＊賈海龍 丁家源 查敏 王慧遠

（吉林大學材料科學與工程學院 汽車材料教育部重點實驗室 吉林 130025）

鎂合金具有較高的比強度、比剛度以及良好的阻尼和電磁屏蔽等性能，被譽為“21世紀綠色工程材料”。鑄造鎂合金具有生產效率高、精度高、表面質量高等優(yōu)勢，廣泛應用于汽車零件、機件殼罩等?？刂奇V合金凝固組織對于鎂合金強韌化具有重要意義。液態(tài)金屬在壓力作用下充型和凝固，可細化晶粒，使鑄件獲得強制性補縮，減少氣孔縮孔等鑄造缺陷，提高鑄件力學性能。本文主要介紹三種鎂合金壓力下凝固技術的相關研究進展，包括低壓鑄造、壓力鑄造和擠壓鑄造。

1.低壓鑄造鎂合金

(1)低壓鑄造原理及熔體保護

低壓鑄造技術是液態(tài)金屬在反重力作用下，從下至上進入型腔的一種鑄造方法。低壓鑄造具有充型平穩(wěn)、順序凝固等優(yōu)點，充型壓力一般為20～60kPa。低壓鑄造原理如圖1所示。

由于鎂化學性質十分活潑，與空氣接觸極易燃燒、氧化，所以低壓鑄造充型過程中，必須對金屬液進行保護。常見的保護方法有溶劑保護法、氣體保護法和合金保護法。

溶劑保護法，即在金屬液表面形成保護層，隔絕空氣。目前，具有代表性的保護熔劑有美國的Dow230和Dow234、英國的Standard MZ等，國內有上海交通大學研制的JDMF覆蓋劑和JDMJ精煉劑等。

氣體保護法，一般為CO2和SF6混合氣體。李新雷等[1]發(fā)明了一種適用于大型低壓鑄造鎂合金構件的金屬液保護方法。通過傳感器配合控制電路對熔煉爐內各保護氣進行實時檢測，動態(tài)調整各保護氣氣壓，實現了鎂合金熔體的良好保護。

合金保護法指的是添加特定的元素來影響鎂合金氧化的熱力學反應與動力學過程，使鎂合金在熔煉過程形成致密氧化膜，達到阻燃的目的。目前，合金化阻燃元素主要有：Ca、Be、稀土、Bi和Zn等。

(2)低壓鑄造技術

低壓鑄造充型平穩(wěn)，且在壓力作用下可以實現較好的補縮效果，使得鑄件具有較好的力學性能。研究發(fā)現，與重力鑄造相比，低壓鑄造可顯著細化AZ91鎂合金晶粒，使部分Mg17Al12相由塊狀轉變?yōu)榍驙頪2]。此外，壓力有利于凝固后期金屬液補縮，提高凝固組織致密度。

目前，基于反重力鑄造與真空消失模鑄造相結合，已研發(fā)出一種新型鎂合金真空低壓消失模鑄造方法及設備[3]。鑄造成形過程中金屬液在真空和氣壓的雙重作用下澆注充型，大大提高了液態(tài)鎂合金的充型能力，有效克服了重力消失模中常出現的澆不足、冷隔等缺陷。然而，采用真空低壓消失模鑄造工藝進行鎂合金鑄造，真空度和氣壓的雙重作用使充型過程的控制變得更為復雜，鑄件易出現孔隙類缺陷。

2.鎂合金擠壓鑄造

(1)擠壓鑄造原理

擠壓鑄造是金屬液在低速充型過程中施加壓力并持續(xù)保壓以獲得組織致密鑄件的鑄造技術（保壓壓力一般為50～100MPa）。通常根據壓力對金屬液的作用形式，擠壓鑄造分為直接擠壓鑄造和間接擠壓鑄造。直接擠壓鑄造指壓力直接通過壓頭作用于金屬液表面，一般多用于形狀簡單的鑄件。間接擠壓鑄造是壓力通過澆道間接作用于液態(tài)金屬上，可以獲得精度較高的鑄件。然而，間接擠壓鑄造壓力的作用效果不如直接擠壓鑄造，鑄件內部缺陷相對較多，其原理圖如圖2所示。

(2)擠壓鑄造技術研究進展

影響擠壓鑄造鑄件性能的主要因素有合金成分、壓力、澆鑄溫度以及模具溫度等[4]。壓力對于擠壓鑄造鑄件的主要影響有兩點：提高壓力可以改善氣孔縮孔等鑄造缺陷，提高合金致密度。Chen等[5]研究了重力鑄造、擠壓壓力鑄造和流變擠壓鑄造對AZ91組織和性能的影響。研究表明，相較于重力鑄造，擠壓鑄造可以顯著細化組織晶粒，減小二次枝晶臂距離間距。Goh等[6]研究了不同擠壓鑄造壓力對AZ91-Ca合金擠壓鑄造鑄件顯微組織和力學性能的影響。結果表明，當壓力從83MPa增加到111MPa時，鑄件的二次枝晶臂減小，鑄件抗拉強度由177MPa提升到194MPa。此外，隨著壓力增加，孔隙率降低。

