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1、现代铸造镁合金及其熔炼技术 1 镁及其合金的应用 目前，在世界范围内得到开发和应用的材料中，镁及其合金材料因具有密度小及可回收利用等多方面的优点而格外引人注目。 与地球地壳中其他金属元素的含量相比，镁元素在地球地壳中的含量仅在铝、铁之后，位居第三，约占地壳质量的2.7。同时，占地球表面积70的海洋也是一个天然的镁资源宝库，据预算，每立方米海水中约含有1.3Kg的镁，仅死海一处的镁，若能得到全部的开发，就可供人类使用22000年。此外，镁合金作为最轻质商用金属工程材料，因其具有密度小、比强度和比刚度高、阻尼减振降燥能力强、液态成型性能优越、能屏蔽电磁辐射和易于回收利用等一系列符合“21世纪绿色结
2、构材料”的特征，使其特别适合在汽车、摩托车等交通工具和计算机、通讯、仪器仪表、家电、轻工、军事等领域的应用。也正是看到镁及其合金材料表现出的这些优异特性和其具有的潜在价值，所以自1808年金属镁被发现后，人们就从未停止过镁的开发和应用，只不过在最初的一百多年里，由于镁价格和技术两大瓶颈问题，加之铝的使用而推迟了镁的广泛应用。但20世纪80年代以来，随着两大瓶颈问题的突破，镁及其合金材料的开发应用呈现高速增长态势。截止2000年，世界镁的产量就已达42万64万吨/年（含再生镁），而镁合金在汽车等运载机械上的应用也以每年15的速度快速增长，远远高于其他金属材料，可以说这在近代工程技术材料的应用中是
3、前所未有的。因此，大力进行镁及其合金材料的开发和应用对于现实人类的可持续发展必将产生重要而深远的影响。 中国是世界上镁资源最丰富的国家，菱镁矿探明储量约占世界的1/4，具有发展镁产业的先天性基础条件。此外，中国不但是一个摩托车生产、消费和出口大国，也是一个潜在的汽车生产和消费大国，镁及镁合金产品的市场应用前景广阔。但目前中国镁及镁合金产业的发展与国外相比还存在较大的差距，资源优势没有很好地转化为技术优势和经济优势。因此，大力发展镁及镁合金产业对于中国的可持续发展将具有非常重要的战略意义。 虽然目前铝合金行业消费的镁最多，但近年来增长速度已减缓，而压铸用镁量（目前主要是汽车和IT行业）则呈快速增
4、长之势。预计到2005年交通工具产业镁合金需求量将达到3.55万吨，到2010年达到17.64万吨。至于电子产业的3C产品，预计2005年应用镁合金达到1.62t，2010年达到3.15t。除这两大产业外，其他产业的用量也将迅速增长。 目前，通过压铸等方法生产的镁合金零部件已被广泛用于汽车、电子通讯、航空航天、兵器以及日用品等领域。 （1）航空航天领域 镁合金由于具有密度小的巨大优势，因此随着其耐热耐蚀性能的提高，将来完全可以用来替代耐热铝合金、钛合金零件。特别是密度最小的Mg-Li系合金，具有很高的强度、韧性和可塑性，是航空航天及重要运输工具很有发展前途的材料。目前，在我国的航空航天工业上，
5、除少数型号外，几乎所有在制和新研究的飞机、发动机、机载雷达、地空导弹、运载火箭、人造卫星、飞船上均选用了镁合金构件。如某型号的飞机选用了300400项镁合金构件，镁合金零件最大尺寸达2米多，最大质量达300Kg.。 （2）汽车、摩托车工业 镁合金的应用虽然没有像航空、航天领域中应用那么成熟，但在过去的10年中，镁合金压铸件在汽车上的使用量上升了15。随着国家“十五”科技攻关项目“镁合金应用开发与产业化”的深入实施，中国汽车工业在此项目中受益良多，效果明显，不少企业取得了相当的进展。如重庆长安集团公司完成了JL462Q发动机变速器上、下壳体用镁合金替代铝合金的产品试制，已形成年产1500t汽车变
