镁合金及其成型技术综述
刘政军 , 苏允海 , 刘 铎 , 程江波 , 李永奎
(沈阳工业大学 材料科学与工程学院 , 沈阳 110023)
摘 要 : 简要介绍了镁合金的特点 、分类以及镁合金在汽车 、3C 和自行车行业的应用 ,并举例说明 了各自的现状 ;通过大量相关资料 ,对现阶段国内外镁合金的成型技术进行了系统的论述 ,其中包 括镁合金铸造成型 、塑性成型 、连接成型 ,对它们各自的工艺特点和应用范围进行对比分析 ,发现 镁合金的成型技术现在主要是压铸成型 ,其他的成型工艺的应用还比较少. 同时分析了我国镁合 金发展的现状 ,找出与国外的差距 ,为我国镁合金的进一步发展提出一些建议 ,预测了它的发展方 向和前景. 关 键 词 : 镁合金 ; 成型技术 ; 应用 ; 压铸 ; 焊接 中图分类号 : T G 249 文献标识码 : A
Revie w of magnesium alloys and their f orming technologies
L IU Zheng2jun , SU Yun2hai , L IU Duo , CHEN G J iang2bo , L I Yong2kui
(School of Materials Science and Engineering , Shenyang University of Technology , Shenyang 110023 , China)
上 ,镁合金已有逐渐取代 ABS、PC 等材料的趋势.
图 2 典型镁合金薄壁压铸件 ———手机外壳 Fig. 2 Typical t hin wall die2castings of magnesium alloy
mobile phone shell
第1期
刘政军 ,等 : 镁合金及其成型技术综述
镁合金发展的巨大动力来自汽车制造商 ,因
为用镁合金生产的零件可以大大减轻汽车的自 重 ,从而降低能耗 ,减轻有害气体的排放 ,以适应 日益严格的环保要求. 据统计 ,汽车尾气排放占大 气污染总量的 65 % ,而汽车自重每减轻 100 kg , 燃油效率就会提高 5 %. 所以各大汽车公司纷纷 寻求促进轻化的办法 ,镁合金无疑是最合适的选 择. 除了重量轻外 ,镁合金铸件还易于集成化 ,可 将原设计的 30～60 个零件集成为一个零件 ,大大 降低加工费用和零件组装费 ; 镁合金 ( 例如 AM 和 A E 系列) 延伸性好 ,可增加零部件的抗冲击能 力 ;减少震动和噪音 ;提高汽车零件的刚性 ;同时 镁合金零部件的回收性也好. 因此 ,世界知名汽车 制造商纷纷采用镁合金零件改进汽车性能 (如图 1 所示[10 ]) . 1997 年全球 10 大汽车公司用镁量为 45 000 kt ,到 2000 年用镁量已激增至近 90 万 t ,其 中以福特公司与通用汽车公司的镁合金使用量最 多. 德国大众汽车公司称 ,目前每辆汽车用镁量约为 25 kg(亦有报道国外汽车镁合金平均用量已达 40 kg) ,在未来的 5 年内 ,每辆汽车用镁量可以达到 60 ～80 kg ,这将对未来用镁的需求产生巨大的影响.
第 28 卷 第 1 期 2006年2月
沈 阳 工 业 大 学 学 报 Journal of Shenyang University of Technology
Vol128 No11 Feb. 2 0 0 6
材料科学与工程
文章编号 : 1000 - 1646 (2006) 01 - 0014 - 07
Zn27111
65
206 (215)
Zr20185
Mg2余量
760
Zn27138
66
212 (227)
Zr21116
Cd20181
Ag2111
Mg2余量
延伸率 /% — 1
118
1218
610
613
16
沈 阳 工 业 大 学 学 报
第 28 卷
近来 ,结合新工艺方法 ,一些新型镁合金体系 得以 发 展 和 应 用 : 快 速 凝 固 合 金 ( RSP) , 如 EA55RS ;非晶镁合金 ,如著名的三元合金 Mg2M2 L n ,其中 M 为 Cu 和 Ni ,L n 为 La 系元素 ,如 Y; 金属复合材料 ( MMC) ,如以 SiC、玻璃 、三氧化二 铝和石墨等作为纤维强化增强剂的 AZ91 ,AZ31 及 Mg2Li 系合金等. 这些合金的强度比一般镁合 金要高很多 ,甚至高于一般铝合金的强度.
