2.2　鎂合金的重力鑄造技術

2.2.1　砂型鑄造

2.2.1.1　鎂合金砂型鑄造工藝性能

砂型鑄造特別適合于生產大型、復雜、多品種、小批量的鎂合金零件。鎂合金砂型鑄造雖然已經發展了數十年，也積累了十分豐富的經驗，但仍有許多工作尚待完善。目前砂型鑄造生產工藝復雜，生產成本高，多應用于小批量、多品種的軍工產品；產品合格率較低，常見的質量問題包括熔劑夾雜、氧化夾雜、疏松、疏孔、澆不足、裂紋、晶粒粗大等。用砂型鑄造來生產民用品也有一個技術適應性的問題，例如，用于生產飛機輪轂的工藝并不完全適合生產轎車的輪轂。

液態鎂合金在型腔中流動屬于黏性流體流動，特別是在結晶及有氧化膜出現時有黏度增大的現象。液態鎂合金在型腔中流動屬于黏性流體，流動屬于非穩態流動。隨著液流溫度的降低，液體黏度增加，流動阻力增大。資料表明，液態鎂合金在砂型型腔中的流動屬于多孔管的流動，有可能將外界氣體卷入。液態鎂合金在型腔中流動屬于紊流流動。鎂合金對鑄型的充填能力和合金本身的流動性、液態金屬的過熱度、金屬本身的氧化傾向有關。鎂合金凝固收縮大，鑄件易產生縮孔及疏松。因此，工藝上要求順序凝固。生產中，常選用合適的鑄型材料來實現這種凝固制度。各鑄型材料的熱物理性能見表2-39。

2.2.1.2　澆冒系統

ZM-6是鑄造鎂合金中一種重要的合金，工業生產中以砂型鑄造為主。鎂-鋁合金具有較寬的凝固區間，因此在澆鑄時易形成縮孔，降低合金的組織完善性。王狂飛等根據鎂合金鑄造的特點和工藝要求，采用開放-封閉式澆鑄系統以及設置冒口等，成功地試制生產出該類零件。同時，也確定了合理實用的鎂合金砂型鑄造工藝。在鑄件澆冒系統設計時，應該注意合理設計澆鑄系統：澆鑄系統設計要防止金屬液體的飛濺和沖擊，并要加強鑄件的順序凝固。澆鑄系統的比例推薦為：對大型鑄件，F_直:F_橫:F_內取1:（3～5）:（3～8）；對中型鑄件，F_直:F_橫:F_內取1:（2～4）:（3～6）；對小型鑄件，F_直:F_橫:F_內取1:（2～3）:（1.5～1.4）。直澆道截面積可按式∑F_直=G/［0.0443γμτ（H_均）^1/2］設計。其中F_直為總面積，cm²；μ為系數，取0.35～0.5，阻力大時取上限；G為直澆道流過的總金屬液質量，kg；τ為澆鑄時間；γ為液態金屬的密度；H_均為液態金屬的平均計算靜壓頭。采取底注方式，也可采用縫隙式。采取底注式可以形成補縮的通道，采用縫隙側注也可獲得良好的力學性能。采取合適的橫澆道及內澆口：使用橢圓截面的橫澆道以減少吸氣傾向；內澆口設計成薄而寬的形狀，以避免熱節的出現。澆口截面要允許液體有足夠大的充型率，減小金屬進入鑄型的流動速度，否則會造成沖砂或充型不足。表2-40為內澆口的厚度。采取分層澆鑄：分層澆鑄是指逐層澆入合金液。待第一層液體快凝固時再澆入第二層合金液，這樣可實現第二層合金液對第一層液體凝固收縮進行補充。采用明冒口：采用尺寸足夠大的明冒口，使其能在鑄件凝固時發揮補縮作用，要在近于內澆口及被補縮的部位放置。ZA-27合金凝固范圍很寬，而且對凝固收縮十分敏感。因此，鑄件的設計（不同厚度的分布）和冒口的安放應能保證準確的定向凝固。冒口可用補充加熱的方法來保溫，也可采用澆鑄后向冒口補注金屬的方法來保溫。鑄件冒口尺寸設計一般采用模數法，其比例為：M_件:M_冒頸:M_冒=1:（1.1～1.5）:（1.2～1.8）。多采用池型澆口杯。

