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鎂合金鑄造方面的發展

發布日期:2018/07/17

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  從20世紀40年代開始,鎂合金被廣泛地應用在汽車、航空、航天等領域,進入90年代后期,鎂合金產品開始用于自行車、電子產品以及其他民用領域。
  當用鎂合金制作汽車、飛機零件時,可大大減輕重量,降低燃油消耗;當采用鎂合金制造手機、筆記本電腦和一些家用電器的外殼時,能顯著增強產品的散熱能力和抗震能力,并能有效地減輕對人體和周圍環境的電磁輻射危害;當采用鎂合金制造汽車零件時,能增強汽車的安全性和舒適性。因此,世界上鎂合金在汽車和電子器材中的用量都在以20% 的速度增長。這是近代金屬工程材料中************的。另外鎂合金可全部回收利用,是有利于環保的一種綠色金屬,又被譽為“21世紀的綠色工程材料”。
  1.鑄造鎂合金的發展
  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差異。鑄造鎂合金主要用于汽車零件、機件殼罩和電氣構件等;變形鎂合金主要用于薄板、擠壓件和鍛件等。鑄造鎂合金比變形鎂合金的應用要廣泛得多。本文主要介紹鑄造鎂合金的發展。
  鑄造鎂合金大致可以分為三個階段:
 ?。?)第一個階段是一個基礎階段 主要在鎂中加入鋁和鋅,即Mg-A1-Zn系合金。這類合金可得到與鑄造鋁合金相近的抗拉強度。我國的ZM5、英國的L121及美國的AM80A都屬于這類合金,主要添加元素為鋁,而鋅的含量較低,主要是因為鋅含量增加時,容易出現顯微疏松。
    (2)第二個階段是一個改進階段 在鎂中加入鋯,常見的含鋯合金系有Mg-Zn-Zr,Mg-RE-Zr等。鋯在鎂合金中的主要作用就是細化鎂合金晶粒,從而提高鎂合金的屈服強度,并使鎂合金具有良好的抗疲勞性能和較低的缺口敏感性。缺點仍然是因為結晶間隔較寬,容易出現顯微疏松和熱裂傾向。所以目前應用最多的是不含鋯壓鑄鎂合金Mg-Al。另外為了提高鎂合金高溫抗蠕變性能,產生了以稀土元素為主要組元的鎂合金。
    (3)第三個階段是提高階段 在鎂合金中加入銀,銀合金化后能增強時效強化效應,大大提高了鎂合金的高溫強度和蠕變抗力,但會降低合金耐蝕性能。
  2.鎂合金的液態成型方式
  當前,鎂合金的液態成型仍然以壓力鑄造、重力鑄造為主,鎂合金采用其他鑄造方式,如低壓鑄造、熔模鑄造等形式較少,其中壓鑄為鎂合金最主要的成型方式。
    2.1 鎂合金壓鑄
    壓鑄是鎂合金最主要、應用最廣泛的成形工藝。因鎂合金熱流動性好,很適合于薄壁件的壓鑄生產。鎂合金壓鑄始于20世紀20年代中期的德國VolksWagen 汽車公司。之后,美國、前蘇聯、日本以及歐洲的一些國家相繼在汽車制造行業采用鎂合金壓鑄結構件,如曲軸箱、傳動軸外殼、空調機外殼、變速箱殼體、駕駛艙儀表板、輪箍、汽缸體、汽缸蓋、分配支架、油泵殼體、過濾器外殼等。自20 世紀80 年代以來,隨著鎂合金成本的不斷降低,鎂合金開始在汽車、計算機、通訊設備上得到越來越多的應用,其中絕大部分為鎂合金壓鑄件。
    盡管世界范圍內鎂合金及制備技術發展比較早,但是我國在解放后才開始有自己的鎂工業。近幾年來,隨著我國汽車工業、電子通訊工業的飛速發展,對鎂合金壓鑄件的需求與日俱增,我國的鎂壓鑄行業發展很快。我國鎂合金壓鑄件產量由1995年的1562噸提高到2005年的8960噸,7年里產量增長了4倍多,平均年增長率達60%。利用鎂合金壓鑄件代替傳統鑄鐵、鑄鋼件,甚至代替鋁壓鑄件,正成為制造業特別是汽車制造業的發展趨勢。全國已有許多家工廠在從事鎂合金壓鑄件生產和研究,如深圳、東莞等數家工廠在生產筆記本電腦外殼、手機外殼鎂合金壓鑄件等。重慶鎂業科技股份公司,將以摩托車和輕型汽車用鎂合金及其零部件為重點,同時開發鎂合金的各類加工材;青島金谷鎂業股份公司著力開發3C電子類產品用鎂合金制品。
