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膜以阻至氧化反應(yīng)的繼續(xù)進行，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

純鎂的機械性能很差，不能滿足工業(yè)零件對屈服強度和抗拉強度的要求。通過加入合金化元素能顯著提高鎂的機械性能，使鎂合金的強度重量比在各類合金中僅次于鈦合金而名列第二，為其工業(yè)應(yīng)用開拓了廣闊前途。合金化元素的第二個作用是改善鎂合金的鑄造性能。純鎂的熔點高，流動性差，收縮量大。通過合金化能降低液相溫度，增加流動性，提高鎂合金的鑄造性能，減小收縮傾向。針對鎂合金在150攝氏度以上溫度其強度顯著下降的特點，合金化的第三個作用是增強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。基于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AZ91合金有明顯的細化作用，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。合金韌性進一步得到提高。目前AZ及AM這兩種系列合金占鎂汽車結(jié)構(gòu)件的90%，但它們在150℃以上時其強度顯著下降。

為改善合金在150℃以上的抗蠕變能力，現(xiàn)已開發(fā)了AS41A合金（4.3%Al,1%硅，0.35%錳），該含金的蠕變強度在170℃范圍內(nèi)。同時具有較好的伸長率，屈服強度和極限抗拉強度。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，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Mg-Al基合金強度及蠕變抗力的有利影響而開發(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度下長期使用。加拿大開發(fā)了AC系列鎂合金。通過添加Ca改善了Mg-Si合金中Mg2Si的相結(jié)構(gòu)并細化其晶粒，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高速冷卻條件下對相圖的影響

在壓鑄條件下，由于流速高，金屬型冷卻能力強，冷卻速度很快，二元系相圖中共晶點向熱穩(wěn)定組元方向推移。對Al合金來說是向Si增加的方向推移，而對Mg合金來說則是向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過共晶合金成為亞過晶合金。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際上的過共晶合金。大致來說高的冷卻速度增加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與共晶溫度的差值也可以表明鎂合金易于鑄造，對鎂來說其值為212℃，而鋁則是73℃。

1.2.2鎂合金的物理性質(zhì)對壓鑄性能的影響

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間。因此這種熱量便作為最大可能充型時間的尺度。充型時間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充型的影響

用雷諾數(shù)來表示性質(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。首先兩者的流動特性相同，那么作為一個準則兩者的雷諾言數(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)論說明鎂合金充填型腔的平均速度約為鋁合金充填型腔時的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，即使鑄錠上只有極少量的一點水分，也可能通過水的還原而吸收氫。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)象對壓鑄過程的影響很大。

（1）       合金對鑄型材料的熔解度。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，因此粘模不會產(chǎn)生。

（2）       鑄件在脫模溫度時的強度。約300℃時，鎂合金的強度公為鋁合金的一半左右，只要型腔表面沒有問題，推出平衡，不產(chǎn)生剪切應(yīng)力，這樣的熱強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，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。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度，主要用于汽車、計算機零件和運動器具、殼、蓋、鏈、鋸、手動工具和家用電器。

AM50、AM60合金具有突出的韌性和吸能性，同時兼有良好的強度和機械性能，主要用于汽車座椅、方向盤、儀表板等。

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

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