1、壓鑄鎂合金材料

鎂與鋁在化學(xué)、物理性質(zhì)上存在較大的差別，主要表現(xiàn)在化學(xué)反應(yīng)活性，金屬液表面氧化物質(zhì)密性，凝固過(guò)程中的熱效應(yīng)，抗電化學(xué)腐蝕能力等方面。

鎂具有比鋁強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)活性且金屬液表面不能形成如鋁合金液一樣的致密的氧化物保護(hù)膜以阻至氧化反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，因此鎂合金易燃燒甚至爆炸。鎂合金還易溶解其它金屬，包括嚴(yán)重降低鎂合金抗電化學(xué)腐蝕能力的鎳、銅等元素。另外，同樣體積的鋁合金及鎂合金液在凝固過(guò)程中，鎂合金釋放的熱量顯著低于鋁合金液。

1.1       鎂合金化元素

純鎂的機(jī)械性能很差，不能滿(mǎn)足工業(yè)零件對(duì)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的要求。通過(guò)加入合金化元素能顯著提高鎂的機(jī)械性能，使鎂合金的強(qiáng)度重量比在各類(lèi)合金中僅次于鈦合金而名列第二，為其工業(yè)應(yīng)用開(kāi)拓了廣闊前途。合金化元素的第二個(gè)作用是改善鎂合金的鑄造性能。純鎂的熔點(diǎn)高，流動(dòng)性差，收縮量大。通過(guò)合金化能降低液相溫度，增加流動(dòng)性，提高鎂合金的鑄造性能，減小收縮傾向。針對(duì)鎂合金在150攝氏度以上溫度其強(qiáng)度顯著下降的特點(diǎn)，合金化的第三個(gè)作用是增強(qiáng)鎂合金的抗蠕變性能。

鎂合金常用的合金化元素是鋁和鋅。鋁的合金化能提高合金強(qiáng)度及鑄造性能。鋅也能提高合金的鑄造性能。為保證鑄造性能壓鑄鎂合金的鋁含量＞3%，鋅含量＜2%。否則容易產(chǎn)生裂紋?；?/span>Mg-An-Mn 系的合金AZ91（含鋅）和AM60B（不含鋅）是室溫使用的主要壓鑄鎂合金。微量的稀土元素Y，Nd,Sr對(duì)AZ91合金有明顯的細(xì)化作用，含Sr合金在晶界處存在粗大的Mg-Sr化合物及Mg17A112相，易于發(fā)生沿晶斷裂，而含Y，Nd合金由于晶體內(nèi)滑移帶及變晶的快速形成，主要發(fā)生穿晶斷裂。合金韌性進(jìn)一步得到提高。目前AZ及AM這兩種系列合金占鎂汽車(chē)結(jié)構(gòu)件的90%，但它們?cè)?/span>150℃以上時(shí)其強(qiáng)度顯著下降。

為改善合金在150℃以上的抗蠕變能力，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)了AS41A合金（4.3%Al,1%硅，0.35%錳），該含金的蠕變強(qiáng)度在170℃范圍內(nèi)。同時(shí)具有較好的伸長(zhǎng)率，屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度。由于含鋁量較低，AS41A要求較高的鑄造溫度。AS系列鎂合金由于Si的引入，在組織中易形成硬的硅質(zhì)點(diǎn)，鈉和鍶能從根本上改善硅相的結(jié)構(gòu)起到很好的變質(zhì)效果。

利用稀土元素對(duì)Mg-Al基合金強(qiáng)度及蠕變抗力的有利影響而開(kāi)發(fā)了Mg-Al-稀土合金。壓鑄AE42合金具有比Mg-Al-Si合金更加的蠕變抗力，能在200-250度下長(zhǎng)期使用。加拿大開(kāi)發(fā)了AC系列鎂合金。通過(guò)添加Ca改善了Mg-Si合金中Mg2Si的相結(jié)構(gòu)并細(xì)化其晶粒，其蠕變抗力是AZ和AM系列合金的10倍左右。而拉伸及抗拉強(qiáng)度相當(dāng)。且具有良好的鑄造性能。

目前得到工業(yè)應(yīng)用的壓鑄鎂合金主要有4個(gè)系列，即AZ系列（Mg-Al-Zn-Mn）；AM系列（Mg-Al-Mn）；AS系列（Mg-Al-Si）；AE系列（Mg-Al-稀土）。表1中給出了它們中的常用合金的名義成分和性能。

1.2鎂合金的鑄造性能

1.2.1高速冷卻條件下對(duì)相圖的影響

在壓鑄條件下，由于流速高，金屬型冷卻能力強(qiáng)，冷卻速度很快，二元系相圖中共晶點(diǎn)向熱穩(wěn)定組元方向推移。對(duì)Al合金來(lái)說(shuō)是向Si增加的方向推移，而對(duì)Mg合金來(lái)說(shuō)則是向Mg增加的方a向推移，這種推移可以使Al部分亞共晶合金成為固溶液體單相合金，使部分Al過(guò)共晶合金成為亞過(guò)晶合金。Mg合金則正好相反，部分固溶體合金成為亞共晶合金，部分亞共晶合金則成為實(shí)際上的過(guò)共晶合金。大致來(lái)說(shuō)高的冷卻速度增加Mg合金共晶體的含量，有利于鑄造。

