摘要：介紹了壓鑄用鋁合金、鎂合金、鋅合金及銅合金的合金牌號。簡述了各種壓鑄合金的性能、應(yīng)用以及其他元素對合金性能的影響。

關(guān)鍵詞：鋁合金：鎂合金；鋅合金；銅合金

壓力鑄造作為一種終形和近終形的成形方法，具有生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)良、壓鑄件尺寸精度高和互換性好等特點(diǎn)，在制造業(yè)，尤其是規(guī)?；a(chǎn)業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用和迅速的發(fā)展。壓鑄件已成為許多產(chǎn)品的重要組成部分。隨著轎車、摩托車、內(nèi)燃機(jī)、電子通訊、儀器儀表、家用電器、五金等行業(yè)的飛速發(fā)展，壓鑄件的功能和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。從而促進(jìn)了壓鑄技術(shù)不斷發(fā)展，壓鑄合金品質(zhì)不斷提高。

1 壓鑄鋁合金

1．1 壓鑄鋁合金的應(yīng)用

壓鑄鋁合金自1914年投入商業(yè)化生產(chǎn)以來，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和冷室壓鑄機(jī)的發(fā)明，得到了快速發(fā)展。到20世紀(jì)80年代，美國68％的鋁合金采用壓鑄生產(chǎn)。壓鑄鋁合金按性能分為中低強(qiáng)度和高強(qiáng)度兩種，中低強(qiáng)度壓鑄鋁合金，如我國的Y102和美國的443.0 (ASTM標(biāo)準(zhǔn)的S5C)；另一種為高強(qiáng)度壓鑄鋁合金，如我國的Y112和美國的380.0(ASTM標(biāo)準(zhǔn)的SC84B)。目前工業(yè)應(yīng)用的壓鑄鋁合金主要有以下幾大系列：A1-Si、Al-Mg、Al-Si-Cu、Al-Si-Mg、Al-Si-Cu-Mg、Al-Zn等。

壓鑄鋁合金牌號如表l所示。美國標(biāo)準(zhǔn)列出了11個牌號。以德國為主制訂的新版歐洲標(biāo)準(zhǔn)中，壓鑄鋁合金有9個品種。美國標(biāo)準(zhǔn)413.0和A4l3.0、360.0和A360.0、380.0和A380.0的合金成分中只是Fe的最大允許質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，前者(Fe)≤2.0％，后者(Fe)≤1.3％。A380.0具有較高的力學(xué)性能和良好機(jī)加工性能，是最廣泛使用的壓鑄鋁合金，如使用于汽車的支架、托架、滑板、剎車轂、泵體和支臂等結(jié)構(gòu)件。383.0具有良好抗熱裂性能。383.0和A384.0可以代替A380.0。用于壓鑄復(fù)雜的零部件以改善壓鑄成形性能。A360.0具有較好的耐蝕性、較高的高溫強(qiáng)度和塑性，但壓鑄成形性能較差。C443.0盡管應(yīng)用不廣泛且壓鑄成形性能差，但在壓鑄鋁合金中塑性最好，其抗蝕性中等。A4l3.0具有較好的氣密性，對于缸體和壓力容器是一個很好的選擇。這種合金具有優(yōu)良的壓鑄成形性能，適宜于制造復(fù)雜、薄壁及承力要求不嚴(yán)格的零部件，如儀表盤、蓋板、護(hù)板和殼體等。B390.0的熱膨脹系數(shù)小，耐磨性優(yōu)良，但塑性和機(jī)加工性能差，該合金適用于汽車發(fā)動機(jī)缸體、變速箱殼體、離合器架、柱塞式壓縮機(jī)缸體和閥體等。518.0(A1Mg8)具有較好的強(qiáng)度和塑性，優(yōu)良的耐蝕性和表面處理性能，機(jī)加工性能好，但凝固溫度范圍較寬(535～621℃)，熱裂傾向大，壓鑄成形性能較差。AlMg5Si合金具有較高的韌性和疲勞強(qiáng)度，以及良好的焊接性。該合金的性能與壁厚有很大關(guān)系，通過熱處理可提高壓鑄件的剛性和韌性翻。

