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摘要：介绍了压铸用铝合金、镁合金、锌合金及铜合金的合金牌号。简述了各种压铸合金的性能、应用以及其他元素对合金性能的影响。 关键词：铝合金：镁合金；锌合金；铜合金 压力铸造作为一种终形和近终形的成形方法，具有生产效率高、经济指标优良、压铸件尺寸精度高和互换性好等特点，在制造业，尤其是规模化产业获得了广泛的应用和迅速的发展。压铸件已成为许多产品的重要组成部分。随着轿车、摩托车、内燃机、电子通讯、仪器仪表、家用电器、五金等行业的飞速发展，压铸件的功能和应用领域不断扩大。从而促进了压铸技术不断发展，压铸合金品质不断提高。 1 压铸铝合金 1．1 压铸铝合金的应用 压铸铝合金自1914年投入商业化生产以来，随着汽车工业的发展和冷室压铸机的发明，得到了快速发展。到20世纪80年代，美国68％的铝合金采用压铸生产。压铸铝合金按性能分为中低强度和高强度两种，中低强度压铸铝合金，如我国的Y102和美国的443.0 (ASTM标准的S5C)；另一种为高强度压铸铝合金，如我国的Y112和美国的380.0(ASTM标准的SC84B)。目前工业应用的压铸铝合金主要有以下几大系列：A1-Si、Al-Mg、Al-Si-Cu、Al-Si-Mg、Al-Si-Cu-Mg、Al-Zn等。 压铸铝合金牌号如表l所示。美国标准列出了11个牌号。以德国为主制订的新版欧洲标准中，压铸铝合金有9个品种。美国标准413.0和A4l3.0、360.0和A360.0、380.0和A380.0的合金成分中只是Fe的最大允许质量分数不同，前者(Fe)≤2.0％，后者(Fe)≤1.3％。A380.0具有较高的力学性能和良好机加工性能，是最广泛使用的压铸铝合金，如使用于汽车的支架、托架、滑板、刹车毂、泵体和支臂等结构件。383.0具有良好抗热裂性能。383.0和A384.0可以代替A380.0。用于压铸复杂的零部件以改善压铸成形性能。A360.0具有较好的耐蚀性、较高的高温强度和塑性，但压铸成形性能较差。C443.0尽管应用不广泛且压铸成形性能差，但在压铸铝合金中塑性最好，其抗蚀性中等。A4l3.0具有较好的气密性，对于缸体和压力容器是一个很好的选择。这种合金具有优良的压铸成形性能，适宜于制造复杂、薄壁及承力要求不严格的零部件，如仪表盘、盖板、护板和壳体等。B390.0的热膨胀系数小，耐磨性优良，但塑性和机加工性能差，该合金适用于汽车发动机缸体、变速箱壳体、离合器架、柱塞式压缩机缸体和阀体等。518.0(A1Mg8)具有较好的强度和塑性，优良的耐蚀性和表面处理性能，机加工性能好，但凝固温度范围较宽(535～621℃)，热裂倾向大，压铸成形性能较差。AlMg5Si合金具有较高的韧性和疲劳强度，以及良好的焊接性。该合金的性能与壁厚有很大关系，通过热处理可提高压铸件的刚性和韧性翻。
1．2 合金元素对压铸铝合金的影响 纯铝的抗拉强度较低(只有80MPa左右)，塑性较高，伸长率为35％左右，断面收缩率为80％ ，并且结晶温度区间宽，铸造性能差，因此需要加入其他合金元素来改善性能。 Si Si与Al平衡结晶时，在Si质量分数为12.5％左右发生共晶反应。当ｗ(Si)≤12.5％时，随着Si含量的增加,结晶温度区间变窄，合金流动性提高。由于Si的凝固潜热比A1高，所以Si的加入能大大改善锅合金的流动性。Si晶粒的化学稳定性好且具有较高的硬度(870～1050HV)，使铝合金具有较纯铝更高的耐蚀性和耐磨性。Si的线膨胀系数仅为Al的l/3～l/4，加入Si可降低铝合金的热膨胀系数。