镁合金的发展对我国有重大的战略意义。我国镁矿资源处于世界,发展镁合金有助于缓解我国传统金属矿产的资源危机。镁合金在民用领域的应用,对缓解能源危机、降低污染,特别是提高“中国制造”竞争力有重大的战略意义。
镁合金汽车轮毂:2014年,山西银光镁业的镁合金汽车轮毂销售量比上年增长了三倍,主要是差异化的汽车售后市场。预计2015年会有整车企业应用于电动客车,镁合金轮毂的汽车可节油15%。
镁合金座椅:东风汽车铝合金车身混合动力客车使用了镁合金座椅,用镁型材进行焊接,零件整体减重了25.7%。
镁合金轮椅骨架:生产商是山西省古交市银河镁业有限公司,研发制作镁合金型材深加工产品的企业,主要生产有镁合金轮椅系列、镁合金拐杖、担架、折叠床、桌子等。镁合金轮椅车架通过欧盟认证,出口欧洲市场。
镁合金碱性锅:生产商是北京鼎盛泰来科贸有限公司,镁合金碱性锅重1.3公斤,重量轻,能够中和酸性食物,导热快,为肉类排酸让食物更美味,还能为人体补充镁离子,防治疾病。
镁合金自行车一体轮:生产商是广州镁业金属科技有限公司,已经有国内外自行车厂家批量供货。其优势是稳定性、弹性和减震性都很好,重量轻,低碳环保。
镁合金户外和休闲用品:浙江泰普森已经开始批量生产镁合金材质的系列产品,在全球销售,获得消费者的欢迎。从2014年到现在,采用该类新兴材料生产的产品,出口额已经超过了3000万美元。
镁空气电池:生产商是大连爱镁瑞电池有限公司,镁空气电池使用自来水甚至喝水、污水作为电解液,其自带的LED灯可持续照明90至100小时,一次可为20部智能手机充电。这种镁空气电池已经在四川地震和尼泊尔地震抢险中作为应急电源应用。
同铝合金一样,镁合金铸锭也常常显现裂纹,不过镁合金的裂纹敏感性比铝合金的轻得多,型式也有较大差别,也可以分为热裂纹与冷裂纹,不过镁合金的冷裂纹相当少见,仅在MB5和MB7合金锭中偶尔出现,因此镁合金的热裂纹废品量占95%以上。
热裂纹
铸锭在有效结晶区间形成的裂纹称热裂纹。在结晶区间内收缩困难是产生热裂纹的主要原因。合金在给定条件下,凡是能缩小脆性区温度范围、减少脆性区内收缩困难的因素都可以减小热裂纹敏感性。
合金热裂纹敏感性高低可根据其脆性区内塑性A和线收缩ε的大小判断,即根据温度-塑性图可判断合金敏感性。还A大于0.5%的几乎不产生热裂纹。而当A=0时则称之为脆性区,这时产生热裂纹的几率可以说是了。合金脆性的上限≤固液区的上限,而其下限则≤固液区的下限。
对镁合金热裂纹敏感性有影响的主要因素:合金成分与工艺因素。
化学成分
实验证明,凡是能细化晶粒的因素都能降低合金脆性区的上限,也就是可以缩小脆性的温度范围。因为晶粒越细,则越有利于晶间变形,减少结晶时的收缩阻力,裂纹就不会产生了。例如向Mg+4.5%Zn合金添加0.8%Zr,其固相线由344℃提高到550℃,脆性区缩小了206℃,同时还降低了固液区内的线收缩和提高了固液区的塑性,这三者都有利于消除热裂纹。
另外,凡是增大共晶量的组元,都会提高合金的固液区内的塑性。因为增大共晶量,可增大晶界液膜厚度,从而有利于晶界变形,将大大改善补缩条件和裂纹“修复”条件,不但热裂数量减少,而且程度也显著减轻。
共晶量和裂纹敏感性并不是呈线性关系,当共晶量小于其一极限值时,裂纹倾向性小,当增加到某一值后,敏感性骤升,再继续加大共晶量,则敏感性又下降,一直到零。
铸锭凝固时,随着冷却速度的加大,减小了脆性温度区间,提高了固液区的金属的塑性,有利于减少热裂纹。晶粒粗大的凝固着的锭的脆性温度也较大。过热合金熔体将使晶粒粗化,加大脆性温度范围,降低合金的塑性,从而加大脆性敏感性。
晶粒形状也对脆性区范围和固液区的塑性大小有影响,柱状晶的不但脆性区较大,且其固液区的塑性也较低,因而易形成热裂纹。
铸造速度、铸造温度、冷却强度、铸锭尺寸及形状都对铸锭凝固速度有着直接影响,因而直接影响铸锭的内应力、脆性区大和固液区的塑性。在铸造镁合金锭时,不能同时不适当地加大铸造速度与冷却强度,否则会加大热裂纹敏感性。镁合金有较大的热裂纹敏性,裂纹的分布形式主要与工艺条件有关,常见形式有表面裂纹和发状裂纹。
