镁合金铸造发展动向

1、镁合金铸造发展动向摘 要 近年来，世界各国高度重视镁合金的研究开发，加强镁合金在汽车、计算机、通讯及航空航天领域的应用开发研究，镁合金被誉为"21世纪的绿色工程材料"，大规模开发利用镁合金的时代已经到来。本文介绍了镁合金开发应用产业化的动向，分析了镁合金铸造技术的特点，并提出了加速我国镁合金铸造业发展的几点建议。 曾大本 唐靖林一镁合金产业化加速发展 自20世纪90年代初开始，国际上主要金属材料的应用发展趋势发生了显著变化，钢铁、铜、铅、锌等传统材料的应用增长缓慢，而以镁合金为代表的轻金属材料异军突起，以每年20的速度持续增长。镁在地球上储量丰富，镁合金具有比重小(比重18

2、，为铝的23，钢的14)、比强度高、良好的导热性、再生利用和电磁屏蔽能力强等特点。表1为镁合金、铝合金、钢铁和塑料物理和机械性能的比较。近年来，随着阻碍镁合金大量应用的价格和技术两大瓶颈的突破，镁合金的应用领域迅速扩展，许多发达国家已将镁合金列为研究开发的重点，镁合金被誉?quot;21世纪的绿色工程材料"。纵观世界镁合金产业化的进程，不难看出大 规模开发利用镁合金的时代已经到来，其突出表现为以下几点。表1 几种材料力学性能比较1 镁合金压铸件需求明显增长，据不完全统计，1990年全球产镁25万吨；2000年达50万吨。专家预测，到2005年可望达到90万吨，2010年>150

3、万吨。根据国际镁协会(1MA)对西方市场镁消费分析(表2)表明，近乙年，约有43的镁作为添加元素配制铝合金用，其用量每年略有增长。但作为压铸用的镁量急剧上升，1999年压铸用镁量比1997年提高了40，比1998年提高了21。镁合金压铸的大规模开发与应用起源于汽车领域，进入20世纪80年代，由于对汽车轻量化、节能等方面的紧迫要求，北美的福特、通用等汽车制造公司率先投入了大量的人力、物力，用于替代钢、铝合金等汽车用镁合金压铸零部件的研制，并成功地将研究成果用于生产，减轻了汽车的净重，提高了汽车性能。紧接着欧洲和日本的一些有名的汽车厂商也相继开始了各自的镁合金研究发展计划，这些工作极大地促进了镁合

4、金压铸技术的发展，目前至少已有60余种镁合金压铸零部件应用于汽车行业，其消费量占压铸用镁量的80。根据汽车燃油经济性和环保法规的要求，现发达国家许多汽车制造厂商计划在不久将每台车采用40100kg的镁合金构件。预计今后10年汽车用镁量并将以15速度递增，至2005年将达到20万吨。应用领域消费量（吨）1997年1998年1999年铝合金添加元素146，100154，400159，800压铸95，300110，100133，400脱硫47，95048，20041，700电化学18，90010，00011，200化学应用6，7006，8005，200金属还原5，6004，9002，400重力铸造2

5、，1002，6002，000变形镁合金3，9004，5004，100球化剂11，30011，7508，900其它用途6，3507，5006，800总量334，200360，250375，500源自国际镁协会的西方市场统计数据，包括从CLS和中国进入西方市场的镁，但没有包括CLS和中国内部使用的镁。进入90年代后，以日本和我国台湾的一些有实力的企业为代表，将镁合金压铸件的开发应用扩展到通讯、计算机和轻工业等领域，以满足市场对电子和通讯等产品的高度轻量化、薄壁化、小型化和利于再生的要求。镁合金外壳及其结构件已成为许多产品的最佳选择，成为拉动全球镁消费增长的另一个重要因素。图1为世界压铸镁合金需求的

6、发展趋势。图1 压铸镁合金需求的发展趋势（由国际镁协会提供） 2 各国政府高度重视镁合金的开发应用，美国、德国、澳大利亚、日本、加拿大、新西兰等发达国家1990年后相继出台了各自的镁研究计划，投资数10亿美元，协调各方面力量联合攻关。如1996年美国联邦政府能源部与国内通用等三大汽车集团签署了一项名为"PNGV"（新一代交通工具）的合作计划，旨在采用更多的新技术、新材料生产出重轻、耗油少、符合环保要求的新一代轿车；1997年德国科技教育部（BMBF）牵头，联合大众汽车公司等50余家企业和5所大学研究所，投资3000万马克，进行为期3年的"MADICA"（

