镁合金是现代金属材料中最轻的结构材料，同时也是仅次于钢铁、铝合金的第3大金属结构材料。近年来，因其具有阻尼性、导电导热性能好、低密度、比强度和比刚度高、电磁屏蔽能力强、优良的减振性和铸造性能以及能回收利用等优点，在航空航天、汽车、兵器、电子等领域正得到日益广泛的应用 ［1-2］
。镁合金具有
颗粒冷却塔
较强的铸造工艺适应性，几乎所有的铸造方法如砂型铸造、金属型铸造、重力铸造、消失模铸造、永久模铸造、低压铸造、壳型铸造、熔膜铸造、压铸和离心铸造都可以生产镁合金铸件。随着航空、汽车等工业的发展和铸造成型技术的进步，大型薄壁精密铸件得到了越来越多的关注。目前，镁合金大型薄壁精密铸件的铸造成型工艺主要有砂型铸造、低压铸造、压铸、消失模铸造、离心铸造等。 1砂型铸造家居智能系统
相对于铝合金和其他合金而言，镁合金砂型铸件
因其质量轻，在航空航天领域的应用优势明显，从而应用非常广泛。传统的砂型重力铸造依赖于重力充型，充型速度慢，对于薄壁铸件难以完整充型；砂型、砂芯尺寸精度低，表面粗糙度高，组型、组芯过程极易导致尺寸超差。但是砂型铸造也具有其他铸造方式不具备的优点：砂型透气性好，铸件气孔、针
孔少；退让性好，热裂倾向低；铸件力学性能及内部质量高；另外，不受铸件尺寸限制，可生产超大型铸件；成本极低。
镁合金砂型铸件收缩倾向大，因此必须采用多冒口浇注系统；另外，冷铁在加速重力浇注系统中应用广泛，它促使镁合金铸件从下至上逐层凝固或定向凝固，
大型薄壁精密镁合金铸件铸造技术进展
王艳光1，彭晓东1，2，赵辉1，谢卫东1，2
，魏义2
（1.重庆大学材料科学与工程学院，重庆400045；2.重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心，重庆400044）摘要介绍了砂型、低压、压铸、消失模、离心铸造大型、薄壁、精密镁合金铸件的优势和缺点，以及这些铸造技术的最新发展情况。针对航天工业的发展指出离心铸造镁合金的研究与发展方向。关键词镁合金铸件；消失模铸造；综述；离心铸造；计算机仿真中图分类号TG249.4
文献标识码Ａ
文章编号1004-244X （2011）05-0101-04
Development of casting process for large thin ⁃wall precision magnesium alloy castings
WANG Yanguang 1，PENG Xiaodong 1，2，ZHAO Hui 1，XIE Weidong 1，2
，WEI Qunyi 2
（1.College of Material Science and Engineering ，Chongqing University ，Chongqing 400045，China ；
2.National Engineering Research Center for Magnesium Alloys ，Chongqing University ，Chongqing 400044，China ）
Abstract The advantage and disadvantage as well as the development of sand casting ，low tension casting ，die casting ，lost foam casting and centrifugal casting technologies for the production of large thin ⁃wall precision magnesium alloy castings are discussed.According to the development of aerospace industry ，the research and development direction of the magnesium alloy centrifugal casting are pointed out.