6、速器压铸的生产能力。2003年底，变速器上下壳体、箱体延伸体和缸罩等7个零件已批量装车，并通过了小批量装车试验，目前正在进行批量生产前的最后中批量装车考核中；此外，该公司还打算用镁合金取代更多的零部件，如方向盘、座椅内架等，逐步使每辆车用量达到20Kg。一汽集团试制成功了气门室罩盖、变速箱盖、发动机油喷等镁合金压铸件，其中气门室罩盖已通过装车试验。东风汽车公司以镁合金变速箱上盖的产业化应用为重点突破对象，完成了10万次规范的台架试验，并顺利通过考核；同时对已装车的真空助力器中间隔板、左右脚踏步的应用情况调查表明其应用效果良好。 （3）电子工业 电子工业室当今发展最为迅速的行业，也是新兴的镁合金
7、应用领域。目前镁合金在电子行业中的应用场合主要有电视、电脑、摄录像器材及通讯器材等，产品有便携式电脑外壳、手机外壳、摄像机外壳等。 （4）国防工业领域 由于镁及镁合金耐冲击，如果能够开发出与铝合金耐蚀性能相当的镁合金，则其在兵器等各种军用领域将有着广阔的应用前景。如照明弹用镁粉、穿甲弹用高比强度镁合金弹托材料，以及可用变形镁合金制造的战术航空导弹舱段、副翼蒙皮、壁板和雷达、卫星上用的镁合金井字梁、相机架和外壳等零件。武器轻量化是现代兵器的发展趋势，利用镁合金取代现有武器上的一些零部件正成为各国研究的热点。有关单位已分别通过锻造或铸造成型方式开发出了变形镁合金冲锋枪机匣、枪尾、提把、前扶手、枪托
8、体、大托弹板、瞄具座、小弹匣座以及军用铸造合金发动机进出水管和发动机滤座等军品武器用零部件，其中部分对耐蚀耐磨有较高要求的军用镁合金零部件还被通过协和涂层的方法进行了相应的表面处理。目前，这些研制生产出的军用镁合金零部件已进入实际演示验证和考核阶段，预计不久将得到初步应用。在办公、家用及体育用品方面，近年来镁的应用也发展较快，已成为镁合金应用一个不容忽视的领域。镁合金除在以上这些领域得到一定程度应用外，其新的应用范围还有待进一步探索。如目前正处于反展中的镁基储氢材料、镁充电电池等，可以预见，随着对镁及其合金材料研究的深入，镁及其合金材料的应用领域和范围还会得到更大的延伸。2铸造镁合金分类2.1
9、Mg-Al系合金 Mg-Al系合金是最早用于铸件的二元合金系，该系既包括铸造合金又包括变形合金，是目前牌号最多应用最广的系列。大多数Mg-Al系合金实际上还包括其他的合金元素，以此为基础发展的三元合金系有：Mg-Al-Zn、Mg-Al-Mn、Mg-Al-Si和Mg-Al-RE共4个系列。Mg-A1合金中往往还含有一些其他的合金元素，但其中最重要的就是Zn和Mn。Zn在Mg-A1 AZ(g-Al-Zn)系和AM(g-Al-Mn)系镁合金是目前应用最广泛的商业化g-Al基铸造镁合金。AZ系镁合金(如AZ91)的屈服强度很高，广泛用于制造形状复杂的薄壁压铸件，如发动机和传动系的壳体、电子器材壳体、手
10、动工具等。含铝量比AZ系镁合金低的AM系镁合金(如AM60、AM50、AM20)具有优良的断裂韧性但屈服强度较低，通常用于承受冲击载荷的场合，如轿车侧门、仪表盘、座椅框架、轮毂及体育用品等。 然而AZ和AM系镁合金的高温抗蠕变性能比常用铝合金低一个数量级还多，温度高于150时拉伸强度迅速降低。为改善g-l基镁合金的高温性能，目前除通过加入合金元素以改善析出相的特性(晶体结构、形态及热稳定性)来提高现有AZ系镁合金的耐热性能外，还开发出AS(Mg-Al -Si-Mn)系、AE(Mg-Al-RE)和Mg-Al-Ca系铸造镁合金。尽管增加含铝量提高合金的铸造性能，但为减少非连续析出相的数量，AS和A
11、E系耐热镁合金的铝含量都较低。2.2Mg-Zn系合金 纯粹的Mg-Zn二元合金在实际中几乎没有得到应用，因为该合金的组织粗大，对显微缩孔非常敏感。但这一合金有一个明显的优点，就是可通过时效硬化来显著地改善合金的强度。因此，Mg-Zn系合金的进一步发展，需要寻找第三种合金元素，以细化晶粒并减少显微缩孔的倾向。一些研究表明，在Mg-Zn二元合金中加入第三种组元铜，将会导致其韧性和时效硬化的明显增加。砂型铸造合金ZC63(w(Zn)=6，w(Cu)=3，w (Mn)=0.5)是这类合金的典型代表，在时效状态其抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到240MPa、145 MPa和5，高于Mg-A1-Zn系合
