镁合金的发展前景

论文：镁合金制件的发展趋势学院：机械工程学院专业：材料成型与控制工程（模具设计制造及自动化）学号：090131姓名：saoqidejiege浅谈镁合金制件的发展趋势090131saoqidejiege[摘要]镁合金具有力学性能好、熔点低、凝固收缩小、不腐蚀钢质模具等特点，是优良的轻质结构材料，具有良好的压铸性能。镁合金压铸件的应用近年来逐步加大。镁合金已被广泛应用于汽车、计算机、通讯及航空航天等众多领域，许多国家将其视为21世纪的重要战略物资。关键词：镁合金压铸航天工业汽车工业正文：在各种压铸用的合金材料中,金属镁密度小、极高的比强度、高抗震性、防电流干扰性、高散热性、薄制件成型有良性等特点，在通讯、计算机电子产业,汽车工业,武器装备，航空航天等领域发展前景极为可观。一、镁合金产品特性及应用1．镁合金产品特性镁合金是一种能够满足各种行业需求、发展前景极为可观的轻质合金材料。与目前的主流材料相比，镁合金具有如下几个突出的优点。(1)重量轻镁合金作为一种轻质金属结构材料，其密度为铝的2／3、钢的1／4；比重只相当于铝的2／3左右、锌的1／4左右、铁的1／4。在同等刚性条件下，1Kg镁合金的坚固度等于18Kg铝和2．1Kg钢，而同样复杂的零部件，镁合金制品重量比锡轻1／3、比钢制轻1／2。这一特性对于现代手提类产品减轻重量及车辆减少能耗有重要意义。(2)吸震性能高镁有极好的滞弹吸震性能，可吸收震动与噪音，对于用作设备机壳减少噪音传递、提高防冲击与防凹陷损坏十分有利。其抗冲击性是塑料的20倍。(3)良好的铸造性能在保持良好结构的条件下，镁制品壁厚可小于0．6mm，这是塑胶制相同强度下无法达到的。至于铝也只能在1．2～1．5mm范围内才可与镁相比。(4)模铸生产率高与铝相比，镁合金的单位体积热含量更低，这意味着它在模具内能更快凝固。一般来说，其生产率比铝压铸高出40％～50％，最高可达到压铸铝的两倍。(5)良好的切削性能镁的良好切削性能表现在：允许较高的切削速度，减少切削加工时间；比其它金属有高出几倍的刀具寿命(极少停机换刀并节省了操作时间与刀具成本)；有优良的表面光洁度，并可一次切削获得，极少出现积屑瘤；有良好的断屑特性及温度传导性，可免于使用冷却液或润滑液。(6)再生性废旧镁合金铸件可再熔化，并作为AZ91D、AM50或AM60的二次材料进行铸造。由于压铸件的需求不断增长，呵回收再用的能力是非常重要的。这种符合环保要求的特点，使得镁合金比许多塑胶材料更具吸引力。(7)高散热性镁合金有高散热性能，适合现今设计元件密集的电子产品。(8)高电磁扰屏障镁合金有良好的阻隔电磁波功能，适合于发出电磁干扰的电子产品。除上述特性外，镁合金还具有抗疲劳、无毒、无磁性和较低的裂纹倾向等特点。’二、镁合金产品应用镁合金目前主要应用于移动电话、笔记本电脑外壳、饰件等压铸产品，在汽车、家电制造等行业的应用也已经比较广泛。(1)汽车一般用于车上的座椅骨架、仪表盘、转向盘和转向柱、轮圈、发动机气缸盖、变速器壳、离合器壳等零件，其中，转向盘和转向柱、轮圈是应用镁合金较多的零件。随着技术的发展将有更多的零件用镁合金制造。镁合金铸件的急剧增加是由于汽车工业需要车辆减重、降低尾气排放量及提高燃烧效率所致；根据经验,减小10%车体重量相当于节约5.5%的工业燃料.另外,减小重量也可以提高汽车的机动性和驾驶性能.例如,减小车体前面的重量,可以使车易于驾驶;减小顶部的重量,由于降低了重心从而使车更为稳定。未来战争要求机动性和快速反应,减轻武器装备重量是未来武器装备发展方向之一,如坦克作战系统未来乘员在2~3人,重量(15~20)t,为现役坦克的三分之一,能行驶30d或1500km不加油,是现役坦克的三倍,便于运输.减轻重量的途径除结构设计外,就是部分采用轻合金。此外,镁及其合金由于质量轻而被广泛地应用于国防、航空航天产品中.