7、镁合金压铸）攻关计划，以解决镁和镁合金生产、镁合金压铸等生产中的关键技术难题，建立起一套完整的镁合金压铸及加工的工艺规范，并将镁合金压铸件进一步应用于汽车及其它领域。镁合金结构件应用举例如表3所示。表3 镁合金结构件应用举例应用领域用 途航空航天领域飞机：机身、发动机导弹、宇宙探查：火箭、发射台、卫星及探查、喷气发动机仪器：陀螺仪、罩、雷达零件及波导管、电气装置、地面控制装置原子能产业外壳密封装置、辅助设备地面运输汽车、卡车：变速箱体、曲轴箱、传动箱、油盘、缸盖、轮毂、转向盘、刹车中踏板支架、车锁壳体自行车、摩托车：链条罩、制动片、前导流罩、发动机零件、传动箱盖物流设备爪卡盘及传动装置：大型敏

8、捷用具、台车机械工具链锯及钻机、工艺装备板、水平仪纺织机高速经轴、控制杆印刷底版、滚筒、印刷板办公用品机器打字机零件、电传打印机盖、计算机、笔记本电脑光学仪器照相机壳、磁带卷轴、摄像机、电视、投影机消费用品梯子、吸尘器零件、椅子、大型旅行箱架、眼镜、助听器、车椅、拐杖3 金属镁供应稳定，价格稳步下降。为了适应汽车业及其它行业对镁日益增长的巨大需求，确保金属镁经济而稳定供应，发达国家的大型汽车厂商纷纷与镁金属生产企业联合投资，共同参与进行金属镁大型生产项目的开发。例如德国大众汽车公司96年与以色列厂家合资兴建了死海镁厂（年生产能力9000t以上）；美国福特公司于97年与澳大利亚的企业合资在昆土兰

9、建设全球规模最大的镁生产基地，年产能力9万吨以上，并开展低成本的镁冶炼工艺研究。由于国际上许多镁金属大型项目的实施和完成，有力地推动了镁金属低成本生产工艺的研究开发，使全球镁价格稳步下降。应该指出，目前国际上镁价格与铝的价格逐步接近，影响镁合金广泛使用的原材料价格瓶颈正在突破，这和我国这几年镁业的发展也是分不开的。在世界上我国是镁资源大国，储量居世界首位。目前原镁产量居世界第一，占全球产量1/3,但80%以上作为初级原料低价出口，镁合金应用领域的开拓严重滞后。我国92年前镁主要用于军工行业，大部分靠进口，2000年镁产量19.5万t（出口16.5万t），2001年产20.6万t（出口17.3万

10、t）而国内每年镁消费不足3万t。对镁合金的发展动向我国政府给予了高度重视，2000年3月科技部启动了"镁合金开发应用及产业化"的前期战略研究，现该项目已列为国家"十五"重大科技攻关重大专项，正组织力量联合攻关；在国家"863"计划中也安排了有关镁合金新材料、新工艺的研究内容；国家计委也将镁合金产业化列为今年高新技术产业化示范项目；兵器等军工集团也开始启动了相应的研究开发计划。二镁合金成形技术 作为镁合金成形加工的方法虽然有镁型材的模压成形、锻造、铸造和压铸等多种工艺，但目前的主流是压铸和触变注射成形（Thixomolding）两种方法

11、。解决汽车大型和复杂形状零部件的成形问题是当前进一步开发和改进镁合金成形加工技术的方向，以提高生产效率、产品精度和质量稳定性。这里就现常用的镁合金铸造方法作一简要介绍。1 压铸：该方法是将熔化的镁合金液，高速高压注入精密的金属型腔内，使其快速成形。根据把镁液送入金属型腔的方式，压铸机可分为热室压铸机和冷室压铸机两种：（1）热室压铸机 其压室直接浸在坩埚内镁液中，长期处于被加热状态，压射部件装在坩埚上方（图2）。这样压铸每循环一次时，不必特意给压室供给镁液，所以生产能快速、连续，易实现自动化。热室压铸机的优点是生产工序简单，效率高；金属消耗量少，工艺稳定；压入型腔的镁液较干净，铸件质量较好；镁液