    雖然傳統的壓鑄方法生產的鎂合金壓鑄件得到廣泛利用,但其不能進行熱處理強化,也不能在較高的溫度下使用。為了消除這些缺陷,提高壓鑄件的內在質量,擴大壓鑄技術的使用范圍,專家們近些年來在傳統壓鑄工藝的基礎上研究開發了一些新的壓鑄技術:如半固態壓鑄、真空壓鑄、充氧壓鑄和超高速壓鑄法等。這些新技術在消除鎂合金壓鑄件的鑄造缺陷,提高其力學性能及表面和內在質量上均取得良好的效果。其中真空壓鑄以其極低的鑄件含氣量、較好的設備兼容性和優異的鑄件性能等優點得到了高度重視和大力發展。
    2.2 鎂合金重力鑄造
    重力鑄造是鎂合金成型方法中比較傳統的,壁厚較厚的鑄件目前仍多采用這種方式。重力鑄造又包括砂型鑄造、金屬模鑄造、半金屬模鑄造、殼型鑄造、熔模鑄造。
    鎂合金的砂型鑄造經歷了自然砂、二氧化碳砂、自硬樹脂砂的發展階段。它主要用于航天領域,因為它們與鋁和其他材料相比具有重量輕的優點。
熔模鑄造在鋁合金、鈦合金中應用很廣,但在鎂合金中采用的比較少,尚處于研發階段。
    2.3 鎂合金低壓鑄造
    低壓鑄造是介于重力鑄造和高壓鑄造的一種鑄造方法,具有充型平穩,補縮效果良好的特點,同時密封充型可以防止鎂合金暴露在大氣中而引起氧化燃燒,是鎂合金成型方法中一種比較好的方式,但長期以來這種成型方式在鎂合金中應用很少,主要是人們對于鎂合金低壓鑄造的過程缺乏了解。
    3.鎂合金鑄造時存在的問題
    3.1 鎂合金的熔體保護
    由于鎂合金液很容易氧化,而且表面生成的氧化膜比較疏松,因此熔煉鎂合金時,防止氧化至關重要。鎂合金的熔體保護主要有兩種方法,即熔劑保護和氣體保護。
    目前國內外常使用的保護熔劑是商品化的RJ系列熔劑。其中,用得最廣泛的RJ-2熔劑的組分主要為氯鹽和氟鹽。用保護熔劑熔煉通常會帶來以下問題:①氯鹽和氟鹽高溫下易揮發產生有毒氣體,如HCl,HF等。②由于熔劑的密度較大,部分熔劑會隨同鎂液混入鑄型造成“熔劑夾渣”。③熔劑揮發產生的氣體有可能滲入合金液中,成為材料使用過程中的腐蝕源,加速材料腐蝕,降低使用壽命。因此,尋找氯鹽和氟鹽的代用材料或減少氯鹽和氟鹽的使用量,減少污染,提高保護效果,是開發鎂合金熔煉保護熔劑的努力目標。
    自20世紀60年代以來,一些專家學者開始尋找氣體保護劑。通過大量實驗,發現了對鎂合金液有一定保護作用的氣體,如SF6,BF3,CF4,CClF2,CO2等。通過進一步研究,SF6的保護性能較好,使用SF6存在的問題主要是用量的控制問題,生產中如何根據熔煉保護狀態自動調節SF6的壓力、流量,達到既有利于保護,又減少SF6用量的目的,仍是SF6氣體保護正在有待深入研究的課題。
    3.2 鎂合金鑄件的質量問題
    在鑄造生產中,鑄件的質量是諸多因素的綜合反映,是多工藝流程配合的最終體現,與成形工藝、模具條件、環境狀況等密切相關。目前鎂合金鑄件在生產中會出現變形、欠鑄、留痕、冷隔、拉痕、縮孔、裂紋等鑄造缺陷。有的缺陷會影響后續工序的加工質量,影響性能,降低使用壽命,甚至危及安全。為避免缺陷產生,需采取一定工藝對策,主要從鑄造設備、生產環境、原材料等方面提出改進意見和對策,為鑄造工藝指明改進方向,提高鑄件質量。
    另外鎂合金強度不高,尚不能用于重要的結構件上;耐蝕性低,尤其是耐電化學腐蝕性能不高;高溫使用性能明顯偏低。
    4.今后的發展方向
    4.1 鑄型設計
    由于鎂合金的化學、物理參數及鑄造特性與鋁合金有很大差異,因此鑄型設計則不能完全套用鋁合金******型設計原則。由于目前實際應用的鎂合金種類很少,鎂合金鑄型的研究亦未引起重視。隨著鑄造鎂合金種類和數量的日益增多,研制開發成本較低的鑄型材料、加工工藝、制定鑄型設計原則將成為今后鎂合金鑄造不可忽視的一個課題。
    4.2 鑄造過程數值模擬
    通過數值模擬,在計算機上進行虛擬鑄造成型,觀察鑄造生產全過程,了解合金液在充型和凝固過程中發生的各種現象,為型腔、澆注系統和排溢系統設計提供更科學的依據。
    通過對充型過程流場、溫度場的數值模擬,能夠較準確地表達鑄造成型過程中流動和傳熱規律,并可精確地顯示澆不足、冷隔、熱節的位置,對提高工藝設計水平、保證成型鑄件的質量和提高生產率、延長模具的使用壽命等具有重要意義。而目前對壓鑄鎂合金的充型規律、充型性能與壓鑄工藝參數的關系、充型臨界壁厚等了解甚少,因此,亟需進行系統研究。 

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