如法国塞德航空公司(Sud-Aviation)超级弗雷隆(Frelon)直升机的镁合金齿轮箱,铸件由Mg-Zn-RE-Zr合金ZE41制成,铸件重133kg,加工后111kg。加银的镁合金可以使时效强化的Mg-RE-Zr合金的较低的拉伸性能得到显著提高,在航空和宇航方面已有一系列应用,例如飞机着落轮,齿轮箱盖和直升机水平旋翼附件.在轻兵器方面法国早期生产的MK50反坦克枪榴弹部分零件采用镁合金及铝合金.法国AMX-13轻型坦克,AMX-13装甲救护车,采用轻合金缸体、缸盖.美国M551谢里登轻型坦克/侦察车,变速箱体为铝-镁合金材料制成.随着镁及轻合金熔炼及制造技术的不断提高,在坦克和装甲车部分结构件、导弹壳体和尾翼等方面将得到广泛使用.另外由于镁合金具有良好的电信号抗干扰性,在军事的无线电通讯领域也将得到广泛应用.(2)移动电话由于镁合金具备耐震、抗磨损的特性，尤其是可屏蔽电磁波的特殊功能，对手机极为重要，有利于消除消费者对手机电磁波是否会影响人体健康的疑虑。尽管镁合金成本较高，但由于镁合金质地轻、耐高温、可塑性强且防磁能力强，将赢得手机制造商更多的青睐。(3)笔记本电脑现在的笔记本电脑外壳都强调散热性好、重量轻、坚固耐磨以及色彩鲜艳等特性。市面上的笔记本电脑外壳材质主要有ABS塑料、碳纤维、铝镁合金及钛合金4种，但总体说来，目前较受市场欢迎的材质是铝镁合金器的壳体、基座等。在传递振动时起阻尼减震作用，可提高仪器的灵敏度和稳定性。此外，镁合金还广泛应用于照相机、点克、耳机、CD机外壳及电视等家电的装饰件。二．高性能镁合金的研发成果1．含重稀土的超高强镁合金在Mg中添加Y和Zn(Y和zn的原予百分比约为2：1)的合金系中，在与Mg固溶体底面半行处形成Y和ZI1的富集层，通过反复在HCP结构(密排六方结构)的C轴方向积层，形成长周期积层结构(LPSO)。例如，用MgYzr1合金快速凝同粉末制成的挤压件的屈服强度达600MPa以上，延仲率达5％左右，不但强度与硬铝相当，且延展性也很好。另外，还开发了用其它重稀士置换Y的具有相同组织结构的镁合金系列。在Mg中添加Gd、Y等稀土元素，可显示出很强的时效硬化性能，由于其析出物的热稳定性能优异，冈此可通过对铸件进行T6处理，极大提高其室温强度及耐热性能。进而再添加0．5一lat％的Zn，则可在晶界附近形成具有前述LPSO结构的相，且延展性也得到提高。普通变形镁合金的屈服强度一般为150-200MPa，而Mg-i．8Gd一1．8Y一0．7Zn一0．2Zr(at％)合金经挤压加工后，由于抑制了孪品变形，其抗拉强度及压缩强度均超过400MPa。若挤压加：[后再进行T5时效处理，则抗拉强度及压缩强度分别提高至540MPa和490MPa，显示出与超硬销相当的高强度。这些合金有望用于附加值高的活塞等方面。2．压铸用耐热镁合金人们希望压铸用耐热镁合金可用于汽车发动机剧零部件，但以前的镁合金在自动变速汽车传动系统的应用方面，其耐热性能及压铸性能均不理想现在丌发的耐热镁合金添加了Ca、Sr、轻稀二L等，在品界结晶出热稳定性好的化合物，因此可用于工作温度约l75~C的自动变速汽年变速箱。日本还开发了添加5％的Al、2％的ca和RE的AXE522镁合金，已用于部分汽午的油盘及变速箱，其应用今后有望进一步扩大。近来，在重视耐热性的同时还比较重视爪铸性，含7％一9％销的Mg-AI—Ca—Sr—RE—Mn系合金(MRI一153合金)已用于汽年油盘。另外，随着纳米级分析技术的进步，使各合金元素的作用更加明确。例如，以前添加、{n是为了改善合金的耐蚀性能，现在发现在Mg—AI-Ca合金中添加Mn后可在品内形成规则的OP区，山于品内强化使蠕变速度减慢了一个数晕级，因此可显著改善材料的耐热性。上述研究成果还有助于不含稀土的高性能耐热镁合金的丌发。3．时效析出型通用镁合金的开发动向为扩大镁合金用途，大幅减轻各种运输设备的重量，非常希望丌发出能像铝合金那样，通过轧制、挤压成型后的热处理析出的微小颗粒的弥散作用，使材料强度大幅提高的新型热处理型变形镁合金，同时开发出基于镁合金特有的高温变形时组织形成机理的加工技术。