深入对压铸镁合金性能的研究

镁合金的密度小于2g/cm3,是目前最轻的金属结构材料,其比强度高于铝合金和钢,略低于比强度最高的纤维增强塑料;其比刚度与铝合金和钢相当,远高于纤维增强塑料;其耐腐蚀性比低碳钢好得多,已超过压铸铝合金A380;其减振性、磁屏蔽性远优于铝合金[1];鉴于镁合金的动力学粘度低,相同流体状态(雷诺指数相等)下的充型速度远大于铝合金,加之镁合金熔点、比热容和相变潜热均比铝合金低,故其熔化耗能少,凝固速度快,镁合金实际压铸周期可比铝合金短50%。此外,镁合金与铁的亲和力小,固溶铁的能力低,因而不容易粘连模具表面,其所用模具寿命比铝合金高2~3倍。 


常用的压铸镁合金大多是美国牌号AZ91,AM60,AM50,AM20,AS41和AE42,分别属于Mg-Al-Zn,Mg-Al-Mn,Mg-Al-Si和Mg-Al-RE四大系列。对与压铸镁合金,目前主要有以下几个方面的研究: 

(1) 高温使用性能:目前AZ及AM两个系列的镁合金压铸件占汽车用镁合金压铸件的90%,这两个系列的镁合金在150℃以上强度均明显下降。现已开发出150℃以上抗蠕变能力的AS系列压铸镁合金,如AS41A合金(Mg43%Al1%Si0.35%Mn),其175℃蠕变强度优于AZ91D和AM60B,且有较高伸长率、屈服强度和抗拉强度。大众公司Beetle发动机曲轴箱以前一直采用AS41和AS42,最近采用的一种改进的合金AE42在高温下的蠕变性能则更好些[1,2]。某些微量元素如稀土元素Y、Nd、Sr等,对压铸镁合金具有明显的晶粒细化作用,可提高压铸镁合金的强度和抗蠕变能力,如最近研制的AE42的抗蠕变能力优于传统MgAlSi合金,可在200~250℃长期使用[3]。但AS和AE合金对高温性能的改善仍是有限的,其铸造性能比AZ和AE合金要差,加之稀土元素成本高,使生产和应用受到一定限制。 

(2) 延展性:目前,镁压铸件在需要安全及高断裂韧性的用途上增长非常迅速。在工作情况下要提高吸收能量的能力,就应提高材料的断裂韧性。通过在合金中减少铝,可以做到这点。AM60和AM50在仪表板托架、转向盘转轴及座椅等安全部件上得到广泛应用,AM20目前还应用到座椅的后背框架。另外,断裂延伸率与温度关系也是相当密切的,尤其是在约50℃以上时,随温度的增加而增加。 

(3) 镁合金的耐蚀性:耐蚀性也曾是镁合金扩大应用的一大障碍。镁的化学活性高,以镁为基的合金和复合材料易发生微电池腐蚀,一般低纯度压铸镁合金的耐蚀性差。严格规定了Fe,Ni,Cu等杂质元素的高纯度压铸镁合金(如AZ91D),以及含稀土的AE42,其盐雾试验的耐蚀性已超过压铸铝合金A380,远好于低碳钢[4]。调整化学成分、表面处理和控制微观组织等均可改善其耐蚀性。尽管提高镁合金件耐蚀性的方法众多,但若不从材质本身解决问题,耐蚀性差始终是镁合金件获得大量应用的一个技术障碍。

(4) 阻燃镁合金:在镁合金中添加Al(2.5%)、Be合金(Be加入量为0.0005%~0.03%)或含Ca合金,也可有效地防止镁合金液的氧化。目前,一些研究者正在从事具有阻燃性能镁合金的研究[5],这一研究一旦获得成功,则镁合金就像铝合金一样熔炼和铸造,获得更为广泛的应用前景。 

(5)镁合金基复合材料:用碳化硅等颗粒增强的镁合金基复合材料已进行了多年的研究开发,目前虽尚未达到在压铸领域商业应用的阶段,但已用砂型铸造、精密铸造等方法制成了叶轮、自行车曲柄、汽车缸套等铸件,并有将这种复合材料与半固态铸造相结合,应用于压铸和挤压铸造领域的发展趋势。

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