另外，比較純鎂和純鋁的熔點(diǎn)與共晶溫度的差值也可以表明鎂合金易于鑄造，對(duì)鎂來(lái)說(shuō)其值為212℃，而鋁則是73℃。

1.2.2鎂合金的物理性質(zhì)對(duì)壓鑄性能的影響

1.2.2.1熱焓

從工作溫度到凝固溫度之間的熱量，決定了相同的導(dǎo)熱系數(shù)下，金屬液保持可鑄性的時(shí)間。因此這種熱量便作為最大可能充型時(shí)間的尺度。充型時(shí)間T與從工作溫度至凝固溫度的熱焓的定性公式為：

Tm;Ta=Qm/Qa      則：Tm=QmTa/Qa

比較CD=MgAl9Znl與GD-AlSi12(Cu)則Tm=130.5/275Tal=0.654Ta

即充填同一鑄型鎂合金所需時(shí)間公為鋁合金的65%。

表二  鋁鎂的熱焓

1.2.2.2

金屬液粘度與澆注速度對(duì)充型的影響

用雷諾數(shù)來(lái)表示性質(zhì)，它不僅考慮到流道的幾何形狀，而且也考慮到由于速度磨擦而產(chǎn)生的流動(dòng)阻力。也以GD-MgAl9Znl和GD-AlSi12(Cn)粘度作比較，定性地得出澆注速度。首先兩者的流動(dòng)特性相同，那么作為一個(gè)準(zhǔn)則兩者的雷諾言數(shù)必須相等。

Rea=Rem            Re=WDh/V或中

Re——雷諾數(shù)

W——平均澆注速度

Dh——液體流槽直徑

V——澆注溫度時(shí)的粘度

已知:Va=5.3*10^-6 m²/S      Vm=6.65*10^-6  m²/S

代入等式得：Wm=Wa*6.65/5.3       Wm=1.25Wa

Wm：鋁合金平均澆注速度

Wa：鎂合金平均澆注速度

以上結(jié)論說(shuō)明鎂合金充填型腔的平均速度約為鋁合金充填型腔時(shí)的1.25倍。

1.2.2.3氣體與氣孔

氣孔以各種方式存在于鑄件中，一種方式是由于冷卻過(guò)程中氣體從液體中析出，主要是H2，另一些是由于澆注而帶入了空氣。鎂溶解氫的能力很強(qiáng)，即使鑄錠上只有極少量的一點(diǎn)水分，也可能通過(guò)水的還原而吸收氫。然而氮地產(chǎn)生氮化物、氧產(chǎn)生氧化物。因此，大氣的影響較小，空氣的溫度與氣體含量有關(guān)，也就是鎂塊必須進(jìn)行徹底的烘干才能投爐熔化。

1.2.2.4粘模傾向

粘模傾向是指鑄造合金粘附在鑄型上的傾向。這種現(xiàn)象對(duì)壓鑄過(guò)程的影響很大。

（1）       合金對(duì)鑄型材料的熔解度。鎂合金在這方面有其優(yōu)越性，一般模具鋼的主要合金元素，除鎳外，其它如鐵、鈷、錳、鋁、鈣都不溶解或僅有微量溶解于鎂合金，因此粘模不會(huì)產(chǎn)生。

（2）       鑄件在脫模溫度時(shí)的強(qiáng)度。約300℃時(shí)，鎂合金的強(qiáng)度公為鋁合金的一半左右，只要型腔表面沒(méi)有問(wèn)題，推出平衡，不產(chǎn)生剪切應(yīng)力，這樣的熱強(qiáng)度足以保證鑄件出模。

（3）       鑄件與型腔表面之間的粘附系數(shù)，當(dāng)磨擦副之間的粗糙度為30/um和磨擦速度為0.1m/s時(shí)，鋁一鋼之間的粘附系數(shù)為0.1，而鎂-鋼之間僅為0.05。

由此可知，鎂合金有很大的優(yōu)點(diǎn)。因此鎂壓鑄件可以用最小的脫模斜度，并可獲得較高的精度。

1.3壓鑄鎂合金的實(shí)際應(yīng)用

AZ91D是最常用的鎂合金，具有優(yōu)良的耐蝕性、鑄造性能和良好的強(qiáng)度，主要用于汽車(chē)、計(jì)算機(jī)零件和運(yùn)動(dòng)器具、殼、蓋、鏈、鋸、手動(dòng)工具和家用電器。

AM50、AM60合金具有突出的韌性和吸能性，同時(shí)兼有良好的強(qiáng)度和機(jī)械性能，主要用于汽車(chē)座椅、方向盤(pán)、儀表板等。

AS41和AE42這些合金于150℃時(shí)有良好的抗蠕變形能，應(yīng)于零件工作溫度較高的場(chǎng)合，如汽缸體、曲軸箱、制動(dòng)件等。

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