近年來，鋁合金壓鑄件向結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄壁和高性能、高精度以及集成化方向發(fā)展。作為結(jié)構(gòu)復(fù)雜和薄壁的例子，如采用AlSi8Cu3(Fe)合金制造大型客機(jī)上的化學(xué)供氧裝置支座，其最小壁厚1mm,最小鑄孔直徑0.8 mm；采用A1Sil3合金制造電氣控制裝置的散熱器，以最小壁厚保證最大的散熱面積。作為高性能和高精度的例子，如采用AlSil0MgMn合金制造轎車前軸的整體托架，該托架連接和固定轎車前軸的所有重要部件，在力學(xué)性能和尺寸精度上都有很嚴(yán)格的要求；采用AlSi10Mg(Fe)合金壓鑄醫(yī)療器械中保育箱加熱元件的定子．其特點(diǎn)是壓鑄件上加熱螺旋體沒有沿圓周增設(shè)任何附加支架而整體鑄出，甚至連加熱元件接線部位也清晰可見；采用低Fe的鋁合金材料獲得高斷裂韌度的壓鑄件，應(yīng)用于汽車油槽、支架和后橋等。作為集成化的例子，如采用A1Mg5Si2Mn合金制造的轎車門組合結(jié)構(gòu)件，由10個壓鑄件組焊而成：集機(jī)座、吹風(fēng)機(jī)和熱交換器于一體的轎車立式加熱和熱交換器用吹風(fēng)機(jī)零件，機(jī)座和吹風(fēng)機(jī)采用AlSi10M(Fe)合金，熱交換器采用AlSil2(Cu)合金，該鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)揮了壓鑄鋁合金的導(dǎo)熱性、耐熱性和成形性好的特點(diǎn)翻。

1．2 合金元素對壓鑄鋁合金的影響

純鋁的抗拉強(qiáng)度較低(只有80MPa左右)，塑性較高，伸長率為35％左右，斷面收縮率為80％ ，并且結(jié)晶溫度區(qū)間寬，鑄造性能差，因此需要加入其他合金元素來改善性能。

Si Si與Al平衡結(jié)晶時，在Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.5％左右發(fā)生共晶反應(yīng)。當(dāng)ｗ(Si)≤12.5％時，隨著Si含量的增加,結(jié)晶溫度區(qū)間變窄，合金流動性提高。由于Si的凝固潛熱比A1高，所以Si的加入能大大改善鍋合金的流動性。Si晶粒的化學(xué)穩(wěn)定性好且具有較高的硬度(870～1050HV)，使鋁合金具有較純鋁更高的耐蝕性和耐磨性。Si的線膨脹系數(shù)僅為Al的l/3～l/4，加入Si可降低鋁合金的熱膨脹系數(shù)。當(dāng)Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到25％時，甚至可使鋁合金凝固時的體收縮率降低為0，該特點(diǎn)已成功地應(yīng)用于活塞等要求尺寸穩(wěn)定性好的鋁合金鑄件中。

Cu 鋁硅合金中加入Cu時，組織中出現(xiàn)α固溶體、CuA1 和Si相。α相分別與CuAl₂和Si構(gòu)成兩相共晶體，同時這三個相又可共同構(gòu)成三相共晶體。其共晶溫度為524℃。當(dāng)Cu固溶于Al基體中或以顆粒狀化合物形式存在時，可顯著提高鋁合金的強(qiáng)度和硬度，但伸長率稍有降低；當(dāng)Cu形成網(wǎng)狀的化合物時，將嚴(yán)重降低鋁合金的伸長率和強(qiáng)度。鋁合金的彈性模量隨Cu加入量的提高成比例增加，Cu的加入可提高鋁合金的硬度和高溫力學(xué)性能(抗蠕變性能)，Cu的固溶還可以提高鋁合金的抗疲勞強(qiáng)度。但是由于Cu的化學(xué)電位比Al高，易產(chǎn)生晶間腐蝕與應(yīng)力腐蝕，降低了鋁合金的耐蝕性，尤其是Cu以化合物形式存在時，其耐蝕性更差。