Yong等[7]對Mg-4.2Zn-1Re合金及Mg-4.2Zn-1RE-0.7Zr合金的擠壓鑄造工藝條件進行了優(yōu)化（壓力范圍：0.1～120MPa，澆注溫度：720～780℃，模具溫度：225～275℃）。結果表明，增大擠壓壓力可以使合金凝固加快，有效細化晶粒。當擠壓鑄造壓力從0.1MPa升高到60MPa時，晶粒尺寸由127.5μm減小到21.0μm。此外，增大擠壓鑄造壓力可顯著降低鑄件孔隙率，使得鑄件的抗拉強度顯著提升。但是，擠壓鑄造壓力超過60MPa時，較大的擠壓壓力消除了合金內部大部分孔隙缺陷，繼續(xù)增加擠壓壓力時，擠壓鑄造Mg-4.2Zn-1RE鑄件的抗拉強度基本保持不變。

Wang等[8]研究了擠壓鑄造壓力對Mg-4.2Zn-0.7Y合金組織和力學性能的影響。不同壓力下鑄態(tài)組織均為α-Mg和準晶Ⅰ相。當壓力從50MPa增加至100MPa時，抗拉強度和伸長率分別從178.2MPa和4.3%增加至215.7MPa和6.7%，分別提高了21.0%和55.8%。但是，繼續(xù)增加壓力至150MPa時，晶粒尺寸并未進一步減小，顯微組織變得不均勻，使合金抗拉強度和伸長率分別下降至196.8MPa和3.7%。

因此，高擠壓鑄造壓力會使合金致密度增大，細化晶粒，可以顯著提升鎂合金力學性能。但是，當壓力超過一定范圍后，對性能提升不明顯甚至下降，并且會加劇模具的損壞。

澆鑄溫度對鑄件性能主要有兩方面影響：提高澆鑄溫度可以改善金屬液的流動性，減少鑄造缺陷；提高澆注溫度會使晶粒長大，可能會造成鑄件力學性能降低。

Zhang等[9]研究了澆注溫度對擠壓鑄造AZ91-Ca鑄件性能的影響。澆鑄溫度從700℃降低到600℃時，雖然晶粒由明顯的枝晶態(tài)轉變?yōu)樯徸鶢?，但共晶組織的體積分數基本不隨溫度的變化而改變。降低澆注溫度對力學性能的提升作用不大。Mo等[10]發(fā)現，隨著澆鑄溫度的降低，擠壓鑄造Mg-12Zn-4Al-0.5Ca合金晶粒尺寸逐漸減小，但鑄件孔隙率增加。隨著澆注溫度降低，抗拉強度和伸長率均先增加后減?。ㄔ?50℃時出現峰值），屈服強度隨澆鑄溫度降低而降低。擠壓鑄造Mg-12Zn-4Al-0.5Ca合金的最佳澆鑄溫度為650℃，抗拉強度、屈服強度、伸長率分別為211MPa、113MPa和5.2%。Wang等[11]發(fā)現，當澆鑄溫度從720℃下降到680℃時，擠壓鑄造Mg-10Gd-3Y-0.5Zr合金晶粒并沒有得到明顯的細化，第二相的分布變得不均勻；當溫度從680℃下降至640℃時，相較于澆鑄溫度為720℃時，晶粒有一定程度的細化，但第二相分布更為不均勻，但在不同澆注溫度下第二相分數都保持在9%。澆鑄溫度從720℃下降至680℃時，拉伸屈服強度基本不變，但抗拉強度和伸長率分別下降到220MPa和1.85%；當澆注溫度進一步降低到640℃時，拉伸屈服強度提升至158MPa，而抗拉強度和伸長率下降至213MPa和1.49%。

Pavel等[12]綜合研究了3種鑄造工藝（重力鑄造、液態(tài)擠壓鑄造和半固態(tài)擠壓鑄造）對Mg-3Zn-2Ca合金組織和性能的影響。液態(tài)擠壓鑄造和半固態(tài)擠壓鑄造工藝都可顯著提高合金的致密性、細化晶粒、改變第二相的分布和尺寸；進一步熱處理后，Mg2Ca相轉變?yōu)楸籆a2Mg6Zn3相薄殼包圍的球體；Ca2Mg6Zn3相中的Zn原子擴散到α-Mg固溶體中，抗拉強度和延展性提高。

