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鑄造鎂合金的應用和技術進展

發布時間:2017-10-17來源:點擊:1947

鑄造鎂合金的應用和技術進展

  90年代以來,在世界范圍內,鎂作為一種迅速崛起的工程金屬材料,每年以15%的速率保持快速增長,遠遠高于鋁、銅、鋅、鎳以及鋼鐵,這在近代工程金屬材料的應用中是***的。以鎂合金壓鑄件為例,根據國際鎂協會(International Magnesium Association)和HydroMagnesium的估計,1991年,在全球鎂合金壓鑄件中,鎂的應用已達到24000t。此后每年以15%—20%的速率穩步增長,及至1997年,已達64 000t。2000年突破100 000t大關。到2008年,可能增加到240000t規模,其中80%是汽車工業的應用。

  

  1 鑄造鎂合金的應用

  

  1.1 航空航天領域

  

  就航空材料而言,結構減重和結構承載與功能一體化是飛機機體結構材料發展的重要方向。鎂由于其低密度、高比強度的特性使得其很早就在航空工業上得到應用。航空材料減重帶來的經濟效益和性能的改善十分顯著,商用飛機與汽車減重相同重量帶來的燃油費用節省,前者是后者的近100倍。而戰斗機的燃油費用節省又是商用飛機的近10倍,更重要的是其機動性能改善可以極大提高其戰斗力和生存能力。正因為如此,航空工業才會采取各種措施增加鎂合金的用量。

  

  1.2 軍事領域

  

  鎂合金重量輕、比強度和剛度好、減振性能好、電磁干擾屏蔽能力強等特點能滿足軍工產品對減重、吸噪、減震、防輻射的要求。

  

  1.3 汽車領域

  

  鎂合金用作汽車零部件通常表現為以下優點:

  

  1)提高燃油經濟性綜合標準,降低廢氣排放和燃油成本,據測算,汽車所用燃料的60%消耗于汽車自重,汽車每減重10%,耗油將減少8%-10%;

  

  2)重量減輕可以增加車輛的裝載能力和有效載荷,同時還可改善剎車和加速性能;

  

  3)可以極大改善車輛的噪音、振動現象。

  

  1.4 摩托車領域

  

  50多年來,經過不斷的技術革新,鎂合金在摩托車上的應用也不斷在廣度和深度上進行擴展,應用車型從賽車擴展到運動型摩托、輕便型摩托、概念型摩托,覆蓋歐美日十幾種主要摩托車品牌,鎂合金應用部件涵蓋動力系統,傳動系統以及各種摩托車附件四十余種,其中僅英國的Dymay輪轂就應用多達400種車型。國內摩托車鎂合金的應用目前尚屬空白,重慶隆鑫率先試制出型號為LXl50的“鎂合金綠色概念摩托車”,在國內引起了廣泛的關注,所采用的12個零部件如今已有3個實現了規?;a。

  

  1.5 3C領域

  

  3C產品——Computer,Communication,Consum·erElectronicProduct(計算機類、通訊類、消費類電子產品)是當今全球發展*快的產業,數字化技術導致了各類數字化產品的不斷涌現。鎂合金3C產品*早出現于日本,1998年,日本廠商開始在各種可攜式商品(如PDA.手機等)采用鎂合金材質,如今運用鎂合金*普遍的3C產品是筆記本電腦,也是由日本Sony公司率先推出的。在3C產品朝著輕、薄、短、小方向發展趨勢的推動下,近年來鎂合金的應用得到了持續增長。

  

  2 鑄造鎂合金的熔煉技術

  

  2.1 鑄造鎂合金液的阻燃技術

  

  2.1.1 熔劑保***

  

  利用低熔點的化合物在較低的溫度下熔化成液態,在鎂合金液面鋪開,因阻止鎂液與空氣接觸從而起到保護作用?,F在普遍使用的熔劑由無水光鹵石(MgCI2—KC)為主,添加一些氟化物、氯化物組成。該劑使用較方便,生產成本低,保護使用效果好,適合于中小企業的生產特點。但是,該劑使用前要重新脫水,使用時會釋放出嗆人的氣味。由于熔劑的密度較大會逐漸下沉,需要不斷添加。使用過程中釋放出大量有害氣體,污染環境、腐蝕廠房嚴重。因此,研究新型的覆蓋、精煉效果好且無公害的鎂合金熔劑是一項重要課題。

  

  2.1.2氣體保***

  