2.2.1.3　重力鑄造中的其他注意事項

砂型鑄件是鎂合金用得最多的方面，鑄造時應遵循某些由鎂的物理性質和化學活性所決定的一般原則。在型砂中必須加入適當的抑制劑以避免熔融的鎂和汽之間的反應而放出氫，對生砂或充二氧化碳提高結合力的砂用硫作抑制劑，而對合成砂也加入化合物如KBF和KSiF₆。對某些砂也用硼酸，它既有助于成形又由于能包覆砂粒而作為可能的抑制劑。金屬的流動要盡可能平滑以減少氧化。由于鎂的密度低，澆口和冒口輔助填充模子的壓頭較小，砂子要有滲透性，模子必須很好地開排氣孔以排出空氣。鎂的體積熱容量較低，所以需要有大的冒口以維持較熱金屬的熔池，因此需要為這些冒口和進料系統供應合金，澆鑄的金屬對實際鑄件的體積比對鎂合金來說可能平均高達4:1。

硬模鑄造過程和砂型鑄造相同，但是較快的凝固速率會得到較細的晶粒以及較高的力學性能。壓鑄件既用熱室法也用冷室法生產。在這里鎂的體積熱容量小是一個優點。因為與鋅或鋁相比，鎂從金屬模具吸收的熱較少，因而有可能提高生產率。鋅、鋁和鎂冷室壓鑄相對速率各為1.0:1.6:1.9。

由于凝固過程中生成的氧化皮具有一定的抗氧化作用，尤其是添加了微量鈹的合金表面的保護性能更好，所以合金錠在后處理時不能打磨，只需用鐵刷子將錠表面的毛刺去掉就可以。

2.2.1.4　鎂合金型砂性能控制

鎂合金的型砂要求與鋁合金基本相同，但是由于鎂的易氧化性，因此必須提高型砂的防燃能力。資料表明，鎂合金鑄造生產中使用的輔助材料有硫黃、硼酸（HBO₃）、氟附加物（NH₄BF₄·NH₄HF·NH₄F）、烷基磺酸鈉（RSONa）等，用以防止鎂熔體在澆鑄及充填鑄型時發生氧化、燃燒。常在型砂中加入燃燒保護劑烷基磺酸鈉3％～4％和1.5％～2.5％硼酸。型砂中也可加入2％～4％的RSONa和1.5％～2.5％的HBO₃，保證在充填鑄型過程中防止鎂的燃燒。RSONa為開鏈結構化合物，加熱到270℃時鏈會斷裂分解出SO₂、CO₂等防護性氣體。另外，能和鎂熔體反應生成MgS等致密膜（致密度系數a=0.95），代替疏松的MgO膜，減緩鎂熔體的氧化。HBO₃受熱后即脫水生成硼酐（B₂O₃），它與鎂反應還原出硼，與鎂形成致密的Mg₃B₂保護膜，B₂O₃還可與熔體表面的MgO反應，生成MgO·B₂O₃，它是致密的釉質保護膜，能防止鎂熔體的燃燒。針對鎂合金SLS覆膜砂型鑄造過程中存在的局部燃燒及大量燒蝕等問題，李偲偲等提出了在SLS覆膜砂材料中添加含硼酸、碳粉及硫鐵礦粉等的復合阻燃劑，并采用SLS覆膜砂型進行了鎂合金鑄件的快速鑄造，研究了鎂合金與SLS覆膜砂型砂芯之間的界面反應，并對SLS覆膜砂型的阻燃機理進行了分析。結果表明，添加復合阻燃劑SLS覆膜砂型鎂合金鑄件表面光滑，有金屬光澤；金屬液與SO₂/CO₂氣體之間起皺后體系能量增加，變形不能夠自發進行，氧化膜不易起皺破裂，表面組織致密。