当Si的质量分数达到25％时，甚至可使铝合金凝固时的体收缩率降低为0，该特点已成功地应用于活塞等要求尺寸稳定性好的铝合金铸件中。 Cu 铝硅合金中加入Cu时，组织中出现α固溶体、CuA1 和Si相。α相分别与CuAl2和Si构成两相共晶体，同时这三个相又可共同构成三相共晶体。其共晶温度为524℃。当Cu固溶于Al基体中或以颗粒状化合物形式存在时，可显著提高铝合金的强度和硬度，但伸长率稍有降低；当Cu形成网状的化合物时，将严重降低铝合金的伸长率和强度。铝合金的弹性模量随Cu加入量的提高成比例增加，Cu的加入可提高铝合金的硬度和高温力学性能(抗蠕变性能)，Cu的固溶还可以提高铝合金的抗疲劳强度。但是由于Cu的化学电位比Al高，易产生晶间腐蚀与应力腐蚀，降低了铝合金的耐蚀性，尤其是Cu以化合物形式存在时，其耐蚀性更差。 Mg 铝硅合金中加入少量的Mg可以形成Mg2 Si相。淬火时Mg2 Si溶入α固溶体中，时效处理后又成弥散相析出，使得α固溶体的结晶点阵发生畸变，从而强化合金，显著提高强度，但伸长率有所下降。 2 压铸镁合金 2．1 压铸镁合金 以Mg-Al二元合金为基础加入Mn、Zn、Si和RE等合金元素，构成AZ、AM、AS、AE系列压铸合金，牌号如表2所示。AZ9lD具有较好的耐蚀性、优良的压铸成形性能和较高强度，是最广泛应用的一种高纯度压铸镁合金。AM60B、 AM50A和AM20合金应用在需要良好伸长率和冲击韧度且具有一定强度和耐蚀性的场合。随着含铝量降低，压铸成形性能和强度下降，塑性提高，因此在符合使用要求的情况下应当首选A1质量分数高的镁合金。AS41B和AE42合金应用在需要高温强度、抗蠕变及良好塑性和耐蚀性的场合。 镁合金的耐蚀性较差，为了提高压铸镁合金的耐蚀性，应严格控制镁合金中杂质元素(如Fe、Cu、Ni等)和夹杂物质量分数，提高镁合金纯净度是扩大应用范围的技术关键 。 解决镁合金氧化活性给压铸工艺过程和环境保护带来的问题是非常重要的。用熔剂覆盖和除气精炼会排出酸雾，腐蚀建筑结构和环境；用SF6混合气体保护，对地球产生温室效应。研究开发高效、低污染、低成本的熔炼保护介质和相应的工艺及装备已势在必行。
(1)有较高的比强度和比刚度。镁合金的密度一般为1.73～1.83g/ cm3，其绝对强度低于铝合金，但其比强度高于铝合金，弹性模量虽比铝合金低，但其比刚度高于铝合金和钢。相同质量的结构件采用镁合金，可使物件获得更高的刚度。 (2)有很高的阻尼容量和很好的减震性能。镁合金铸件在弹性范围内承受外力，可使构件的应力均匀分布，有利于避免应力集中。其吸收能量的能力比铝大一倍，特别适用铸造承受冲击载荷和振动的零部件，如汽车的变速箱壳体、凿岩机的本体、林业机械的电动锯本体等等，均可借助镁合金的特性，吸收操作时产生的震动和噪音。 (3)有优良的切削加工性能和抛光性能。镁合金在切削加工时，不用任何切削液即可得到较高的光洁度，精车后可达到磨削加工的要求。 (4)一般讲，镁合金的耐腐蚀性较差，但在干燥的空气中具有良好的耐腐蚀性。压铸件经过酪酸钝化处理后可提高耐腐蚀性，在空气中可长期使用。 (5)镁合金不侵蚀铁和钢，不与其合金化，因此熔化镁合金的钢坩埚可以不使用涂料 2．3 压铸镁合金中各元素的作用和影响 铝：铝在镁合金中为基本组元，提高压铸镁合金流动性的方法之一就是添加铝。加铝对提高镁合金强度，改善外观表面，减少粘型倾向都有好处。铝元素影响耐腐蚀性，过量的铝还会使合金脆化，在镁合金中铝含量最高不得超过9％～l0％。 锌：锌与镁形成熔点为341℃的共晶体。含锌量在0.8％时。