3.壓力鑄造

(1)壓力鑄造原理

壓力鑄造是金屬液在高壓（一般為15～100MPa）作用下，以較快速度（一般可達10～100m/s）充填型腔，并且在高壓下凝固的技術，其原理如圖3所示。目前，壓鑄是鎂合金領域應用最廣的成型技術。壓力鑄造主要有以下優(yōu)點：

①生產效率高，常見的冷室壓鑄機一小時可以進行50～90次壓鑄；

②壓鑄件的尺寸精度和表面質量高，可以制備復雜形狀的薄壁件；

③力學性能好。壓鑄過程中鑄件冷卻速度快，又在壓力作用下結晶，晶粒顯著細化，力學性能提高。然而，壓鑄也存在一些缺點：壓鑄過程中，金屬液充型速度快，一般壓鑄條件下鑄件內部存在較多氣孔，無法通過熱處理進一步提高鑄件性能。此外，壓力鑄造鑄型復雜、成本高，一般僅適合于較大批量生產。因為在高壓下凝固，壓力鑄造對鑄型材料的抗熱變形和熱疲勞強度的要求很高，壓鑄高熔點合金時模具壽命較低。

Hrishikesh等[13]分別采用重力鑄造擠壓鑄造和壓力鑄造制備了AZ91合金鑄件，三種鑄件組織均由α-Mg相和Mg17Al12相構成。壓力鑄造鑄件具有最精細組織，擠壓鑄造鑄件其次，重力鑄造組織最粗大，但壓力鑄造組織中存在孔隙缺陷限制了其力學性能。

(2)壓力鑄造技術

針對傳統(tǒng)壓鑄工藝存在的缺點，研究人員開發(fā)出了一些新的壓鑄技術：真空壓鑄法、充氧壓鑄法和半固態(tài)壓鑄等，可顯著減少鑄件的缺陷。真空壓鑄是在壓鑄過程中抽除型腔和壓室內的氣體，從而減少鑄件的氣孔缺陷，提高鑄件質量的壓鑄工藝。戚文軍等[14]利用真空壓鑄制備了AZ91合金鑄件。相較于普通壓鑄，真空壓鑄鑄件氣孔和縮松量降低70%，抗拉強度提高了17.8%，屈服強度和伸長率也分別提高了17.8%和37.9%。

充氧壓鑄又稱為無氣孔壓鑄，是通過在模具型腔內部通入氧氣或其他活潑氣體，置換型腔內部空氣，當金屬液與氣體接觸后形成氧化物彌散分布在鑄件內部，以達到消除氣孔的目的，并且鑄件可進行后續(xù)熱處理進一步提升性能。充氧壓鑄需要嚴格控制充氧時間和壓力，避免金屬液過度氧化。Kang等[15]對Mg-Al系合金采用充氧壓鑄技術與傳統(tǒng)壓鑄技術對比，發(fā)現充氧壓鑄技術可以使氧原子和鎂原子結合為氧化鎂，在壓力和流動條件下可以彌散分布為α-Mg提供形核位點，細化Mg-Al系合金晶粒；此外，充氧壓鑄可以明顯減少Mg-Al系合金鑄件中缺陷帶和氣孔的數量。

半固態(tài)壓鑄指的是先對熔體進行處理，一般是在金屬液凝固前進行劇烈攪拌，使得其在一定冷卻速度下獲得50%甚至更高固體比例的漿料，用此漿料進行壓鑄獲得鑄件。李東南等[16]研究了半固態(tài)流變壓鑄AZ91D合金的組織與性能。研究表明，半固態(tài)壓鑄使α-Mg從枝晶態(tài)轉變?yōu)轭w粒狀，使得半固態(tài)流變壓鑄AZ91D合金的抗拉強度和伸長率分別從138MPa和3.2%提升到185MPa和4.6%。

(3)壓力鑄造鎂合金體系

目前，研究較多的壓鑄鎂合金材料主要有Mg-Al系、Mg-Zn系以及Mg-RE系合金。Mg-Al系合金的優(yōu)勢在于良好的鑄造性、相對較好的耐蝕性和成形性并且成本低廉，已在多領域廣泛應用。但是，Mg-Al系合金在熔煉過程中易氧化燃燒，導致鑄件產生夾雜和氧化物等鑄造缺陷。此外，壓力鑄造不可避免地會產生氣孔與預結晶組織（ESCs），導致合金力學性能有待進一步提高。