图 1 汽车上镁合金用量的发展趋势 Fig. 1 Consumption trend of magnesium alloys in vehicles
312 3C 产品 3C 产品属于镁合金的高端应用领域 , 指电
脑 、通讯 、家用电子产品[11 ,12 ] . 从 1990 年起 ,电子 产品一直保持着快速增长的势头. 电子工业的硬 件部分的发展与新技术和新产品的开发紧密相 连. 目前日本和台湾在这个领域保持领先地位 ,除 生产笔记本电脑 、MD 随身听和数码相机三大采 用镁合金最多的产品外 ,还开发出带有镁合金部 件的手机 (见图 2[10]) 、摄像机 、电视机外壳 、CD 播 放机、掌上电脑等. 随着消费者对轻、薄、短、小以及 时尚新潮的要求越来越多 ,在 3C 产品的外壳应用
收稿日期 : 2004 - 12 - 13. 作者简介 : 刘政军 (1962 - ) ,男 ,黑龙江讷河人 ,教授 ,博士生导师 ,主要从事焊接冶金及表面强化技术的研究.
第1期
刘政军 ,等 : 镁合金及其成型技术综述
15
逊于一般的铝合金 ,是一般工程材料的 300 倍 ,且 温度依赖性低 ,可用于制造要求散热性能好的电 子产品 ;
镁合金一般可分为含 Al 和不含 Al 镁合金 , Al 含量几乎相同的 Mg2Al 、Mg2Al2Zn 、Mg2Al2Zn2 Mn 系合金 ,在铸造状态下硬度值也基本相同 (见 表 1) [7 ] ,完全符合 D IN 和 ГOCT 标准要求的数 值. 与含 Ag 和 Cd 的合金相比 ,Mg2Zn2Zr 合金的 硬度较低. 通常不含 Al 的镁合金一般都用 Zr 作 为晶粒细化剂 ( Mg2Mn 除外) ,故可分为含 Zr 和 不含 Zr 镁合金. 按产品形态也可分为铸造和变形 合金 ,其中变形合金又可以分为挤压合金和轧制 合金. 除以上常用镁合金外 ,还有其他一些新系镁 合金 ,其中 LAl41Ah 和 L s141A 已在航空航天工 业上得到了应用.
5) 镁合金是非磁性屏蔽材料 ,电磁屏蔽性能 好 ,抗电磁波干扰能力强 ,可用于手机等通讯产 品;
6) 镁合金加工成型性好 ,外观质感好 ,可制 作笔记本电脑 、照相机等外壳 ;
7) 镁合金线收缩率很小 ,尺寸稳定 ,不易因 环境改变而改变 (相对于工程塑料) .
2 常用的镁合金
为了提高镁的稳定性 ,改变金属镁的性能满 足于实际要求 ,通常在镁中加入一些合金元素形 成镁合金. 工业镁合金主要添加 Mn ,Al ,Zn ,Zr 和 RE 五种合金元素形成[5 ,6 ] : Mg2Mn , Mg2Al2Mn ,
镁合金的特点[2～4 ] : 1) 密度小 ,只是钢铁的 2/ 9 ,铝合金的2/ 3 ,是 最轻的结构合金 ,能有效降低部件的重量 ,节约能 耗; 2) 比强度大 ,略低于比强度最大的纤维增强 材料 ,远高于工程塑料 ; 3) 阻尼性很好 ,吸收能力强 ,具有极强的减 震性 ,可用于震动剧烈的场合 ,用在汽车上可增强 汽车的安全性和舒适性 ; 4) 导热性好 ,膨胀系数较大 ,弹性模量低 ,稍
Zr2112
Cd2018
Ag2113
Mg2余量
750
Al29123
6110
—
Mg2余量
750
Al29125
64
105 (106)
Zn20171
Mg2余量
750
Al29113
63
135 (147)
Zn20177
Mn20124
Mg2余量
760
Zn2413
49
204 (208)
Zr20175
Mg2余量
760
Abstract : The characteristics and classification of magnesium alloys as well as t heir applications in automobile , 3C and bicycle indust ries have been int roduced. Moreover , such forming technologies of magnesium alloys as casting , plastic forming and joining are reviewed. The domestic research present concerning magnesium alloys is analysed. At last , some suggestions are proposed for development t rend in domestic magnesium alloy indust ry.
3 镁合金的应用
从上个世纪 20 年代压铸技术的问世以来 ,镁 合金主要应用在汽车 、航天等领域 ,进入 90 年代 后期 ,镁合金的应用开始进入自行车 、电子产品及 其他民用领域. 据国际镁合金协会的统计 ,2001 年世界原镁的发货量为 330118 kt ,其中用压铸行 业的为 108163 kt (仅次于铝合金行业的 1 42811 kt) ,是增长最迅速的行业 ,年增长率约为 16 %. 311 镁合金在汽车工业中的应用[ 8 ,9]
Key words : magnesium alloy ; forming technology ; applied ; die2casting ; welding