 摘要 低壓鑄造是生產(chǎn)大型、復(fù)雜、高性能鎂合金鑄件的重要工藝之一，近年來表現(xiàn)出較高的應(yīng)用前景，也越來越受到研究者們的關(guān)注。本文介紹了低壓鑄造鎂合金的發(fā)展現(xiàn)狀、成形工藝及特點(diǎn)、主要材料分類、強(qiáng)化機(jī)制、熱處理方案和常見缺陷等，并對將來低壓鑄造鎂合金的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。 前言 鎂是密度最低的結(jié)構(gòu)金屬，其資源豐富，且具有比強(qiáng)度、比剛度高，減振性好，電磁屏蔽能力強(qiáng)，易切削加工及易回收等優(yōu)勢，在汽車、航空航天、電子產(chǎn)品及國防軍工產(chǎn)品等領(lǐng)域上廣泛應(yīng)用。鎂是繼鋼鐵、鋁合金后發(fā)展起來的新興結(jié)構(gòu)金屬材料，其晶格結(jié)構(gòu)與鋼鐵和鋁均不同，被譽(yù)為21世紀(jì)的綠色工程材料。鎂合金在鑄造工藝上具有很強(qiáng)的適用性， 在幾種制備鎂合金材料及部件的技術(shù)中，鑄造鎂合金的發(fā)展歷史最悠久，技術(shù)及設(shè)備也最為成熟。隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展，對高性能鎂合金的需求日益增加，鑄造工藝也隨之改良和升級。目前，高壓鑄造是生產(chǎn)鎂合金零件最常用的成形方式，但壓鑄僅適用于生產(chǎn)大批量薄壁件，其設(shè)備及模具等投入成本較高，且易發(fā)生卷氣等鑄造缺陷，影響成品質(zhì)量。低壓鑄造是介于高壓鑄造和重力鑄造之間的一種鑄造方法，其充型平穩(wěn)，更適合成形大型、復(fù)雜的鎂合金鑄件，且鑄件可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，力學(xué)性能進(jìn)一步提高。低壓鑄造鎂合金近年來表現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景，也越來越受到人們的關(guān)注。 1 低壓鑄造工藝的特點(diǎn)和成型方法 低壓鑄造是指金屬液在較低氣體壓力作用下自下而上充型，并在壓力下使其固化形成鑄件的鑄造工藝。鎂合金液在該工藝充型過程中，流動(dòng)性得到提高，易于獲得不同壁厚、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件。同時(shí)，在充型過程中，其壓力可控，能有效緩解鎂液在充型時(shí)發(fā)生的翻騰、飛濺等，使鎂液充型平穩(wěn)，減少氧化夾渣和疏松等鑄造缺陷的形成，從而獲得高質(zhì) 量鑄件。常見的低壓鑄造方法包括最常用的置頂式氣壓低壓鑄造、真空低壓消失模鑄造以及電磁低壓鑄造等。常用的置頂式氣壓低壓鑄造技術(shù)原理如圖1所示。該方法是將0.02~0.06 MPa的壓縮氣體通入密封坩堝內(nèi)，使金屬液自下而上緩慢填滿型腔，充型完成后，停止加壓并保壓至鑄件全部固化，再卸壓使殘余金屬液回流至坩堝，最終脫模獲得鑄件。在該過程中，顯著減少了金屬液的翻騰、沖擊及飛濺等， 進(jìn)而大幅降低了氧化渣的產(chǎn)生；同時(shí)，其壓力充型方式保證了合金液較高的流動(dòng)性和鑄件的致密性，適用于生產(chǎn)大型復(fù)雜薄壁鑄件。值得一提的是，由于該工藝設(shè)計(jì)的澆、冒口系統(tǒng)簡單，使得金屬收得率可達(dá)90％以上，極大地節(jié)約了生產(chǎn)成本。低壓鑄造的過程控制對最終鑄件的性能影響很大。以低壓鑄造鎂合金輪轂為例，在鑄造過程中，鎂合金液的充型順序通常是輪心-輪輻-輪輞-輪緣，其中輪輞和輪緣是遠(yuǎn)離澆口的薄壁區(qū)域，所以凝固順序應(yīng)為輪緣-輪輞-輪輻-輪心，為順序凝固。若在凝固過程中輪轂沒實(shí)現(xiàn)順序凝固，則易產(chǎn)生凝固缺陷，如輪輻和輪輞處熱裂缺陷、輪心處的粗大晶粒， 輪緣上的縮孔縮松等。因此，為盡量避免鑄造缺陷的產(chǎn)生，需要采取局部冷卻等方式調(diào)節(jié)模溫，或調(diào)整保壓工藝等對鑄造工藝進(jìn)行優(yōu)化。真空低壓消失模鑄造技術(shù)是一種集真空消失模鑄造與低壓鑄造于一體的新型鑄造工藝，其示意圖如圖2所示，工藝步驟為：首先在底注式砂箱中放入消失模鑄造模樣，加入型砂緊實(shí)后，開始抽真空；接著將鎂液加入澆注爐中，同時(shí)澆注爐內(nèi)通入惰性氣體，鎂液受壓流入砂箱，其帶來的高溫可將消失模鑄造模樣氣化，最終完成澆注。該工藝比壓鑄工藝設(shè)備投資少且鑄件可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，鑄造性價(jià)比得到提升；比砂型鑄造生產(chǎn)的鑄件精度高、表面質(zhì)量好，且生產(chǎn)節(jié)拍提高，最終鑄件具備較高的綜合性能。該工藝需要的澆注溫度低，澆注溫度的損失小， 合金鑄件的澆注系統(tǒng)簡單有效、成品率高，可用于鎂合金復(fù)雜構(gòu)件的液態(tài)成形，可獲得高精度、低表面粗糙度且高性能的鎂合金鑄件，改善了傳統(tǒng)鑄造工藝中鑄件易出現(xiàn)的澆不足、冷隔等缺陷。張大付等將該技術(shù)應(yīng)用于AZ91D鎂合金的液態(tài)精密成形，成功制備出電機(jī)外殼、排氣管等復(fù)雜鎂合金鑄件，有效改善了鎂合金澆不足和冷隔等缺陷，鑄件性能大幅提高。
圖1 置頂式氣壓低壓鑄造技術(shù)原理圖 常規(guī)的鎂合金低壓鑄造工藝主要采用壓縮空氣充型并保壓來完成鑄件生產(chǎn)。而電磁低壓鑄造技術(shù)是一種利用洛倫茲力使金屬液上升并充型的一種鑄造方法，其示意圖如圖3所示。其生產(chǎn)效率高、可連續(xù)、近無余量精確成形，在鎂合金低壓鑄造領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢。在該工藝中，向液態(tài)金屬通以電流， 金屬液受到洛倫茲力的作用會發(fā)生定向移動(dòng)。在達(dá)到較高的電流、磁場強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生的力可以滿足常規(guī)低壓鑄造的要求。金屬液在計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行充型，保證不同截面處液面平穩(wěn)上升。將液態(tài)金屬注滿鑄模，并在一定凝固時(shí)間后，進(jìn)行加壓、保壓，最終獲得優(yōu)質(zhì)鑄件。研究表明，經(jīng)電磁泵低壓鑄造裝置生產(chǎn)的摩托車鋁合金輪轂，與傳統(tǒng)低壓鑄造生產(chǎn)的輪轂相比，具有明顯的性能優(yōu)勢。但是，與鋁合金相 比，鎂合金具有比熱低、凝固潛熱低等特點(diǎn)，導(dǎo)致鎂合金液在模具型腔中的冷卻速度快，因此需要調(diào)整工藝參數(shù)，如快速充型、對模溫嚴(yán)格控制等。
圖2 鎂合金真空低壓消失模鑄造技術(shù)原理圖
