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镁科研

镁合金的压铸

发布时间：2023-07-24 作者：综合管理部

压铸又被称为高压铸造，以区别于重力铸造和低压下的永久型铸造，是一种免切削加工或只进行少量切削加工的铸造大件的特种工艺，其基本原理是镁合金熔体或半固体料在高压作用下，以较块的速度将镁熔体充填于金属模中，使其在压力作用下凝固，从而获得所需的工件。压铸是1916年美国道屋化学工业公司开发的，已获得较为广泛的应用，具有高效率、自动化、大批量铸造金属材料如铝、镁、锌等有色合金零部件特点，尤其在铝合金结构件铸造用的更多些，中国是世界压铸生产大国与强国，铝合金产业用的压铸机已达120MN，在中国。

压铸合金熔体必须有良好的流动性与充型性，Mg及其合金的熔点低（≤923K±1K），大多数合金都有较好的流动性；Mg的比热容低，铸件易获得高的冷却速度；Mg的密度较低（室温1.73g/cm3，熔点是1.584g/cm3），因而在适中的压铸压力下可以获得相当致密的铸件，Mg合金从而成为一种适合于压铸的材料。由于Mg的流动性优于Al、Zn的，压铸薄壁件，可以在汽车制造中，特别是在当前新能源汽车开发中可大显身手，可助力新能源汽车奋进新征程，踔历奋发续华章。压铸已成为汽车镁合金铸件的主流制备可艺。


压铸镁合金家族

目前常用的压铸镁合金有AZ、AM、AE和AS系，它们的化学成分见表1，就合金数量来说，压铸镁合金比重力铸造镁少得多，由于Al能提高Mg的强度、抗蚀性和铸造性能，所以Al是压铸Mg合金的骨干合金化元素，Al含量为2%～9%，Mn能中和杂质Fe的危害，所以镁合金都含有Mn，Mn还对Mg合金的抗蚀性也大大有利。中国主要的压铸Mg合金为YM5，根据JB3070其成分为（质量%）：Al75～90，Zn0.2～0.8，Mn0.15～0.50。


表1 国外压铸Mg合金的典型平均成分（质量%）


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最常用的压铸Mg合金是AZ9l（Al 8.5～9.5、Zn 0.45～0.90、Mn0.17～0.40），其比热容、冷却速度与温度的关系见图1及图2。可见，它的比热容不高，而冷却速度却较高，因而铸造性能优异，其它优点：强度高，抗蚀性好，生产成本也是较低的。


Mg与Al可形成Mg17 Al12化合物，随着Mg含量的增加，在晶界析出的此相越来越多，使合金的塑性、断裂韧性下降，一些镁合金压铸件的力学性能与Al含量的关系见图3，图4表示Mg合金室温压铸件的布氏硬度与Al含量的关系。由图可清晰地看出，Mg合金的塑性随着Al的下降而升高，而铸造性能的变化则反之。可见，减少Zn含量，降低Al含量，并添加适量的Mn，可以提高Mg合金的塑性即变形加工能力，AM20、AM50、AM60镁合金就是为此面世的。AM系合金的强度虽不高，但成形性能却比AZ系合金的高不少。现在AM50和AM60合金已在汽车制造中获得广泛应用，用于制备仪表盘支架、方向盘附件和座椅框架。由于降低AI合量，合金的可铸性能会下降，因此在选用合金时，应很好平衡一下，在力学性能满足要求的前提下，尽可能地选用Al含量高的合金。

 

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图1 Mg合金的比热容与温度的关系

 

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图2 压铸镁合金固相份数与温度关系

（两组平行试样，冷却速度0.5K/s）


Cu、Ni、Pb、Zn等重金属对盐水抗蚀性不利，因此这类金属的含量应予严限。AZ91A和AZ91B是广为应用的压铸Mg合金，它们的唯一区别，就在于AZ91A的Cu含量比AZ91B合金的高。AZ91D合金有优秀的可铸性能和强度。AM60A、AM60B合金有良好的可塑性和减震性，但AM60B合金抗盐水腐蚀能力优于AM60A合金的。压铸镁合金都含有Mn，这主要取决于其它合金元素存在时Fe和Mn的互溶度，高纯压铸镁合金的Fe含量应≤0.005%。


