鎂合金熔模鑄造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀（一）

簡介：鎂合金是目前使用最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空航天輕量化方面具有良好的應(yīng)用前景。隨著應(yīng)用技術(shù)和要求的提高，航空航天領(lǐng)域使用的零件逐漸向精密化、薄型化和集成化方向發(fā)展。與傳統(tǒng)的鎂合金鑄造方法相比，熔模鑄造技術(shù)在生產(chǎn)精密復(fù)雜的薄壁零件方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。鎂合金熔模鑄造能更好地滿足航空航天零件的要求。介紹了鎂合金的成形技術(shù)，重點(diǎn)綜述了熔模鑄造技術(shù)及存在的金屬-模具界面反應(yīng)問題和研究現(xiàn)狀。

模具熔模鑄造

　　鎂及其合金具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，良好的機(jī)械加工性和尺寸穩(wěn)定性，以及良好的電磁屏蔽性能。鎂合金已經(jīng)應(yīng)用于汽車制造、航空航天、電子通信等各個(gè)領(lǐng)域。在輕量化工程中具有巨大的應(yīng)用潛力。早在20世紀(jì)40年代，美國就曾將鎂合金應(yīng)用于戰(zhàn)斗機(jī)零部件，以降低機(jī)身質(zhì)量；幾乎與此同時(shí)，在20世紀(jì)50年代，鎂合金被用于中國的飛機(jī)和導(dǎo)彈蒙皮以及發(fā)動(dòng)機(jī)外殼。目前，航天領(lǐng)域使用的鎂合金絕大多數(shù)為鑄造鎂合金，主要鑄造方法為壓鑄，少數(shù)為重力鑄造。隨著應(yīng)用技術(shù)和要求的提高，航空航天領(lǐng)域的零部件正朝著精密化、薄壁化和大規(guī)模集成化方向發(fā)展。傳統(tǒng)的鎂合金鑄造工藝面臨著越來越復(fù)雜的零部件，存在開模困難、鑄造工藝復(fù)雜等問題。與傳統(tǒng)的鑄造方法相比，熔模鑄造技術(shù)具有非常適合生產(chǎn)這些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄壁和厚度可變的零件的技術(shù)特點(diǎn)。該鑄造技術(shù)的研發(fā)對鎂合金在航空航天領(lǐng)域的未來應(yīng)用具有重要意義。

　　1鎂合金成形技術(shù)

　　鎂合金成形技術(shù)包括鑄造和塑性成形。鑄造包括砂型鑄造、定型鑄造、消失模鑄造、壓力鑄造、熔模鑄造、擠壓鑄造和新型半固態(tài)鑄造。其中，砂型鑄造和壓鑄應(yīng)用最廣泛，適應(yīng)性好，可用于大、小、單、批量生產(chǎn)。塑性成形是指通過擠壓、軋制、鍛造和熱處理等手段獲得目標(biāo)形狀、組織和性能。與鑄造成形相比，塑性變形獲得的鎂合金缺陷少，力學(xué)性能較好，但鎂合金室溫塑性成形性差，加工成本較高。隨著鎂合金鑄造成形技術(shù)的不斷發(fā)展，鑄造成形仍然是商用鎂合金的主要成形方法。目前，商業(yè)上使用的鎂合金90%是鑄造鎂合金。

熔模鑄造模具

　　2鎂合金熔模鑄造

　　熔模鑄造可以獲得機(jī)械性能與普通鑄件相當(dāng)、表面質(zhì)量和尺寸精度更高的鑄件。特別是對于大型復(fù)雜的薄壁鑄件，熔模鑄造有其獨(dú)特的優(yōu)勢。熔模工藝包括蠟?zāi)褐?、裝模焊接、脫脂、制殼、脫蠟焙燒、熔化澆注、清殼、拋光精加工、無損檢測等工序。熔模鑄造具有以下優(yōu)點(diǎn)：適用于生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件；熔模鑄造可近凈成形；適用于各種薄壁復(fù)雜鑄件的生產(chǎn)。鎂合金用于航空航天結(jié)構(gòu)件可以有效減輕飛機(jī)重量。這些飛機(jī)上的一些零件不僅是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁零件，而且要求尺寸精度高、表面光滑。目前，航空航天領(lǐng)域使用的鑄件趨向于精密化、輕量化、集成化和緊密成型。鎂合金與熔模鑄造技術(shù)的結(jié)合不僅可以實(shí)現(xiàn)輕量化，還可以滿足航空航天零件的高要求。

