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摘要：镁合金是一种重量轻，比强度、比弹性模量、比刚度都与高轻度铝合金以及合金钢大致相同的一类极具潜力的金属结构材料。与其它金属材料相比，镁合金还具有切削加工性能好、尺寸稳定、铸造成本低、散热性和阻尼抗震性优良等特点。近年来，随着汽车工业和电子工业的迅速发展，镁合金材料的应用开始升温，但其铸造工艺研究进展阻碍了镁合金的推广应用。因此，研究镁合金铸造工艺，对于镁合金的市场推广以及新材料的广泛应用都具有十分重要的意义。
关键词：镁合金；铸造工艺；保护措施
引言
进入21世纪，随着人类文明的快速进步，金属材料的消耗量急剧上升，金属矿产资源逐渐趋于枯竭。20世纪中叶的能源危机使轻质结构材料得到了持续性的发展，其中铝和塑料每10年以大约0.4数量级的速度增长，但是镁作为一种轻质材料，由于没有充分发挥其性能潜力，其增长模式与铝存在显著差异。在很多传统金属矿产枯竭的今天，人们开始把目光转向镁，这必将加速镁合金材料的开发与应用。镁合金是工业应用中最轻的结构金属，其密度为1.74g/cm3，是铝的2/3，钢的1/4，具有比强度、比刚度高，导热性、导电性好，阻尼减震，电磁屏蔽，易于加工成形和容易回收等优点。由于镁合金具有一系列优越的性能，因而使它在手机、笔记本电脑、数码相机、摄像机、飞机、汽车、摩托车、自行车、军工产品、纺织、印刷、冶金化工和防腐等行业均获得了应用。同时，镁合金也存在容易氧化燃烧、耐蚀性差、常温力学性能差、高温强度及蠕变性能低等缺点，大大限制了镁合金的发展和应用。镁合金多用作结构件，而作为结构应用的最大用途是铸件，因此镁合金的铸造水平成为其应用的关键。铸件的质量、性能取决于成型工艺以及合金成分，研究开发新型的铸造技术和各种合金元素的作用是提高镁合金材料性能、扩大其在各个领域应用的必由之路。
1镁合金成形技术
镁合金成形技术包括铸造成形和塑性成形。铸造成形又包括砂型铸造、金属型铸造、消失模铸造、压力铸造、熔模铸造、挤压铸造以及半固态铸造等。其中砂型铸造和压铸使用最为广泛，其适应性好，大件、小件、单件、批量生产均可应用。塑性成形是指通过挤压、轧制、锻造等手段并配合热处理获得目标形状和组织性能。相比于铸造成形，镁合金通过塑性变形获得的零件缺陷更少，力学性能更好，但是镁合金在室温下塑性成形性能较差，加工成本较高。铸造成形仍是镁合金的主要成形方式，目前使用的镁合金中90%为铸造镁合金。
2镁合金熔模铸造技术发展
2.1镁合金压铸工艺
镁合金最主要、应用最广泛的成型工艺就是压铸。目前，90％以上的镁合金产品是压铸成形的。镁合金的压铸工艺始于20世纪20年代的德国，主要应用于汽车制造业中的结构件，如汽缸体、变速箱壳体等。80年代以来，伴随着合成方法的不断改进，镁合金成本不断降低，其应用也逐步扩展到计算机、通讯设备等领域，这些镁合金的铸造工艺绝大部分采用的是压铸工艺。我国的镁合金及其制备技术开始于解放以后，近年来，我国镁合金的需求量不断攀升，我国镁合金压铸件的产量以每年60％平均增长率快速增长，镁合金压铸件已经逐渐代替传统的铸铁件、铸钢件以及铝压铸件成为我国汽车工业的主要部件压制材料。传统的镁合金压铸工艺在广泛应用的同时也具有一定的缺陷，比如，不能进行强化热处理，也不能在较高的温度下使用。所以国内外专家在对传统的压铸工艺充分研究的基础上开发了一些改进的压铸技术，使得铸件的整体性能有了很大提高。