圖3 電磁泵低壓鑄造工藝原理圖 此外，吳國華等結(jié)合涂層轉(zhuǎn)移制芯技術(shù)、坩堝液體金屬密封技術(shù)與低壓鑄造技術(shù)，創(chuàng)新性開發(fā)出大型鎂合金鑄件精密低壓鑄造成型新工藝，保證了鎂合金液的高純度和高凈度。所制造的鎂合金鑄件組織致密、尺寸精度高、表面質(zhì)量好，且已具備100 kg鎂合金鑄件研發(fā)與小批量試制能力。 2 鎂合金低壓鑄造的發(fā)展現(xiàn)狀 早在20世紀(jì)初，英國就提出了低壓鑄造技術(shù)， 并將該技術(shù)應(yīng)用在鎂合金生產(chǎn)上，但受限于當(dāng)時(shí)技術(shù)和設(shè)備，一直未得到大規(guī)模應(yīng)用。第二次世界大戰(zhàn)后，汽車工業(yè)開始快速發(fā)展，對汽車輪轂等零部件的需求量不斷增加，而這類零部件也適合用低壓鑄造工藝生產(chǎn)，進(jìn)而該技術(shù)得到迅速發(fā)展，但設(shè)備和技術(shù)僅掌握在少數(shù)發(fā)達(dá)國家手中。20世紀(jì)中葉后，各 國開始投入人力物力對低壓鑄造技術(shù)的原理和工藝進(jìn)行了深入研究，隨全球化進(jìn)程和科技發(fā)展，低壓鑄造的設(shè)備也在不斷升級，其應(yīng)用范圍更加廣泛，現(xiàn)已大量應(yīng)用于航空航天、汽車及各類機(jī)械產(chǎn)業(yè)中。 以低壓鑄造鋁合金輪轂為例，其在20世紀(jì)80年 代的市場占有率僅為4%，但到了21世紀(jì)初其市場占有率便擴(kuò)大至60%以上。目前低壓鑄造已成為生產(chǎn)鋁合金輪轂最主要的工藝。為進(jìn)一步加速汽車輕量化進(jìn)程，各國廠家與研究者正加快鎂合金輪轂的研發(fā)與生產(chǎn)，以替代鋁合金實(shí)現(xiàn)更深入的輕量化，研究主要聚焦于新材料、新工藝上。研究表明， 若要獲得與鋁合金輪轂相同的剛度，鎂合金輪轂的壁厚僅需增至鋁合金輪轂的1.17倍，此時(shí)其質(zhì)量也僅為鋁輪轂的78%，具有明顯輕量化效果；在新能源車上用鎂合金輪轂代替鋁合金輪轂，車輛續(xù)航能力可以提高8%以上，汽車加速性能和減振效果也得到明顯提升。目前用于鎂合金的鑄造工藝有重力鑄造、高壓鑄造、擠壓鑄造以及低壓鑄造等。其中，低壓鑄造因其充型平穩(wěn)和順序凝固等特點(diǎn)在鎂合金零件制造上有獨(dú)特的優(yōu)勢，在工業(yè)領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注。但通過低壓鑄造技術(shù)生產(chǎn)鎂合金輪轂仍有待深入研究和改進(jìn)，技術(shù)還不成熟，沒有得到廣泛推廣和應(yīng)用。 進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)被廣泛地用于低壓鑄造工藝的開發(fā)和優(yōu)化。利用軟件對鎂合金的鑄造過程進(jìn)行數(shù)值模擬， 可以提前預(yù)測出鑄件中產(chǎn)生的氣孔、疏松及夾渣等缺陷的出現(xiàn)位置及原因，縮短產(chǎn)品工藝開發(fā)的周期， 減少試模次數(shù)，降低生產(chǎn)成本。李靜怡等采用 鑄造模擬軟件EasyCast和NovaCast對鎂合金隔板鑄件低壓鑄造工藝過程進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)隔板鑄件凝固過程未遵循順序凝固原則并有縮孔產(chǎn)生，通過添加冷鐵進(jìn)行工藝改進(jìn)，有效加強(qiáng)補(bǔ)縮效果，改善了縮孔缺陷。張華等基于AnyCasting鑄造模擬軟件分析了AZ91D鎂合金輪轂的鑄造過程，精確定位鑄造缺陷的部位并找出缺陷產(chǎn)生的原因，進(jìn)而對鑄造工藝進(jìn)行了優(yōu)化，減少了試模次數(shù)，從而大大降低了成本；數(shù)值模擬的結(jié)果也為鎂合金輪轂的低壓鑄造提供了理論指導(dǎo)與依據(jù)，促進(jìn)了低壓鑄造鎂合金輪轂的工藝開發(fā)和生產(chǎn)進(jìn)程。 近年來，新能源汽車快速發(fā)展，為汽車工業(yè)輕量化提出了更高的要求。《中國制造2025》提出了汽車發(fā)展的整體規(guī)劃，輕量化已經(jīng)成為世界各國汽車廠商最新核心的發(fā)展目標(biāo)之一，圖4為鎂合金對汽車零部件的減重效果。純電動(dòng)汽車重量每降低10％，續(xù)航里程便可增加約6％，而車輛的電池包系統(tǒng)重量占整車20%以上，成本占整車高達(dá)30%~ 60%，在動(dòng)力電池系統(tǒng)中，電池殼占系統(tǒng)總重量約 2%~30%，是主要的結(jié)構(gòu)件，因此在保證電池系統(tǒng)功能安全和車輛整體安全的前提下，電池殼的輕量化已經(jīng)成為電池系統(tǒng)主要改進(jìn)目標(biāo)之一?！朵X鎂合金鑄件行業(yè)市場現(xiàn)狀研究報(bào)告》指出，當(dāng)前鎂合金鑄件具備替換鋁合金鑄件在汽車輕量化領(lǐng)域應(yīng)用的三大條件，即：鎂合金的密度約為鋁合金的2/3，且比強(qiáng)度高于鋁合金及鋼材，使用鎂合金替代鋁合金可實(shí)現(xiàn)25%~35%的減重率；鎂鋁價(jià)格比回落至1.3 區(qū)間內(nèi)，“鎂代鋁”經(jīng)濟(jì)上更具性價(jià)比；鎂合金在抗振、散熱、強(qiáng)度等方面具備優(yōu)勢。2022年國內(nèi)單車鎂合金用量僅3~5 kg，對比鋁合金單車100 kg以上的用量，發(fā)展?jié)摿薮?。智己L7車型全套電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)殼體是鎂合金材料在新能源電驅(qū)動(dòng)殼體上的首次量產(chǎn)應(yīng)用，這也是目前在國內(nèi)外汽車領(lǐng)域量產(chǎn)應(yīng)用的最大的鎂合金零組件之一。隨后，上汽也開發(fā)了多款鎂合金新能源電驅(qū)總成產(chǎn)品，并成功量產(chǎn)，加速拓寬了鎂合金新的應(yīng)用場景，也預(yù)示了鎂合金在新能源汽車上的美好應(yīng)用前景。隨著新能源汽車性能逐步提升，對電驅(qū)殼體、電池托盤等部件的輕量化和性能要求也有所提高，對低壓鑄造可熱處理強(qiáng)化鎂合金部件的需求愈發(fā)緊迫。
圖4 鎂合金對汽車零部件的減重效果 3 低壓鑄造鎂合金材料 純鎂強(qiáng)度較差，因此通常對純鎂進(jìn)行合金化得到鎂合金。其中的合金元素通過析出硬化、細(xì)晶強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化直接強(qiáng)化合金的力學(xué)性能，表1中簡要介紹了最常見的合金元素及其對鎂合金的影響。鑄造鎂合金按主合金元素不同主要可分為Mg Al系、Mg-Zn系和Mg-RE系等。目前，應(yīng)用最廣泛的低壓鑄造鎂合金為Mg-Al-Zn（AZ）系。 3.1 Mg-Al系 Mg?Al系是應(yīng)用最早的鎂合金材料，Al是鎂合金提高鑄造性能和力學(xué)性能的最有利元素。從 Mg?Al二元相圖（如圖5所示）可見，Al在α?Mg基體中的固溶度隨溫度變化較明顯，其極限固溶度為 12.7%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，436 ℃），在室溫下的固溶度約為 2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。