文：广东伊之密精密机械股份有限公司 张春凤 韦城杰
摘要：简要介绍了镁合金的特点、分类以及镁合金在汽车、3C和航空航天行业的应用，对镁合金的加工成型技术进行了系统的论述，同时介绍了镁合金液态成形的常见成型设备及优缺点。
关键词：镁合金；成形技术；应用
1. 镁合金的特点及应用
镁合金是目前工程应用中最轻的工程金属材料，作为地球上资源丰富、环保、分布广泛的金属，应用潜力很大。镁是地球上储量最丰富的元素之一，占地壳表面金属矿产资源的2.5%。海水中也蕴藏着极其丰富的镁资源。纯镁的熔点为650℃，密度为1.738g/cm3。 镁 合金具有比重轻、比强度及比刚度高、阻尼性及切削加工性好、导热性好、电磁屏蔽能力强以及减震性好和易于回收等一系列独特的性质，被认为是21世纪最富于开发和应用潜力的“绿色材料”，将成为汽车和“3C”产业的主要材料，目前镁合金的研究已成为全球性的课题。表1为镁合金与其他材料的性能比较。
2. 镁合金加工成型方法
目前，世界上有40%以上的镁直接以原镁的形势用于冶金和化工、电池等领域，其他绝大部分熔炼成工业纯镁和各种镁合金。在镁合金材料中，一般铸件和压铸件占90%以上，加工材不到10%。但是，目前国内外都在积极开展镁合金加工材的应用开发，可以预见，在不久的将来，镁合金加工材的生产和应用将会有迅速的增长。
传统的金属成型主要分为两类：一类是金属的液态成型，如铸造、液态模锻、液态轧制、连铸等；另一类是金属的固态成型，如轧制、拉拔、挤压、锻造、冲压等。在20世纪70年代美国麻省理工学院的M.C.Flemings教授等提出了一种金属成型的新方法，即半固态加工技术。半固态加工是利用金属从液态向固态转变 （即液固共存）过程中所具有的特性进行成型的方法。这一新的成型加工方法综合了凝固加工和塑性加工的长处，即加工温度比液态低、变形抗力比固态小，可一次大变形量加工成型形状复杂且精度和性能要求较高的零件。因此，国外有专利将半固态加工称为“21世纪最有前途的材料成型加工方法”。镁合金的成形与加工方法分别如图1、图2所示。
3 镁合金加工成型技术及设备
镁合金的主要加工方法有液态成型和塑性成形，世界上95%以上的镁合金被加工成板、带、箔、管、棒、线材、型材、镁粉、铸件、压铸件、冲压件以及深加工件等镁合金产品。镁合金成形与加工技术与装备落后时制约我国镁合金向中高端产品发展的瓶颈课题。主要表现在材料成型和加工的基础数据库缺乏，设备的能耗较高，自动化控制水平低，精度和可靠性较差。我国几乎没有镁合金成形与加工装备方面的世界性专有技术。日本宇部公司在挤压铸造技术领域独占鳌头，尤其是垄断了大型挤压铸造设备制造技术，并禁止向我国出口。奥地利劳合公司的镁合金熔炼炉占据了中国的大部分市场。目前，我国虽然已拥有大型成形和加工设备的制造能力，但无论是设备的工作精度、实际控制水平还是设备运行的可靠性和稳定性都无法与国际先进水平相比。
国内外广泛采用的镁合金成形方法为压铸法。压铸镁合金产品具有尺寸稳定性好、生产率高等优点，但也具有夹杂多、气孔多、成形后难热处理、尺寸近净成形差等不足。采用压铸法制造的零件很难满足诸如用于“3C”产品中所广泛使用的薄壁壳体类零件以及用于汽车工业中的高性能镁合金零部件的要求。
同压铸法相比，半固态方法制造的产品具有铸造缺陷少，产品的力学性能、尺寸精度、表面和内在质量高等优点，此外还有节约能源、安全性好、近净成形性好等优点。目前世界上已经成功工业化的镁合金半固态成型技术是触变注射成型技术。长春华禹镁业有限公司是我国最早引进此项技术的厂家，本文利用该公司的触变注射成型机制备试样，对触变注射成型镁合金的组织及力学性能进行了分析，从而为公司下一步进行汽车用高性能镁合金的研究开发作适当的技术储备。
图3-5为冷室压铸机、热室压铸机及半固态镁合金成型机成形方法示意图。
在生产应用中，历史悠久、成本低、技术成熟度高的热室和冷室压铸成形在各种镁合金成形技术中所占比例最大。镁合金压铸需要极高的压射速度，因而在模具内不可避免地会有金属液紊流及卷气现象发生，造成工件内部和表面产生孔洞缺陷，致使产品强度低、无法热处理、气密性差，另外还导致模具设计困难、良品率难以控制；其次，熔化镁合金还涉及到安全和环保等一系列问题。因此，压铸镁合金产品虽然具有尺寸稳定性好、生产率高、压铸型和工具寿命长等优点，但也具有夹杂多、气孔多、成形后难热处理、尺寸近净成形差等制约镁合金产品进一步扩大应用的问题。因此对于表面质量及机械性能要求高的铸件，采用压铸法生产的镁合金产品无法满足工业要求。
半固态镁合金注射机是基于镁合金触变性而设计的，所谓触变性是指镁合金处于固-