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2.2镁合金低压铸造
镁合金低压铸造是介于重力铸造和压铸的一种铸造方法，具有充型平稳、顺序凝固、补缩效果良好的特点。同时密封充型可以防止镁合金暴露在大气中而引起氧化燃烧，是镁合金成形方法中一种比较好的方式。差压铸造是对低压铸造的发展，金属液在充入熔池液面和型腔的高压气体的压力作用下，经升液管充填型腔，并在高压下凝固，进一步提高了铸件的致密度。该技术的最新发展是真空旋转法差压铸造。
2.3制定适合于熔模精密铸造镁合金熔液保护方法
镁合金熔液在大气条件下容易出现氧化燃烧的现象，这也是镁合金熔模铸造应用较少的主要原因。因此掌握在精密铸造工艺下进行镁合金浇注时的熔液保护问题非常重要。应主要从研究镁合金氧化的机理入手，寻找适合熔模铸造工艺的熔体保护手段和装备的基本原理，同时研究镁合金精密铸造浇注系统的设计特点及浇注操作的注意事项等。
2.4镁合金熔模铸造的阻燃机制
镁是活性极强的金属元素，高温下极易与型壳中氧、氮以及型壳面层材料发生反应，存在的主要反应如下：①燃烧、氧化：2Mg+O2=2MgO，3Mg+N2=Mg3N2；②水分蒸发：Mg+H2O=H2+MgO，2H2+O2=2H2O；③与二氧化硅反应：2Mg+SiO2=2MgO+Si。镁合金熔模阻燃研究，主要有以下3种机制：①当熔体进入并填充铸型时，熔体表面形成一层保护膜；②铸型空腔里有保护气体形成；③铸型材料颗粒之间有保护气体产生。在传统的砂型铸造中，阻燃剂的类型和用量随着铸型的含水量、金属液浇注速度和冷却速率的变化而变化。烷基磺酸钠已成功应用于镁合金的砂型铸造阻燃剂。在镁合金熔模铸造中，阻止金属-铸型界面反应的办法有改变气体成分、更换型壳材料、往型壳材料中添加阻燃剂等。
2.5镁合金半固态铸造技术
镁合金半固态铸造工艺发展较晚，但应用效果较好，由于可以获得高致密度的镁合金制品，所以该铸造工艺是一种极具竞争力的镁合金成形方法。镁合金半固态铸造技术主要分两类：1）触变铸造，触变铸造是将制备的非枝晶组织的棒料定量切割后重新加热至液固两相区，然后再采用压铸或模锻工艺半固态成形，该工艺因为不使用融化设备，所以锭料重新加热后便于输送和加热，易于实现自动化。但由于预制坯料的制备关键技术处于保密状态，所以投资巨大，相应成本也很高，目前只在高强度的关键零件中使用该工艺。2）流变铸造，流变铸造采用金属熔体做原料，冷却搅拌产生半固态合金浆料后，以管路或容器输送至压铸机直接成形，由于浆料需要先变成熔体，所以在保持、状态控制以及输送方面存在困难，随着触变铸造工艺的表现欠佳，流变铸造工艺的研究开始升温。
结语
镁合金熔模铸造关键的问题在于镁合金在熔模铸造过程中易与型壳中的氧、氮及型壳面层材料发生反应。经过材料研究工作者几十年的努力，对镁合金的阻燃机理以及阻燃元素对镁合金组织和性能的影响有了一定的研究成果，获得了许多能指导生产实践的有益理论。但纵观半个世纪以来镁合金防燃、阻燃的研究结果，可以看出关于阻燃镁合金基础理论研究仍然比较薄弱。不同的外界环境下镁合金如何氧化、及这些氧化反应的热力学和动力学都缺乏系统的研究，以致对阻燃氧化膜的微细结构、形成过程和阻燃机理都难以弄清，这些都需要更加深入地研究。同时，可以考虑镁合金的合金化阻燃，从本质解决镁合金在熔模成形过程中的氧化。
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