隨著鎂合金中Al元素含量的提高，合金的結(jié)晶范圍變窄，合金流動(dòng)性提高，熱裂傾向改善，縮松等缺陷減少，力學(xué)性能也得到明顯提高，當(dāng)合金的Al添加量超過6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，還可對其進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。在Mg-Al系合金的基礎(chǔ)上添加Zn，Mn等合金化元素（如表2所示），可以進(jìn)一步提高鎂合金的鑄造性能、力學(xué)性能、高溫性能和耐腐蝕性能等，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。 Mg-Al-Zn（AZ）系合金中 Zn的極限固溶度為 6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），Zn主要起固溶強(qiáng)化作用，經(jīng)熱處理后可得到固溶體組織，提高合金的屈服強(qiáng)度和抗蠕變性能，但Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時(shí)對合金耐腐蝕性能不利，因此一般控制鎂合金中的Zn添加量在2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）以下。在眾多AZ系合金中，AZ91D在低壓鑄造上應(yīng)用最為廣泛，該合金具有優(yōu)異的成形性和較高的力學(xué)性能，可適用于多種成形工藝制造形狀 復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件。然而該系合金中會形成低熔點(diǎn)脆性相β-Mg17 Al12 ，隨著合金載荷的增加，β-Mg17 Al12 相 和β-Mg17 Al12 /α-Mg相界面上容易形成微裂紋，這些微裂紋逐漸連接形成主裂紋，直至合金斷裂失效，如圖6所示；此外，β-Mg17 Al12 相在高溫下易軟化和粗化，導(dǎo)致高溫強(qiáng)度低、高溫蠕變性能較差，在晶界上富集會降低合金蠕變抗力，使合金只能在125 ℃ 以下工況中應(yīng)用，限制了該系合金的發(fā)展。近 年來，眾研究者為了提高合金的綜合性能，嘗試在 AZ91合金中添加微合金化元素，其中添加微量稀土元素對合金性能的改最為顯著。Wang等研究了添加不同量Gd對AZ91鑄態(tài)合金性能的影響，結(jié)果表明添加微量Gd可以提高AZ91合金的強(qiáng)度和塑性，且α-Mg晶粒和Mg17 Al12 相均得到顯著細(xì)化，因?yàn)楹辖鹬行纬闪藦浬⒎植嫉那蛐蜛l8 Mn4 Gd相，起到第二相強(qiáng)化效果；此外，該相可以作為α-Mg晶粒和 Mg17 Al12 相的異質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)，同時(shí)起到晶粒和組織細(xì)化的效果，提高了合金的力學(xué)性能。Boby等在 AZ91合金中添加了Sn和Y，發(fā)現(xiàn)添加Sn形成了新的Mg2 Sn相，抑制了不連續(xù)相Mg17 Al12 的形核和生長；同時(shí)加Y和Sn時(shí)，出現(xiàn)新的Al2 Y相，Mg17 Al12 體 積分?jǐn)?shù)減小，晶粒尺寸得到細(xì)化，合金室溫和高溫拉伸性能、耐腐蝕性能均得到改善，最優(yōu)Sn和Y的添 加量分別是0.5%和0.9%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。Cai等研 究發(fā)現(xiàn)添加Ce，Y和Gd可以細(xì)化Mg17 Al12 晶粒尺寸，優(yōu)化其分布，降低合金中Mg17 Al12 相的含量，從而提高合金力學(xué)性能和耐腐蝕性，其中Ce的影響最顯著，其次是Y和Gd。截至目前，在AZ91鎂合金中添加Ce，Nd，Y，Ca，Ti，B，Sr，Sb和Bi等微合金化元素均已被廣泛研究，其中對提高力學(xué)性能效果最好的是Ce，Nd，Y，Bi和Sb。
表1 鎂合金中常見合金元素及其對合金的影響
圖5 Mg-Al二元相圖
表2 常用Mg-Al系低壓鑄造鎂合金成分 Mg-Al-Mn（AM）系合金中Mn的極限固溶度為 3.4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），該系合金強(qiáng)度低于AZ系合金，但具有優(yōu)良韌性和塑性，適用于需要經(jīng)受沖擊載荷和要求安全性較高的場合，如座位架、設(shè)備儀表板及汽車輪轂等，其中以AM50和AM60合金在低壓鑄造中的應(yīng)用最為廣泛。日本、意大利、美國等國家選用AM60A和AM60B制造出性能優(yōu)秀的壓鑄鎂合金輪轂；中國也通過金屬型重力鑄造生產(chǎn)出了 AB60B汽車車輪鑄件，工藝出品率高達(dá)65%，這 為低壓鑄造生產(chǎn)鎂合金輪轂積累了經(jīng)驗(yàn)。 除以上AZ系和AM系鎂合金以外，在Mg-Al系合金中直接添加Ce，Nd，Y，Sb，Bi，Ca，Ti，B和Sr等合金化元素，可以起到晶粒細(xì)化、熔體凈化、固溶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化等效果。向Mg-4Al合金中添加2%~4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的Ce元素可以形成Al11 Ce3 并減少M(fèi)g17 Al12 形成，設(shè)計(jì)優(yōu)化得到的AE44合金適用于高溫工況，如Corvette發(fā)動(dòng)機(jī)架，其工作溫度高達(dá)至150 ℃。然而，需要約16%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的Ce 才能完全抑制Mg-4Al合金中Mg17 Al12 相的形成，這對于大多數(shù)汽車應(yīng)用來說成本太高，因此Mg-Al-Ca 合金（AX系）被設(shè)計(jì)為較低成本的AE系合金替代品。Luo 等對 Mg-Al-Ca凝固路徑的模擬結(jié)果表明，隨著Ca含量的增加，Mg17 Al12 相分?jǐn)?shù)降低，而 （Mg，Al）2 Ca相分?jǐn)?shù)增加；當(dāng)Ca的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到3% （AX53合金）時(shí)，Mg17 Al12 相被二元 Mg2 Ca和三元 （Mg，Al）2 Ca相完全抑制，該鑄態(tài)合金室溫屈服強(qiáng)度、175 ℃屈服強(qiáng)度和抗蠕變強(qiáng)度分別為186，151和 74 MPa，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過AM50鑄態(tài)合金的性能，在汽車零部件上具有很好的應(yīng)用前景。 3.2 Mg-Zn系 Mg-Zn系鑄造鎂合金中，Zn主要起固溶強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化作用，合金可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化；此外，Zn還可以很好地避免鎂合金中因鐵、鎳等雜質(zhì)元素對腐蝕性能產(chǎn)生的惡化。