氟附加物與鎂熔體接觸后即分解出HF、NH₃等防護性氣體，并在鎂熔體表面形成致密的MgF₂及Mg₃B₂保護膜，具有良好的防護作用，但由于產生大量的氟化物氣體，這些有害氣體嚴重損害人們的身體健康，腐蝕廠房設備，污染環境，近年來已基本被烷基磺酸鈉所取代。

鎂合金熔體一般不用石墨坩堝或耐火材料爐襯（坩堝），因為SiO₂與鎂生成不溶于鎂熔體的Mg₂Si，是鎂合金中最有害的雜質，降低合金的塑性及抗腐蝕性，故爐料中的砂料必須清理干凈，以防止硅進入鎂熔體中，生產上一般使用鑄鋼或鋼板焊接坩堝，因為鐵在鎂熔體中的溶解度極小。表2-41為兩種典型濕型砂的成分及性能。

2.2.2　永久型鑄造

2.2.2.1　鎂合金永久型的概念及技術標準

永久型鑄造是將液態金屬澆鑄到金屬鑄型或石墨型中并依靠重力充型的一種鑄造方法。這種方法用來生產具有良好表面質量的精密鑄件，可制尺寸小到25mm大到1.3m的鑄件。美國鎂合金永久模鑄件標準的說明定義了永久模鑄造，它是將熔化金屬在重力作用或低壓作用下注入用耐用材料如鐵或鋼制成的模具，凝固得到金屬制品的過程。在輕合金永久型的鑄造中，鎂合金的鑄造難度較大，這是由于鎂合金的結晶溫度范圍較寬、熱容小、容易氧化等導致鑄件質量很難控制。而且鎂合金一般是密排六方晶體結構，冷加工困難，因而鑄造鎂合金在工業生產中占有很大的比重。另外，鎂合金鑄造中，晶粒細化的措施很少，更有必要通過金屬型鑄造來細化組織，提高性能。陳健美研究了熱管在輕合金永久型鑄造中的行為、作用、利用潛力和應用的基本形式，特別提出了一種新穎的采用熱管技術制備鎂合金鑄管的方法以及一種輕金屬半固態鑄錠制備的改進方法，闡明了高溫熱管技術在永久型鑄造冷卻控制中的應用價值。

（1）取樣及對合金的成分要求　鑄件應具有均勻的質量和條件，避免裂紋和其他有害的缺陷，在檢測前鑄件應用吹砂或其他可行的方法清理干凈。若在鑄件澆鑄時取樣，在每907kg的金屬液中至少取一個試樣。當從鑄件或測試棒上取樣時，除了要求的每個鑄件取一個試樣外，在船運的產品中還應該每907kg取一個代表試樣。決定化學成分的試樣的取法應與下面的方法中的一種保持一致，即化學分析試樣應該通過鉆、鋸、磨、車削或刨削等方式從材料中取下來，通過上述方式取得的試樣質量不少于75g。在對光譜化學分析法或其他分析法取樣時，應采用適合于材料分析形式和類型的方法。

材料的化學成分應與表2-42所列合金化學成分保持一致。當鑄件澆鑄時，通過分析試樣決定其化學成分的一致性，或分析從完成的產品中取得的試樣決定化學成分的一致性。如果在制造的過程中已經決定了產品的化學成分，那么就沒有必要對成品取樣和分析了。