12、金的AZ91。在Mg-Zn合金中的铜被认为可以提高其共晶温度，因而可在较高的温度固溶，使更多的Zn和Cu溶入合金中，增加了随后的时效强化效果。在Mg-Zn合金中铜的存在，使铸态共晶组织随之改变，-Mg晶界及枝晶臂之间的MgZn相的形态由完全离异的不规则块状转变为片状。Mg-Zn-Cu合金的缺点是由于Cu的加入导致合金的耐蚀性能降低。 Mg-Zn系合金的晶粒容易长大，Zr则被认为在镁合金中具有细化作用，是铸态MgZn合金最有效的晶粒细化的元素，故工业Mg-Zn系合金中均添加一定量的Zr。这类合金都属于时效强化合金，一般都在直接时效或固溶再接着时效的状态下使用，具有较高的抗拉和屈服强度。在Mg-Z
13、n合金中添加少量的其他金属元素，可以得到一些性能得到改善的三元合金，如张喜燕等人在ZM5镁合金的基础上，添加部分Zn元素和少量Ag元素，研究了新合金与ZM5合金组织及性能的差异，探讨固溶和时效处理对Mg-Al-Zn合金中组织演变的影响以及组织与性能之间的关系。结果表明：在ZM5合金中添加Zn能较为明显地增加合金中的(Mg17Al12)相的数量，且使之变得较为粗大，片层的取向也显得比较复杂多样，而且合金在T4(固溶)和T6(固溶+时效)状态下的屈强比也有较为明显的提高，而延伸率降低；热处理状态对Mg-Al-Zn合金的显微组织有明显的影响；固溶处理后的时效处理能明显提高Mg-Al-Zn合金屈强比；
14、分布在基体晶界处的相的数量、大小和形态与合金的拉伸性能有着密切的关系。2.3Mg-RE系合金 稀土元素可降低镁在液态和固态下的氧化倾向。由于大部分Mg-RE系，例如Mg-Ce、Mg-Nd和Mg-La二元相图的富镁区都是相似的，即它们都具有简单的共晶反应，因此一般在晶界存在着熔点较低的共晶。这些以网络形式存在于晶界上的共晶体，据认为能够起到抑制显微缩松的作用，只是由于合金中部分Zn在晶界上形成了Mg-Zn-RE相，减轻了一些合金原有的固溶强化效果，导致合金的室温力学性能(强度和塑性)有所降低，但高温蠕变性能得到明显的改善。在Mg-Zn合金中添加一些稀土元素可以显著改善其性能，由于稀土元素提高了镁
15、合金的耐热性能使其使用温度提高至150，其典型的应用是用来制造直升机的变速箱壳体。进一步增加Zn的含量，镁合金中会有大块的Mg-Zn-RE相在晶界形成，导致合金的脆性增加，并由于降低晶界附近的熔点引起在固溶处理时产生的局部熔化现象。一些研究认为这些相可在氢气中经长时间的加热而溶解，并将其成功地应用于镁合金ZE63薄壁件。Payne等发现银的加入明显改善Mg-RE合金的时效硬化效应，据此开发了QE22，QE21及EQ21等合金。从室温到473K温度区间，Mg-RE-Ag合金的高温抗拉性能和蠕变抗力接近含钍镁合金的性能 (钍是提高镁合金高温性能最有效的合金元素，但钍的低放射性限制了Mg-Th基合金
16、的应用)。添加钪、钇对镁合金的有益影响是一个非常重要的发现。Drits等开发了一系列耐热高强WE型镁合金。钇可以以含钇混合稀土形式加入（其中w()=75%，其余为重稀土），该类合金良好的力学性能使其广泛应用于赛车及航空飞行器变速箱壳体上。最近研究的含钐(Sm)、钆(Gd)及重稀土金属的试验镁合金，也获得卓越的力学性能，但需要质量分数为10%以上的稀土元素，使合金价格较昂贵。 铸造稀土镁合金需注意铝的不利影响。因为稀土金属与铝会生成非常稳定的稀土铝化物，夺取镁固溶体中的稀土。因此在砂模和永久模重力铸造时不能使用RE-Al的合金元素组合，但利用压铸冷却速度快抑制铝化物生成的优点，可开发出在300具有良好抗蠕变性能的AE型合金。 与在Mg-Zn合金中常常