虽然己开发出使用高价稀土的高时效硬化镁合金，但不一定适合汽车等运输设备的通用结构件。因此需要开发结构件所需的价格便宜、加工性能优异的时效硬化镁合金，并确立微观组织控制技术。例如，在Mg-6％Zn系镁合金中添加微量的Ag和Ca，然后在低速下进行挤压，含Zr的合金在350~C进行挤压时，含zr和Zn的相成为核，动态地析出有助于时效硬化的准稳定相，这种晶界的止钉效应使得结晶颗粒变小并有微细物析出，这使材料仅通过挤压就可获得300MPa和250MPa的抗拉及抗压屈服强度，350MPa的抗拉强度，l7％的延伸率。这说明即使不添加稀土元素，在最佳工艺条件下也可制得高强度及高延展性的镁合金。另外，还发现Mg—Zn—Ca及Mg：A1-Ca合金，通过时效，可形成合金元素富集的规则GP区。例如，TEM组织及三维原子探针解析结果显示，Mg一3．6A1—3．3Ca一0．2Mn合金在350℃高温挤压后，可观察到纳米尺寸的Al-Ca系板状析出物和A1-Ca-Mn系球状析出物，仅通过挤压，材料的抗拉强度就可达420MPa，屈服强度达410MPa，这是不添加稀土元素的镁合金中最高的。而且，150℃时的疲劳强度也超过了耐热铝合金。上述添加的合金元素是由原予半径比镁大或比镁小的元素构成，而且合金元素问的混合焓比与作为溶剂原子镁的混合焓具有更大的负值。上述研究结果有助于今后高强、耐热镁合金的开发。三．制造技术的开发1．熔融、铸造用阻燃气体压铸是一种可一体化成形薄壁复杂零件的低成本加工方法，适用于汽车、两轮车等的零部件制造。以前，镁合金熔融、压铸用的阻燃气体采用的是地球暖化系数高达22200的SF。气体，但最近开发出了很多替代气体。其中包括曰本开发的阻燃效果好、使用方便、地球暖化系数仅为9的OHFC-1234ze气体。日本已有10家以上的镁合金公司采用这种气体。从而减少了镁合金熔融、铸造工艺对环境的影响。2．连铸技术为扩大变形镁合金的应用范围，需要建立稳定的优质原料供应体系。因此，必须开发镁合金的连续铸造技术。最近已经可以像铝合金那样，利用绝热铸模的半连续铸造技术，开发出表面质量优异的镁合金坯料和板坯。3．加工技术随着镁合金半连续铸造技术的确立，确保质量稳定的挤压技术也在逐步形成。镁合金挤压材在挤压方向进行拉伸和压缩时，不同方向由材料结构导致的变形机理的差异，使材料强度，特别是屈服强度呈现各向异性。今后希望能够确立使各向异性得到改善的最佳挤压条件。另外，由于半连续铸造使材料的组织得到细化，使得铸件可不经过挤压而直接用伺服压力机进行锻造。锻造初始阶段加工速度比较低，促进动态再结晶，然后再进行高速锻造，这样可生产出形状复杂的锻件，并获得良好的机械性能。随着镁合金轧制技术的提高，现在己可生产质量稳定的薄板及50Bm左右的箔材。四．应用新动向l_压铸件的应用镁合金压铸件已应用于汽车零部件，包括方向盘、薄板车架、仪表盘及有耐热性能要求的油盘、传动箱等。但目前主要用于高级车，今后随着成本降低有望被普通汽车采用。已有的铝合金超高真空压铸技术最近应用于镁合金的压铸，批量生产出了两轮车用后车架。使用的是高韧性AM60B镁合金，为防．1卜出现结晶裂缝，采取板厚一致、角部加筋等措施，从而降低凝固收缩的集中度。制成产品的比疲劳强度是以前使用的经T5处理的A357铝合金的1．2倍，且重量减轻。这是镁合金首次用于自动两轮车后车架等重要安全零部件。2．变形镁合金的应用最近变形镁合金轧制板材已应用于笔记本电脑的壳体，使用的是具有适当强度及优异冲压成型性的AZ31和AZ41镁合金。从熔融、铸造到轧制、冲压全部在日本国内进行。温冲成型使用的是仅经轧制的材料。镁合金具有较高的振动衰减能，利用这一特点将镁合金用于扬声器振动板，现已实现批量生产。用厚度为50Dm左右的箔材进行温冲成型，材料使用纯镁或AZ31。三、镁合金及其制品发展的依存条件分析1．国内资源供给状况我国是镁资源生产大国，镁资源储量占世界总储量的22