冷裂纹
铸锭中的冷裂纹是在凝固以后形成的,是当铸锭冷却到低于不平衡固相线温度以下时,由于铸锭收缩困难造成的,即取决于当时铸锭的内应力大小和塑性高低。铸造应力可分为热应力、相变应力和收缩阻力。在连续铸造时,镁合金的相变应力可不考虑,主要是其余的两种应力,但是收缩力也不大,同时可调控,因此,热应力是主要的,所以冷裂纹取决于在固态时铸锭内部热应力的大小和塑性高低。
热应力的产生是由于铸锭内外各层间的收缩不同步与收缩系数的相异,例如直径530mm MB15合金圆锭,在铸造速度为33.6cm/min时,中心部分的平均冷却速度为48℃/min,而外表层的为58℃/min,这种差别必然导致收缩系数不一样,另外各层的收缩时间也不同步,表皮先收缩,中心后收缩,这就会使铸锭内部产生应力。一旦这种热应力超过铸锭的屈服Rp0.2,就会形成冷裂纹。
热应力大小除与线膨胀系数α及温差有关外,还与合金的正弹性模E有关,镁合金的E小,只有45000N/mm2,热应力也会小一些。另外,在镁合金铸造过程中所允许的结晶速度较低,产生的热应力不大,故镁合金铸锭产生冷裂纹的几率不高。
镁合金的熔炼铸造工艺与铸锭品质对镁材质量、成品率高低攸攸相关,实践统计证明,镁材缺陷的75%以上都或多或少是由于铸锭带来的。镁合金锭的铸造的铸造工艺有:铁模铸造,水冷模铸造与半连续铸造。前两种工艺现在很少用了,所生产的锭坯还不到总数的5%。半连续铸造法的优点可概括为:
凝固速度快,改善了铸锭组织,减少了成分偏析,提高了锭坯的力学性能。
由于改善了熔铸系统,减少了氧化夹杂及其他非金属夹杂物,金属杂质含量也有所下降,合金纯净得到了很大提高。熔铸设备对MA8合金的纯净度也有一定的影响。
合理的结晶顺序,铸锭的致密度得到提高,锭中心的疏松大幅度地下降。
锭的长度有很大提高,切头、切尾等几何废料的相对量有很大减小。
实现了机械化或甚至半自动化生产,劳动条件得到很大改善,劳动生产率显著提高,产品品质也有很大提高。
当然,尽管半连续铸造法的优点很多,不可避免地也会存在一些不足之处,诸如:
铸锭内部因凝固速度快,会产生很大的内应力,而合金的塑性又不大,因而裂纹倾向性大,废品率比铁模铸造时的大得多,铁模铸造几乎无一裂纹。
由于凝固速度快,有些合金元素如锰会产生较严重的晶内偏析,为了消除这种缺陷,须进行长时间的均匀化退火,因而生产成本上升,而且性能得不到充分的。
由于凝固速度大,液穴内的温度梯度也会相应地上升,虽不利于金属中间化合物颗料的过于长大,但却使它易于产生。
压铸镁合金时采用熔剂熔炼会带来操作上的诸多困难,特别是热室压铸尤为不便,同时熔剂夹杂更加,上世纪70年代开发的无熔剂熔炼工艺在镁合金熔炼发展史上有着里程碑意义。大量研究表明,CO2、SO2、SF6等气体对镁及镁合金熔体有良好的保护作用,特别是SF6的效果尤为。
镁合金的是一类前景广宽的功能材料,典型的功能材料为:镁储氢材料、医用镁材、阻尼镁材、镁电池材料、镁阳极材料等。功能镁合金是一类新型的高技术材料,是镁产业的一个新领域,是世界材料工作者关注的重要焦点之一。镁合金是一类可降解新型医用材料,具有的优势和潜力。
在常压与约250℃时镁与H2可形成MgH2,而在低压与重高温度下又能释放氢,因而是一类有效的储氢材料,纯镁的储氢率高达7.6%,即10kg镁中可以储存0.76kg氢,把氢储存在合金中,可以控制释放速度,使用安全性。
镁的电极电位低,具有非常的电化学性能,可以作为一次电池与二次电池的电极,可用于制造各种高容量电池,镁与锂的物理化学性能相似,但镁电池,对环境友好,安全性高、易操作,资源丰富,价格合理,作为电池材料具有的优势。目前商用镍氢电池的储氢材料为LaNi5,储氢量仅约1.4%,比容量约330mAh/g,限制了镍氢电池的应用的推广。上海交通大学通过向LaNi5添加少量Mg,大大提高了其电化学容量,其比容量达到400mAh/g,并有良好的循环稳定性。