向压铸镁合金添加Si或ER（稀土）元素可提高合金在室温以上的温度下的蠕变强度，AS21、AS41和AE42等就是这类合金的代表，这些元素可与 Mg等形成金属间化合物，可以稳定晶界。AS系和AE系合金既有良好的室温力学性能，而其高温强度和蠕变抗力又明显高于AZ91合金的（图5、图6）。不过应指出的是，这些Mg合金的Al含量宜低，AS41A、AS41B是其典型代表。AS41合金的Cu含量比AS41B合金的高，抗盐水腐蚀能力较差一些。压铸Mg合金的抗盐雾腐蚀能力见图7。在熔炼Mg合金时，为了降低烧损，常向炉料中添加（5～15）10‒6 Be。

 

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图3 Mg合金压铸件的力学性能与Al含量关系

 

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图4 Al含量对单铸Mg合金试样布氏硬度的影响

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图5 单独压铸Mg合金试样的蠕变性能（373K、50 MPa）

 

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图6 压铸Mg合金单铸试样的蠕变性能（423 K、50 MPa）

 

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图7 压铸Mg合金的盐雾腐蚀速度


Mg合金压铸件的典型性能见表2，标准中的最低力学性能见表3。压铸Mg合金的力学性能与工艺流程及工艺参数的影响密切相关。评价Mg合金铸件质量时，孔隙大小、数量多少，以及杂质和种类与数量也是很重要的因素。


表2 压铸镁合金铸态试棒的典型力学性能

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图8为几种压铸镁合金的应力‒应变曲线，图9～图14为Mg合金的力学性能与温度的关系，而图15为Mg合金无缺口试样的室温冲击韧性，一些Mg的熔化温度范围和常规铸造温度范围见图16。

 

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图8 单独压铸Mg合金的室温应力‒应变曲线

 

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图9 单铸压铸Mg合金试样的抗拉强度与温度关系

 

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图10 单铸压铸Mg合金试样的屈服强度与温度关系

 

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图11 温度对AZ91合金单铸试样模量的影响

 

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图12 温度对V型切口压铸试样冲击韧性的影响

 

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图13 无缺口Mg合金试样的室温冲击韧性

 

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图14 压铸Mg合金的熔化温度和常规铸造温度


压铸AZ91D镁合金、A380铝合金与AG40A锌合金的性能比较见表4。研究指出：压铸时，晶界附近会发生非平衡凝固，形成Mg17Al12和α‒Mg离异共晶，认而使Mg‒Al系合金高温力学性能下降。为此，20世纪70年代中期研发出ZA型高锌Mg合金，其中的ZA85合金的室温力学性能接近于AZ9l合金的，抗蠕变性能比AZ91合金的还高。


2002年M.沃格尔（Vogel）等深入地研究了ZA85压铸镁合金的蠕变性能，认为高温位错蠕变是最重要的机制，着重指出，组织稳定性对压铸件在蠕变过程中起着至关重要的作用。向AE系Mg合金添加RE和降低Al含量可以提高晶界相稳定性，从而显著提高抗蠕变性能，还开发出不含Al的MEZ合金。与高Al含量的Mg合金相比，AE42和MEZ镁合金的抗拉强度和屈服强度较低，而在150℃的抗蠕变能力却大幅上升。


莫雷诺（I.P.Moreno）等的研究指出，AE合金（Mg-3.7Al-2.69RE-0.21Mn）和MEZ合金（Mg-1.92 RE-0.33Zn-0.26Mn）的显微组织稳定性和蠕变性能指出，细晶Mg合金压铸件的蠕变性能主要取决于晶界附近组织的稳定性，添加RE和降低Al含量对提高稳定性大有裨益。


表4 主要压铸有色合金的性能


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当前，大部分Mg合金零部件都是压铸的，特别是汽车上用的。压铸模具成本高，若大批量生产，可以得到很好的分摊。压铸是一种自动化程度很高的生产工艺，很适合制备汽车零件。本文所用图取自陈振华等编著的《镁合金》。

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作者简介

王祝堂，1930年12月13日出生于湖南双峰县，1953年毕业于东北工学院（现东北大学）金属物理专业，主修材料工程及科学，高级工程师，中国有色金属工业协会镁业分会加工委员会专家。


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