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镁及其合金特性及加工应用综述(一)
 
慧聪网   2005年12月23日13时55分   信息来源:北京科普之窗    

  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。

  3C产品(手机、笔记本电脑、数码相机及摄像机)是高新技术的代表产品,自1990年以来,一直保持着快速增长的势头,镁合金由于其重量轻(对铝、钢而言)、刚度大(对塑料而言),特别是它有电磁屏蔽作用,可防止电磁干扰及其对人体的伤害,成为3C产品壳体的最佳材料。

  其他如自行车、家电、电子、仪表、航空航天、兵器工业等部门,也在日渐增加镁合金件的应用。

  一、  镁的工业发展历史

  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。

  我国是世界上著名的产镁大国,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。但是大部分出口的是原材料及初级产品,价格低、效益差,我国对镁合金及其加工技术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,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。

  二、  镁及其合金的特性:

  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 

项目\材料

 镁铸件

镁铸件

 镁锻件

镁锻件

 铝铸件

铝铸件

铝锻件 

铝锻件

铸铁 

 钢

 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

 0

 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Mg 4.5%,Mn 0.35%,Fe 0.35%,Zn 0.25%,Si 0.20%,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。

  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。

  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。

  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。

  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.镁的化学活性很强,在空气中容易氧化,特别是在高温下,若氧化反应放出的热量不能及时发散,则容易引起燃烧,因此在熔化镁合金时要采取防止氧化的措施。镁的氧化膜比容小于基体金属,故疏松多孔,远不如铝合金表面氧化膜坚实敞密,无明显保护作用。镁的电极电位很低,电化次序在常用金属中居最后一位,所以镁的抗蚀性较差。镁在干燥及氢氟酸、铬酸、矿物油(如汽油、煤油)和碱性介质中比较稳定,可用作输油管道。而在潮湿大气、淡水、海水及大多数酸、盐溶液中容易腐蚀,故在镁合金的生产、加工、贮存及使用期间,表面应采取适当的防护措施,如表面氧化处理或涂漆。镁合金在与其它金属接触时易造成接触腐蚀,但与铝镁合金接触时除外。因此镁合金部件在使用中,应只让它和绝缘材料接触,或者用铝镁合金如5052做它的垫片,就可以防止它的电化腐蚀。

  镁的电极电位低也有它的用途,可以用它作牺牲阳极,保护其它金属物件免受电化腐蚀。

  6.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。

  7.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。

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