Mg 鋁硅合金中加入少量的Mg可以形成Mg₂ Si相。淬火時Mg₂ Si溶入α固溶體中，時效處理后又成彌散相析出，使得α固溶體的結(jié)晶點(diǎn)陣發(fā)生畸變，從而強(qiáng)化合金，顯著提高強(qiáng)度，但伸長率有所下降。

2 壓鑄鎂合金

2．1 壓鑄鎂合金

以Mg-Al二元合金為基礎(chǔ)加入Mn、Zn、Si和RE等合金元素，構(gòu)成AZ、AM、AS、AE系列壓鑄合金，牌號如表2所示。AZ9lD具有較好的耐蝕性、優(yōu)良的壓鑄成形性能和較高強(qiáng)度，是最廣泛應(yīng)用的一種高純度壓鑄鎂合金。AM60B、 AM50A和AM20合金應(yīng)用在需要良好伸長率和沖擊韌度且具有一定強(qiáng)度和耐蝕性的場合。隨著含鋁量降低，壓鑄成形性能和強(qiáng)度下降，塑性提高，因此在符合使用要求的情況下應(yīng)當(dāng)首選A1質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的鎂合金。AS41B和AE42合金應(yīng)用在需要高溫強(qiáng)度、抗蠕變及良好塑性和耐蝕性的場合。

鎂合金的耐蝕性較差，為了提高壓鑄鎂合金的耐蝕性，應(yīng)嚴(yán)格控制鎂合金中雜質(zhì)元素(如Fe、Cu、Ni等)和夾雜物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，提高鎂合金純凈度是擴(kuò)大應(yīng)用范圍的技術(shù)關(guān)鍵 。

解決鎂合金氧化活性給壓鑄工藝過程和環(huán)境保護(hù)帶來的問題是非常重要的。用熔劑覆蓋和除氣精煉會排出酸霧，腐蝕建筑結(jié)構(gòu)和環(huán)境；用SF6混合氣體保護(hù)，對地球產(chǎn)生溫室效應(yīng)。研究開發(fā)高效、低污染、低成本的熔煉保護(hù)介質(zhì)和相應(yīng)的工藝及裝備已勢在必行。

2．2 鎂合金的性能特點(diǎn)

(1)有較高的比強(qiáng)度和比剛度。鎂合金的密度一般為1.73～1.83g/ cm³，其絕對強(qiáng)度低于鋁合金，但其比強(qiáng)度高于鋁合金，彈性模量雖比鋁合金低，但其比剛度高于鋁合金和鋼。相同質(zhì)量的結(jié)構(gòu)件采用鎂合金，可使物件獲得更高的剛度。

(2)有很高的阻尼容量和很好的減震性能。鎂合金鑄件在彈性范圍內(nèi)承受外力，可使構(gòu)件的應(yīng)力均勻分布，有利于避免應(yīng)力集中。其吸收能量的能力比鋁大一倍，特別適用鑄造承受沖擊載荷和振動的零部件，如汽車的變速箱殼體、鑿巖機(jī)的本體、林業(yè)機(jī)械的電動鋸本體等等，均可借助鎂合金的特性，吸收操作時產(chǎn)生的震動和噪音。

(3)有優(yōu)良的切削加工性能和拋光性能。鎂合金在切削加工時，不用任何切削液即可得到較高的光潔度，精車后可達(dá)到磨削加工的要求。

(4)一般講，鎂合金的耐腐蝕性較差，但在干燥的空氣中具有良好的耐腐蝕性。壓鑄件經(jīng)過酪酸鈍化處理后可提高耐腐蝕性，在空氣中可長期使用。

(5)鎂合金不侵蝕鐵和鋼，不與其合金化，因此熔化鎂合金的鋼坩堝可以不使用涂料

2．3 壓鑄鎂合金中各元素的作用和影響

鋁：鋁在鎂合金中為基本組元，提高壓鑄鎂合金流動性的方法之一就是添加鋁。加鋁對提高鎂合金強(qiáng)度，改善外觀表面，減少粘型傾向都有好處。鋁元素影響耐腐蝕性，過量的鋁還會使合金脆化，在鎂合金中鋁含量最高不得超過9％～l0％。

