镁合金铸造技术及其应用郑宗文，吴海龙，张志坤，孟晓东，唐 燕 摘要：镁合金铸造技术发展迅速，在过去的20年里，由于现代镁合金优良的铸造性能，镁合金铸件已大量应用在汽车、国防、航空航天、电子和电动工具等领域，从而推动了多元化的铸造工艺发展，这些铸造工艺包括分为高压铸造、砂型铸造、熔模精密铸造、金属型铸造、低压压铸、挤压铸造以及半固态铸造等。本文将综述镁合金熔炼和铸造技术，回顾镁合金铸件在航空航天领域应用的历史和现状，讨论了镁合金结构件应用的技术挑战。 关键词：镁合金；熔炼；铸造
“十三五”以来，我国镁合金材料产业实施自主创新战略，通过“产学研用”结合，我国逐步改变高投入、高消耗、高污染、高排放的传统模式，向低投入、低消耗、高产出、低污染的发展模式转型，短流程、低成本、低能耗的新工艺和新方法不断涌现。铸造一直是镁合金部件的主要制造工艺，占镁结构件应用的98%。本文将综述镁合金铸件生产的各种工艺技术，包括：①高压铸造，如热室压铸法、冷室压铸法；②重力铸造，如砂型铸造、熔模精密铸造和金属型铸造工艺；③其它新兴铸造工艺，如低压铸造、挤压铸造、半固态铸造等。此外还综述了镁合金铸件在航空航天等领域的应用。最后讨论了镁合金铸件在航空航天领域应用中的机遇和挑战。
1 镁合金的熔炼与保护技术
镁合金化学性质非常活泼，极易与氧、氮及水蒸气等发生化学反应，并且其熔体在800℃附近时极易燃烧，产生大量的金属夹杂物和非金属夹杂物，降低合金的强度、韧性和疲劳性能，甚至造成安全事故，因此高温下镁合金熔体的保护是解决镁合金熔炼的一个关键性问题。镁合金的熔体保护主要有两种体系，熔剂保护和气体保护。
1.1 溶剂保护
熔剂保护熔炼的方法是镁合金熔炼之前先在坩埚底部放置少量熔剂（约占炉料重量的1%），将其预热至暗红。在熔体静置和浇铸过程中，再在熔体表面熔剂轻轻地洒上溶剂。溶剂应在300℃左右烘箱中烘烤2h以上，以保证溶剂干燥。溶剂的加入量应在保证镁合金液不发生燃烧和氧化的前提下尽量少，以保证熔体质量。常用的溶剂主要为卤盐（包括：MgCl2，NaCl，KCl等）混合物，该方法的缺点主要在于：溶剂高温下会发出HCl、Cl2等有害气体，同时浇铸不当会导致溶剂残留于合金液中形成溶剂夹杂降低铸件性能。
1.2 气体保护
20世纪70年代发展起来的使用空气/SF6、空气/CO2/SF6或CO2/SF6作为保护气体，混合气体保护熔炼是镁合金熔炼、保温和浇铸方面的重大突破。SF6已被证明是一种非常有效的镁合金氧化抑制剂，其确切的抑制机理仍不清楚，一般认为它利用MgF2形成致密氧化膜，堵塞MgO膜中的孔隙，使其具
有更强的保护作用。使用无毒的SF6保护剂的无熔剂工艺立即被铸造行业所接受，因为它提高了熔炼效率并消除了铸件中的熔剂夹杂。但SF6的全球变暖潜力约为CO2的24000倍，此外，SF6在大气中的停留时间很长（3200年），这意味着1千克SF6的排放相当于26.5 MT CO2。近年来，HFC134a、HFE7100和NovacTM612等替代保护气体相继问世，可显著降低温室气体排放，但还需要进一步开发在生产应用中优化这种材料的使用。河北钢研德凯科技有限公司采用惰性气体保护气氛熔炼，生产了大量镁合金熔模精铸件，为环境友好型镁合金熔体保护技术发展提供了方向。
钢架雨棚2 镁合金铸造技术
2.1 高压压铸
高压压铸为轻金属部件的设计和制造提供了很强的吸引力和灵活性。镁合金优良的充型特性使得大型、薄壁和复杂铸件可以用这种工艺经济地生产，取代了由大量冲压件和焊接件制成的结构件。高压压铸工艺可分为两种类型：热室压铸和冷室压铸。
热室压铸工艺如图1所示。在热室压铸法中，熔化的金属在保护气氛下放置于一个封闭的钢坩埚中。金属注射系统浸没在熔化的金属中，通过活塞将金属注入模具的腔内。为防止金属液凝固，可将注射系统的喷嘴加热到400℃～500℃。为了缩短循环时间，喷嘴通常充满金属液。由于在进入模腔之前，金属液被置于密封的熔化坩埚中，并由气体保护，从而它限制了熔融金属与空气的接触，减少或消除
