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      1. 專題 | 鎂合金的發展及應用
        2019-09-19 13:20:24 作者:本網整理 來源:《腐蝕與防護之友》 分享至:

         隨著著航空航天、交通運輸、信息產業的發展,新型輕合金材料的研發逐漸受到各國的高度重視。在許多領域,傳統鋼鐵材料已逐漸被各種綜合性能更為優良的新型材料所替代。

        鎂合金是以鎂為基加入其他元素組成的合金,是目前實際應用中最輕的金屬結構材料,具有密度小、強度高、阻尼性、切削加工性和鑄造性能好的優點。

        1. 鎂合金的特點
         
        與其他金屬相比,鎂合金具有以下特點:
         
        (1) 鎂合金的比重小,是目前最輕的結構材料, 密度在1.75—1.85g /cm3 之間,是鋼密度的23%,鋁密度的67%,塑料密度的170%。鎂合金比強度明顯高于鋁合金和鋼,僅略低于比強度最高的纖維增強材料;比剛度與鋁合金和鋼相當但遠高于纖維增強材料,具有很好的優越性。
         
        (2) 鎂合金阻尼性能好,與鋁合金、鋼、鐵相比具有較低的彈性模量,在同樣受力條件下,可消耗更大的變形功,具有降噪、減振功能,可承受較大的沖擊震動負荷,適合于制備抗震零部件。
         
        (3) 鎂合金導熱性、熱穩定性、抗電磁干擾性和屏蔽性能良好。
         
        (4) 鎂合金的鑄造性良好,鎂與鐵反應性很低,熔煉時可用鐵坩堝,鎂在單位容量下的熱焓低,其壓鑄速度可比鋁高,且鎂鑄件的鑄造和加工精度高,鎂合金壓鑄件的最小壁厚可達0.6mm,而鋁合金為1.2-1.5mm,鎂合金可以進行高速機械加工,生產效率高,在模具內凝固快,生產率比壓鑄鋁件高出40-50%,最高可達兩倍,適用于汽車工業的大批量生產。
         
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        (5) 鎂合金的尺寸穩定性較好,收縮率穩定,鑄件和加工成品的尺寸精度高,除了鎂- 鋁- 鋅合金外,多數鎂合金在熱處理過程及長期使用中由于相變而引起的尺寸變化基本為零。
         
        (6) 切削加工性能優良,其切削速度大大高于其他金屬。切削鎂合金時對刀具的消耗低,切削功率小,鎂合金、鋁合金、鑄鐵、低合金鋼切削同樣零件消耗的功率比值為l ∶ 1.8 ∶ 3.5 ∶ 6.3。鎂合金在切削后不需要磨削、拋光,不用切削液即可以得到粗糙度很低的加工面。此外,鎂合金在受沖擊或摩擦時,表面不產生火花,利于生產安全。
         
        (7) 與塑料類材料相比,鎂合金可回收利用,回收成本低,回收利用率高,這對降低制品成本、節約資源、改善環境相當有益。
         
        (8) 液態鎂容易劇烈氧化、燃燒,故鎂合金的熔煉必須在熔劑覆蓋下或者在保護氣氛中進行。鎂合金鑄件需要在SO2、C02 或SF6 氣體保護,或者在真空條件下進行固溶處理,并且固溶處理和時效處理時間均較長。

        2. 鎂合金的發展
         
        鎂合金是實際應用中最輕的金屬結構材料,但與鋁合金相比,鎂合金的研究和發展還很不充分,鎂合金的應用也還很有限。目前,鎂合金的產量只有鋁合金的1%。鎂合金作為結構應用的最大用途是鑄件,其中90%以上是壓鑄件。限制鎂合金廣泛應用的主要問題是:
        由于鎂元素極為活潑,鎂合金在熔煉和加工過程中極容易氧化燃燒,因此,鎂合金的生產難度很大;鎂合金的生產技術還不成熟和完善,特別是鎂合金成形技術有待進一步發展;鎂合金的耐蝕性較差;現有工業鎂合金的高溫強度、蠕變性能較低,限制了鎂合金在高溫(150 ~ 350℃)場合的應用;鎂合金的常溫力學性能,特別是強度和塑韌性有待進一步提高;鎂合金的合金系列相對很少,變形鎂合金的研究開發嚴重滯后,不能適應不同應用場合的要求。