能提高镁合金的流动性和力学性能，并可减少铁和镍等杂质的腐蚀作用。通常锌被限制在1％以内，以避免引起合金的高温热脆性。 锰：镁合金中添加少量的锰，能大大提高其耐腐蚀性，还能中和铁在合金中的有害作用。当含锰量在0.5％以下时，还能改善合金的的力学性能。 硅：硅几乎不溶于镁，在60℃ 时，其溶解度不超过0.1％ ，少量的硅能改善镁合金的流动性和成型性，但降低塑性和耐腐蚀性，尤其当镁合金中含有铁时更甚。 铁：铁不溶于镁而存在于晶粒之间。当合金中含锰时，则铁和锰组成化合物沉淀。铁在镁合金中降低合金的力学性能和耐腐蚀性，是极有害的杂质，应严加控制。 铜和镍：铜和镍能剧烈增加镁合金在熔融状态下的氧化趋势，并降低合金的耐腐蚀性．是镁合金中极有害的杂质。 铍：铍在镁合金中的固溶量极微．但极微量的铍(通常质量分数为0.05％～0.015％)可使镁熔体的燃烧降低到最低限度，同时减少氧化。其机理在于铍对通常的氧化膜的变质作用，使它更能抗扩散，从而达到保护其底层的合金不再受氧化,这样就降低了在铸件中包含夹杂物的机率。微量的铍对合金力学性能没有影响。 2．4 压铸镁合金的应用 汽车 镁合金在汽车上用作零部件的历史约有70年。早在1930年就用于一辆赛车上的活塞和欧宝汽车上的油泵箱，之后用量和应用部位逐渐增加。20世纪60年代，在有的车种上用量达到23kg，主要用作阀门壳、空气清洁箱、制动器、离合器、踏板架等。80年代初，由于采用新工艺，严格限制了铁、铜、镍等杂质元素的含量，镁合金的耐蚀性得到了解决，同时，成本下降又大大促进了镁合金在汽车上的应用。从90年代开始，欧美、日本、韩国的汽车商都逐渐开始把镁合金用于许多汽车零件上。镁合金压铸件在汽车上的应用已经显示出长期的增长态势。在过去十年里，其年增长速度超过15％。在欧洲，已经有300种不同的镁制部件用于组装汽车，每辆欧洲生产的汽车上平均使用2.5 kg 镁。乐观的估计认为，出于减重的需要，每辆汽车对镁的需求将提高至70～120kg。目前，汽车仪表、座位架、方向操纵系统部件、引擎盖、变速箱、进气歧管、轮毂、发动机和安全部件上都有镁合金压铸产品的应用。 电子产品 镁合金与传统3C产品(计算机、通讯、消费类电子产品)所使用的材料相比，其优越性表现在以下几个方面。轻量化：与最轻的塑料相比。镁合金密度虽为塑料的1.5倍，但塑料在刚度、散热性以及可回收方面均不及镁合金；镁比金属铝还要轻l/3，是所有结构用合金中最轻的，因此非常适合制造便携式3C产品外壳；刚性较高;镁合金的刚性与铝合金、锌合金相近，为一般塑料的10倍，在强度上优于塑料材料；减振性能良好;镁合金的比阻尼容量为铝合金的10～25倍，锌合金的1.5倍．可大大减少噪音及振动，用在可携式设备上有助于减少外界震动源对内部精密电子、光学组件的干扰：电磁波绝缘性佳;个人电脑以及手机的芯片在使用时发出的高频电磁波往往会穿透外壳,互相干扰而成为噪音源，影响通讯以及运算品质。镁合金是金属，本身就是优良的导体。可直接遮蔽电磁波，无需像塑料另作导电处理：散热性良好;一般金属的热传导性是塑料的数百倍。因此用于电子产品外壳或零部件时，若能在结构及热传导性能上综合设计考虑，即可发挥散热片的功能。将CPU等电子零件产生的热量疏导排除。与其它材料相比，镁合金的热传导性略低于铝合金及铜合金，但远高于钛合金，比热则与水接近，是常用合金中最高的。 航空航天 镁合金的特点可满足于航空航天等高科技领域对轻质材料吸噪、减震、防辐射的要求，可大大改善飞行器的气体动力学性能和明显减轻结构质量。从20世纪40年代开始。镁合金首先在航空航天部门得到应用。