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镁合金铸造技术研究
由于镁合金具有比强度和比刚度高，抗冲击，吸震性好，尺寸稳定性高，以及较高的抗蠕变性能，并可进行快速切削加工等优点，且镁合金又是目前工业材料中最轻的金属之一，绝大多数镁合金可以焊接，特别是可以采用方便的氩弧焊，能获得很高的焊接质量，因此,镁合金材料被广泛应用于航空航天、汽车工业等领域。镁合金铸件多采用砂型铸造或压力铸造。
1. 铸造镁合金的性能改进
铸造镁合金的发展大致可以分为三个阶段：
( 1) 第一个阶段主要在镁中加入铝和锌，即Mg- Al-Zn 系合金 这类合金可得到与铸造铝合金相近的抗拉强度。我国的ZM—5 、英国的L121 及美国的AM80A 都属于这类合金，主要添加元素为铝，而锌的含量较低,主要是因为锌含量增加时，容易出现显微疏松。这类合金的主要缺点是： ①从相图上可看出结晶间隔较宽，约为157 ℃，铸造生产中容易产生显微疏松。② 力学性能受到铸件壁厚的影响，随着铸件壁厚的增加，力学性能有下降的趋势。③屈服强度较低。
( 2) 第二个阶段是一个改进阶段 为提高Mg- Al- Zn系镁合金的屈服强度，加入Zr 元素后( 如我国的ZM—1 、美国的ZK51A、英国的2970 MAG4P 等镁合金) ，使晶粒明显细化，屈服强度提高了一倍，并具有良好的抗疲劳性能和较低的缺口敏感性。缺点仍然是因为结晶间隔较宽，容易出现显微疏松和热裂倾向。为此有的镁合金中加入了稀土元素，如我国的ZM—2 、英国的2970 MAG5P 、美国的ZE41A。为了提高高温抗蠕变性能，产生了以稀土元素为主要组元的镁合金，如我国的ZM—3 和ZM—6 、英国的DTD5051 、美国的HK31A。
( 3) 第三个阶段是提高阶段 在镁合金中加入银,形成Mg- Zr- Ag- RE- Zr 系合金。银合金化后，大大提高了镁合金的屈服强度及抗蠕变性能。另外，还有加入锂的镁合金，这类合金具有较高的比强度。
2. 镁合金铸造生产中容易出现的缺陷
( 1) 疏松 该缺陷易在内浇口及热节处出现，且壁厚不均匀的铸件易形成多处热节，这些分散的热节如果没有在凝固的过程中得到金属液的补缩，就会在铸件上形成疏松缺陷。因为镁合金的结晶温度间隔较宽，容易以糊状凝固的方式结晶，所以存在明显的树枝状结晶组织，难于得到补缩。而在内浇口部位则由于长时间处于过热状态，温度较高，导致产生疏松缺陷。防止这类缺陷要做好以下两方面的工作： ①从工艺的角度合理设计浇注系统，直浇道、横浇道与内浇道的截面积之比宜采取1∶3∶3 ，冒口的尺寸要按经验公式进行计算，强化冒口的补缩作用，形成铸件的顺序凝固。②充分利用冷铁的激冷效果，加强热节处的补缩，且冷铁一般是与冒口配合使用的。
( 2) 夹渣 铸件在酸洗处理后有的表面或铸件尖角处暴露出黑斑夹杂物，肉眼可见。黑斑被一个接近圆形的浅色区所包围，此区以一个更黑的环为边界。这种夹渣物一般认为是熔剂造成的。镁及镁合金极易氧化，为防止镁合金熔炼时的氧化燃烧，在熔炼过程中要加一定量的熔剂，使之不与空气接触，铸件在浇注的过程中，浇注工具上的熔剂容易进入到金属液中，如舀取金属液不当，将熔剂带入到金属液中；由于浇注不慎，浇包上面浮着的熔剂进入到型腔中；也有可能是浇注温度较高，镁合金液在型腔中与砂芯放出的气体反应燃烧产生的氧化夹渣。
防止的主要措施： ①使用带节流管的茶壶式浇包要磕掉粘附着的熔剂，防止浇包和坩埚底部少量的熔剂浇入型腔，从坩埚中舀取金属液前要拨开液面的熔剂及氧化层。②控制浇注温度，适当增加砂芯中起保护剂作用的硫磺和硼砂酸的加入量。③如果在浇注的过程中发现坩埚液面有火焰冒出，应撒上一层硫磺粉或熔剂，这些物质的熔化及发生化学反应有一定的时间，所以要等2 ～3min 后方可舀取金属液。整个操作过程要精心，操作要稳当，防止金属液剧烈的搅动。④精炼的过程中，熔剂要撒在翻腾的镁液最高处，使整个液面均匀覆盖一层熔剂，最后不再有白色液体从熔池下部翻上来，液面光亮为止。⑤由于熔剂与合金中的氧化物发生化学反应并产生吸附效应，生成大于合金密度的较大积聚物，沉入坩埚底部，达到净化的效果。⑥ 精炼时间控制在5 ～8min即可。精炼完后，应镇静10 ～15min，使夹杂物有足够的时间沉入坩埚底部。⑦定期清除坩埚壁上的残渣，过量的残渣积聚可产生强烈的化学反应，影响熔炼质量。另外，为防止内浇口处过热，可在内浇口处采用暗冒口，很有成效；而在不易清理冒口处做成易割冒口。
( 3) 裂纹 一般出现在铸件厚壁和薄壁之间的过渡处。产生的原因是在凝固的过程中，薄壁先于壁厚处凝固，由于收缩受阻产生内应力，特别是有砂芯时收缩更容易受到阻碍。一般防止产生裂纹的工艺措施是在薄壁处增加工艺余量或在厚壁处设置冷铁。
( 4) 气孔 镁合金的密度约为1. 8g/ cm3 ，是铝的1/ 3 ，因此金属液充型的压力相当低。这虽有一定的优点，但更主要的是缺点。为了让型腔中的气体自由排出到大气中，型砂必须有良好的透气性。这些气体将沿阻力最小的途径排出，如砂型透气性低，则产生的气体将会侵入液态或半液态的金属中，从而产生气孔缺陷。因此，为了提高透气性，要求型砂要有一定的粒度，且应在铸型上扎排气孔。镁合金在铸造生产中容易出现多种缺陷，要从原辅材料开始控制质量，模具、设备、工序都应有专门技术和检验人员控制。
3. 铸造镁合金的晶粒细化
熔炼的过程中需要对镁合金液进行变质处理，目的是细化晶粒，提高合金的力学性能。变质剂能否使镁合金的晶粒得到细化，取决于液相中质点的晶体结构是否与镁的晶体结构相似，质点的晶格常数是否与镁的晶格常数相近。Zr 是一种满足上述条件的变质剂，可使镁的晶粒得到细化，一般镁合金内Zr 的加入量为溶液质量分数的0. 7 % 。而增加Zr 的含量超过一定范围并不能使镁的晶粒更细化，反而出现大块含Zr 相，对合金性能有影响。但是，如果镁合金内含有铝，Zr 与Al 生成金属间化合物ZrAl 6 ，这种化合物的表面结构与镁的晶体结构不同，不能起到细化作用。因此含有铝的镁合金不用Zr 元素细化，如ZM—5 采用含碳变质剂，经过化学反应在合金中产生Al 4C3 或Mg- Al- Mn-C 化合物成为结晶核心，达到细化的作用。变质温度一般选710 ～730 ℃效果较好。