（2）合金的力學性能要求　拉伸要求試樣的個數為每907kg澆包中至少取一個拉伸試樣來代表同一澆包澆出的鑄件。如果鑄件要求熱處理，試樣應隨相同合金的成品鑄件進行同樣的回火熱處理，然后，測試試樣，判斷試樣的熱處理是否與相應的澆包中的金屬熱處理特性相一致。每一熱處理爐燃燒室內至少包括一個與產品同時澆鑄的拉伸試樣，這樣的試樣應與鑄件有相同的合金和相同的回火熱處理。最后，通過測試這些試樣來判斷給定爐內熱處理工件的質量。如果從鑄件上取測試棒，取測試棒的數量和位置應事先在供應商和用戶之間達成一致意見。表2-43中的性能極限是基于對每個測試棒的鑄造張力數據的分析基礎上的，并且建立在至少有99％的數據基礎上。拉伸試樣應用永久模獨立鑄出，測試前試樣不應機加工，除了給測試機的夾具留夾緊末端，用這種方式以確保軸向載荷。假如，一些拉伸試樣不適合拉伸機或出現了缺陷，應該報廢這些試樣，用另外的試樣來代替，而這些另外試樣與報廢的試樣是經過同樣的熱處理或是從同一包中澆出來的。

表2-44中給出了不同合金的最小屈服強度值，同時給出了根據彈性模量的“加載拉伸法”的相應單元變形，E=44800MPa。表2-45所示的典型布氏硬度數值可以通過使用10mm球和500kgf的砝碼來得到，表中數據僅供參考。在鑄件的船運和儲存過程中，鉻酸洗可提供適當的保護，防止腐蝕和生銹。酸洗后，鑄件將變為灰色或黃色，這些取決于合金和條件。含有金屬添加劑的鑄件不推薦用鉻酸洗，這樣的鑄件裝船前不應表面處理或涂潤滑化合物來保護。

2.2.2.2　鎂合金永久型鑄造工藝的特點

鎂合金所用的金屬型材料可采用鑄鐵或鑄鋼。在金屬型鑄造的合金中，沿鑄型散熱方向生長的枝晶具有合適的生長速率。因此，鑄件的力學性能良好（尤其是伸長率）。金屬型的類型很多，按分型面的位置劃分有整體金屬型、水平分型金屬型、垂直分型金屬型及多面金屬型。整體金屬型無分型面，適用于外形簡單、有較大斜度的中小鑄件。水平分型金屬型由兩半型扣合而成。這種鑄型在生產中用的較為廣泛。垂直分型金屬型由垂直的兩半型組成。這種鑄型排氣容易，散熱性好，開閉方便，適用于軸線對稱形狀的鑄件。

金屬型鑄造時，根據所用涂料，預熱鑄型至一定溫度；給鑄型涂刷涂料（最好用噴槍）；鑄型加熱至230℃（有時到300℃），若低于該溫度，就不能保證枝晶的正常生長；根據鑄件種類，在高于液相線100～150℃的溫度下澆鑄；澆鑄完后，向冒口中注入高溫金屬使冒口和補縮通道最后凝固。這樣就可以得到較好的順序凝固。必要時，還可以重新加熱冒口；冒口凝固后即可脫模。在上述鑄造過程中，特別要注意以下幾個方面。

（1）涂料　鎂合金涂料的配制方法：將硼酸溶解于沸騰的水中，然后將耐火粉料用熱水攪拌成糊狀，再將硼酸水加入，仔細攪拌均勻，冷卻到30℃，再加入水玻璃。

（2）金屬型預熱　金屬型預熱的目的是避免液態金屬因冷卻速度過快而造成的氣孔、冷隔、澆不足及縮孔等缺陷，另外也有保護鑄型、延長使用壽命的作用。對于一般鑄件，鑄型預熱溫度為200～350℃，工作溫度為200～350℃；對于薄壁復雜件，預熱溫度為300～400℃，工作溫度為300～400℃；對于金屬芯，預熱溫度為300～400℃，工作溫度為300～400℃。

（3）充型時間及澆鑄溫度　鎂合金的充填時間通常與鋁的充填時間基本相同。鎂合金的澆鑄溫度為720～780℃，在個別情況下可低于720℃。

（4）鑄件脫型溫度及時間　由于金屬型無退讓性及大量吸熱，因而鑄件可早些從鑄型中取出。如果停留時間過長，鑄件會因產生的鑄造應力而開裂。鎂合金在澆冒口基本凝固完畢，即可抽芯開型。