        2.1鎂合金研究的新進展
         
        (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。
         
        (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嚴格限制鎂合金中的Fe、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。
         
        (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烷。實踐證明,熔劑保護法和SF6、SO2、CO2、Ar 等氣體保護法是行之有效的阻燃方法,但它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。鉸可以阻止鎂合金進一步氧化,但是鉸含量過高時,會引起晶粒粗化和增大熱裂傾向。
         
        (4)高強高韌鎂合
         
        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)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。壓鑄是應用最廣的鎂合金成形方法。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。

        3. 鎂合金的應用
         
        3.1 鎂合金材料在汽車工業中的應用和發展
         
        環境污染與資源緊張的日益加劇要求汽車滿足輕量化與環保的要求,因此使用密度較小的鎂合金已成為汽車材料未來發展的主要方向之一。汽車用鎂正以年均20% 的增長速度迅速發展,世界各大汽車公司都把已采用鎂合金零件的數量作為自身產品技術領先的標志。
        目前,汽車工業中鎂合金用量較多的地區和國家主要是北美、歐洲、日本和韓國。綜合部分廠家的使用情況, 目前鎂合金材料主要用來制造的汽車零部件,見表1 所示。
         
        隨著材料加工技術與材料性能的不斷優化,鎂合金在汽車上的應用范圍也將逐漸擴大:比如,雖然鎂制底盤系統結構件剛剛開始應用,但北美汽車業界估計未來2 年內鎂合金在底盤結構方面的應用將增加10 倍以上,而第42 屆大眾公司股東年會上,大眾展出了世界上最經濟的小車1L 車,車身空間框架均采用鎂合金,比鋁車身輕13kg,燃油泵殼、變速器殼、座椅框架等也是用鎂合金制成,代表了未來汽車用鎂合金的發展方向。
         
        表1 鎂合金在汽車零部件上的應用
        部件系統 零部件名稱
        車內構件 儀表盤、座椅架、座位升降器、操縱 臺架、氣囊外罩、轉向盤、鎖合裝置 罩、轉向柱、轉向柱支架、收音機 殼、小工具箱門、車窗馬達罩、剎車 與離合器踏板托架、氣動托架踏板等
        車體構件 門框、尾板、車頂框、車頂板、IP橫梁等
        發動機及傳動系統 閥蓋、凸輪蓋、四輪驅動變速箱體、 手動換擋變速器、離合器外殼活塞、 進氣管、機油盤、交流電機支架、變 速器殼體、齒輪箱殼體、油過濾器接 頭、馬達罩蓋、汽缸頭蓋、分配盤支 架、油泵殼、油箱、濾油氣支架、左 側半曲軸箱、右側半曲軸箱、空機 罩、左抽氣管、右抽氣管等
        底盤 輪轂、引擎托架、前后吊桿、尾盤支架
          
        3.2 鎂合金材料在航空航天工業中的應用和發展
         
        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質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。表2 給出了鎂合金材料在航天飛機零部件上的應用情況。隨著鎂合金制備技術的發展, 材料的性能如比強度、比剛度、耐熱強度、蠕變等性能不斷提高, 其應用范圍也不斷擴大。目前其應用領域包括各民用、軍用飛機的發動機零部件、螺旋槳、齒輪箱、支架結構以及火箭、導彈、衛星的一些零部件。如用ZM2 制造WP7各型發動機的前支撐殼體和殼體蓋;用ZM3 鎂合金制造J6 飛機的WP6 發動機的前艙鑄件和WP11 的離心機匣;用ZM4 鎂合金制造飛機液壓恒速裝置殼體、戰機座艙骨架和鎂合金機輪;以稀土金屬釹為主要添加元素的ZM6 鑄造鎂合金已擴大用于直升機WZ6 發動機后減速機匣、殲擊機翼助等重要零件;研制的稀土高強鎂合金MB25、MB26 已代替部分中強鋁合金, 在殲擊機上獲得應用。
         
