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镁合金特性

2016-12-30 11:05 中国泵阀第一网 点击:1735

背景资料:

镁是地壳中含量最丰富的元素之一,其丰度居第8位,约占地壳组成的2.5%,主要以白云石(碳酸镁钙)、菱镁矿存在,此外,海水中含镁约0.13%,可谓取之不尽,但人类认识镁却较晚,1828年法国科学家A.A.Bussy用金属钾将镁从熔融的氧化镁中置换出来,1852年R.Bunsen建立了一个小型实验电解槽用电解法生产镁,1886年以Bunsen的电解槽为基础,在德国建立了首个商业性电解镁厂。1910年世界镁产量约10t/a,到1930年增长到1200t/a以上。二战期间镁工业获得了飞速发展,从1935年开始,德、法、苏、奥、意等国分别建立了镁厂,美国的镁产能扩大了10倍,1943年世界镁产量约为235kt/a。此期间镁主要用来制造燃烧弹、照明弹、曳光弹、信号弹以及军事和飞机等军用设备的零部件。二战结束后,1946年世界镁产量降低到25kt/a,世界各国开始考虑镁合金在民用工业的开发和应用,在以后的20年中,美国Dow化学公司在开发镁合金及其生产技术方面取得了突出的成就,为镁及其合金在冶金、航空、电子、兵器、汽车、化学及防腐、印刷、纺织等民用工业部门的应用开辟了道路,使镁工业出现了连续增长的势头,实际上从二战结束以来年均增长率在7%左右,现在世界上镁产能已达到550kt/a,2000年实际产量为430kt。

一、镁及其合金的特性:

关键词:电磁屏蔽性强、减震性能强、加工性能好、尺寸稳定性、比重轻、化学活性强、可回收

1.几种常用镁合金的物理机械性能及与其它几种常用结构材料的对比如表1所示 

几种常用结构材料的物理机械性能对比表1

\ 材群  

项目 \

镁铸件

镁锻件

铝铸件

铝锻件

铸铁

塑胶ABS 

合金牌号

AZ91

AM50

AZ80-T5

Z31-H24

A380

A356-T6

6061-T6

5182*-H24

HT350

镀锌板

  

制取方法 

压铸

  

压铸

  

挤压

  

板材

  

压铸

  

永久模

  

挤压

  

板材

  

砂模

  

板材

  

  

密度(g/cm3)  

1.81

  

1.77

  

1.80

  

1.77

  

2.68

  

2.76

  

2.70

  

2.70

  

7.15

  

7.8

  

1.07

  

熔点(℃)  

598

  

620

  

610

  

630

  

595

  

615

  

652

  

638

  

1175

  

1515

  

260

  

传热系数  

(w/m.c)  

51

  

65

  

78

  

77

  

96

  

159

  

167

  

123

  

41

  

46

  

0.28

  

热膨胀系数  

(10-6/C)  

26

  

26

  

26

  

26

  

22

  

21.5

  

23.6

  

24.1

  

10.5

  

10.7

  

76.5

  

弹性模量  

(Gpa)  

45

  

45

  

45

  

45

  

71

  

72

  

69

  

70

  

100

  

210

  

2.1

  

抗拉强度  

(Mpa)  

240

  

210

  

380

  

290

  

324

  

262

  

310

  

310

  

293

  

390

  

43

  

屈服强度  

(Mpa)  

160

  

125

  

275

  

220

  

159

  

186

  

275

  

235

  

  

320

  

39

  

疲劳强度(Mpa)

85

  

85

  

  

  

138

  

90

  

95

  

  

128

  

  

  

伸长率(%)

  

7

  

15

  

7

  

15

  

  

5

  

12

  

8

  

O

  

26

  

16.5

  

屈强重量比(以AZ91为100)

100

80

172.8

140.6

67.1

76.2

115

98.5

  

32.6

41

*美国ASTM标准:其成份是Mg4.5%,Mn0.35%,Fe0.35%,Zn0.25%,Si0.20%,其余Al。

由上表可见,与其它结构材料相比,镁合金具有以下几个特点:

1) 镁合金的密度是钢的23%,铝的67%,塑料的170%,是金属结构材料中最轻的金属,镁合金的屈服强度与铝合金大体相当,只稍低于碳钢,是塑料的4-5倍,其弹性模量更远远高于塑料,是它的二十多倍,因此在相同的强度和刚度情况下,用镁合金做结构件可以大大减轻零件重量,这点对航空工业,汽车工业,手提电子器材均有很重要的意义。

镁合金特性 

2) 镁合金与铝合金、钢、铁相比具有较低的弹性模量,在同样受力条件下,可消耗更大的变形功,具有降噪、减振功能,可承受较大的冲击震动负荷。

镁合金特性 

2.镁合金具有较好的铸造性和加工性能:

镁与铁的反应低,熔炼时可用铁坩埚,熔融镁对坩埚的侵蚀小,压铸时对压铸模的侵蚀小,与铝合金压铸相比,压铸模使用寿命可提高2-3倍,通常可维持20万次以上。铸造镁合金的铸造性能良好,镁合金压铸件的最小壁厚可达0.6mm,而铝合金为1.2-1.5mm。镁的结晶潜热比铝小,在模具内凝固快,生产率比压铸铝件高出40-50%,最高可达两倍,镁合金有相当好的切削加工性能,切削时对刀具的消耗很低,切削功率很小。镁合金、铝合金、铸铁、低合金钢切削同样零件消耗的功率比值为:1:1.8:3.5:6.3。

镁合金特性 

3.镁合金电磁屏蔽性能和导热性均较好,适合于作发出电磁干扰的电子产品的壳、罩,尤其是紧靠人体的手机。镁合金与铝、铜等有色金属一样具有非火花性,适合做矿山设备和粉粒操作设备。镁合金表面具有非粘附性,适合于做在冰、雪、沙尘中运动的产品。镁合金有较好的耐磨性,适宜做缠绕滑动设备。

镁合金特性

4.镁合金有较高的尺寸稳定性,稳定的收缩率,铸件和加工件尺寸精度高,除镁-铝-锌合金外,大多数镁合金在热处理过程及长期使用中由于相变而引起的尺寸变化接近于零,适于做样板,夹具和电子产品外罩。

5.镁合金对缺口的敏感性比较大,易造成应力集中。在125℃以上的高温条件下,多数合金的抗蠕变性能较差,这在选用它和设计零件时应考虑。

6.可回收。与塑料类材料相比,镁合金具有可回收性。这对降低制品成本、节约资源、改善环境都是有益的。

二、镁合金制品的应用:

关键词:电子行业、汽车……

由于镁合金一系列优越的性能,使它在手机、笔记本电脑、数码相机、摄像机、飞机、汽车、摩托车、自行车及军工产品、纺织、印刷、冶金化工、防腐等行业均获得了应用。现就电子,汽车两个行业分别介绍如下:

1. 电子行业:

镁合金在电子工业中的应用也具有很大的潜力。众所周知,电子工业是当今发展最为迅速的行业,数字化技术的发展导致各类数字化电子产品的不断涌现。电子元器件越来越趋于高度集成化和小型化,便携式电脑、数码摄录象机、数码照相机、手机等日新月异,更新速度之快令人瞠目结舌。镁合金由于具有比强度高、导热导电性好、电磁屏蔽性能好以及环境兼容性能,可代替塑料壳体满足3C(计算机、通讯、消费类电子)产品轻、薄、小型化、高集成以及严格的环保要求,在信息产业中得到了广泛的应用。目前在日本已经有大量电子产品采用镁合金作为外壳材料。

镁合金在电子行业中的应用以3C产品(手机、笔记本电脑、数码相机)为主导,用镁合金制造的壳罩与传统塑胶壳罩相比,其优缺点对比如表2

电子产品用镁合金壳罩与塑胶壳罩的优缺点对比表2

 

强度刚度高

散热性好

防电磁干扰

优点

镁合金强度比塑胶大4-5倍,刚度大20倍,用作外壳,可以做得更薄、更轻

镁合金的散热性是塑胶的二、三百倍,比热也比塑胶大,电子零件不易过热,手感不烫

镁合金导电性能佳、有电磁屏蔽作用,可防止电磁干扰及对人体的伤害,不必另作导电处理

 

制造周期长

生产成本低

色彩变化少

缺点

镁合金制品制造工序冗长、开模耗时,成型后还需二次加工与后处理,应付生命周期短的电子产品较不易

原料成本贵,制造工序多,产品的良品率又低,使镁合金制品成本偏高

镁合金本身为银灰色,变色只能用涂装印刷,无法如塑料壳混色出多种色彩与纹路

由上表可见,镁合金与塑胶各有所长,但随着镁合金制件加工方式的改进,镁合金具有越来越强的竞争力,表3为1997-2000年间全球笔记本电脑及镁合金机壳的使用情况

全球笔记本电脑及镁合金机壳使用情况表3

\ 年份

项目 \

1997

1998

1999

2000

电脑市场规模(千台)

14,189

15,543

19,706

22,809

市场增长(%)

20.17

9.54

26.78

15.75

塑胶壳使用量(吨)

17,651

20,245

21,813

21,237

镁合金壳使用量(吨)