鋅：鋅與鎂形成熔點(diǎn)為341℃的共晶體。含鋅量在0.8％時。能提高鎂合金的流動性和力學(xué)性能，并可減少鐵和鎳等雜質(zhì)的腐蝕作用。通常鋅被限制在1％以內(nèi)，以避免引起合金的高溫?zé)岽嘈浴?/p>

錳：鎂合金中添加少量的錳，能大大提高其耐腐蝕性，還能中和鐵在合金中的有害作用。當(dāng)含錳量在0.5％以下時，還能改善合金的的力學(xué)性能。

硅：硅幾乎不溶于鎂，在60℃ 時，其溶解度不超過0.1％ ，少量的硅能改善鎂合金的流動性和成型性，但降低塑性和耐腐蝕性，尤其當(dāng)鎂合金中含有鐵時更甚。

鐵：鐵不溶于鎂而存在于晶粒之間。當(dāng)合金中含錳時，則鐵和錳組成化合物沉淀。鐵在鎂合金中降低合金的力學(xué)性能和耐腐蝕性，是極有害的雜質(zhì)，應(yīng)嚴(yán)加控制。

銅和鎳：銅和鎳能劇烈增加鎂合金在熔融狀態(tài)下的氧化趨勢，并降低合金的耐腐蝕性．是鎂合金中極有害的雜質(zhì)。

鈹：鈹在鎂合金中的固溶量極微．但極微量的鈹(通常質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05％～0.015％)可使鎂熔體的燃燒降低到最低限度，同時減少氧化。其機(jī)理在于鈹對通常的氧化膜的變質(zhì)作用，使它更能抗擴(kuò)散，從而達(dá)到保護(hù)其底層的合金不再受氧化,這樣就降低了在鑄件中包含夾雜物的機(jī)率。微量的鈹對合金力學(xué)性能沒有影響。

2．4 壓鑄鎂合金的應(yīng)用

汽車 鎂合金在汽車上用作零部件的歷史約有70年。早在1930年就用于一輛賽車上的活塞和歐寶汽車上的油泵箱，之后用量和應(yīng)用部位逐漸增加。20世紀(jì)60年代，在有的車種上用量達(dá)到23kg，主要用作閥門殼、空氣清潔箱、制動器、離合器、踏板架等。80年代初，由于采用新工藝，嚴(yán)格限制了鐵、銅、鎳等雜質(zhì)元素的含量，鎂合金的耐蝕性得到了解決，同時，成本下降又大大促進(jìn)了鎂合金在汽車上的應(yīng)用。從90年代開始，歐美、日本、韓國的汽車商都逐漸開始把鎂合金用于許多汽車零件上。鎂合金壓鑄件在汽車上的應(yīng)用已經(jīng)顯示出長期的增長態(tài)勢。在過去十年里，其年增長速度超過15％。在歐洲，已經(jīng)有300種不同的鎂制部件用于組裝汽車，每輛歐洲生產(chǎn)的汽車上平均使用2.5 kg 鎂。樂觀的估計(jì)認(rèn)為，出于減重的需要，每輛汽車對鎂的需求將提高至70～120kg。目前，汽車儀表、座位架、方向操縱系統(tǒng)部件、引擎蓋、變速箱、進(jìn)氣歧管、輪轂、發(fā)動機(jī)和安全部件上都有鎂合金壓鑄產(chǎn)品的應(yīng)用。