氧化物的形成，因此热室压铸在镁合金铸造方面有一些明显的优势。由于生产周期短（每分钟可达6个零件），热室压铸工艺对小零件非常有竞争力，如汽车方向盘、转向柱、安全气囊外壳，手机、笔记本电脑、液晶投影仪外壳等。
冷室压铸工艺将镁合金液通过人工浇包、自动浇包或泵注入射缸，然后用柱塞将其快速注入腔体（5m/s～10m/s），在高压（35MPa～140MPa）下凝固成部件。冷室压铸工艺在镁的铸造中具有明显的优势，如：作为一种高产量、净成形工艺，它在竞争激烈的汽车和电子行业具有很高的成本效益；短的浇铸时间限
制了镁液与模具的接触时间，最大限度地减少了与模具材料和空气发生反应的可能；可以制造非常薄的部分（1mm～1.5mm）的大型零件；凝固速率快（100℃/s～500℃/s取决于横截面）使得晶粒尺寸非常细小。因此大多数汽车用镁压铸件采用冷室压铸工艺生产。典型部件包括仪表板横梁、散热器支架、发动机支架、座架、发动机缸体、
变速箱壳和油底壳。
图2 典型的热室压铸铸件产品
2.2 重力铸造
2.2.1 砂型铸造
使用砂型铸造工艺可以生产重量达1400公斤的镁合金铸件。镁合金的砂型铸造除了在造型和芯砂中需要使用合适的抑制剂，以防止金属-模/芯反应之外，与其他金属的砂型铸造非常相似。这些抑制剂包括：硫、硼酸、氟硼酸钾、氟硅酸铵。低成本的木模常用于普通铸件，同时精密制造的金属砂型模具和型芯模具用于生产具有高质量尺寸的镁合金铸件。由于镁合金熔体的氧化倾向明显，熔体密度低，需要设计专门的浇注系统，以减少紊流，确保镁合金铸件的顺序凝固。国内中国航发哈尔滨东安发动机有限公司及沈阳铸造研究所等镁合金砂型铸造技术实力较强，为航空发动机提供了大量的附件机匣、进气机匣、减速器机匣等镁合金铸件。
2.2.2 金属型铸造
金属型铸造是将液体金属浇入金属铸型，以获得铸件的一种铸造方法。铸型是用金属制成，可以反复使用多次。金属型铸造工艺主要有两种类型，取决于是使用金属芯（永久型）还是砂芯（半永久型）。
与砂型铸造相比，永久型有许多优点铸件包括更好的表面光洁度，精确和一致的尺寸控制，以及由于快速凝固而提高的机械性能。然而，在金属型铸造工艺中可以铸造的形状的复杂性也有实际限制。科技工作者通过以下几种方式提高镁合金金属型铸件的质量：
商用微波炉
（1）浇注前用CO吹扫模具，可使模具无氧，提高铸件质量。
（2）C2Cl6片是一种有效的镁铸件脱气剂。
（3）在金属型涂层中添加含氟化合物如NaF，减少金属型界面的氧化，从而提高铸件质量。
（4）由于镁合金的熔点较低，可以用铸铁作为模具材料进行小批量生产，而H13氧气过滤器
工具钢模具则是大批量生产的首选。图1 热室压铸机的图解
2.2.3 熔模精密铸造
熔模精密铸造是一种可以实现近终成型的铸造工艺，以此方法制备的铸件尺寸精度可达CT5以上，表面粗糙度Ra 小于6.3铸件，可以用来生产复杂薄壁铸件，因此，被广泛应用于航空航天等对铸件集成化程度高、重量要求苛刻的领域。镁合金由于非常活泼，易于模壳发生反应，因此长期以来，镁合金熔模精密铸件应用较少。近期河北钢研德凯科技有限公司从钛合金模壳制备中启发，突破了镁合金惰性模壳制备等关键技术，实现了镁合金熔模铸件的工程化批量生产。图3为部分镁合金熔模精密铸件产品。
图3 部分镁合金熔模精密铸造产品
2.3 低压铸造
低压铸造是利用气体压力将金属液压入铸型，使金属液在压力的作用下重新凝固的铸造工艺。低压铸造使用的铸造机通常包括一个位于模盘下面加压的坩埚，进料管从坩埚升到模具底部。使用干燥气体迫使熔融金属通过输送管压入浇注系统。当铸型被填满时，施加的压力继续增加，将金属送入冒口，以补偿铸件在凝固过程中的收缩，外部铸件完全凝固后释放压力。在合理设计进料系统的情况下，进料管内的金属仍然是熔融的，并回流到坩埚中。下一次浇铸时重复整个循环。
虽然与高压压铸工艺相比，低压铸造工艺的资本投资更低，但它的浇铸周期更长，大约是高压压铸的2倍～4倍。然而，低压铸造工艺可以生产出高压压铸工艺无法生产的空心铸件。图4
为上海航天精密机械研究所采用低压铸造浇注的壳体铸件。
图4 上海航天精密机械研究所采用低压铸造浇注的壳体铸件
微生物检查