  氣體保***是在鎂合金液的表面覆蓋一層惰性氣體或者能與鎂反應生成致密氧化膜的氣體,從而隔絕空氣中的氧,采用的主要保護氣體是SF6、S02、CO2、Ar、N2等。為了進一步提高保護作用和減少較貴的SF6氣體的用量,國外一般在SF6氣體中混合空氣或其他干燥氣體如CO:混合氣體保護效果好,但是存在以下問題:

  

  1)污染環境,SF6會產生S02、SF4等有毒氣體,SF6對全球變的作用是CO2的24900倍;

  

  2)設備復雜,需要復雜的混氣裝置和密封裝置;

  

  3)腐蝕設備,顯著降低坩堝使用壽命。

  

  2.1.3 合金化法

  

  過去人們采用在鎂合金中添加鈹元素來提高鎂合金的阻燃性能,但鈹的毒性較大,且加入量過高會引起晶粒粗化和增加熱裂傾向,因此受到添加量的***。日本學者研究認為,添加一定量的鈣能明顯提高鎂合金的著火點溫度,但是存在著加入量過高,且嚴重惡化鎂合金的力學性能。同時加入鈣和鋯具有阻燃效果。國內研究認為,在鎂合金AZ91D中加入稀土鈰可有效提高鎂合金的起燃溫度。

  

  2.2 鎂合金熔體的變質處理技術

  

  鎂合金熔煉變質的目的是改變鎂合金的組織形態,該工藝對合金的晶粒大小和力學性能有較大的影響,且對鎂液中的氧化夾雜亦有一定影響。研究表明,對于不含Al的鎂合金,采用鋯進行變質處理具有很好的晶粒細化效果,作用原理是Zr發生包晶反應,促進晶粒細化。在Mg—Al類合金中加入合適的碳素材料后,使其與合金液起化學反應生成A1C4,該化合物可以起到外來晶核的作用,促使鎂合金的晶粒細化。在AZ91鎂合金基礎上添加不同含量的混合稀土,對其鑄態和固溶時效的組織及性能也有明顯的效果。

  

  3 鎂合金成形技術

  

  鎂合金成形分為變形和鑄造兩種方法,當前主要使用鑄造成形工藝。鎂合金可以砂型鑄造、消失模鑄造、壓鑄、半固態鑄造等方法成型,近年來發展起來的鎂合金壓鑄新技術有真空壓鑄和充氧壓鑄,前者已成功生產出AM60B鎂合金汽車輪毅和方向盤,后者也己開始用于生產汽車上的鎂合金零件。解決汽車大型和復雜形狀零部件的成形問題是當前進一步開發和改進鎂合金成形加工技術的方向。這里就現在常用的鎂合金鑄造方法作一簡要介紹。

  

  3.1 壓鑄

  

  該方法是將熔化的鎂合金液,高速高壓注入精密的金屬型腔內,使其快速成形。根據把鎂液送入金屬型腔的方式,壓鑄機可分為熱室壓鑄機和冷室壓鑄機兩種。

  

  1)熱室壓鑄機。其壓室直接浸在坩堝內鎂液中,長期處于被加熱狀態,壓射部件裝在坩堝上方。這樣壓鑄每循環一次時,不必特意給壓室供給鎂液,所以生產能快速、連續,易實現自動化。熱室壓鑄機的優點是生產工序簡單,效率高;金屬消耗量少,工藝穩定;壓入型腔的鎂液較干凈,鑄件質量較好;鎂液壓人型腔時流動性好,適于壓薄壁件。但壓室、壓鑄沖頭及坩堝長期浸在鎂液中,影響使用壽命,對這些熱作件材料要求較高。鎂合金熱室壓鑄機更適合生產一些薄壁而外觀要求較高的零件,如手機和掌上電腦外殼等,但由于鎂合金熱室壓鑄機是采用沖頭直接將鎂合金液經過封閉的鵝頸和噴嘴壓人金屬模型腔,因此壓射時增壓壓力較小,一般不適用于汽車、航天航空等大型、壁厚、載荷大的零件。

  

  2)冷室壓鑄機。每次壓射時,先由手工或通過自動定量給料機把鎂液注入壓射套筒內,因而鑄造周期比熱室壓鑄機要長些。冷室壓鑄機的特點是: 壓射壓力高,壓射速度快,所以可以生產薄壁件,也可以是厚壁件,適應范圍寬;壓鑄機可大型化,且合金種類更換容易,也可與鋁合金并用;壓鑄機的消耗品比熱室壓鑄機的便宜。多數情況下,對大型、厚壁、受力和有特殊要求的壓鑄件采用冷室壓鑄機生產。

  

