什么是鎂合金?
鎂合金是以鎂為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金。鎂合金密度只有1.7 kg/m3,是鋁的2/3,鋼的1/4,強(qiáng)度高于鋁合金和鋼,比剛度接近鋁合金和鋼,是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料。
鎂合金具有密度低、比性能好、減震性能好、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能良好、工藝性能良好、耐蝕性能差、易于氧化燃饒、耐熱性差等特點(diǎn),是實(shí)用金屬中的最輕的金屬。因此,鎂合金在電子產(chǎn)品、汽車、航空航天等需要高比強(qiáng)度金屬材料的領(lǐng)域具備廣闊的發(fā)展前景。
鎂合金的分類
按成形工藝,鎂合金可分為鑄造鎂合金和變形鎂合金,兩者在成分、組織性能上存在很大的差異。鑄造鎂合金主要用于汽車零件、機(jī)電殼罩和電器構(gòu)件等。變形鎂合金主要用于薄板、擠壓件和鍛件等。
國內(nèi)鑄造鎂合金一般按合金系列分為:鎂-鋁系:ZM5,ZM10;鎂-鋅-鋯系:ZM1,ZM2,ZM7;鎂-稀土-鋯系:ZM3,ZM4,ZM6。
鎂合金國際上大多采用美國ASTM 標(biāo)準(zhǔn),依據(jù)鎂合金所含的1-2種主要合金元素,將鎂合金分為M 系(Mg-Mn)、AZ 系(Mg-Al-Zn)、AM 系(Mg-Al-Mn),Mg-Al-Ca 系(AX)、Mg-Al-Ca-Sr 系(AXJ)、ZC 系(Mg-Zn-Cu)、ZK 系(Mg-Zn-Zr)、EK 系(Mg-RE-Zr)、HM 系(Mg-Th-Mn)、QE 系(Mg-Ag-RE)、LA 系(Mg-Li-Al)和 WE系(Mg-Y-Nd)等。
鎂合金的優(yōu)點(diǎn)
鎂合金具有散熱快、質(zhì)量輕、剛性好、具有一定的耐蝕性和尺寸穩(wěn)定性、抗沖擊、耐磨、衰減性能好及易于回收;另外還有高的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能、無磁性、屏蔽性好和無毒的特點(diǎn)。
鎂合金還有良好的耐腐蝕性能,電磁屏蔽性能,防輻射性能,可做到100%回收再利用。
鎂合金件穩(wěn)定性較高壓鑄件的鑄造行加工尺寸精度高,可進(jìn)行高精度機(jī)械加工。
鎂合金具有良好的壓鑄成型性能,壓鑄件壁厚最小可達(dá)0.5mm,適應(yīng)制造汽車各類壓鑄件。
鎂合金的缺點(diǎn)
1)易燃性
鎂元素與氧元素具有極大的親和力,其在高溫下甚至還處于固態(tài)的情況下,就很容易與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng),放出大量熱,且生成的氧化鎂導(dǎo)熱性能不好,熱量不能及時(shí)發(fā)散,繼而促進(jìn)了氧化反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行,形成了惡性循環(huán),而且氧化鎂疏松多孔,不能有效阻隔空氣中氧的侵入。
2)室溫塑性差
鎂屬于密排六方晶體結(jié)構(gòu),其在室溫下只有1個(gè)滑移面和3個(gè)滑移系,因此它的塑性變形主要依賴于滑移與孿生的協(xié)調(diào)動(dòng)作,但鎂晶體中的滑移僅發(fā)生在滑移面與拉力方向相傾斜的某些晶體內(nèi),因而滑移的過程將會(huì)受到極大地限制,而且在這種取向下孿生很難發(fā)生,所以晶體很快就會(huì)出現(xiàn)脆性斷裂。在溫度超過250℃時(shí),鎂晶體中的附加滑移面開始起作用,塑性變形能力變強(qiáng)。
3)耐蝕性差
鎂具有很高的化學(xué)活潑性,其平衡電位很低,與不同類金屬接觸時(shí)易發(fā)生電偶腐蝕,并充當(dāng)陽極作用。在室溫下,鎂表面與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng),形成氧化鎂薄膜,但由于氧化鎂薄膜比較疏松,其致密系數(shù)僅為0.79,即鎂氧化后生成氧化鎂的體積縮小, 因此耐蝕性很差。
4)高溫強(qiáng)度特別是高溫抗蠕變性能較差?,F(xiàn)在常用的鎂合金的使用溫度一般不超過120℃,這一缺點(diǎn)將使它在汽車行業(yè)的應(yīng)用受到限制。
鎂合金的鑄造工藝
1)壓鑄
