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、減震降噪的工程結構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)代壓鑄技術進行成形加工。現(xiàn)代科技和相關產(chǎn)業(yè)技術的發(fā)展，使鎂合金的應用範圍迅速擴展，特別是在汽車工業(yè)和電子信息產(chǎn)業(yè)中獲得大量應用。
本文主要介紹鎂合金壓鑄技術研究、開發(fā)、應用的發(fā)展狀況，希望藉此促進中國鎂壓鑄技術的發(fā)展及其在各個領域、尤其是汽車工業(yè)中的推廣應用。
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的出現(xiàn)擴大了鎂合金的應用範圍，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及其應用
利用傳統(tǒng)的壓鑄技術壓鑄鎂合金，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)在質量，擴大壓鑄件的應用範圍，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，包括半固態(tài)壓鑄、觸變注射成形技術、充氧壓鑄、真空壓鑄等。
觸變注射成形技術
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。半固態(tài)金屬成形技術首先是由美國麻省理工學院Flemings教授於上世紀70年代開發(fā)的新一代金屬加工技術。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)觸變成形工藝與設備。觸變注射成形技術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，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，觸變注射成形技術是今後實用的成形方法。
目前，利用觸變注射成形技術可以制備手機、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，當能與氧氣發(fā)生反應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，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，提高壓鑄件的力學性能和表面質量。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)鎂合金壓鑄技術及其應用
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)廠商前所未有的關注，并已形成一股強大的推動力。
國內(nèi)鎂合金壓鑄發(fā)展狀況
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，均為鎂合金應用的典範。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。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)應加速采用鎂合金壓鑄件，以適應加入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。
中國關於鎂合金及其壓鑄技術還處於起步階段。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用，還有許多工藝技術障礙需要突破。中國鎂合金的開發(fā)應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。
近幾年國外關於鎂合金應用從工藝到設備的大量專利技術的出現(xiàn)，中國如不及時開展鎂合金及其壓鑄技術的研究工作，這些專利技術對中國鎂合金技術發(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)凝固技術的實用研究已有較大的技術突破、有了較成功的應用，大大改善了壓鑄產(chǎn)品的質量和性能，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專利，現(xiàn)在還授權日本JSW和加拿大Husky公司生產(chǎn)新型鎂合金觸變成形機；美國康奈爾大學研發(fā)的流變成形工藝及設備1996年取得專利。
鎂合金技術應用展望
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，它的應用可以大大降低對能源的消耗，因此鎂合金將在未來的結構材料中占據(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)展鎂合金的應用做好鎂合金關鍵技術的開發(fā)工作，迎接鎂合金應用高潮的到來。