  鎂合金壓鑄時,由于壓射速度高,當鎂液充填到模具型腔時,不可避免會有金屬液紊流及卷氣現象發生,造成工件內部和表面產生孔洞缺陷,因此對于要求高的鑄件,如何提高其成品率是鎂合金壓鑄所面臨的主要問題之一。

  

  3.2 半固態成形技術

  

  鎂合金半固態成形是近年來發展起來的成形技術,可以獲得高致密度的鎂合金制品,是具競爭力的鎂合金成形方法。半固態成形主要有以下幾種方法。

  

  3.2.1 觸變鑄造

  

  觸變鑄造是將制備的非枝晶組織的棒料定量切割后重新加熱至液固兩相區(固相體積分數為50%—80%),然后再采用壓鑄或模鍛工藝半固態成形,觸變鑄造不使用熔化設備,錠料重新加熱后便于輸送和加熱,易于實現自動化;但是,制備預制坯料需要巨大的投資,而且關鍵技術為國外少數幾家公司所壟斷,導致其成本居高不下,僅適于制造需高強度的關鍵零件。

  

  3.2.2 流變鑄造[2]

  

  流變鑄造采用金屬熔體做原料,冷卻攪拌產生半固態合金漿料后,以管路或容器輸送至壓鑄機直接成形,對于流變鑄造,由于非枝晶半固態合金漿料在保持、狀態控制和輸送等方面存在著困難,在很大程度上***了其工業應用,從而慢于觸變鑄造工業應用的步伐。隨半固態鑄造技術的進展,觸變鑄造在預制材料均勻性及成本、感應加熱控制及材料消耗、成形過程的可靠性及重復性、廢料回收等方面的***越來越明顯,其經濟效益很難盡人如意,因此開發流變鑄造再度受到人們的重視,日本日立制作所及UBE都開發出新的流變鑄造工藝及設備??傊?,流變鑄造不僅可以低成本生產高質量的成形件,而且生產流程將比觸變鑄造顯著縮短,更易于與傳統壓鑄技術接軌,減少設備投資。顯然,流變鑄造技術將會有更大的應用潛力。

  

  4 高性能鑄造鎂合金的研究進展

  

  4.1 耐熱鎂合金

  

  耐熱性差是阻礙鎂合金廣泛應用的主要原因之一,當溫度升高時,它的強度和抗蠕變性能大幅度下降,使它難以作為關鍵零件(如發動機零件)材料在汽車等工業中得到更廣泛的應用。己開發的耐熱鎂合金中所采用的合金元素主要有稀土元素(RE)和硅(Si)。稀土是用來提高鎂合金耐熱性能的重要元素。含稀土的鎂合金QE22和WE54具有與鋁合金相當的高溫強度,但是稀土合金的高成本是其被廣泛應用的一大阻礙。

  

  Mg—Al—Si(AS)系合金是德國大眾汽車公司開發的壓鑄鎂合金。175 cC時,AS41合金的蠕變強度明顯高于AZ91和AM60合金。但是,AS系鎂合金由于在凝固過程中會形成粗大的漢字狀Mg2Si相,損害了鑄造性能和機械性能。研究發現,微量Ca的添加能夠改善漢字狀MgaSi相的形態,細化Mg2Si顆粒,提高AS系列鎂合金的組織和性能。

  

  4.2 耐蝕鎂合金

  

  鎂合金的耐蝕性問題可通過兩個方面來解決:

  

  1)嚴格***鎂合金中的Pe、Cu、Ni等雜質元素的含量。例如,高純AZ91HP鎂合金在鹽霧試驗中的耐蝕性大約是AZ91C的100倍,超過了壓鑄鋁合金 A380,比低碳鋼還好得多。

  

  2)對鎂合金進行表面處理。根據不同的耐蝕性要求,可選擇化學表面處理、陽極氧化處理、有機物涂覆、電鍍、化學鍍、熱噴涂等方法處理。例如,經化學鍍的鎂合金,其耐蝕性超過了不銹鋼。

  

  4.3 阻燃鎂合金

  

  鎂合金在熔煉澆鑄過程中容易發生劇烈的氧化燃燒。實踐證明,熔劑保***和SF6、SO2、CO2、Ar等氣體保***是行之有效的阻燃方法,但他們在應用中會產生嚴重的環境污染,并使得合金性能降低,設備投資增大。

  

  純鎂中加鈣能夠大大提高鎂液的抗氧化燃燒能力,但是由于添加大量鈣會嚴重惡化鎂合金的機械性能,使這一方法無法應用于生產實踐。

  

  *近,上海交通大學輕合金精密成型國家工程研究中心通過同時加入幾種元素,開發了一種阻燃性能和力學性能均良好的轎車用阻燃鎂合金,成功地進行了轎車變速箱殼蓋的工業試驗,并生產出了手機殼體、MP3殼體等電子產品外殼。

