行業(yè)已經(jīng)意識到鎂合金應(yīng)用的重要性以及它廣闊的巿場前景和巨大的經(jīng)濟效益，并已付諸行動，這有望成為鎂合金壓鑄件推廣應(yīng)用又一新的突破口，發(fā)展前途充滿希望。
上海乾通汽車附件公司的轎車變速箱體鎂合金壓鑄件大量應(yīng)用於本田、通用、大眾等名牌汽車，這標志著中國壓鑄工藝技術(shù)正在向國際水平推進。
國內(nèi)壓鑄企業(yè)面臨的機遇與挑戰(zhàn)
隨著人民生活水平的提高，汽車及信息化產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。上海汽車集團的戰(zhàn)略目標是2007年實現(xiàn)汽車年產(chǎn)100萬輛，汽車行業(yè)的高速發(fā)展已成為壓鑄生產(chǎn)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。由於約70%的鎂合金壓鑄件用於汽車，因此要求中國的汽車工業(yè)應(yīng)加速采用鎂合金壓鑄件，以適應(yīng)加入WTO後更加激烈的競爭局面。必須改變引入新車型後用鋁鑄件替代鎂鑄件的作法，提高中國自身鎂合金的生產(chǎn)水平。
中國關(guān)於鎂合金及其壓鑄技術(shù)還處於起步階段。除了在航空航天工業(yè)界有小量的鎂合金金屬型鑄件的使用外，鎂合金在民品上使用還較少。作為民用金屬材料的廣泛應(yīng)用，還有許多工藝技術(shù)障礙需要突破。中國鎂合金的開發(fā)應(yīng)用工作明顯大大落後於歐美國家，重要產(chǎn)品的開發(fā)和工藝研究成果還未見報道。
近幾年國外關(guān)於鎂合金應(yīng)用從工藝到設(shè)備的大量專利技術(shù)的出現(xiàn)，中國如不及時開展鎂合金及其壓鑄技術(shù)的研究工作，這些專利技術(shù)對中國鎂合金技術(shù)發(fā)展的卡脖將愈加嚴重，對中國進入21世紀後的競爭地位是極為不利的。例如，前幾年中國對半固態(tài)凝固的工藝進行了許多的研究，取得了一些研究成果，但此工藝作為產(chǎn)品實用工藝的開發(fā)一直未見報道。目前，發(fā)達國家的半固態(tài)凝固技術(shù)的實用研究已有較大的技術(shù)突破、有了較成功的應(yīng)用，大大改善了壓鑄產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，新的流變鑄造和觸變鑄造已成為生產(chǎn)需要強度高、氣密性好的鎂合金汽車零件、電子通訊產(chǎn)品外殼的重要實用工藝。他們同時推出許多保護性專利，以期在這項技術(shù)上取得壟斷性的競爭優(yōu)勢。例如美國Dow Chemical公司1991年取得觸變壓鑄技術(shù)專利，現(xiàn)在還授權(quán)日本JSW和加拿大Husky公司生產(chǎn)新型鎂合金觸變成形機；美國康奈爾大學(xué)研發(fā)的流變成形工藝及設(shè)備1996年取得專利。
鎂合金技術(shù)應(yīng)用展望
人類社會發(fā)展到了二十一世紀的今天，人們已經(jīng)開始認識到節(jié)約能源及保護環(huán)境的重要性。由於鎂合金具有重量輕等諸多優(yōu)點，它的應(yīng)用可以大大降低對能源的消耗，因此鎂合金將在未來的結(jié)構(gòu)材料中占據(jù)重要地位。中國是鎂資源大國，同時又加入了WTO，對於鎂合金鑄件的大量采用將是不容置疑的事實。這既是一個機遇，也是一個挑戰(zhàn)。我們必須行動起來，充分利用中國豐富的鎂礦資源和巨大的鎂生產(chǎn)能力，為發(fā)展鎂合金的應(yīng)用做好鎂合金關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)工作，迎接鎂合金應(yīng)用高潮的到來。