Key words magnesium alloy castings ；EPC ；review ；centrifugal casting ；computer simulation
收稿日期：2011-07-08；修回日期：2011-08-08基金项目：科技部国际项目（2010DFR50010）
作者简介：王艳光，男，河南商丘人，硕士；主要研究方向为镁合金离心铸造。E-mail ：cqwangyg@163 。
兵器材料科学与工程节能灯灯头
ORDNANCE MATERIAL SCIENCE AND ENGINEERING
Vol.34No.5Sept.，2011
第34卷第5期2011年9月DOI ：CNKI:33-1331/TJ.20110906.2352.005网络出版时间：2011-9-623:52:06网络出版地址：wwwki/kcms/detail/33.1331.TJ.20110906.2352.005.html
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兵器材料科学与工程第34卷
使铸件中远离直浇道的厚壁或凸起部分获得与定向凝固一致的效果。同时，冷铁可以大大加快周围金属的凝固，细化晶粒。砂型铸造工艺存在几大问题，如浇注过程中存在湍流且无保护、浇注填充过程
中各部位的凝固条件不同，这将导致镁合金铸件内部产生缩孔缩松缺陷。为了消除砂型铸造的缺点，提高铸件的质量，科研人员研究开发出反重力砂型铸造技术［3］。反重力铸造利用外加压力使合金液沿着与重力相反的方向自下而上充型并凝固成形，具有充型平稳、充型速率可控、温度场分布合理、压力下凝固及有利于铸件凝固补缩等特点。所以，铸件的力学性能好、组织致密、铸造缺陷少。另外，低压砂型铸造也可以从很大程度上克服这些缺陷。F.J.Edler等［4］开发了一种适用于镁合金的低压砂型铸造工艺装置，这种装置可以用于铸造航空用或其他用途的镁合金铸件。相对于重力铸造而言，低压砂型铸造更适合于生产薄壁件。另外，低压砂型铸件质量好，研发成本低，节省原材料。2低压铸造
低压铸造是介于重力铸造和压力铸造之间的一种铸造方法，可以生产质量高、组织致密、壁薄的复杂铸件，广泛应用于大批量生产铝合金、铜合金和镁合金铸件生产中［5］。低压铸造有以下优点：液体金属充型平稳，成型性好，有利于形成轮廓清晰、表面光洁的铸件；铸件组织致密，力学性能好；一般不需要冒口，金属液工艺收得率高，但浇道的开设和冒口的布置缺乏一定的灵活性，同时工序较多，有一定的密封性要求［6］。近年来，发展起来一些新的低压铸造技术，如压差法低压铸造和真空低压铸造。有些铸件的内部质量要求高，希望在较高的压力下结晶，但一般低压铸造时的结晶压力不能太大，因而选择用压差法低压铸造，这种工艺与一般铸造方法相比，铸件强度提高约25%，伸长率提高约50%。但设备较庞大，操作麻烦。对于薄壁复杂的大型铸件，如果采用压差法低压铸造工艺不能满足
时，可以选择用真空低压铸造，它的装置与差压法低压铸造基本相似，在浇注前先将型腔中的气体抽出再进行浇注，浇注速度高，不会产生氧化夹杂和气孔等缺陷。何庆彪等［7］分析了航天器复杂薄壁镁合金低压铸造的特点和容易出现的铸造缺陷以及这些缺陷的产生原因，提出综合重力铸造和低压浇注的优点，即铸件上部增设冒口，底部放置冷铁，金属液在压力作用下以底注的方式注入型腔依靠冒口和低压金属液从上下对铸件进行补缩，采用片状直浇道控制金属液流量，适当降低升液，充型速度和压力，改善铸型排气能力，结果铸件尺寸精度高，内部质量优良。李双寿等［8］研究镁合金轮毂电磁泵低压铸造得出：电磁泵低压铸造镁合金可对保温炉内镁液进行细化、净化处理，使其平稳充型，有利于采用气体保护，提高了镁合金的铸造安全系数；另外，采用电磁泵可以实现设备的连续工作，不会因中间加料而中断操作。其原理图、工艺示意图、低压铸造镁合金轮毂图，见图1~3所示。3压铸
3.1镁合金压铸国内外概况
1916年美国DOW化学公司首次研究开发出压力铸造技术，具有高效率、自动化且适合大批量生产等特点。镁合金熔点低、凝固潜热小、凝固速度快、黏度低、流动性好且易于充满复杂型腔等特点，因而特别适合于压铸生产。目前90%以上的工业用镁合金铸件是通过压铸方法制造的。压铸成形是目前最成熟、应用最广的方法，在欧美、日本和我国台湾地区已有相当规模。压铸镁合金主要有AZ、AM、AE和AS系，AZ91D是最常见的压铸镁合金。由于铝能提高镁合金的铸造性能、强度和抗蚀性，