Mg-Zn-Al（ZA）系鑄造鎂合金具有良好的鑄造性能和優(yōu)異的抗蠕變性能，其力學(xué)性能甚至超過了傳統(tǒng)的AZ和AM系。鑄造鎂合金ZA基合金具有良好的時(shí)效硬化響應(yīng)，其時(shí)效析出序列為：SSSS（過飽和固溶體）→GP區(qū)→β1 ? （Mg4 Zn7 ）→β2 ?（MgZn2 ）→ β（MgZn 或 Mg2 Zn3 ）。以ZA64合金為例，經(jīng)過固溶和時(shí)效處理后，其抗拉 強(qiáng)度從鑄態(tài)的183 MPa提高至260 MPa，延伸率提 高超過1倍。向Mg-Zn系鑄造鎂合金中進(jìn)一步添 加合金化元素，如Cu，Sn，Sr，Ca，Sb和RE等，是改 善ZA系合金力學(xué)性能最常用的方法。然而， ZA系鎂合金中Zn含量較高，合金易發(fā)生嚴(yán)重的熱裂，鑄造性能較差，限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用，該系合金目前還處于研究階段，有待進(jìn)一步商業(yè)化應(yīng)用。 3.3 Mg-RE系 Mg-RE系（鎂-稀土系）鑄造鎂合金是目前開發(fā)高性能鎂合金的重要方向，稀土（RE）元素對鎂合金熔體有一定程度的凈化效果，還能改善鑄造性能、優(yōu)化組織、提高合金力學(xué)性能及抗蠕變性能等；添加 RE元素能使鎂合金強(qiáng)度提高100%~250%，極限工作溫度提升至350 ℃，耐蝕性能顯著提升，拓展了鎂合金材料的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著稀土元素在鎂合金中固溶度的增大，其強(qiáng)化效果會更加明顯，圖7顯示了Mg-RE和Mg-Al，Mg-Zn鑄造合金性能與密度的差異。目前，Mg-Y，Mg-Nd，Mg-Gd系合金因時(shí)效硬化效果較強(qiáng)，實(shí)際應(yīng)用潛力較大，成為當(dāng)前研究和應(yīng)用最為廣泛的Mg-RE系鑄造鎂合金。 Y元素在α-Mg中的固溶度較高，因此合金具備較強(qiáng)的時(shí)效強(qiáng)化能力，其時(shí)效析出序列為：SSSS（過飽和固溶體）→β??（DO19-Mg3 Y）→β?（cbco-Mg7 Y）→ β1 （fcc-Mg3 Y）→β（fcc-Mg5 Y）。大量研究表明， Mg-Y合金的峰值時(shí)效強(qiáng)化效果主要來源于彌散析出的納米級亞穩(wěn)β?相，該相與α-Mg基體的位向關(guān)系為：（100）β? //（1-210）Mg ， ［001］β? //［0001］Mg ，其三維結(jié)構(gòu)如圖8所示。為進(jìn)一步提高合金強(qiáng)度和蠕變 抗力，研究者在Mg-Y合金二元合金的基礎(chǔ)上添加其他稀土元素，形成Mg-Y-RE三元合金體系。其中，WE43是最典型的鎂稀土鑄造鎂合金之一，金屬型鑄造的合金經(jīng)適當(dāng)?shù)墓倘芎蜁r(shí)效處理后，其強(qiáng)度大大提高，抗拉強(qiáng)度可達(dá)345 MPa，且在300 ℃下依然能保持較好的力學(xué)性能；在WE43合金中添加微量Zn，可以促進(jìn)析出彌散細(xì)小的析出相，并產(chǎn)生 長周期有序結(jié)構(gòu)（LPSO）相，從而提高合金的時(shí)效硬化響應(yīng)速度和力學(xué)性能，尤其是延伸率得到顯著提高。
圖8 Mg-Y系合金時(shí)效析出強(qiáng)化模型 Mg-Gd系鑄造鎂合金中添加Zn，Y和Nd等合金元素形成三元或多元合金，力學(xué)性能更高，抗拉強(qiáng)度甚至可以超過350 MPa。在Mg-Gd系添加Zn 元素時(shí)，合金的時(shí)效析出序列會發(fā)生變化，當(dāng)合金中 Gd的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在6%以下時(shí)，析出序列為：SSSS→ γ??（hcp-Mg70 Gd15 Zn15 ）→ γ?（hcp-MgGdZn）→ γ（hcp Mg12 GdZn）。γ?相在 α-Mg基面上形成，可以提高合金的峰時(shí)效硬度。而在Gd含量較高的合金中添加Zn時(shí)，析出強(qiáng)化來源于在基體棱柱面析出的β? 相與基面析出的γ?相的復(fù)合作用，合金力學(xué)性能進(jìn)一步提升。Rong等在Mg-15Gd-0.4Zr合金中添 加1%Zn（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）后，峰時(shí)效態(tài)合金的屈服強(qiáng)度從232 MPa提高至288 MPa，抗拉強(qiáng)度從296 MPa 提高至403 MPa，這是因?yàn)?gamma;?和β?相在基體中相對垂直分布，對基體產(chǎn)生了復(fù)合強(qiáng)化作用，其組織形貌如圖9所示。此外，上海交通大學(xué)在Mg-Gd合金基礎(chǔ)上開發(fā)出高強(qiáng)耐熱鑄造 Mg-10Gd-3Y-0.5Zr （GW103K，JDM2）合金，在低壓鑄造或重力鑄造時(shí)有較好的流動(dòng)性和抗熱裂性，合金經(jīng)固溶和時(shí)效處理后，合金室溫力學(xué)性能大大提高，屈服強(qiáng)度高達(dá) 240 MPa，延伸率為6%，在300 ℃高溫下屈服強(qiáng)度仍能保持很高水平，對航空航天、軍工等領(lǐng)域輕量化作出極大貢獻(xiàn)，已被應(yīng)用于輕型導(dǎo)彈殼體及雷達(dá)部 件等制備。 Gd 元素在α-Mg中的極限固溶度高于Y，從 548 ℃降溫至200 ℃時(shí)，其固溶度從23.5%降至4% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)），因此對Mg-Gd合金進(jìn)行時(shí)效處理，基體可析出大量納米相，帶來顯著的時(shí)效硬化效果。Mg-Gd的時(shí)效析出序列與Mg-Y系完全相同，峰時(shí)效態(tài)下主要是β?與β??或β?與β1 兩相共存狀態(tài)，合金具有較強(qiáng)的室溫屈服強(qiáng)度。 輕稀土元素Nd在α-Mg中的極限固溶度約為 3.6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），也可使鎂合金產(chǎn)生較強(qiáng)的析出強(qiáng)化效果。Mg-Nd 系合金的時(shí)效析出序列為：SSSS→β??（DO19-Mg3 Nd）→β?（fcc-Mg3 Nd）→β（bct Mg12 Nd），β??為合金峰時(shí)效態(tài)下的主要強(qiáng)化相，該相與鎂基體完全共格，二者位向關(guān)系為：（0001）β?? // （0001）Mg ，β?? //Mg 。β??相的熱穩(wěn)定性較高，可以提高M(jìn)g-Nd合金的高溫穩(wěn)定性和耐熱性。然而，Nd元素在Mg中的生長限制因子Q值較小，對鎂合金起不到明顯的細(xì)化效果，因此Mg-Nd 合金的鑄態(tài)晶粒通常較粗大，無法作為結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行服役，通常需要額外添加Zr或Zn等元素以細(xì)化晶粒、改善鑄造性能。上海交通大學(xué)在高強(qiáng)耐熱 ZM6合金基礎(chǔ)上調(diào)整了Nd/Zn比，開發(fā)出性能優(yōu)良且成本低的Mg-3Nd-0.2Zn-0.4Zr（JDM1）鎂稀土合金，該合金兼具較好的鑄造性能和力學(xué)性能，已被應(yīng)用于汽車輪轂、發(fā)動(dòng)機(jī)支架等零部件上。 上述常見的幾類鑄造鎂合金系列及其性能特點(diǎn)整理在表3和表4中。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要根據(jù)鑄件的使用工況來選取合適的合金材料?，F(xiàn)有的合金系列均存在一些性能和應(yīng)用瓶頸，因此優(yōu)化合金成分， 開發(fā)新型合金已成為鑄造鎂合金的重要研究方向 之一。