在国外，B一36重型轰炸机每架用4086kg镁合金簿板；喷气式歼击机“洛克希德F-80”的机翼用镁板，使结构零件的数量从47758个减少到l6050个；“德热来奈”飞船的起动火箭“大力神”曾使用了600 的变形镁合金；“季斯卡维列 尔”卫星中使用了675 的变形镁合金；直径约1m的“维热尔”火箭壳体是用镁合金挤压管材制造的。 3 压铸锌合金与锌铝合金 压铸锌合金和锌铝合金牌号如表3所示。锌合金包括Zamak2、Zamak3、Zamak 5和Zamak7,锌铝合金包括ZA8、ZAl2和ZA27等。Zamak合金可采用快速循环的热室压铸工艺，铸件具有无毛刺、无斜度和非常接近的公差等特点。Zamak 3锌合金应用最广泛，它具有力学性能、铸造性能和经济性的最佳组合．用于制造形状复杂且具有很好的表面光洁度的铸件。 迅速发展的高铝锌基合金以其具有优异的力学性能、耐磨性能、机加工性能和低能耗、无污染等特点，引起人们极大兴趣。含有较高Al和Cu的锌铝合金比Zamak合金具有强度高、耐磨性好和抗蠕变性能优良，密度小等特点。ZA27合金在已列入标准的牌号中熔点高、强度高和密度低。锌铝合金主要是作为替代铜合金的减摩耐磨材料及替代铝合金和铸铁的结构材料。锌铝合金经Mn或Si合金化，可进一步提高耐磨性和耐热性，应用于有高耐磨性和耐热性要求的场合 。经RE变质的ZA27合金，提高了阻尼性能，尤其是应用在频率高于70Hz的场合．减振效果更明显。
4 压铸铜合金 铜合金压铸件具有很高力学性能和耐蚀性与其它有色金属相比，铜合金压铸所需的压力高和温度高(982～1066℃)，明显缩短压铸型的寿命，从而导致黄铜合金压铸型成本较高。当零件需要较高的强／硬度、耐蚀性或耐磨性时，选择铜合金压铸成形比起其它工艺方法还是比较经济的 5 压铸合金发展的展望 目前压铸生产中应用最多的是铝合金与镁合金，但这两种合金都存在比较明显的不足，这些不足限制了压铸业的发展和压铸件的应用，同时也为今后压铸业及压铸合金的发展指明了方向镁合金是近年来广受世界关注的新兴材料．应用于压力铸造的优点有：高的生产率；高精度；好的表面质量；精细的铸件晶粒；可压铸薄壁和复杂结构的产品。镁合金压铸和铝合金压铸相比，生产率高50％；可使用钢模，延长服务寿命；更低的潜热，节省能量；好的机加工性；模具成本节省50％；熔体具有更高的流动性。镁合金压力铸造也有一些不利的方面，例如：由于极高的液体填充速度和凝固速度，易产生卷入性气孔；铸件不能太厚，壁厚只能局限于一定的尺寸；便宜的压铸合金，有限的力学性能；有限的可使用压铸合金种类；由于铸件晶粒尺寸细小，抗蠕变能力较差；抗蠕变的Mg．Al-RE镁合金的铸造性较差，而且昂贵；不能进行热处理；不适合焊接。 目前绝大部分铝合金应用于压铸生产，主要因为铝合金易于成型；有较多合金牌号可以满足不同环境的要求；铝合金密度小，铸件质量轻。比强度较高；高的生产率；高精度。铝合金也有一些缺点，比如：铝合金容易粘模，在一定程度上影响了铸件的表面质量；铝合金结晶潜热比较高。对压铸模具的热冲击比较大，缩短了模具的使用寿命。与镁合金相比，生产效率较低，另外成本较高。 从压铸铝、镁合金的优缺点可以看出，在诸多方面铝、镁合金存在互补性，如何将这两种合金有效地结合起来，通过加入其它元素，开发出一种新的压铸合金牌号使之具有两者的优点又能尽量弥补两者的缺点将成为广大科研工作者的工作重点，也是压铸合金的发展方向。 本文作者：黄晓峰 兰州理工大学甘肃省有色金属新材料 |
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