12、压入型腔时流动性好，适于压薄壁件。但压室、压铸冲头及坩埚长期浸在镁液中，影响使用寿命，对这些热作件材料要求较高。镁合金热室压铸机更适合生产一些薄壁而外观要求较高的零件，如手机和掌上电脑外壳等，但由于镁合金热室压铸机是采用冲头直接将镁合金液经过封闭的鹅颈和喷嘴压入金属模型腔，因此压射时增压压力较小，一般不适用于汽车、航天航空等大型、壁厚、载荷大的零件。图2 热室压铸机压室结构示意图（2）冷室压铸机 其压室结构示意图如图3所示。每次压射时，先由手工或通过自动定量给料机把镁液注入压射套筒内，因而铸造周期比热室压铸机要长些。冷室压铸机的特点是：压射压力高，压射速度快，所以可以生产薄壁件，也可以是厚壁件

13、，适应范围宽；压铸机可大型化，且合金种类更换容易，也可与铝合金并用；压铸机的消耗品比热室压铸机的便宜。多数情况下，对大型、厚壁、受力和有特殊要求的压铸件采用冷室压铸机生产。图3 冷室压铸机压室结构示意图近年来由于镁合金压铸件需求增加，发达国家许多压铸机厂商纷纷推出镁合金冷室、热室压铸机系列产品。总体上讲，这些装备在功能上已达到相当高的水平，基本上能满足镁合金压铸技术的要求，但一般进口设备价格较为昂贵。国内香港力劲机械有限公司根据市场需求也已开发出多款镁合金专用冷室、热室压铸机，从而打破了进口设备的一统天下。镁合金压铸时，由于压射速度高，当镁液液充填到具型腔时，不可避免会有金属液紊流及卷气现免发

14、生，造成工件内部和表面产生孔洞缺陷，因此对于要求高的铸件，如何提高其成品率是镁合金压铸所面临的主要问题之一。2 是镁合金半固态成形技术：镁合金半固态成形是近年来发展起来的成形技术，可以获得高致密度的镁合金制品，是具竞争力的镁合金成形方法。 （1）镁合金触变注射成形触变注射成形（Thixomolding）是一项基于半固态合金触变行为的成形技术，1992年开始商业应用。美国Thixomat公司拥有这项技术的专利权，并已经在26个国家获得专利。触变注射成形技术采用了一种所谓"一体化"的成形方式，将压铸和注塑工艺合二为一，模具和成形材料与半固态压铸工艺相似，工艺过程则接近于注塑成形

15、。如图4所示，在室温条件下，颗粒状的镁合金原料由料斗强制输送到料筒中，料筒中旋转的螺旋体使合金颗粒向模具运动；当其通过料筒的加热部位时，合金颗粒呈半固态。在螺旋体剪切作用下，呈半固态的枝晶组织的合金转变成颗粒状初生相组织；当其积累到预定体积时，以高速（5.5m/s）将其压射到抽真空的预热模具中成形。成形时，加热系统采用了电阻、感应复合加热工艺，合金固相体积分数高达60%，同时通入氩气进行保护。 图4 镁合金触变注射成形原理触变注射成形是在从原料供给到零件制造的封闭系统内一次性完成的过程，系统运行稳定性良好。主要特点如下： 清洁、安全和节能。与传统压铸相比，触变注射成形无需液态金属熔炼和浇铸等过

16、程，单位成形件的原材料消耗大大减少；无爆炸危险；没有熔渣产生；无需SF6 气体保护，可以消除压铸生产中SF6 气体对臭氧层的破坏作用。 再生性好。镁合金切屑或碎片经碾研后回收率近100%(可免除二次精炼过程)。 终形或近终形成形。成形件的收缩、残余应力以及变形小，典型触变注射成形件每10mm的线性误差为0.013mm，尺寸精度是普通压铸件的5倍作用，从而可以减少或免除切削加工。 生产过程具有良好的一致性和灵活性；成形件具有极佳的尺寸重现性和表面质量，减少了清整强度。 机械性能高于或相当于普通压铸件。 可以成形壁厚为0.5mm-20mm的零件； 成形过程卷入的气体大幅度减少，孔隙度小于0.069

17、%，成形件致密度高，不仅可以热处理，而且具有良好的耐腐蚀能力。 与传统压铸相比工作温度降低100摄氏度左右，有助于提高模具寿命。但是，目前触变注射成形还存在以下不足之处： 采用镁粒作为原材料，成本高。 关键构件（内螺杆及内衬）耐磨性、耐蚀性差，使用寿命短，维护费用高。 设备成本也比压铸高，整体投资成本较大。 专利支付费用大，目前尚在专利拥有期限内。图5触变注射成形镁合金汽车座椅后背架目前，在美洲、欧洲和亚洲等三大洲的8个国家已经有40个有关Thixomolding的专利技术许可。JSW和Husky公司为触变注射成形设备的主要供应商。Husky公司于1999年底生产出锁模力为500吨的触变注射成