2.4 其他铸造过程2.4.1 触变压铸成型
触变成型是一种半固态工艺，可以使镁合金零件最终成型。在该铸造工艺中，首先将金属坯料加热至固液两相区的某一温度下，恢复金属的半固态特性，并保证金属坯料具有一定的固液比例和均匀温度场，然后将半固态坯料送入压铸机进行压铸的过程。该工艺与传统压铸相比，孔隙率更低，疲劳强度更高。镁合金触变成型的薄壁性能（0.5mm）和与塑料注射成型工艺的相
似性使其成功的应用电脑和电子工业（手机、相机和电脑的外壳应用）。然而，与半固态镁坯料相关的制备成本较高，以及大型成型机的缺乏，阻碍了该工艺的大型铸件上的推广应用。2.4.2 挤压铸造
挤压铸造工艺分为直接挤压铸造和间接挤压铸造。在这两种工艺中，熔化的金属被引入到铸造型腔中，并在非常高的压力（通常高于100MPa）下凝固。挤压铸件相对于压力铸造和重力铸造显示出更高的强度和延展性，因为施加的高压确保了熔体和模具之间的密切接触，从而提高了凝固过程中的冷
却速度。因此，挤压铸造为镁合金厚壁铸件的制造提供了一种很好的选择。
3 镁合金铸件在航空航天领域的应用
镁是第三大最常用的结构金属，仅次于钢和铝。镁的密度约为钢的四分之一，铝的三分之二，是最轻的结构金属，为汽车、
图5 ZM5 合金减速器机匣
航空航天、电动工具和3C（计算机、通信和消费产品）行业的轻量化应用提供了重要机会。从历史上看，镁是主要的航空航天结构材料之一，在二战期间被广泛用于德国军用飞机。美国空军的远程轰炸机B-36和B-52也含有大量的镁合金铸件。据报道，B-36使用了近660磅的镁铸件。1962年～1984年制造的1832架波音727飞机包含1200个镁部件编号，包括前缘和后缘襟翼、控制表面、执行器、门框、车轮、发动机齿轮箱、发电部件、结构部件等。镁也集中在前苏联的飞机工业：TU-95MS飞机有1550公斤的镁，TU-134在飞机的不同位置有780公斤的镁部件。但是，因为在二十世纪五六十年代报导的火灾和防腐等问题，国际航空运输协会（IATA）的法律限制镁合金结构部件在民用航空领域的应用。当前尽管在发现铁、铜和镍杂质对促进镁腐蚀的影响后，现代“高纯度”镁合金的耐腐蚀性有了显著的改善，镁在商业航空航天工业中的应用一般限于发动机和变速箱相关铸件和起落架。主要的飞机制造商，如空客、波音和巴西航空工业公司，并不将镁用于结构件，但在直升机工业中应用较多，如铸造
齿轮箱和一些其他非结构部件。包括：西科斯基UH60系列（黑鹰）ZE41合金主变速器；西科斯基S92主变速箱采用WE43A合金；在波音737、747、757和767上发现的AZ92A合金推力反向叶栅铸件；普惠F119辅套管为WE43合金，普惠PW305涡扇发动机采用ZE41合金等等。我国用于航空航天工业中也大量采用的镁合金铸件。如涡喷-7、涡喷-13发动机的ZM2合金前机匣、后机匣和主机匣等零件。涡喷-6发动机的ZM3合金前舱铸件和涡喷-11发动机的ZM3合金离心机匣，某涡桨发动机的ZM5合金附件传动机匣和减速器机匣等，可在海洋环境下使用的某型直升机ZM6镁合金主减速器主机匣。
近年来，世界各地（欧洲、北美和中国）的航空航天业重新燃起了解决监管障碍和技术障碍的兴趣。预计在全世界的努力下，镁将成为未来航空航天工业的主要结构材料。
4展望
<随着世界各国均对轻量化、节能、环境友好型工程系统的迫切需求，如在《生物多样性公约》第十五次缔约方大会领导人峰会上，习近平主席发表主旨讲话指出，为推动实现碳达峰、碳中和目标，中国将陆续发布重点领域和行业碳达峰实施方案和一系列支撑保障措施，构建起碳达峰、碳中和“1+N”政策体系。有力的推动了能源生产、能源储存、交通运输等的结构和功能材料的发展。随着近100年的技术发展，镁合金铸造行业已经做好了充分的准备，以满足未来几十年对轻量化结构件日益增长的需求。
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（作者单位：河北钢研德凯科技有限公司）
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