向Mg-Al系合金中添加堿土元素或稀土元素可提高其力學性能。Sakai等[17]發(fā)現，通過向Mg-Al系合金引入適當Ca和Si元素，可形成耐高溫的Al2Ca和Mg2Si相，提高壓鑄Mg-6Al-0.2Mn-2Ca-0.3Si合金的室溫和高溫性能。Malik[18]研究了壓鑄Mg-5Al-0.4Mn-xRE（x=1、3、5）合金組織和性能的影響。其中，RE為混合稀土成分質量分數為54.8% Ce、23.8% La、16% Nd、5.4% Pr、0.16% Fe和0.19% Mg。AME501、AME503和AME505的微觀結構主要由α-Mg、Al11RE3和Al10RE2Mn7相構成。此外，也發(fā)現了一些α+γ共晶組織和Al2RE相。壓鑄可以細化合金晶粒，隨合金中的RE/Al比增加，鑄件中通過形成更多Al11RE3相抑制α+γ共晶組織，提高合金拉伸性能。

相較于Mg-Al系合金，Mg-Zn系合金有著更強的時效強化效果。但是，Mg-Zn系合金凝固范圍較寬，在傳統(tǒng)鑄造過程中易出現鑄造缺陷和熱裂傾向，鑄件質量較差。由于壓力鑄造不可避免會產生一定的氣孔，導致Mg-Zn系合金鑄造后時效強化受限。Zhang等[19]研究發(fā)現，在壓鑄AZ91合金中加入Sr可以顯著細化α-Mg和Mg17Al12相，并且形成板狀Al4Sr相抑制了Mg17Al12的析出。當引入0.2%Sr時，合金具有最佳室溫性能，抗拉強度和屈服強度達到263MPa和165MPa，延伸率為7.5%。同時由于形成熱穩(wěn)定性良好的Al4Sr相，合金的抗蠕變性能也得以改善。Wang等[20]研究了不同慢壓射速度下真空壓鑄AZ91D合金組織和性能。隨著慢壓射速度的降低，鑄件孔隙率也隨之降低，氣孔在真空壓鑄條件下主要分布于鑄件中心位置而不是缺陷帶附近。通過對比常規(guī)壓鑄與真空壓鑄可以發(fā)現，當慢壓射速度在0.1～0.15m/s范圍內時，兩種壓鑄鑄件RSCs組織的平均面積分數隨慢壓射速度增加而降低；慢壓射速度在0.15～0.2m/s范圍內時，RSCs組織的平均面積分數隨慢壓射速度增加而增加；當慢壓射速度超過0.2m/s時，RSCs組織平均面積分數則隨慢壓射速度增加而降低。

Mg-RE系鎂合金具有高強、良好的耐熱性等優(yōu)勢，但由于稀土元素含量較高，導致Mg-Re系鎂合金成本較高。Yang等[21]制備了壓鑄Mg-6Y-3Zn-1Al合金，并對其高溫力學性能進行了研究。壓鑄Mg-6Y-3Zn-1Al合金組織主要由α-Mg、（Al,Zn）2Y相、網狀長周期有序相（LPSO相）構成，并且Y與Zn的共偏析形成團簇。研究表明，在壓力作用下LPSO相產生紐結，會進一步提高對位錯運動的阻礙[22]。壓鑄Mg-6Y-3Zn-1Al合金200℃的拉伸抗拉強度為229MPa，其抗蠕變性能也優(yōu)于AE44（Mg-4Al-4Re）合金。Su等[23]發(fā)現，增加Al含量可以顯著提高壓鑄Mg-4Ce-0.5Mn合金塑性。當Al質量分數從0增加到3%，合金的延伸率從1%提升至14%；隨Al含量的增加，第二相由網狀Mg12Ce相向細小的針狀Al11Ce3相、小塊狀Al2Ce相和Al10Ce2Mn7相轉變；當Al質量分數超過3%時，第二相主要為粗大的Al11Ce3相、大塊狀Al2Ce相和Al10Ce2Mn7相。

4.總結

壓力凝固過程中對組織性能影響較大的熱力學參數。從目前的研究來看，在一定合金成分下，合理調整凝固壓力可有效細化晶粒，提高鑄件力學性能，對提高鎂合金強度具有重要意義。目前，對于鎂合金壓力下凝固技術還需從以下幾個方面開展工作：

（1）鎂合金成分對凝固組織和性能具有重要影響，亟需開發(fā)適合于不同壓力下凝固技術的系列高性能鎂合金材料。（2）加強數值模擬技術在鎂合金壓力下凝固技術中的應用，預測溫度分布、流場分布、缺陷等，開發(fā)實用性強的模擬軟件，用于生產指導。（3）開發(fā)大型壓力下凝固設備，優(yōu)化大型高性能鎂合金鑄件壓力下凝固制備工藝，減少鎂合金復雜鑄件鑄造缺陷，充分發(fā)揮壓力下凝固技術優(yōu)勢。