圖9 峰時(shí)效態(tài)G15K和GZ151K合金的TEM明場像及相 應(yīng)的SAED圖 4 低壓鑄造鎂合金強(qiáng)化機(jī)制 雖然鎂合金密度低，但目前常用的鎂合金材料力學(xué)性能與鋼、鋁相比還有較大差距。因此，為提高鑄造鎂合金的綜合性能，研究者主要從鎂合金成分設(shè)計(jì)與優(yōu)化、微結(jié)構(gòu)調(diào)控、工藝優(yōu)化、熱處理優(yōu)化等方面入手，確定鎂合金強(qiáng)韌化機(jī)制，發(fā)展新型高性能鑄造鎂合金。鎂合金屬于密排六方結(jié)構(gòu)，變形機(jī)制主要為位錯(cuò)滑移和孿生，晶粒尺寸、固溶原子、第二相等均會影響鑄造鎂合金的力學(xué)性能。 4.1 細(xì)晶強(qiáng)化 細(xì)晶強(qiáng)化是指在多晶合金中，通過晶粒粒度的細(xì)化來提高金屬的強(qiáng)度，可以用Hall-Petch公式描述細(xì)晶強(qiáng)化對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)σgb ：σgb = σ0 + kD−1/2 （1） 式中 σ0 為純金屬初始晶粒組織的屈服強(qiáng)度，ki 為 Hall-Petch 常數(shù)，D為晶粒平均直徑。鎂合金的k值很大，為280~320 MPa·μm1/2，是鋁合金的4倍多， 因此晶粒細(xì)化對鎂合金力學(xué)性能提高更有效。此外，細(xì)晶粒組織更為均勻，變形時(shí)不易產(chǎn)生應(yīng)力集中開裂，提高了合金塑性和韌性。在液態(tài)成型過程中， 細(xì)晶組織還能顯著改善熔體的流動(dòng)性，提高合金鑄錠質(zhì)量。對低壓鑄造鎂合金而言，由于該工藝流程充型速度較慢，熔體凝固速度較低，得到的合金晶粒組織往往較為粗大，力學(xué)性能也較低，因此研究低壓鑄造鎂合金的晶粒細(xì)化方法和原理尤為重要。 目前可用的鎂合金鑄態(tài)晶粒細(xì)化技術(shù)可分為兩種方法，分別是在鑄造過程中通過熔體處理（如孕育、合金化）或攪拌（如超聲波處理）來實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化。溶質(zhì)元素在晶粒細(xì)化中的作用已被廣泛討論，研究者普遍認(rèn)為溶質(zhì)偏析引起的成分過冷為晶粒細(xì)化的主要原因。成分過冷可以通過促進(jìn)新晶粒 的形核以抑制原有晶粒的繼續(xù)長大，起到組織細(xì)化效果。在鎂合金中加入一些溶質(zhì)元素后可有效地抑制晶粒生長，該效果可利用生長限制因子Q （Growth Restriction Factor，GRF）來定量描述，在二元合金體系中，其表達(dá)式如下：
式中 m為液相線的斜率，C0 為合金中的溶質(zhì)濃度， ki 為為溶質(zhì)元素的分配系數(shù)。二元鎂合金中晶粒的尺寸和形態(tài)與合金中存在的溶質(zhì)種類與含量直接相關(guān)：Q值越大，表明溶質(zhì)在枝晶/液態(tài)前沿形成過冷區(qū)的傾向越大，產(chǎn)生的晶粒細(xì)化效果越顯著。在二元體系鑄造鎂合金中，常見溶質(zhì)元素的Q值如表5所示。需要注意的是，表中列出的Q值僅針對 二元體系，而在實(shí)際合金中往往是三元乃至多元體系，不適用于該方程，但仍有借鑒意義。
表3 常用鑄造鎂合金系列及性能特點(diǎn)
表4 常用鑄造鎂合金常溫力學(xué)性能
表5 常見二元鎂合金生長限制因子Q的數(shù)值 由表5可知，添加Zr，Ca和Si等Q值較高的溶質(zhì)元素可以有效細(xì)化鎂合金晶粒。Fe元素雖然Q 值最高，但對鎂合金耐腐蝕性能有著不利影響，因此一般不考慮以Fe作為鎂合金的合金元素。Zr元素的Q值僅次于Fe，其晶體結(jié)構(gòu)為密排六方晶格，將 Zr添加于不含Al和Mn的鎂合金（如Mg-RE，Mg Zn-RE等）中可顯著細(xì)化晶粒；而Zr和Al，Mn， Si，F(xiàn)e等元素極易發(fā)生反應(yīng)形成穩(wěn)定的金屬間化合物，這些化合物通常在凝固后期形成，不能作為形核核心細(xì)化組織；Zr的額外消耗導(dǎo)致其細(xì)化效果進(jìn)一步降低，雙重作用限制了Zr在含Al和Mn等鎂合金中的應(yīng)用。Ca元素的Q值也較高，且Ca與Al會 反應(yīng)原位生成Al2 Ca，與Mg的晶格匹配度較高，可以成為鎂基體的有效異質(zhì)形核核心，在Mg-Al系合金中作為晶粒細(xì)化劑有很大的應(yīng)用潛力，近些年也得到廣泛研究。除表5中所列元素外，Wang等在AZ31鎂合金中添加0.01%Ti（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）后，晶粒尺寸顯著降低；經(jīng)過計(jì)算得到Ti的Q值為59500，比 Mg-Zr體系中的生長限制因子高4個(gè)數(shù)量級，表明 Ti作為溶質(zhì)元素其極高的成分過冷能力導(dǎo)致了 AZ31合金的高效晶粒細(xì)化。 還有一些元素會和鎂合金熔體中其他溶質(zhì)元素發(fā)生反應(yīng)形成穩(wěn)定的金屬間化合物，這些顆粒有些可作為凝固過程中的形核核心，有些則會偏聚于晶界阻礙晶粒長大，最終起到晶粒細(xì)化效果，如添加 Mn和RE元素等。Mn是為數(shù)不多的能與Mg發(fā)生包晶反應(yīng)的元素之一，因此雖然Mn的Q值很低， 但仍被作為鎂合金的細(xì)化元素被廣泛研究，但Mn 通常在熔體過熱處理后才能起到精煉作用，向AZ91 合金中添加少量Mn，在過熱反應(yīng)后可以顯著細(xì)化晶粒。向鑄造鎂合金中添加一些稀土元素，往往也能起到明顯的晶粒細(xì)化效果。Wang等在Mg-Al 體系中添加La，Pr和Ce后，鑄錠晶粒顯著細(xì)化，這主要?dú)w因于固-液界面前沿RE元素偏析對晶粒生長的限制，這一假設(shè)基于在鑄造鎂合金晶界上觀察到的含RE的金屬間化合物。Chia等也支持這一觀點(diǎn)，他們在Mg中加入La，Ce和Nd，得到了相似的晶粒細(xì)化結(jié)果。 除加入合金元素外，在低壓鑄造鎂合金熔體中加入作為晶粒細(xì)化劑的固體顆?；蛟簧深w粒， 可以增加凝固過程中形核晶粒的數(shù)量以起到晶粒細(xì)化的效果。對于Mg-Al合金而言，加C是一種有效的晶粒細(xì)化方法，在工業(yè)上已有成熟應(yīng)用，但人們對其晶粒細(xì)化機(jī)理還不清楚。該方法僅在添加鋁（通常Al含量大于2%）的鎂合金中有效，且Be，Zr，Ti 和稀土元素的存在對晶粒細(xì)化有不良影響。在Mg Al合金中添加SiC顆?？梢越档途Я３叽?，但其機(jī) 理尚不明確。