鎂合金金屬型鑄造斜度對外表面為不小于1°，對內表面不小于2°。鎂合金金屬型可采用蛇形澆鑄系統，其澆道截面尺寸與直澆道高度見表2-46。鎂合金金屬型鑄件的最小壁厚為25mm。鑄件的內孔尺寸為6～8mm，不穿透孔的深度為9～12mm，穿孔深度為12～20mm。鎂合金的冒口盡量使用明冒口，高度不小于60mm。

2.2.3　鎂-鋁合金的石墨型鑄造

在石墨型鑄造的合金中，石墨型鑄型預熱溫度不像金屬型那樣高，因此鑄造鋅-鋁合金中組織的枝晶并不很大。采用石墨砂型鑄造鎂合金，可在不加防燃保護劑的條件下獲得質量優良的鑄件。有人為了探討石墨砂型鑄造鎂合金的防燃保護機理，對石墨砂型鑄造鎂合金ZM-5的表面保護膜進行了研究。試驗設備為英國Kratos公司生產的XSAM800型X射線光電子能譜儀，光電子激發源是MgKa X射線，光電子能量為1253.6eV。試驗中考慮到氧化態鎂峰在金屬態鎂峰所在處的貢獻比較小，可以根據金屬態鎂峰位置處總的鎂的譜峰的高度，將鎂的譜峰中金屬態鎂原子和氧化態鎂原子的貢獻解疊開來。為此用基體得到的鎂峰作為標準的金屬態鎂峰并求出它的面積（即積分強度）與峰高之比。將鎂的總譜峰中金屬態峰所在處的高度乘以上述標準金屬態鎂的面積與峰高比，即得總的鎂2P譜峰中金屬態鎂峰的貢獻，總的鎂2P峰減去求得的金屬態鎂峰的貢獻，余下的即為氧化態鎂的貢獻。試驗結果表明，鎂合金的表面氧化膜的組成結構劃分為表面層、中間層和過渡層，表面層是Mg（OH）₂及MgO，中間層主要是MgO，而過渡層含有大量的金屬Mg和少量的MgO。表面層和中間層氧化得較為完全，統稱為氧化膜的阻擋層。這一層的厚度可看作保護膜的實際厚度。石墨砂型鑄造鎂合金時，表面氧化膜中由于C原子的滲入而形成MgO+C復合膜，其致密度較好，具有良好的防燃保護性能。

石墨型的設計原則與金屬型基本相同。石墨型材料的質量對石墨型鑄造極為重要，因此要求石墨型的材質應具有高的力學性能及耐磨損性；密度要高、氣孔要少，從而使鑄型具有良好的導熱性，表面狀態良好（通常鑄型表面要拋磨）。

澆鑄溫度應高于液相線50℃，但是不應超過液相線150℃。鑄型上涂一層濕石墨粉，以免金屬向顯微孔隙中滲入。用涂料涂覆澆道和冒口，以保證鑄件的順序凝固。這種鑄造工藝適用于生產中型鑄件。石墨型的密度較小，可在小型自動澆鑄機上應用，生產效率明顯高于非自動化金屬型鑄造。

2.2.4　鑄型凈化技術

鎂合金的復合凈化技術是發展的方向。有人在溶劑和吹氬氣的基礎上增加了合金液的過濾環節。使用的過濾元件為鐵絲網和多孔陶瓷塊。合金的澆鑄溫度在720～730℃范圍。試驗表明，經過復合凈化處理，AZ91的抗拉強度和伸長率分別為206MPa和5.21％。他們分析認為，對金屬熔體進行過濾有三方面的作用：一是過濾器上的空隙能阻擋夾雜物顆粒；二是能使細小的顆粒沉淀于過濾器內部的邊角處；三是過濾器骨架具有較大的比表面積，能夠吸附微細的雜質。