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。
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。
镁及镁合金熔体易与氧、氮、水气等发生反应,镁与1g氧化合释放598J热,而铝释放的为531J,比镁释放的低11.2%。通常,氧化物生成热越大,分解压越低,则与氧的亲和力越强。由氧化物生成热和分解压数值可知,镁与氧的亲和力比铝与氧的大,镁与氧的氧化膜MgO疏松,致密度系数α=0.79,比Al2O3的1∶28小得多,没有保护作用。温度较低时,镁的氧化速率不大,500℃时显著加快,超过700℃则急剧上升,熔体一旦遇氧就会发生急剧氧化而燃烧,放出大量的热。反热生成的MgO绝热性能好,反应界面产生的热不能及时向外散发,从而提高界面温度,造成恶性循环加速镁的氧化,燃烧反应更加激烈。当界面反应温度镁的沸点1107℃时,熔体大量气化,发生爆炸。
无论是固态镁还是液态镁均能与水发生反应,生成MgO并放出H2,H2又与O2化合生成水,水又受热急剧汽化,会导致猛烈的爆炸。因此,熔炼镁合金的炉料、工具、熔剂等均应干燥。
镁可与N2反应生成Mg3N2,不过Mg-N2反应比Mg-O2反应缓慢得多。镁与氩、氦、氖等不发生化学反应,可防止镁熔体燃烧,但不能阻止镁的蒸发。因此,在熔炼镁合金时采取有效的措施防止其氧化、燃烧与爆炸,目前的措施有熔剂熔炼工艺与无熔剂熔炼工艺。然而熔剂形成的膜层隔绝空气的效果并不十分理想。
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。
液态镁在干燥纯净的CO2中氧化速度慢,高温下可发生化学反应形成固态MgO与无定型碳,它可以填充于氧化膜间隙处,提高熔体表面氧化膜的致密性,同时还能强烈地抑制镁离子扩散到表面膜的表面,从而阻抑镁的氧化。
镁与SO2反应生成固态MgO与MgS,在熔体表面形成一层致密的保护性强的MgS-MgO复合膜层。
是一种人工制造的气体,它的密度为空气的4倍,在室温下很稳定,但SF6的混合气体发生化学反应时可能形成有刺激性的有毒气体。SF6与镁反应可生成固态MgF2与SO2F2.MgF2的致密度高,可与MgO形成连续的致密氧化膜。值得注意的是,SF6应是干燥的,否则水分会大大加剧镁的氧化,还会生成有毒的HF气体。
保护气氛
是一种非常有效的保护气氛,能显著降低镁的烧损,得到普遍采用。实验表明,保护气氛中含有0.01Vol.%SF6就有的保护功能,但在实际操作中,为了补充SF6与熔体反应和泄漏损耗,SF6的浓度应高些。SF6保护气氛有两种:干燥空气与SF6的混合物,干燥空气、CO2、SF6的混合物。
的价格高且有潜在温室产应,就尽量控制SF6的排放量。保护气氛中的SF6浓度不得超过2Vol.%,否则会引起坩埚损耗。SF6是影响镁合金生命周期(LCA)的主要因素,也是制约镁成为21世纪绿色材料的关键因素。2000年国际镁业协会(LMA)呯吁行业开发新的保护气体以取代SF6。
中国在发展镁合金方面特别是对镁-稀土合金的研发居世界地位,受到全球刮目相看,除了前面谈的一些成就,主要成就还有:
低成本非稀土镁合金
目前发展的新型镁合金的85%以上都或多或少含有稀土,它们的价格昂贵,提高了合金的价格,使其身价倍增,但在性价比上却大打折扣,推广应用不易。因此,研发低成本非稀土型的镁合金显得非常必要,中国在发展这类合金方面也取得了非凡的成就,,如上海交通大学的ASZ511Sb合金、AT72合金、AX51合金。
ASZ511Sb(Mg-5Al-1Zn-1Si-0.6Sb)合金,它是一种金属型重力铸造合金,不含合金元素,其主要合金元素为铝、锌、硅,还含有少量的锑与微量的稀土,用于金型重力铸造,铸件的室温屈服强度95N/mm2,抗拉强度Rm=235N/mm2,伸长率A=12%。合金的显微组织为α-Mg+共晶体,其晶体中的Mg2Si呈汉字状,Sb的加入显著细化了Mg2Si,使它成为均匀分布的颗粒。该合金在200℃、50N/mm2条件下的抗蠕变强度与稀土耐热镁合金AE42(Mg-4Al-2RE-0.2Mn)合金的相当,因此可以在100~150℃的温度下长期工作。该合金在5%NaCl盐雾试验时的腐蚀速率比AZ91D合金的低10%。
AT72铸造镁合金也是上海交通大学研发的,用于金属型重力铸造,以铝、锡为主要合金元素,还含有锌、锰、稀土等微量元素,金属型重力铸件的室温屈服强度Rp0.2=90N/mm2,抗拉强度Rm=225N/mm2,伸长率A=7%。铸态合金的显微组织以α-Mg固溶体为基体,其中分布着离异共晶Mg17Al12和少量的Mg2Sn,固溶处理后,Mg17Al12溶入基体,但仍有少量的Mg2Sn相。该合金的铝含量不多,有较好的压铸成形性能,与AZ91D合金的相当,但因铝的含量少,仅7%,重力铸件的时效强化效果较弱。AT72-T5合金压、铸件的室温力学性能:屈服强度Rp0.2=125N/mm2,抗拉强度Rm=225N/mm2,伸长率A=4.5%。该合金的抗腐蚀性能与传统AZ91D合金的相当。
AX51合金是一种压铸合金,以Al、Sr为主要合金元素,Ti为次要合金元素,是上海交通大学研制的,重力铸件的典型组织为α-Mg+共晶体(α-Mg+Al4Sr),含钛的Mg-5Al-1Sr合金的显微组织发生了明显的变化,晶界上的共晶组织由粗大的层片状转变为球状与短棒状,因而力学性能有较大提高。AX51合金压铸件的典型力学性能:屈服强度Rp0.2=138N/mm2,抗拉强度Rm=270N/mm2,伸长率A=7%。Mg-5Al-1Sr-Ti合金在175℃/70N/mm2的稳态拉伸蠕变速率比不含Sr、Ti合金的小1个数量级。
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