一些研究者認(rèn)為，當(dāng)SiC加入熔體中 時(shí)，形成了Al4 C3 ，并起到形核劑的作用；另一些研究者則認(rèn)為Al2 MgC2 起形核劑的作用；還有人認(rèn)為Mg 顆粒直接在SiC顆粒上形核。Liu等研究發(fā)現(xiàn)在 Al-Ti-C 中間合金中，TiC顆粒總是依附在Al4 C3 顆 粒周圍，形成Al4 C3 +TiC顆粒團(tuán)，試驗(yàn)表明該顆粒團(tuán)對純鎂有顯著的細(xì)化作用。除上述之外，Al-Ti-B 細(xì)化劑，NbB2 ，ZrB2 ，Mg24 Y5 ，TiB2 等顆粒及稀土等在 含鋁低壓鑄造鎂合金里也展現(xiàn)出良好的晶粒細(xì)化效果，但晶粒細(xì)化效果還有待進(jìn)一步提高。 近年來也報(bào)道了適用于含鋁和不含鋁鎂合金低壓鑄造的快速凝固技術(shù)、超聲波晶粒細(xì)化技術(shù)和高強(qiáng)熔體剪切晶粒細(xì)化技術(shù)?？焖倌碳夹g(shù)可以使鑄件在凝固過程中的冷卻速度加快，從而抑制晶粒的長大，鑄件的冷卻速度越快，晶體的生長時(shí)間越短， 晶粒的尺寸就會變得更小，因此，低壓鑄造快速凝固技術(shù)可以有效細(xì)化鑄件的晶粒結(jié)構(gòu)。高強(qiáng)熔體剪切晶粒細(xì)化技術(shù)通過在熔體中產(chǎn)生大量的MgO作為 形核劑而有效地細(xì)化晶粒。 綜上所述，盡管研究工作已經(jīng)進(jìn)行了幾十年，但仍然沒有一種經(jīng)濟(jì)可靠的晶粒細(xì)化技術(shù)可用于工業(yè)生產(chǎn)。因此，有必要進(jìn)行更多的研究工作，如進(jìn)一步了解鐵、錳等雜質(zhì)對含鋁鎂合金晶粒細(xì)化的影響，研究不同方法的晶粒細(xì)化效率與鎂合金純度的關(guān)系等，尋找鎂合金微觀組織細(xì)化的新方法，以擴(kuò)大鎂及其合金的應(yīng)用。 4.2 固溶強(qiáng)化 固溶是合金元素在鎂合金中的重要存在形式，溶質(zhì)原子固溶于Mg基體中，會引起系統(tǒng)能量的升高，同時(shí)增加滑移變形的阻力，最終導(dǎo)致基體強(qiáng)度增加，起到固溶強(qiáng)化效果。鎂合金的固溶強(qiáng)化效果由尺寸錯(cuò)配度εb 、化學(xué)錯(cuò)配度εSFE 及溶質(zhì)原子濃度Cs 決定，其中εSFE 根據(jù)廣義堆垛層錯(cuò)能（Stacking Fault Energy）的變化計(jì)算。由于密排六方（hcp）金屬下的主要滑移方式為基面滑移，根據(jù)第一性原理近似表示鎂合金的固溶強(qiáng)化效果Δσss ：
式中Azckss(o001)為(0001)Mg上臨界分切應(yīng)力的增量；M為泰勒因子，取4~6.5。對鎂合金而言，最常用的固溶元素為Al和Zn，但其帶來的固溶強(qiáng)化效果有限；稀土元素Gd，Y等在Mg基體中的固溶度較大，而且原子半徑與Mg的差值均超過12％，導(dǎo)致的晶格畸變較大，具有較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化效果。 在立方金屬中，尤其是鋼和鋁合金材料中，固溶強(qiáng)化的同時(shí)往往伴隨著合金的塑性下降，然而近年來在研究鎂合金的固溶強(qiáng)化中發(fā)現(xiàn)了一些反常規(guī)律。劉婷婷等研究發(fā)現(xiàn)，某些特定原子，如Al，Y， Mn，Gd，Zn和Er等，固溶在鎂中雖然阻礙了基面位錯(cuò)滑移，但同時(shí)降低了基面與非基面滑移的阻力差異，有利于非基面滑移的開動(dòng)，鎂合金強(qiáng)度和塑性同 時(shí)提升。針對這些發(fā)現(xiàn)，該團(tuán)隊(duì)提出了鎂合金“固溶強(qiáng)化增塑”理論，并在此基礎(chǔ)上成功開發(fā)了多種新型高性能鎂合金。 前文提到稀土元素Gd，Y等在Mg基體中的固溶度較大，而且原子半徑與Mg的差值均超過12%， 導(dǎo)致的晶格畸變較大，具有較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化效果。目前研發(fā)出的部分低壓鑄造Mg-RE合金已成功應(yīng)用于汽車輪轂、發(fā)動(dòng)機(jī)支架、直升機(jī)機(jī)匣等零部件上。 此外，部分鎂合金系列還可通過熱處理進(jìn)行強(qiáng)化。低壓鑄造鎂合金經(jīng)適當(dāng)固溶處理（T4）后，通?？梢酝瑫r(shí)提高材料的強(qiáng)度、塑性、韌性和抗沖擊性。 合金元素的固溶量不僅直接影響元素固溶強(qiáng)化作用的程度，而且還影響各元素參與合金相形成的趨勢、影響合金晶粒的尺寸等，從而對合金性能間接 產(chǎn)生影響。一些無法固溶的溶質(zhì)原子會和Mg基體 或者其他溶質(zhì)原子結(jié)合生成金屬間化合物，在基體中沉淀析出，起到第二相強(qiáng)化效果。 4.3 第二相強(qiáng)化 鑄造鎂合金的固溶強(qiáng)化效果往往有限，難以滿足現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用對金屬結(jié)構(gòu)材料的性能要求。第二相強(qiáng)化是鎂合金中的重要強(qiáng)化機(jī)制，合金中彌散細(xì)小的第二項(xiàng)顆粒均勻分布于基體中或晶界上，與位錯(cuò)相互作用，通過“切過”和“繞過”機(jī)制，提高臨界分切應(yīng)力，進(jìn)而顯著提高合金的強(qiáng)度。第二相強(qiáng)化分為沉淀強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化兩種類型，對于合金的時(shí)效析出相，位錯(cuò)多以“切過”機(jī)制為主，如在Mg-Al二元合金中易形成的Mg17 Al12 相；對于人工添加的彌散相顆粒，因其尺寸較大，位錯(cuò)通常采用Orowan“繞過”機(jī)制，如在鎂基體中加入的增強(qiáng)相SiC顆粒。 鎂合金的第二相強(qiáng)化效果受其分布、尺寸、形狀、體積分?jǐn)?shù)和晶體結(jié)構(gòu)等綜合影響。Nie對比了球形析出相、基面片狀析出相、基面柱狀析出相、柱面片狀析出相對基體的強(qiáng)化效果差異。研究表明， 各析出相對基體的強(qiáng)化效果從強(qiáng)到弱依次為：柱面片狀析出相＞基面柱狀析出相＞圓球相＞基面片狀析出相。 通常來說，對低壓鑄造鎂合金（尤其是Mg-RE 系）進(jìn)行人工時(shí)效（T6）可以析出時(shí)效強(qiáng)化相，提高鎂合金的強(qiáng)度。合金的析出行為在上一章已進(jìn)行了詳細(xì)介紹，此處將不再贅述。 5 低壓鑄造鎂合金的熱處理工藝 熱處理是鎂合金進(jìn)一步調(diào)整和改善微觀組織和力學(xué)性能的重要方法。根據(jù)合金元素的種類，可熱處理強(qiáng)化的鑄造鎂合金主要包括Mg-A1-Mn系（如 AM100A）、Mg-A1-Zn 系（ 如 AZ63A，AZ81A， AZ91C 和 AZ92A 等）、Mg-Zn-Zr 系（如 ZK51A 和 ZK6A等）、Mg-RE-Zn-Zr系（如EZ33A和ZE41A）、 Mg-Ag-RE-Zr 系（如 QE22A）和 M-Zn-Cu 系（如 ZC63A），不同體系鑄造鎂合金的常規(guī)熱處理類型統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表6所示。