電子產(chǎn)品 鎂合金與傳統(tǒng)3C產(chǎn)品(計(jì)算機(jī)、通訊、消費(fèi)類電子產(chǎn)品)所使用的材料相比，其優(yōu)越性表現(xiàn)在以下幾個方面。輕量化：與最輕的塑料相比。鎂合金密度雖為塑料的1.5倍，但塑料在剛度、散熱性以及可回收方面均不及鎂合金；鎂比金屬鋁還要輕l/3，是所有結(jié)構(gòu)用合金中最輕的，因此非常適合制造便攜式3C產(chǎn)品外殼；剛性較高;鎂合金的剛性與鋁合金、鋅合金相近，為一般塑料的10倍，在強(qiáng)度上優(yōu)于塑料材料；減振性能良好;鎂合金的比阻尼容量為鋁合金的10～25倍，鋅合金的1.5倍．可大大減少噪音及振動，用在可攜式設(shè)備上有助于減少外界震動源對內(nèi)部精密電子、光學(xué)組件的干擾：電磁波絕緣性佳;個人電腦以及手機(jī)的芯片在使用時發(fā)出的高頻電磁波往往會穿透外殼,互相干擾而成為噪音源，影響通訊以及運(yùn)算品質(zhì)。鎂合金是金屬，本身就是優(yōu)良的導(dǎo)體?？芍苯诱诒坞姶挪?，無需像塑料另作導(dǎo)電處理：散熱性良好;一般金屬的熱傳導(dǎo)性是塑料的數(shù)百倍。因此用于電子產(chǎn)品外殼或零部件時，若能在結(jié)構(gòu)及熱傳導(dǎo)性能上綜合設(shè)計(jì)考慮，即可發(fā)揮散熱片的功能。將CPU等電子零件產(chǎn)生的熱量疏導(dǎo)排除。與其它材料相比，鎂合金的熱傳導(dǎo)性略低于鋁合金及銅合金，但遠(yuǎn)高于鈦合金，比熱則與水接近，是常用合金中最高的。

航空航天 鎂合金的特點(diǎn)可滿足于航空航天等高科技領(lǐng)域?qū)p質(zhì)材料吸噪、減震、防輻射的要求，可大大改善飛行器的氣體動力學(xué)性能和明顯減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量。從20世紀(jì)40年代開始。鎂合金首先在航空航天部門得到應(yīng)用。在國外，B一36重型轟炸機(jī)每架用4086kg鎂合金簿板；噴氣式殲擊機(jī)“洛克希德F-80”的機(jī)翼用鎂板，使結(jié)構(gòu)零件的數(shù)量從47758個減少到l6050個；“德熱來奈”飛船的起動火箭“大力神”曾使用了600 的變形鎂合金；“季斯卡維列

爾”衛(wèi)星中使用了675 的變形鎂合金；直徑約1m的“維熱爾”火箭殼體是用鎂合金擠壓管材制造的。

3 壓鑄鋅合金與鋅鋁合金

壓鑄鋅合金和鋅鋁合金牌號如表3所示。鋅合金包括Zamak2、Zamak3、Zamak 5和Zamak7,鋅鋁合金包括ZA8、ZAl2和ZA27等。Zamak合金可采用快速循環(huán)的熱室壓鑄工藝，鑄件具有無毛刺、無斜度和非常接近的公差等特點(diǎn)。Zamak 3鋅合金應(yīng)用最廣泛，它具有力學(xué)性能、鑄造性能和經(jīng)濟(jì)性的最佳組合．用于制造形狀復(fù)雜且具有很好的表面光潔度的鑄件。

迅速發(fā)展的高鋁鋅基合金以其具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐磨性能、機(jī)加工性能和低能耗、無污染等特點(diǎn)，引起人們極大興趣。含有較高Al和Cu的鋅鋁合金比Zamak合金具有強(qiáng)度高、耐磨性好和抗蠕變性能優(yōu)良，密度小等特點(diǎn)。ZA27合金在已列入標(biāo)準(zhǔn)的牌號中熔點(diǎn)高、強(qiáng)度高和密度低。鋅鋁合金主要是作為替代銅合金的減摩耐磨材料及替代鋁合金和鑄鐵的結(jié)構(gòu)材料。鋅鋁合金經(jīng)Mn或Si合金化，可進(jìn)一步提高耐磨性和耐熱性，應(yīng)用于有高耐磨性和耐熱性要求的場合 。經(jīng)RE變質(zhì)的ZA27合金，提高了阻尼性能，尤其是應(yīng)用在頻率高于70Hz的場合．減振效果更明顯。