462

1,245

2,488

3,610

镁合金使用比率(%)

2.55

5.79

10.24

14.53

  原注资料来源ID(1999/12)MIC(2000/6)

镁合金特性


由上表可见,笔记本电脑镁合金外壳的使用比率几年来直线上升。
国内目前在镁合金的应用上虽在起步阶段,但整个电子、电气行业市场广阔,发展速度极快,加之已普遍认识到镁合金材料的优点,并着手开发研究。预计到2005年本行业用镁量将达到14,520吨,如表4所示

国内家电市场镁合金使用量统计及预测表4

产品

1999年

(万件)

2005F

(万件)

产品用镁合

金比例(%)

单件镁合金

(千克)

2005年镁合金
用量预测(吨)

笔记本电脑

86

1,800

70

0.70

8,820

手机

1,736

6,000

50

0.02

600

相机

5,037

8,500

30

0.10

2,550

摄录机及其它

430

8,500

30

0.10

2,550

2.汽车及摩托车行业:

自1970年中东石油危机后,各国对节约能源、降低油耗普遍关注。汽车行业是油耗大户,降低汽车油耗影响巨大。据测,汽车重量每降低10%,可节油5%,油耗减少,尾气排放量也减少,从而也减少了对环境的污染。汽车是用金属材料堆砌而成的,要降低汽车重量,首先就要在材料上打主意。铝合金的比重大约是钢的1/3,以铝代钢,这个进程已在进行中。要进一步减轻汽车重量,人们想到了镁,它的比重是铝的2/3,而性能与铝合金相近,以镁代铝、以镁代锌,是近年来的一大趋势。据统计,北美消费的压铸镁合金,在1982-1992年的10年间,以每年20%的速度增长,在1996-2000年的4年间以每年30%的速度增长,欧洲则超出60%,其中汽车工业消费占80%以上,可以说镁合金压铸件在汽车行业的推广应用,使过去用量不大的镁合金突成新宠。

目前汽车工业中镁合金用量较多的地区和国家主要是北美、欧洲、日本和韩国。这三部分地区1991年的用量为24kt,到1997年增至67kt,预计到2006年将达到200kt。表5为这三个地区1991—2005年轿车用镁合金铸件和压铸件需求情况。

  北美、欧洲、日韩等地1991—2005年轿车用镁合金铸件和压铸件需求情况(kt)表5

\ 年份

地区\

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2005F

北美

10

12

14

18

23

31

38

41

47

45

80

欧洲

8

7

6

9

10

20

17

23

29

33

58

日、韩

1

1

2

2

2

2

3

4

5

6

22

其它

5

5

7

8

7

7

9

9

10

11

22

共计

24

25

29

37

42

50

67

77

91

95

182

由上表可见,国外从1991年至2000年,10年间轿车用镁合金件的数量增加了4倍,使用镁合金零部件的数目已超过60种,各个厂家各种车型使用数目各不相同,综合部分厂家的使用情况如下:

  (1)车内构件:
  仪表盘、坐椅架、坐位升降器、坐椅底架、操纵台架、气囊外罩、转向盘、锁合装置罩、转向柱、转向柱支架、收音机壳、小工具箱门、车窗马达罩、刹车与离合器踏板托架、气动踏板托架
  (2)车体构件:
  门框、尾板、车顶框、车顶板、IP横梁
  (3)传动系统:
  阀盖、凸轮盖、四轮驱动变速箱体、手动换档变速器、离合器外壳与活塞、进气管、机油盘、交流电机支架、变速器壳体、齿轮箱壳体、油过滤器接头、马达罩、前盖、气缸头盖、分配盘支架、油泵壳、油箱、滤油器支架、左侧半曲轴箱、右侧半曲轴箱、空压机罩、左抽气管、右抽气管 

  (4)底盘:

轮毂、引擎托架、前后吊杆、尾盘支架
  美国福特、通用、克莱斯勒三家公司在每辆汽车上采用的镁合金铸件分别达到30个,45个和20个。瑞典最新推出的沃尔沃CP2000车型,全重700千克,所用镁合金件达50千克,包括轮毂、离合器箱、转向齿轮箱、后悬臂、发动机架、进气歧管、气缸体等重要部件。本田轿车部分零件在使用镁合金后相对其原来材料的重量减轻百分比如表6所示。

  本田轿车部分零件在使用镁合金后相对其原来材料的重量减轻百分比表6

改用镁合金的零部件

原先所用材料

相对减轻(%)

转向柱上支架

铝合金

65

转向轴

钢材

45

气缸盖

铝合金

30

制动踏板托架(整体压铸成)