由于鎂合金中合金元素的擴(kuò)散速度較慢，常用的熱處理工藝固溶和時(shí)效處理都需要較長時(shí)間保溫，隨后在靜止的空氣中或者人工強(qiáng)制流動(dòng)的氣流中冷卻。 鑄造鎂合金經(jīng)固溶處理（T4）后可以同時(shí)提高材料的強(qiáng)度、塑性、韌性和抗沖擊性。砂型鑄造鎂合金壁厚較大，需要的固溶時(shí)間往往較長；金屬型及薄壁鑄件的固溶時(shí)間較短。彭立明等研究了固溶處理對AZ91D-RE合金顯微組織和力學(xué)性能的影響，SEM結(jié)果顯示鑄態(tài)AZ91D-RE合金的第二相主要由網(wǎng)狀Mg17 Al12 相、棒狀 Al11 Er3 相及顆粒狀 Al10 Ce2 Mn7 相組成。該合金經(jīng)過410 ℃/35 h的固溶 處理后，網(wǎng)狀Mg17 Al12 相完全固溶于α-Mg基體中， 為合金起到顯著的固溶強(qiáng)化效果，合金的強(qiáng)度大幅提高；稀土化合物未固溶于基體，只是形態(tài)上發(fā)生了變化，由長棒狀變?yōu)槎贪魻畈⒂星蚧厔荩@種變化減弱了化合物對基體割裂的危害，合金塑性也得以提高。
表6 鑄造鎂合金常規(guī)熱處理類型 對鎂合金進(jìn)行固溶處理后再進(jìn)行人工時(shí)效 （T6）可以提高鎂合金的強(qiáng)度，這種工藝主要應(yīng)用于 Mg-Al-Zn 和 Mg-Er-Zr 合金。但 T6處理后鎂合金的塑性往往會有所降低。表7統(tǒng)計(jì)了幾類鑄造鎂合金的典型時(shí)效析出相，在第3節(jié)中已展開詳細(xì)討論，此處不再贅述。 鎂合金鑄件工件尺寸和截面厚度、工件尺寸與爐膛體積容量的比例關(guān)系以及鑄件在爐膛中的放置方式等都是影響金屬熱處理工藝的主要因素。鎂合金在熱處理時(shí)對溫度控制精度的要求較為嚴(yán)格，固溶處理時(shí)允許的最大溫度波動(dòng)范圍為±5 ℃。因此，需要精確控制熱處理爐的爐溫并保證其溫度分 布均勻；同時(shí)要求爐子具有良好的密封性，當(dāng)熱處理溫度高于400 ℃時(shí)，必須使用保護(hù)氣氛以防止鎂合金表面氧化和燃燒。
表7 鑄造鎂合金典型時(shí)效析出相 除上述常規(guī)熱處理外，目前還有些特殊熱處理工藝用于提高鎂合金綜合性能。熱等靜壓處理可以提高鎂合金鑄件的致密度、力學(xué)性能及穩(wěn)定性。熱等靜壓工藝是將材料放置到密閉的容器中，向材料施加各向同等的壓力，同時(shí)施以高溫，在高溫高壓的作用下，工件的形狀和外形尺寸不發(fā)生改變，而在內(nèi)部孔隙處發(fā)生顯微尺度的塑性變形，使縮松縮孔缺 陷閉合，提高材料致密度，改善材料性能。Zhou 等采用熱等靜壓處理技術(shù)，使鑄造Mg-6Gd-3Y 0.5Zr合金中的縮松縮孔閉合，大大降低了鑄造缺陷，顯著提高了材料的力學(xué)性能。田曉瑩等采用低壓鑄造-熱等靜壓工藝制備的WE43合金在室溫至250 ℃范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，其原因是 合金具有細(xì)小的晶粒組織，以及消除了縮松縮孔。目前國內(nèi)關(guān)于鎂合金熱等靜壓的報(bào)道較少，研究尚處于起步階段。 6 鎂合金低壓鑄造常見缺陷及應(yīng)對方案 低壓鑄造鎂合金充型速度較慢，充型較為平穩(wěn)， 因此鑄件中的氣孔、縮孔等缺陷可以大大降低，鑄件表面質(zhì)量也有所提高。然而，隨著航空航天、汽車等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅艽笮蛷?fù)雜鎂合金鑄件在的需求逐漸增加，推動(dòng)鎂合金的合金化程度逐漸提高，凝固區(qū)間變寬，流動(dòng)性變差，在凝固過程中常見一些鑄造缺陷， 如疏松、成分偏析、熱裂等。 6.1 疏松 疏松是鑄件內(nèi)部出現(xiàn)的粗大海綿狀組織，在鎂合金鑄件中分布廣泛，補(bǔ)縮困難。鎂合金凝固溫度區(qū)間較寬，凝固收縮率大，導(dǎo)致體積收縮形成的微孔得不到合金液的補(bǔ)充，最終形成疏松，嚴(yán)重時(shí)由于晶間拉應(yīng)力過大還會出現(xiàn)縮裂，導(dǎo)致合金失效。 在鑄造鎂合金殼體中，疏松缺陷主要發(fā)生于鑄件的厚薄過渡區(qū)。在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，為了減少疏松缺陷，殼體鑄件的工藝應(yīng)盡量遵循順序凝固原則，以確保鑄件補(bǔ)縮通道順暢，充分發(fā)揮低壓鑄造的工藝優(yōu)勢。此外，適當(dāng)降低澆注溫度有利于減少疏松，但溫度過低則會降低補(bǔ)縮效果；較低的充型速度可以避免充型過程中的卷氣現(xiàn)象，同時(shí)延長澆道的保溫時(shí)間，從而提高凝固質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，增加保壓壓力在30~60 kPa之間，可使枝晶間的微縮孔得以填充， 提高合金的補(bǔ)縮能力，提高鎂合金鑄件的內(nèi)部質(zhì)量。 6.2 成分偏析 成分偏析是鎂合金中最常見的偏析缺陷，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致鑄件直接報(bào)廢。為降低鑄件的成分偏析， 在實(shí)際鑄造生產(chǎn)中通?？刹捎谜{(diào)整精煉溫度和激冷能力、降低澆注溫度等方法。 鎂合金中添加的合金化元素通常熔點(diǎn)較高，多屬于重金屬元素，提高精煉溫度可以使重金屬元素更充分地熔入熔體，有效降低鑄件的成分偏析。除合金成分外，成分偏析與鑄件冷卻速度也有關(guān)系，冷卻速度較慢的部位更易產(chǎn)生成分偏析，在這些部位加強(qiáng)激冷可有效防止鑄件內(nèi)的偏析；此外，適當(dāng)降低澆注溫度，降低合金過冷度以防止重金屬元素在凝固過程中析出，也能大大改善合金中的成分偏析。 6.3 熱裂 隨著鎂合金鑄件逐漸向大尺寸、薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)件發(fā)展，熱裂傾向也隨之增大，熱裂對于鑄件而言是一種非常嚴(yán)重的鑄造缺陷，在鑄件上呈現(xiàn)直的或者曲折的隙縫與裂口，易產(chǎn)生在凸臺的厚薄交接處和下端框處。熱裂的形成機(jī)制可以用液膜理論解釋：鎂液在凝固后期，封閉的枝晶之間會形成一層金 屬液膜，當(dāng)鑄件繼續(xù)凝固，體積持續(xù)收縮，在枝晶間會形成拉應(yīng)力，在該力作用下最終發(fā)生撕裂，形成熱裂紋。熱裂缺陷的產(chǎn)生受工藝設(shè)計(jì)、熔體質(zhì)量和冷鐵的影響。在設(shè)計(jì)工藝時(shí)，當(dāng)鑄件設(shè)計(jì)相鄰較近的多個(gè)凸臺時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)合理的防裂拉筋，以有效消除裂紋缺陷。熔體凈化和細(xì)化可以提高熔體質(zhì)量，降低晶界處的局部應(yīng)力，減少鎂液中氧化夾雜，從而降低熱裂傾向。適當(dāng)設(shè)置冷鐵，也會改善合金熱裂傾向， 尤其是對稀土耐熱鎂合金而言。 