        表2 鎂合金材料在航天飛機零部件上的應用
        年代 零部件名稱
        20世紀 20年代 發動機曲柄箱、發動機零件(鑄件)、氣 球吊藍(薄板)、客機座椅、起落輪(薄 板、擠壓件)
        20世紀 40年代 JU88起落架支持框(鑄件)、Hel77&Ju90 部件(鑄件)、BMW801發動機部件(鑄 件)、機槍支架環(鑄件)、無線電設備底 座(壓鑄件)、定向儀(壓鑄件)、尾輪(壓 鑄件)、B-36 轟炸機部件
        20世紀 50年代 RRDarr發動機部件(鑄件)、S55直升機 發動機基座、蛤殼式門、尾錐(鑄件)、 蒙皮(薄板),火箭和導彈零部件(薄板)、 直升機齒輪箱(砂型鑄造件)、直升機車 輪及發動機部件(砂型鑄造件)、渦輪噴 氣發動機機罩(砂型鑄造件)、主起落架 (砂型鑄造件、鍛造件)、B-471 輪及發 動機部件(砂型鑄造件)、機輪外殼(離心 鑄造薄板)、C-121和C-124運輸機地板 橫梁(擠壓件)
        20世紀 60年代 B-47和B-52主起落架(鍛件)、衛星零部 件、HC-18直升機地板(擠壓件)、飛機 座艙頂棚框架(砂型鑄造件)、Apollo振 動檢測設備(砂型鑄造件)、S-64B起落 架齒輪箱(砂型鑄造件)
        20世紀 70年代 F-20減速裝置有直升機傳動系(砂型鑄 造件)和GH-53E直升機傳送箱(砂型鑄造 件)
        20世紀 90年代 直升機傳動系(砂型鑄造件)、PW100渦 輪發動機部件(砂型鑄造件)、Garrett T PE331-14&-15主渦輪發動機部件(砂型 鑄造件)、恒速傳動、輔助動力設備進氣 管、噴氣發動機傳動齒輪箱

        3.3 鎂合金在現代兵器零部件上的應用和發展
         
        從兵器零件的使用特點和性能要求分析, 槍械武器、裝甲車輛、導彈、火炮、彈藥、光電儀器、武器用計算機及軍用器材中有較大數量的鋁合金零件和工程塑料件, 根據目前鎂合金材料的性能和使用特點, 應用鎂合金材料制造相關零件, 技術上是可行的, 并有如下發展趨向。
         
        (1)采用鎂合金及鎂基復合材料替代武器裝備的中、低強度要求的鋁合金零件和部分黑色金屬零件, 實現武器裝備輕量化。表3 給出了鎂合金材料在武器裝備零部件中的應用情況。
         
        表3 鎂合金材料在武器裝備零部件中的應用
        裝備名稱 零部件名稱
        槍械武器 機匣、彈匣、槍托體、下機匣、提把、前護手、彈托板、瞄準座等
        裝甲車輛 坦克座椅骨架、機長鏡、炮長鏡、變速箱箱體、發動機濾座、進出水管、空氣分配器座、機油泵殼體、水泵殼體、機油熱交換器、機油濾清器殼體、氣門室罩、呼吸器等
        導彈 導彈艙體、舵機本體、儀表艙體、舵架、飛機翼片
        火炮及彈藥 供彈箱、牽引器、腳踏板、炮長鏡、輪轂、引信體、風帽、火藥筒等
        光電產品 鏡頭殼體、紅外成像儀殼體、底座等
        計算機及通信器材 軍用計算機、通訊器材箱體、殼體、板類等零件
         