18、形设备。JSW公司1998年向用户交付了60台触变注射成形设备，成形设备已经形成系列，机种有75t、150t、220t、450t、650t、850t、和1600t。迄今为止，在三大洲投入使用的触变注射成形设备总数已经大于200台，其中日本100多台、我国台湾地区31台左右。预计2002年中国大陆将拥有约15台触变成形设备，主要用于汽车，消费类电子产品，电子仪器零部件以及其他消费类或工业产品，例如汽车换档凸轮，笔记本电脑外壳，数码相机机身以及圆盘锯外壳等，成为该技术在我国大陆规模化应用和生产的前奏。图5为用触变注射成形方法生产的镁合金汽车座椅后背架。（2）镁合金流变注射成形针对镁合金触变注射成形

19、方法的不足，我国台湾工业研究院机械所开发出镁合金流变注射成形(Rheomoulding)设备，以解决原料与设备成本太高的问题。目前，已经完成100吨样机，并开展系统化的研究，流变注射成形原理见图6 对于镁合金流变注射成形，还需解决非枝晶半固态合金浆料精确控制、螺杆等热作件的寿命等问题，大批量工业应用还待以时日。但是，随着上述关键问题的突破，镁合金流变注射成形技术将会有更大的应用潜力。- 图6镁合金流变注射成形 （3）触变铸造触变铸造是将制备的非枝晶组织的棒料定量切割后重新加热至液固两相区（固相体积分数为50%-80%），然后再采用压铸或模锻工艺半固态成形，见图7. 触变铸造不使用熔化设备，锭料

20、重新加热后便于输送和加热，易于实现自动化；但是，制备预制坯料需要巨大的投资，而且关键技术为国外少数几家公司所垄断，导致其成本居高不下，仅适于制造需高强度的关键零件。-图7触变铸造和流变铸造 （4）流变铸造流变铸造采用金属熔体做原料，冷却搅拌产生半固态合金浆料后，以管路或容器输送至压铸机直接成形，见图7 对于流变铸造，由于非枝晶半固态合金浆料在保持、状态控制和输送等方面存在着困难，在很大程度上限制了其工业应用，从而慢于触变铸造工业应用的步伐。随着半固态铸造技术的进展，触变铸造在预制材料均匀性及成本、感应加热控制及材料消耗、成形过程的可靠性及重复性、废料回收等方面的限制越来越明显，其经济效益很难尽

21、人如意，因此开发流变铸造再度受到人们的重视。日本日立制作所及UBE都开发出新的流变铸造工艺及设备。对镁合金的实验结果显示，其机械性能较触变铸造低。总之，随着上述关键问题的突破，流变铸造不仅可以以低成本生产高质量的成形件，而且生产流程将比触变铸造显著缩短，更易于与传统压铸技术接轨，减少设备投资。显然，流变铸造技术将会有更大的应用潜力。 3 我国镁合金铸造发展前景展望：面对国际、国内市场对镁合金产品巨大需求和竞争的压力，我国镁合金产业化面临着重大的发展机遇和严峻的挑战。镁合金产业是一项涉及面广、技术集成度高的大型系统工程。充分发挥铸造技术在镁合金产业化中的作用，是实现我国镁合金产业化跨跃式发展的必

22、要条件。（1）"十五"期间在政府的统一协调下，对"镁合金开发应用及产业化"重大专项组织攻关，以解决一批共性技术、关键技术和配套技术，主要包括下列5个方面： 镁原材料品质的提高和品种多样化； 镁合金加工关键装备的研究开发； 镁合金在交通运输和3C产品上的应用开发； 镁合金产业化发展战略和环境建设； 建立若干个以汽车、电子产品为主干的镁合金产业化基地建设。我们相信，该项目的研究开发，遵循以企业为主体，产学研结合，按市场机制运作的原则，一定会积极稳妥地使我国镁合金产业化的进程向前推进。经过扎扎实实的工作建立起来的产业化基地，必将发挥其龙头和示范作用。 （2）在当前我国加速镁合金产业化的进展中，企业应当如何作出正确决策，适时调整产品结构，提高竞争能力这是个很现实的问题。每个企业（不管是不是搞铸造的）应审时