6.4 氧化夾雜 低壓鑄造鎂合金中常出現(xiàn)氧化夾雜，這種夾雜實(shí)際上是薄膜狀MgO，伴有MgO/MgS和部分中間化合物混成的，多分布在鑄件表面或鑄件轉(zhuǎn)接部分以及鑄件內(nèi)部的各部分，夾雜表面通常是粗糙而形狀不規(guī)則的孔洞。氧化夾雜通常是由于工藝不完善或者不正確引起的，產(chǎn)生的主要因素和解決方案 如下： （1）連續(xù)生產(chǎn)時(shí)往坩堝中補(bǔ)加鎂液時(shí)，將液面上的氧化夾雜沖進(jìn)升液管，在澆注時(shí)又被帶入鑄型中。所以在補(bǔ)加鎂液后，應(yīng)將升液管內(nèi)的渣徹底清除 （2）升液管的液面反復(fù)升降造成的氧化皮，可以根據(jù)實(shí)際鑄件情況選擇在升液管口或鑄型內(nèi)澆道部分采用過濾網(wǎng)。 （3）加壓速度過快，造成噴濺產(chǎn)生氧化皮。因此 應(yīng)嚴(yán)格控制充型速度，保證金屬液平穩(wěn)上升，無沖擊、噴濺現(xiàn)象。 （4）鑄型材料和涂料脫落而引起的非金屬夾雜。需要檢查涂料層是否有脫落，型腔中的灰塵、砂粒、 雜物要徹底清掃干凈；此外，熔煉時(shí)需添加精煉劑， 使其吸附各種非金屬雜質(zhì)（如氧化物、氮化物、氯化 物等），使其在靜置后沉于坩堝底部得以去除。 6.5 澆不足和冷隔 澆不足和冷隔缺陷是鎂合金低壓鑄造中易于出現(xiàn)的缺陷之一，主要發(fā)生在遠(yuǎn)離澆口的位置及鑄件的薄壁處。澆不足是指在充型過程中，金屬液未能充滿型腔，致使鑄件成形不完整的缺陷。 冷隔缺陷是指在兩股金屬匯聚處，由于未能完全熔合而存在明顯的不連續(xù)性缺陷。澆不足和冷隔缺陷形成的主要原因都與金屬液的充型過程有關(guān)， 如金屬液的澆注溫度低流動(dòng)性差、充型速度過慢、鑄型排氣不好、透氣性差、金屬液量不足等。對應(yīng)這 些因素，嚴(yán)格控制鑄造工藝過程，才能有效避免這些缺陷，獲得形貌完整的鎂合金鑄件。 6.6 夾層 鑄件夾層是指鑄件表面或體內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)以氣體或氣泡為主的缺陷區(qū)域，是由于熔體中存在的氣體在凝固過程中未能完全排出所造成的。夾層有可能是直接形成的，也有可能在凝固過程中形成復(fù)合缺陷。通常情況下，鎂合金鑄件夾層多發(fā)生于壓鑄過程中，其原因主要有以下幾點(diǎn)： （1）澆注過程中氣體夾雜物。在合金鑄件的澆注過程中，由于鎂液的流動(dòng)速度較快，容易帶入氣體、砂芯和其他雜質(zhì)，導(dǎo)致夾層的產(chǎn)生。 （2）澆注溫度過低或不均勻。澆注溫度低或者溫度分布不均勻，會導(dǎo)致鎂合金鑄件表面凍結(jié)形成外夾層。 （3）模具設(shè)計(jì)和制造問題。模具的不合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或制造工藝不良，也會導(dǎo)致夾層的產(chǎn)生。 （4）熔煉工藝不良。鎂合金熔煉工藝控制不當(dāng)， 如熔煉溫度過高、保溫時(shí)間過長等，會使鎂液中的氣體、雜質(zhì)增加，從而產(chǎn)生夾層。 以上是鎂合金鑄件產(chǎn)生夾層的一些原因，針對這些原因可以采取相應(yīng)的控制措施，如優(yōu)化澆注工藝、改進(jìn)模具設(shè)計(jì)制造工藝、控制熔煉工藝等。 綜上所述，在鎂合金殼體低壓鑄造中，為保證生產(chǎn)出高質(zhì)量鑄件，必須對原材料、鑄造工藝和細(xì)化精煉等每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格控制。 7 結(jié)語與展望 中國擁有世界上70%以上的鎂資源。同時(shí)，中國也是鎂材料和制品的生產(chǎn)大國，十幾年來，中國的鎂及其合金的產(chǎn)量已經(jīng)超過了世界總產(chǎn)量的80%， 成為世界上最有話語權(quán)的國家。隨著新能源車?yán)m(xù)航和傳統(tǒng)油車節(jié)能減排要求的提升，輕量化成為目前汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)，鑄造鎂合金作為最輕質(zhì)的商用金屬工程材料需求有望快速增長。所以在鎂合金低壓鑄造中，后續(xù)有以下幾點(diǎn)問題值得重點(diǎn)關(guān)注。 （1）鑄造鎂合金特別是低壓鑄造產(chǎn)品的研究和應(yīng)用目前尚研究不足，在由實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模向中等尺寸、中等規(guī)模工業(yè)產(chǎn)品試制轉(zhuǎn)化時(shí)，樣品的穩(wěn)定化、 生產(chǎn)效率能否達(dá)到預(yù)期水平，成本分析與實(shí)際的差別有多大，個(gè)別技術(shù)難點(diǎn)有可能還未預(yù)計(jì)到，需要科研和生產(chǎn)人員共同配合消除鑄造鎂合金應(yīng)用瓶頸。 （2）大眾對鎂合金產(chǎn)品認(rèn)知不足。“鎂合金化學(xué)性能活潑、易腐蝕，有安全隱患”——這往往是大眾對鎂合金產(chǎn)品的第一印象，對于鎂合金鑄件的實(shí)際性能測試結(jié)果非專業(yè)人員并不關(guān)注。因此，需要提升大眾對于鎂合金產(chǎn)品的認(rèn)知，了解鎂合金產(chǎn)品的優(yōu)缺點(diǎn)及其實(shí)際的阻燃、耐腐蝕性能，以更好地促進(jìn)鎂鑄件的應(yīng)用。 （3）需要穩(wěn)定的原鎂價(jià)格和生產(chǎn)基地：鎂合金鑄件的生產(chǎn)成本中，材料價(jià)格占比一般在50%左右， 所以原鎂價(jià)格的波動(dòng)對于鎂輪轂生產(chǎn)成本的影響巨大，相對穩(wěn)定的原鎂價(jià)格會進(jìn)一步提升用戶的使用決心和推廣力度；同時(shí)，為提高產(chǎn)品量產(chǎn)效率和合格率，需要一定規(guī)模的生產(chǎn)基地來共同保障鎂合金鑄件的批量化生產(chǎn)和應(yīng)用推廣。此外，國內(nèi)整車廠雖 然紛紛表示期待鎂合金企業(yè)為其提供高性能鎂合金汽車零部件產(chǎn)品，但零件材料更替需要時(shí)間周期供產(chǎn)品設(shè)計(jì)評估測試和驗(yàn)證，需求意向轉(zhuǎn)換為市場訂單有一個(gè)轉(zhuǎn)換期；目前原鎂相對價(jià)格仍較高，使得國內(nèi)汽車廠擔(dān)心成本壓力較大。 （4）低壓鑄造中的設(shè)備、冶金組織方面存在的技術(shù)難點(diǎn)有待進(jìn)一步攻關(guān)。如何通過合金設(shè)計(jì)、設(shè)備優(yōu)化和有效的工藝改進(jìn)進(jìn)一步控制低壓鑄造組織中的氧化夾雜、縮孔、偏析等缺陷，是制約低壓鑄造工藝及其產(chǎn)品能否在鎂的擴(kuò)大應(yīng)用過程中承擔(dān)重要角色的關(guān)鍵點(diǎn)。 因此，雖然中國高性能低壓鑄造鎂合金應(yīng)用潛在市場巨大，但潛在市場需求能否轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的市場需求仍具有較大不確定性。
作者： 本文轉(zhuǎn)載自特種鑄造，原文來自中國有色金屬工業(yè)協(xié)會鎂業(yè)分會 |
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