镁合金陶瓷型精密铸造工艺及界面反应的研究

镁合金陶瓷型精密铸造工艺及界面反应的研究

刘月

刘月

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司黑龙江哈尔滨150066

摘要：大型、表面形状复杂的镁合金制件大多需要在铸件基础上进行机加工，采用陶瓷型铸造镁合金铸件，不仅缩短生产周期，提高生产效率，且能在少无切削条件下生产出合乎精度要求的制件，从而降低生产成本。对镁合金陶瓷型铸造的生产工艺做了探索性试验，分析了镁合金的表面反应，并进行了反应温度的计算。

关键词：镁合金；陶瓷型；精密铸造

镁合金具有密度小，比强度、比刚度高，阻尼减震性、切削加工性、导热性好，电磁屏蔽能力强，铸造性能和尺寸稳定性好等优点，是目前应用的最轻的金属结构材料。近年来越来越受到人们的重视，特别是在航空、航天、汽车、电子及国防军工等领域得到了广泛的应用。

1镁及镁合金的论述

镁的基本性质

镁元素位于周期表的第三周期第Ⅱ族，原子序数为12，相对原子质量为24.31，20℃时密度只有1.738g/cm3，是一种典型的轻金属，具有密排六方结构，在25℃时，a=0.3203nm，c=0.5199nm，c/a=1.6235。镁晶胞结构及主要晶面和晶向也是不一样的。镁的弹性模量E=45GPa，切变模量G=17GPa，而比弹性模量E/p=25GPacm/g。镁的晶体结构和原子核外层的电子构造决定了镁及其合金具有特殊的物理化学和力学性能。

1.2镁合金的特点

镁合金具有密度小，比强度、比刚度高。阻尼减震性、切削加工性、导热性好，电磁屏蔽能力强，铸造性能和尺寸稳定性好等优点，是目前应用最轻的金属结构材料。

①重量轻：金属结构材料中，其比重量最小。在同样的刚性条件下，1kg镁合金的坚固度相当于1.8kg的铝或2.1kg的钢。这一特性对于现代社会的手提类产品减轻重量、车辆减少能耗具有非常重要的意义。

②高的阻尼和吸震、减震性能：镁合金具有极好的吸收能量的能力，可以吸收震动和噪音，保证设备能安静工作，这个特性对于用作设备机壳以减少噪音传递、提高防冲击、预防凹陷性的损坏十分有利。

③良好的抗冲击和抗压缩能力：镁合金冲击能力是塑料的20倍，当镁合金铸件受到冲击时，在其表面产生的疤痕比铁和铝都要小的多，具有吸收弹性性能的特性，能产生良好的冲击强度与压缩强度的组合。

④良好的铸造性能：镁合金铸造品的壁厚可以小于0.6mm，这是塑胶制品在相同强度的条件下无法达到的，而铝合金制品也只能在1.2-1.5mm范围内才可于镁制品相媲美。

⑤良好的机械加工性能：镁合金的切削阻力小，约为钢铁的1/10，铝合金的1/3，其切削速度大大高于其它金属，切削加工时间短。工具使用寿命长，比其它金属有高出几倍的刀具寿命，容易进行切削加工而且加工成本低。

⑥良好的耐蚀性：在大气中，镁比铁的耐蚀性好。比如高纯镁合金AZ91D的耐蚀性比低碳钢要好的多，已经超过压铸铝合金A380。

⑦良好的导热性：镁合金导热性能良好，膨胀系数变大，弹性模量低，稍逊于一般铝合金，是一般工程材料的300倍，且温度依赖性低，可以用于制造要求散热性能好的电子产品。

⑧再生性：镁合金材料可100%回收，回收率高，符合环保法。

1.3镁合金的应用现状

镁合金材料的用于始于1808年，这是首次在德国开始应用，在1909年的是该国家在国际航空展览会上就出现了镁合金所铸的构件。镁合金材料最早是用于航空工业，后来延伸到汽车工业的零部件生产上，目前逐步扩大到其它产业上。可以预见，镁合金材料将会被广泛应用于航空航天、军事用品、交通工具、机械设备等十多个领域中，特别是将会在航空航天、国防军工和汽车产生等领域具体越来越重要的应用价值。

2试验过程

2.2陶瓷型的制作

采用硅酸乙酯40#水解液作为粘结剂，石英砂为耐火材料。因此要选取不同粒度的石英砂，通过一定混合比例来满足陶瓷型强度和表面质量的要求。具体的粒度及比例见下图。粉液比选3.4g/ml用20%的醋酸铵水溶液作为固化剂。与水解液的体积比较为5/130.加入固化剂后的陶瓷浆料应立即倒入硅橡胶腔中，待其固化后起模。起模后需要立即点火，令其自燃，以燃尽酒精和部分的有机物，防止表面产生裂纹。自燃完毕后再对其进行焙烧1h以上，温度应在1000℃以上，以燃尽其中的有机物，防止与合金液反应。

将至浇注温度进行浇注。

需要注意的是，合金熔化时，镁-锆中间合金应预热300-400℃，搅拌时尽量不要破坏金属液表面，以减少氧化。

②合金浇注：合金液的浇注温度在730-760℃，在浇注前要再次喷烧陶瓷型以及外围型腔，以除去吸附的水蒸气，温度控制在200-250℃。

重力浇注只适用于小型的简单零件。重力浇注时，冒口附近温度控制在250℃左右，高于型腔温度，以保证有足够的合金液补缩。重力浇注时由于合金液直接暴露于大气下，因此需要用SF6和CO2的混合气体作为保护气体或者合金液表面撒少许的硫磺粉，以防止其氧化燃烧产生氧化皮夹杂，影响表面质量。对于尺寸较大的零件，由于镁合金容易氧化、燃烧，所以通过提高合金液与陶瓷型的温度来提高其充型能力反而会带来夹杂，并加剧与陶瓷型之间的反应。采用低压铸造，使合金液在压力的作用下快速充满型腔，提高充型能力，可以很好的解决问题。

小结

以上所述，镁合金陶瓷型精密铸造具有现实可行性，可以适用于形状复杂的镁合金零件成形。中型零件镁合金量重力为浇注时容易出现氧化夹杂、冷隔等缺陷，而小型零件用重力铸造就可以完全成形。中大型镁合金铸件可以考虑使用低压铸造，以保证成形完整性。

参考文献：

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[2]陈广森.镁合金陶瓷型精密铸造工艺及组织性能研究[D].上海交通大学，2015.

[3]何家庆.镁合金铸造用典型水溶性型芯的性能特征研究[D].华中科技大学，2014.