        (2)解決零件老化、變形和變色的問題。目前, 輕武器、光電及通訊器材產品、戰車儀表盤等采用工程塑料制造。工程塑料尤其是纖維增強塑料的比強度最高, 但彈性模量、比剛度遠小于鎂合金, 且難以回收, 環境適應性差,易磨損和老化變形、變色, 還影響武器戰術性能。鎂合金替代工程塑料能從根本上克服工程塑料的這些缺陷。表4 給出了鎂合金替代工程塑料在武器裝備零部件上的應用情況。
         
        表4 鎂合金替代工程塑料在武器裝備零部件上的應用
        裝備名稱 零部件名稱
        槍械武器 彈匣、護蓋體、附件筒、前護手等
        光電產品 鏡頭殼體、瞄具殼體、夜視儀殼體等
        軍用器材 種類儀表盤、通訊器材箱體、殼體零件、軍 用頭盔等

        (3)導彈和其他飛行器零部件的鎂合金化。過去鎂合金在導彈上的應用較少,只在照明彈中使用鎂粉。鎂合金由于密度小,近年來在導彈、火箭等結構件中應用廣泛。主要用于戰術防空導彈的支座艙段與副翼蒙皮、壁板、加強框、舵板、隔框等零件,材料為MB2、MB3、MB8 變形鎂合金。為滿足彈、箭減重及高精度零件(如導彈控制系統)對材料高尺寸穩定性的需要,發展高強度、高剛度、低膨脹系數鎂基復合材料是兵器材料的重要技術途徑之一。

        3.4 鎂合金材料在核工業上的應用和發展
         
        鎂的熱中子吸收截面非常小, 大約只有鋁的1/4。英國將鎂合金作為核燃料的包殼材料在CO2 氣體冷卻的反應堆中使用。核反應堆用包覆套管要能承受反應堆的惡劣條件:高熱、表面熱流、強烈的C 射線輻射以套管內表面所受到的某些破碎片的轟擊等。大量的試驗證明, 鎂合金套管在出口氣體最高溫度為400-500℃下的反應堆中充當包覆材料使用是完全勝任的。而對CO2 的相容性的極限溫度可達500℃。滿足了反應堆工作時的安全要求, 不致引起燃燒。
        核能發電是一種清潔能源, 工業發達國家已把核電作為一種主要能源, 一般占整個發電的15% 以上。我國也正在大量開發核電。因此, 核反應堆的包覆套管會不斷增加。鎂合金在核工業上的應用潛力很大。

        3.5 鎂合金在其他領域的應用和發展
         
        由于鎂及其鎂合金材料具有能夠減輕重量、降低噪音、減小振動等優點,因此在自行車業、摩托車業、電子工業( 家用電器和3C 產品)、鐵道和其他軌道行業、船舶工業、冶金工業、化學領域、電力工業、家庭消費品、家具、車床設備、辦公室設備、光學設備、運動機械和醫療器械等眾多領域, 也獲得了越來越廣泛的應用和發展。

        4. 結束語
         
        近年來, 全球已研制開發出了不少新型的鎂合金、新型的加工設備和加工工藝技術、新產品和新材料, 并被廣泛應用于汽車、摩托車、自行車、家用電器、通訊設備、電子產品等民用產品領域。

        隨著武器輕量化要求的不斷提高, 加上鎂材價格的降低和高溫耐熱、高強耐熱等新型鎂合金的發展, 鎂合金材料將會在新一代航空航天、武器裝備等的研發中發揮重要的作用, 成為航空航天、武器裝備等國防部門中應用最廣的金屬結構材料,將會有利地推動我國鎂資源對國民經濟和國防事業建設健康穩定可持續地發展。

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