與鋁合金和鎂合金相比，鋅合金成本低，具有較高的強(qiáng)度和硬度及較好的伸長率和沖擊韌度，且能成形為形狀復(fù)雜、薄壁、表面光滑和高尺寸精度的壓鑄件，但密度大。鋅合金壓鑄所需的壓力小且溫度低，明顯延長壓鑄型壽命。鋅合金在小型壓鑄件上應(yīng)用范圍很廣，最常用于小型壓鑄件的是Zamak和ZA8合金。ZA8合金是唯一能用于快速熱室壓鑄工藝的鋅鋁合金，它在熱室壓鑄鋅合金中強(qiáng)度最高和抗蠕變性能最好。Zamak合金和ZA8合金明亮的鍍鉻特性是五金、玩具、模型和裝飾品制造業(yè)優(yōu)先選擇的合金。

4 壓鑄銅合金

銅合金壓鑄件具有很高力學(xué)性能和耐蝕性與其它有色金屬相比，銅合金壓鑄所需的壓力高和溫度高(982～1066℃)，明顯縮短壓鑄型的壽命，從而導(dǎo)致黃銅合金壓鑄型成本較高。當(dāng)零件需要較高的強(qiáng)／硬度、耐蝕性或耐磨性時，選擇銅合金壓鑄成形比起其它工藝方法還是比較經(jīng)濟(jì)的

5 壓鑄合金發(fā)展的展望

目前壓鑄生產(chǎn)中應(yīng)用最多的是鋁合金與鎂合金，但這兩種合金都存在比較明顯的不足，這些不足限制了壓鑄業(yè)的發(fā)展和壓鑄件的應(yīng)用，同時也為今后壓鑄業(yè)及壓鑄合金的發(fā)展指明了方向鎂合金是近年來廣受世界關(guān)注的新興材料．應(yīng)用于壓力鑄造的優(yōu)點(diǎn)有：高的生產(chǎn)率；高精度；好的表面質(zhì)量；精細(xì)的鑄件晶粒；可壓鑄薄壁和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。鎂合金壓鑄和鋁合金壓鑄相比，生產(chǎn)率高50％；可使用鋼模，延長服務(wù)壽命；更低的潛熱，節(jié)省能量；好的機(jī)加工性；模具成本節(jié)省50％；熔體具有更高的流動性。鎂合金壓力鑄造也有一些不利的方面，例如：由于極高的液體填充速度和凝固速度，易產(chǎn)生卷入性氣孔；鑄件不能太厚，壁厚只能局限于一定的尺寸；便宜的壓鑄合金，有限的力學(xué)性能；有限的可使用壓鑄合金種類；由于鑄件晶粒尺寸細(xì)小，抗蠕變能力較差；抗蠕變的Mg．Al-RE鎂合金的鑄造性較差，而且昂貴；不能進(jìn)行熱處理；不適合焊接。

目前絕大部分鋁合金應(yīng)用于壓鑄生產(chǎn)，主要因?yàn)殇X合金易于成型；有較多合金牌號可以滿足不同環(huán)境的要求；鋁合金密度小，鑄件質(zhì)量輕。比強(qiáng)度較高；高的生產(chǎn)率；高精度。鋁合金也有一些缺點(diǎn)，比如：鋁合金容易粘模，在一定程度上影響了鑄件的表面質(zhì)量；鋁合金結(jié)晶潛熱比較高。對壓鑄模具的熱沖擊比較大，縮短了模具的使用壽命。與鎂合金相比，生產(chǎn)效率較低，另外成本較高。

從壓鑄鋁、鎂合金的優(yōu)缺點(diǎn)可以看出，在諸多方面鋁、鎂合金存在互補(bǔ)性，如何將這兩種合金有效地結(jié)合起來，通過加入其它元素，開發(fā)出一種新的壓鑄合金牌號使之具有兩者的優(yōu)點(diǎn)又能盡量彌補(bǔ)兩者的缺點(diǎn)將成為廣大科研工作者的工作重點(diǎn)，也是壓鑄合金的發(fā)展方向。

本文作者：黃曉峰 蘭州理工大學(xué)甘肅省有色金屬新材料