从而是压铸镁合金最主要的合金化元素。大多数压铸镁合金为含铝镁合金，铝的质量分数一般为3%~9%。镁合金压铸可分为热室技术和冷室技术［9］。热室压铸法通常用于生产质量不大的薄壁件，如英国Kirk Precision公司用热室压铸生产AZ91HP镁合金自行车架；美国芝加哥
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Metal Casting公司用热室压铸法生产了镁合金计算机外壳和雷达探测器等。冷室压铸通常用来生产厚壁件和大铸件，如德国Audi汽车公司和美国GM汽车公司用冷室压铸生产汽车仪表板［10］。
镁合金压铸时，合金液充填压型时的高速湍流运动，使腔内气体无法排出，导致组织疏松，甚至铸件表面鼓包或变形。再加上常规压铸的镁合金铸件不可以进行热处理强化，对于那些需要时效强化来提高性能的高强度镁合金来说就显得不太合适。近年来出现的许多新压铸方法［11］，包括真空压铸、充氧压铸等，这些方法在一定程度上克服了上述缺点，减少了铸件组织疏松和气孔的缺陷，提高了铸件致密度。
3.2真空压铸
真空压铸关键是真空度［12-13］。目前真空压铸的抽气装置大体上有两种类型：第一种是在模具分型面上安装真空（抽气）阀，这种类型简单易行，可单独配置，新、旧模具都可采用，Optivac Fonderax真空装置就属于这一种；第二种是在机器压室上装真空阀，一些压铸机制造厂可以作为辅助装置随同主机一起供应。今后的发展趋向是真空压铸也要解决厚壁铸件和消除热节部位的缩孔，从而更有效地应用于可热处理和可焊接的零件。真空压铸镁合金主要是生产轮毂，因其质轻、减震、散热快等特性，很早就被赛车、摩托车采用了。目前已成功地在冷室压铸机上用真空压铸法生产出AM60B镁合金汽车轮毂，在锁型力为2940 kN的热室压铸机上生产出AM60B镁合金汽车方向盘零件，铸件伸长率由8％提高至16％。真空压铸AM50的伸长率由普通压铸的15%提高到19%［14］。保时捷911T、Audi、Mercedes、BMW、Volvo等公司都先后推出过镁合金轮毂赛车、概念车以及选装配件。世界上几乎所有摩托车赛车都是用镁合金轮毂，很多摩托车厂家都已装配镁合金轮毂的车型上市，比
如BUELL、TRIUMPH、HONDA、YAMAHA等。
3.3充氧压铸
充氧压铸又称无气孔压铸（PORE－FREEDI⁃ECASTINGPROCESS，即P.F法）。该法在金属液充型前，将氧气或其他活性气体充入型腔，置换型腔内的空气，金属液充型时，活性气体与充型金属液反应生成金属氧化物微粒弥散分布在压铸件内，从而消除压铸件内的气体，使压铸件可热处理强化。日本轻金属公司用充氧压铸法生产计算机的AZ91镁合金整体磁头支架，代替原先的多层叠合支架，不但减轻了支架质量，并且取得了很大的经济效益。该公司还用充氧压铸法成批生产了AM60镁合金汽车轮毂和摩托车轮毂。4消失模铸造
消失模铸造又称实型铸造，是砂型铸造生产上的技术革命，被誉为“21世纪的铸造新技术”［15］。其基本原理是采用与所需铸件形状、尺寸完全相同的泡沫塑料模代替铸模进行造型，模样不取出呈实体造型，浇入金属液气化并取代泡沫模样后形成理想的铸件。镁合金消失模具有如下独特的优点：1）镁合金浇注时，泡沫模样分解为烃类、苯类和苯乙烯等气雾物质，对液态镁具有自然的保护作用；2）采用干砂负压造型避免了镁合金液与型砂中水分的接触和由此而引起的铸件缺陷；3）与目前普遍采用的镁合金压铸工艺相比较，其成本大为降低，干砂良好的退让性减轻了镁合金凝固收缩时的热裂倾向；4）金属液较慢和平稳的充型速度可以有效避免气体的卷入。另外，铸件成型后可以经热处理进一步提高其力学性能。
消失模铸造关键在于其液态金属流动性，其工艺影响因素主要有：涂料特性、真空度、浇注温度、浇注系统结构、模样的几何形状和材料性质等。目前，可发性聚苯乙烯泡沫材料（Expandable Polystyrene，EPS）是消失模铸造最常用的材料。如果不在真空下充型，镁合金液金属压头所产生的驱动力较小，充型速度很低，无法成型。当真空度和浇注温度提高时，铸型中形成负压，加速了模样的分解，而且热分解产物在较高负压下顺利排出，对充型金属液形成的反压力较低，由此金属液充型能力大大提高。刘子利等［16-17］采用全因子试验设计研究镁合金消失模铸造中最重要的工艺因素：浇注温度、真空度和模样厚度对充型速度的影响（见图4）。还观测了不同真空度下镁合金充型形态，不抽真空浇注时，液态金属都是平稳的向前推进；抽真空浇注时，液态金属都是优先沿壁面先行，呈凹形快速充型。