钢板冲压后焊接

40

轮盘

铝合金

15

4轮驱动器变速箱体

铝合金

25

根据1997年NorskHydr0公司对于汽车用镁合金压铸件消耗量的统计与预测[10],1996年为51kt/a,2000年增加到100kt/a,2006年则增加到200kt/a。福特公司人士预测[2],2020年全世界每辆汽车平均用镁合金100千克,世界汽车产量为6000万辆/a,则需镁材6Mt/a,市场无限。

我国汽车厂镁合金件的使用还刚刚开始,目前一汽、东风和上海大众等厂家已在使用,上海桑塔纳轿车的变速箱壳体,壳盖,及离合器外壳等使用镁合金量约8.5千克,总的来说还远远落后于西方工业发达国家,这方面的潜力还很大。

  3.镁合金在其它行业的应用:

  镁具有丰富的资源,镁合金的应用研究和开发符合当今各种工业的发展要求,因而受到了各国政府、企业和科技界的高度重视。
   在航空航天方面用作飞机的起落架,舱门,连杆机构,壁板,加强框,隔框,舱面,副翼蒙皮,战术航空导弹舱段等,尤其是密度最小的Mg-Li合金,兼有强度,韧性和可塑性,倍受航空航天业的青昧。

  发达国家非常重视兵器装备的轻量化,采用轻金属是其主要手段之一。如英国“蝎”式坦克用轻金属作平衡肘连杆底座、刹车盘、负重轮、炮塔座圈、油箱、坐椅等多种零部件。美国的M102式105mm榴弹炮的大架、摇架、前座板、左右耳轴托架等采用了轻金属,火炮重量从原先(M101式炮)的3.7t降到1.4t,射程还提高了30-40%,美国研制中的新式单兵作战系统,功能齐全,很多零件采用了轻金属,重量仅8.172kg,但军方仍希望再减重1.8kg。

  我国也将"镁合金应用与开发"列为国家计委和科技部联合下发的"十五"国家科技发展规划中材料领域的重点任务,同时"镁合金应用开发与产业化"作为十五计划的第一批项目已在2001年8月正式启动。最终目标是充分发挥我国的镁资源优势,通过建立镁合金技术创新体系,加强镁合金应用开发,建立具有国际竞争力的镁合金高新技术产业群,将镁资源优势转化为经济优势。

  我国也将"镁合金应用与开发"列为国家计委和科技部联合下发的"十五"国家科技发展规划中材料领域的重点任务,同时"镁合金应用开发与产业化"作为十五计划的第一批项目已在2001年8月正式启动。最终目标是充分发挥我国的镁资源优势,通过建立镁合金技术创新体系,加强镁合金应用开发,建立具有国际竞争力的镁合金高新技术产业群,将镁资源优势转化为经济优势。
  其它如纺织、印刷、体育和家庭用品方面均有应用。随着镁合金研究的深入,材料性能提高,制造技术改进,镁合金的应用会越来越广泛。 

  三、我国镁产业现状――从镁资源大国到镁产业强国

  我国是世界上著名的产镁大国,原镁产能、产量和出口均居世界首位,菱镁矿资源总量达31.45亿吨,位居全球首位,2001年出口量已达到200kt,占世界镁市场总需求量的40%以上。但是我国的原镁质量差,镁合金锭的质量也不尽如人意,出口缺乏竞争力,作为结构材料应用的镁在国内的消耗量又很少,只能作为初级原料低价出口,属典型的源出口型工业。目前,国内的镁冶金企业大都处于亏损或面临倒闭;另一方面,我国对镁合金的研究和应用尚处于起步阶段。镁合金在汽车工业上的使用仅仅是开始,远远落后于工业发达国家,。因此,如何利用我国的镁资源优势,将镁的资源优势转变为技术、经济优势,促进国民经济发展、增强我国镁衍业的国际竞争力,是摆在我们面前的迫切任务。我国的镁工业与镁及其合金的加工、应用技术应加大开发研究以赶上世界先进水平

  随着我国西部大开发战略的实施和加入WTO,以及国际产业结构的调整,全球制造业中心正在向中国大陆转移,中国镁业正面临重大的历史机遇与挑战。我们应该实施科技公关,尽快形成具有独立知识产权的镁合金深加工技术体系,开发我国自己的镁合金加工产业。政府要有计划的引导和扶持先进的大型骨干企业走兼并和重组的道路,使企业做大做强,这样才能在国际市场上与跨国公司展开竞争。
  虽然我国在传统的钢铁、铝等基础材料方面长期落后于世界,但我们有理由相信,在各方面的共同努力下,在新的世纪里,我国必将在新一代绿色轻质工程材料--镁合金的开发应用及产业化上实现跨越式发展,成为世界最强。

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