  

  4.4 高強高韌鎂合金

  

  現有鎂合金的常溫強度和塑韌性均有待進一步提高。在Mg—Zn和Mg—Y合金中加人Ca、Zr可顯著細化晶粒,提高其抗拉強度和屈服強度;加入Ag和Th能夠提高Mg—RE—Zr合金的力學性能,如含Ag的QE22A合金具有高室溫拉伸性能和抗蠕變性能,已廣泛用作飛機、導彈的優質鑄件;通過快速凝固粉末冶金、高擠壓比及等通道角擠(ECAE)等方法,可使鎂合金的晶粒處理得很細,從而獲得高強度、高塑性甚至超塑性。

  

  5 我國鑄造鎂合金的應用概況

  

  5.1 生產受技術和裝備的制約

  

  目前我國原鎂產量居世界首位。2000年全國產量約200000t,80%以上作為初級原料低價出口,國內消費20000t左右。其中只有2000t用于桑塔納轎車變速箱殼體,其余均作為合金制備等一般用途。由于鎂合金的技術裝備和開發應用相對滯后,國內鎂行業表現出嚴重的結構性矛盾。我國有色金屬壓鑄已有相當的基礎,現擁有壓鑄廠點及相關企業總共約3000家,壓鑄機制造廠約有20家,年產壓鑄件300000t。其中鋁壓鑄件占75.5%,鎂壓鑄件僅占1%左右。上海乾通汽車附件有限公司為上海桑塔納轎車生產鎂合金壓鑄變速箱外殼已有多年歷史。但總體上看,與發達國家相比我國的壓鑄件綜合質量較差(加工余量大、廢品率高、合金利用率低、鑄造工藝裝備基礎條件差、環保和能耗問題較嚴重、缺乏專門人才和新工藝新產品開發能力)。致使產品價格較高缺乏競爭力??梢哉f我們現有的基礎完全不能適應鎂合金產業化的要求。雖然鎂合金從鑄造工藝性看是一種非常適合于壓鑄的金屬材料,但生產實踐表明,鎂合金壓鑄需要很高的技術水平和經驗的積累??偟闹v鎂合金壓鑄的生產技術水平現在還很低,相對鋁合金壓鑄,鎂合金壓鑄件的質量和產量的穩定性較差、廢品率較高,致使鎂合金產品價格較高,制約了鎂合金產品的推廣應用和新產品的開發。應充分重視實現我國鎂合金產業化過程中相關應用基礎工作的研究和鎂合金專門人才的培養。

  

  5.2 政府高度重視

  

  在“九五”期間科技部已開展了“鎂合金材料在轎車上的應用研究”、“阻燃鎂合金的研制”、“高品質犧牲鎂陽極的研制”等課題的研究。前期投入的研究工作還有鎂合金標準的研究、管理與運行機制創新研究等相關內容。2000年科技部啟動了“鎂合金開發應用及產業化”的前期戰略研究,現該項目已列為國家“十五”重大科技攻關重大專項,正組織力量聯合攻關;在國家“863”計劃中也安排了有關鎂合金新材料、新工藝的研究內容;國家計委也將鎂合金產業化列為今年高新技術產業化示范項目;兵器等軍工集團也開始啟動了相應的研究開發計劃。

  

  5.3 國際合作日益活躍

  

  2001年5月,中國臺灣工業研究院一行5人前來祖國大陸考察訪問,并就大陸、香港、臺灣地區共同開發鎂合金應用技術達成合作備忘錄;香港生產力促進局也曾就該項目的合作事宜派人來京進行了多次洽談;香港力勁公司與清華大學合作成立了“壓鑄高新技術研究中心”;海峽兩岸及香港已成立鎂合金項目協調小組;清華大學成立了中俄“輕金屬材料”國際合作實驗室;2000年10月組織國內有關專家赴歐洲就鎂合金工業化應用項目進行了考察、調研;中美有關部門也正在積極洽談、溝通;寧夏華源與日本華源公司和日本金屬株式會社還簽署了共同開發耐熱鎂合金的合同書等。

  

  5.4 企業態度非常積極

  

  上海汽車(集團)公司、一汽集團、東風公司、奇瑞、長安、江鈴等汽車企業都在用鎂合金零部件;重慶隆鑫集團和西南鋁業集團公司等單位合資組建的重慶鎂業科技股份有限公司已經開發出了10多種鎂合金摩托車零部件。這些鎂合金零部件累計裝車30多萬輛。其單車用鎂量達5 kS,總減重約3kg。


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