消失模铸造工艺的工业生产实践展示了其独特的技术优势，然而由于干砂的蓄热系数小，铸件在冷却速度很慢的条件下形成粗大的组织，降低了材料的
王艳光等：
大型薄壁精密镁合金铸件铸造技术进展103
兵器材料科学与工程第34卷
力学性能，从而制约了消失模铸造技术的进一步推广应用，特别是对于结晶范围宽、收缩大的镁合金来说更是如此。针对这一特点，李继强等［18］人研究振动和合金化对消失模铸造AZ91D组织与性能的影响，通过对
AZ91D Sb-Ce合金化增加中间合金含量和在铸件凝固过程中机械振动影响其形核和长大两种方式细化了晶粒、提高了其抗拉强度和伸长率。另外，稀土元素能有效地减轻镁合金的缩松缺陷，而Sr不仅显著地提高镁合金的耐热性能，对降低AZ91镁合金晶粒尺寸具有明显的效果。从上世纪90年代起，真空负压造型的消失模铸造在我国获得快速发展。研究表明［19-20］：镁合金真空低压消失模铸造作为一种反重力低压铸造与消失模铸造相结合的新型铸造工艺，可以显著提高合金液的充型流动性，补缩良好，改善镁合金铸件微观组织，大大提高其力学性能。
消失模工艺不断为人们所认识，为新产品的开发生产提供了足够的信心。GM（美国）、TEKSID（美国）、CASTI（意大利）、INTERMET（美国）、CITATION FORM （美国）、BMW（德国）都引进了消失模铸造工艺。
5离心铸造
5.1离心铸造国内外概况
离心铸造主要生产套筒、轧辊、汽缸套、轴瓦等，其应用范围覆盖机械、冶金、石化、交通及城建等行业。另外，离心铸造还可以浇注双金属，获得内外性能不同的铸件。离心铸造因其铸件组织致密、力学性能高、工艺出品率高、提高合金液充型能力等特点越来越广泛的应用在工业领域。世界上第一个提出在离心力场下浇注铸件的是英国人A.Erchart，于1809年获得离心铸造专利［21］。20世纪50年代，美国铸管公司用铸型内敷树脂砂衬生产铸铁管，美国还用真空离心铸造生产钼钨合金缸套；1961年，日本六保田铁工公司用卧式离心浇注铸铁复合轧辊；20世纪80年代以来，日本离心铸造球磨铸铁管达ϕ2.6m；法国、英国等离心铸管长达8m，原苏联离心铸管达ϕ600~1500m，长达10m；法国离心铸造青铜汽轮机环直径达4.4m。我国离心铸造技术起步较晚，但是发展迅速，主要为钢铁、铜、铝锌等合金。但是，离心铸件易产生夹渣、气孔、裂纹、缩孔缩松等缺陷，易产生重力偏析的合金在离心浇注中会更加偏析。
5.2离心铸造镁合金
镁合金离心铸造因其偏析等原因未能广泛应用，随着航天、汽车、兵器工业的发展，大型、薄壁镁合金铸件成型技术的开发越来越迫切。特别是在航天领域，镁合金以其质量轻、强度高等优势受到越来越多科研
者的青睐。滕海涛［22］等人用离心铸造工艺制备AZ61A镁合金薄壁管（铸管长度为200mm，内径为190mm，壁厚为3mm），与传统砂型铸件相比晶粒得到了显著的细化，塑性得到了明显改善。直到目前，离心铸造大型镁合金铸件还未见报道。
离心铸造生产的铸件占全部铸件的60%以上，然而离心铸造的生产依然依赖生产经验，影响了离心铸造技术的进步和发展。在社会需求和数值模拟技术高速发展的双方面作用下，各国学者将目光纷纷聚焦到离心铸造数值模拟这一领域。系统地研究离心铸造充型及凝固过程是近年来随着流动数值模拟技术的进步展开的，随着系统研究的开展，离心铸造体现了其无与伦比的潜力。数值模拟过程可以揭示离心铸造充型及凝固过程的规律，优化离心铸造工艺，提高生产效率，特别是在大型镁合金航天件离心铸造研究方面，可以预先对镁合金充型、凝固过程及应力、微观组织等进行计算机仿真实验，减小不必要的实验投入、节省成本、指导生产。
6结语
镁合金的低密度能有效降低部件质量，因而很早就应用于航空航天业。如飞机框架、座椅、机匣和轮毂等。我国在大型薄壁精密镁合金铸件成型方面已取得很大进步。但与日、美等国相比，在镁合金铸造成型技术的研究与应用领域还有相当大的差距，严重制约了镁材的应用。离心铸造在生产大型薄壁镁合金产品方面具有其他铸造方法不具有的优势，因此，今后应加大研发力度，结合数值模拟技术，充分发挥镁工业大国的作用，推进镁工业的发展。
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