液相区间的合金经连续搅拌后，粘度降低，很容易填充复杂的型腔，外力撤去并静止后又恢复到原来的特性。半固态镁合金注射机工作过程是屑状镁合金通过旋转螺杆的输送与剪切，同时经过熔胶筒的加热逐渐变成半固态的浆料停留在螺杆前端，当前端储存有足够的浆料时，螺杆向前注射，将半固态浆料注入封闭的模具型腔中成型。
同压铸镁合金产品相比，半固态成形产品的夹杂、气孔等缺陷少，产品的力学性能及表面和内在质量高，此外还有节约能源、安全性好、近净成形性好等优点。
尽管镁合金触变注射成型工艺具有种种优点，但是由于采用镁合金屑作为原材料，以类似注塑的方法进行生产，使得该技术比较复杂、对工艺设备的要求较高。近年来，发达国家仍然在不断开发镁合金触变成型技术，这些情况说明镁合金的半固态成型技术仍然处在不断发展之中，将会出现新的技术突破。我国尚无生产半固态成型设备的厂家。近些年，我国在半固态铸造领域虽然也开展了较为广泛的研究，但在半固态成型技术产业化应用领域仍处于起步阶段。与压铸机的压射系统不同，半固态注射成型加工设备的注射系统在要求有很高注射速度的前提下，同时可以在几毫秒内停下来，因此，对于注射系统的控制有着较高的要求。国内外普通注塑成型机的注射速度多为0.1 m/s，对于要求特殊性能的注塑机，其最高射速也不超过0.4～0.6 m/s。而对于镁合金用注射成型加工设备，由于镁合金材料本身的热容较低，因此，为了保证镁合金能够迅速充型，获得良好的产品质量，注射速度至少应为3.0 m/s。
4 半固态镁合金注射成型技术和设备的市场应用前景
镁合金半固态加工技术采用了一种所谓“一体化”的成型方式，将压铸和注塑工艺合二为一，模具和成型材料与压铸工艺相似，工艺过程则接近于注塑成型。采用这种工艺生产的零件除具备半固态成型件的一般特点外（例如零件内部致密、凝固收缩小和精确成型），与普通压铸相比还具有操作简单、安全、效率高、切屑或碎片经碾研后回收率近100%（可免除二次精炼过程）以及更有利于环保等特点。因此，触变注射成型技术是一种面向形状复杂、高致密度零件的新一代成型技术，具有巨大的应用潜力，成为“面向21世纪的新一代金属成型技术”。应用该技术生产的产品机械性能高于压铸件、耐腐蚀能力优、模具寿命长，特别适合于薄壁产品的成型(壁厚最低可达0.5 mm)等优点；同时，具有孔洞率极低、品质精良、接近净形化成型，不需熔炼金属的设备、生产趋于更加安全以及更有利于环保等特点。利用该成型法生产的产品主要用于表面质量及综合机械性能相对较高、薄壁、精密的零部件的生产。例如，汽车、电子产品、电子仪器零部件以及其他消费类或工业产品的生产，特别是笔记本电脑、数码相机、数码摄像机、数码投影设备、移动电话、电视和监视器等镁合金外壳的制造，以及方向盘、传动装置零件、曲轴箱零件、节流阀体、发动机零件、泵壳、制动零件等汽车用镁合金零部件的生产。
半固态镁合金注射成型设备的实用范围和应用前景主要有以下三个方面。
（1）汽车工业
随着节能环保要求的不断提高，汽车工业对轻量化的要求不断提高。在国家科技部的推动下，镁合金零件已经在汽车上获得了批量应用。然而采用压铸工艺生产的镁合金汽车零件由于气孔多，力学性能差，以及无法热处理等不足，还无法成为关键的结构零件。半固态触变成型设备的出现将为高性能、轻质镁合金汽车零件的成型和制造提供有力的支持，更进一步的促进汽车的轻量化。
（2）“3C”产业
移动通信手机外壳，微型便携式计算机外壳等产品是镁合金半固态触变成型设备应用的一个重要领域。由于半固态铸造温度低，半固态浆料流动性能好，使得镁合金半固态触变成型方法易于制造薄壁铸件，而且表面质量好，尺寸变形小，机械性能高。目前Dell、IBM等国外著名计算机公司已经大批量采用半固态触变成型方法制造的机架、外壳等，Motorola、Nokia、Samsung等知名手机制造商也大批量采用半固态触变成型方法制造的手机壳体。国内目前还是采用热室压铸的方式生产此类壳体，存在着产品表面质量差，尺寸精度不足等诸多问题，在产品质量无法与国外产品竞争。半固态触变成型设备的研制成功将为国产手机提供一个高质量手机壳体生产的技术平台，提高国产“3C”产品的竞争能力。
（3）航空航天和国防工业
航空航天和国防工业对零件的要求首先是高性能，其次是轻量化。由于内部气孔等先天不足，压铸镁合金的应用受到限制。挤压和锻造镁合金强度虽高，但受到工艺方法的限制，难以制造复杂结构的零件。半固态触变成型设备出现将摆脱此类设备依托进口，大吨位设备进口受限等诸多问题，为航空，航天和国防工业提供高性能，复杂镁合金零件的生产方法，提高装备的技术含量。
5 结束语
镁产业是新兴的朝阳产业。由于镁金属自身的特性，在现代工业中用量也逐渐增大，镁合金作为一种基础性和战略性材料，应用拓展空间巨大。目前，煤产业的发展还受到许多技术瓶颈的制约。加强对镁产业科学和前瞻的规划，突破制约镁产业发展的关键共性技术，推动镁合金应用的全面增长，是目前发展新材料产业的一项重要任务。