壓鑄是鎂合金最主要的成形工藝,世界鎂合金鑄件的93%是用壓鑄工藝生產(chǎn)的。鎂合金有熱室壓鑄和冷室壓鑄兩種方式,主要取決于鑄件壁厚,熱室壓鑄一般用于薄壁鑄件。采用型腔抽真空的方法可以減少鎂合金鑄件的氣孔,真空壓鑄就是在壓鑄過程中抽出型內(nèi)氣體,以消除或減少壓鑄件內(nèi)的氣孔和溶解氣體,提高壓鑄件的力學(xué)性能和表面質(zhì)量。充氧壓鑄是一種無孔壓鑄,該法在充型前將氧氣或其它活性氣體充入型腔以置換型內(nèi)空氣,充型時(shí),活性氣體與鎂合金液反應(yīng)生成彌散分布的金屬氧化物,達(dá)到消除壓鑄件內(nèi)氣體和氣孔的目的。用該法生產(chǎn)的壓鑄件可以進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。
2)半固態(tài)鑄造
半固態(tài)鑄造分為流變鑄造和觸變鑄造。觸變鑄造的工藝過程是由投料筒經(jīng)進(jìn)料口進(jìn)入料筒的固態(tài)鎂合金顆粒,憑借螺桿旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切力及料筒加熱器的加熱,當(dāng)材料加熱到固液兩相區(qū)、達(dá)到一定的固相分?jǐn)?shù)時(shí),由螺桿推動(dòng)射入型腔成形。鎂合金觸變鑄造的優(yōu)點(diǎn)是:①非枝晶鎂合金坯料不需完全熔化,節(jié)省能源;②充型時(shí)不易產(chǎn)生飛邊,鑄件尺寸精度高;③鑄件致密,縮松少;④金屬漿料溫度低,鑄型壽命長;⑤不需要用SF6作為保護(hù)氣體,環(huán)境污染小;⑥生產(chǎn)過程安全性高。
3)擠壓鑄造
擠壓鑄造的充型壓力比重力金屬型鑄造要高幾個(gè)數(shù)量級(jí),其對(duì)鑄件成形的影響主要表現(xiàn)為提高充型速度,減少鑄件中的疏松和氣孔缺陷,提高鑄件的致密度和力學(xué)性能,獲得可以熱處理的鑄件。擠壓鑄造最重要的工藝參數(shù)是鑄型溫度、澆注溫度和合金的過熱度,合金本身的鑄造性能卻不十分重要,其它較重要的工藝參數(shù)為澆注金屬液的體積、金屬液潔凈度、充型壓力曲線、鑄型涂料、擠壓前金屬液停留時(shí)間等。要獲得無氣孔的擠壓鑄件,凝固溫度區(qū)間較大的AZ91鎂合金所需要的充型壓力比凝固溫度區(qū)間較小的AZ31大。
4)鎂合金的其他鑄造方法
低壓鑄造和差壓鑄造已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)鎂合金汽車鑄件,這兩種方法可以保證平穩(wěn)充型,避免鎂合金液氧化和卷氣,還可以在鑄造過程中將加壓系統(tǒng)與鎂合金的氣體保護(hù)有效地結(jié)合起來。鎂合金的精密鑄造和石膏型鑄造也得到了一定應(yīng)用。
鎂合金的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
國外發(fā)展現(xiàn)狀
近年來,北美、歐洲和日本等發(fā)達(dá)國家相繼加大了對(duì)鎂合金開發(fā)與應(yīng)用研究的投入。鎂合金應(yīng)用和研究重點(diǎn)開始從宇航和兵工等領(lǐng)域擴(kuò)展到民用高附加值產(chǎn)業(yè)(如汽車、電腦、通信和家電等)。圍繞鎂合金材料的開發(fā),爭奪國際商業(yè)市場的競爭日趨激烈。
鎂合金在電子器件中的應(yīng)用增長加快,日本松下、NEC、SONY以及歐洲、美國、臺(tái)灣等著名公司已經(jīng)用鎂合金制造便攜式電腦、手提電話、攝錄像機(jī)殼體,顯示出了極強(qiáng)的竟?fàn)幜Α?/p>
國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
我國目前在鎂工業(yè)方面擁有三項(xiàng)“世界冠軍”。第一是鎂資源大國,儲(chǔ)量居世界首位;第二是原鎂生產(chǎn)大國;第三是出口大國。盡管如此,我國的鎂工業(yè)還存在著不少問題,主要表現(xiàn)在:1)原鎂生產(chǎn)技術(shù)比較落后,質(zhì)量不夠穩(wěn)定;2)出口產(chǎn)品絕大多數(shù)是廉價(jià)的純鎂錠,鎂合金出口比重只有15%左右;3)原創(chuàng)性的研究成果缺乏,目前出口的所有鎂合金錠幾乎全部按照國外的牌號(hào)生產(chǎn),而且在鎂合金產(chǎn)品加工中的關(guān)鍵技術(shù)和裝備大部分依靠進(jìn)口。
中國鎂合金產(chǎn)品的生產(chǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀是,鎂合金的優(yōu)勢已經(jīng)被許多企業(yè)所認(rèn)識(shí),在汽車、摩托車和3C產(chǎn)業(yè)中鎂合金已經(jīng)開始獲得應(yīng)用,用戶包括上汽、一汽、二汽、奇瑞、隆鑫、海爾等。例如,一汽鑄造有限公司AM50鎂合金方向盤骨架;鎂合金壓鑄迅速增長,臺(tái)灣、香港和大陸投資的鎂壓鑄廠分布在幾乎全國各地,各種壓鑄機(jī)數(shù)量超過50臺(tái),變形鎂合金加工開始起步。