　　2.1鎂合金熔模鑄造中的界面反應(yīng)

　　鎂是一種化學(xué)性質(zhì)極其活躍的金屬，熔融金屬鎂液會與空氣接觸，容易燃燒。此外，熔模鑄造的殼體材料和結(jié)合材料中含有大量的氧化物，導(dǎo)致鎂與熔模鑄造的殼體發(fā)生高活性反應(yīng)。這種界面反應(yīng)會降低鑄件的表面質(zhì)量，嚴(yán)重的金屬-模具反應(yīng)會直接報(bào)廢鑄件。從而大大限制了鎂合金熔模鑄造的應(yīng)用。鎂合金在熔融狀態(tài)下與氧或含氧化合物發(fā)生放熱反應(yīng)。

　　鎂合金熔模鑄造中金屬-模具界面反應(yīng)有三種類型：熔融金屬與型殼反應(yīng)。高溫熔融金屬倒入模殼時(shí)，可能直接與模殼材料發(fā)生反應(yīng)，或分解模殼產(chǎn)生氣體，或在界面之間形成薄膜，也可能分解成游離原子后與合金液發(fā)生反應(yīng)；(2)熔融金屬分解殼體材料，然后熔融金屬與分解的物質(zhì)反應(yīng)；熔融金屬與模具氣氛發(fā)生反應(yīng)，澆注前用保護(hù)氣體沖洗模腔。如果沖洗不充分，空腔中的殘余空氣將與高溫金屬發(fā)生反應(yīng)。例如，鎂液在高溫下與空氣中的N2或O2反應(yīng)。

　　為了減緩和消除熔融鎂與型殼的界面反應(yīng)，研究人員探索了多種方法。現(xiàn)有的研究報(bào)告主要包括：氣體保護(hù)阻燃劑；阻燃劑；(3)選擇合適的耐火材料制作外殼，以獲得阻燃性。

熔模鑄造模具

　　2.2氣體保護(hù)阻燃方法

　　氣體保護(hù)阻燃法主要有兩種保護(hù)機(jī)理。一方面，趕走型腔內(nèi)的空氣和水分，形成保護(hù)氣氛，隔絕鎂熔體與大氣的接觸；另一方面，氣體與Mg或MgO反應(yīng)形成密度更高的產(chǎn)物，填充在鎂熔體的氧化膜之間，提高氧化膜的密度，防止金屬與空氣進(jìn)一步反應(yīng)。常用的阻燃保護(hù)氣體有SF6、CO2和SO2。目前，SF6是研究最多的一個(gè)。其保護(hù)機(jī)制是氣體中的S和F與Mg或MgO反應(yīng)生成MgF2，增加了多孔氧化膜的密度，降低了孔隙率，使Mg原子更難穿透氧化膜。

　　一般SF6以CO2、Ar、N2等氣體為載體，形成混合保護(hù)氣體。ARRUEBARRENA  G等人[6]使用與CO2混合的9% SF6進(jìn)行無氧化物鑄造。ZHANG  Z等以二氧化硅和氧化鋯為結(jié)合劑制作了兩種陶瓷殼體，并選用AZ91鎂合金，比較了1% SF6和CO2形成的混合氣體和1% SF6對殼體-金屬反應(yīng)的抑制作用。研究結(jié)果表明，CO2和1% SF6的混合氣體對兩種類型的殼體都能達(dá)到良好的保護(hù)效果，獲得光滑的鑄件表面。由混合保護(hù)氣體和鎂液形成的保護(hù)層的密度隨著SF6濃度的增加而增加?，F(xiàn)有的研究結(jié)果表明，SF6的阻燃防護(hù)效果比較好，但SF6是一種有害的溫室氣體，其溫室效應(yīng)是CO2的23 900倍，在一些國家已經(jīng)被法律法規(guī)限制或禁止。SO2的阻燃機(jī)理與SF6相似。鎂熔體與SO2反應(yīng)生成氧化鎂，氧化鎂與氧化鎂復(fù)合形成致密的表面膜，防止進(jìn)一步反應(yīng)。SO2雖然不產(chǎn)生溫室效應(yīng)，但有毒，會危害生產(chǎn)工人的健康。

　　目前研究表明，新型HFC-143a氣體是一種環(huán)保氣體，無毒無害，對鎂熔體有很好的保護(hù)作用。