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镁合金行业报告(五)

随着现代科技的不断发展,金属材料的消耗与日俱增,金属矿产资源逐渐趋于枯竭。镁是地球上储量最丰富的元素之一,在地壳表层金属矿的资源含量为2.3%,位居常用金属的第4 位,此外在盐湖及海洋中镁的含量也十分可观,如海水中镁含量达2.1×1015 吨。在很多金属趋于枯竭的今天,加速开发镁金属材料是实现可持续发展的重要措施之一。由国际著名镁合金专家联合撰写的“镁基合金”(师昌绪、柯俊、R.W 卡恩主编《材料科学与技术》丛书第8 卷)一文指出:“在材料领域中,还没有任何材料像镁那样潜力与现实有如此大的颠倒。

通过非HPDC制造扩大镁的应用

非HPDC工艺方法:对于生产大型高质量汽车应用铸件,砂基工艺在成本,表面外观、表面光洁度、壁厚和尺寸公差方面与HPDC相竞争没有优势。砂基工艺目前被应用于生产昂贵的,低体积,高合金的航空航天铸件。但是对于大批量的汽车生产,则需要低成本版本。由于模具成本降低,在应用于大批量/低成本的汽车生产之前,这种工艺件应使用更容易,更快地成型工艺。介于HPDC需要大型机器,大而昂贵的金属模具和昂贵的控制装置,以及高压熔融金属快速填充模具,对于小批量生产(比如2万个单位)来说,快速成型工艺的成本应该比HPDC低。

结构/性能控制:非HPDC工艺包括反重力/重力填充到半永久性砂模,重力/反重力/加压填充聚苯乙烯泡沫塑料模具和利用V型工艺。所有产品都以非常低(〜0)的温度梯度产生缓慢凝固的铸件。在没有晶粒细化的情况下,形成大的(〜5mm)不均匀的晶粒结构,其可能导致裂纹并由此降低产品的机械性能。HPDC铸件的热梯度非常高(〜104℃ / cm),冷冻速率也很高,而颗粒相应地小100-500倍。在砂铸件中,系统必须施加正温度梯度,例如使用高导热率的砂(钢粒,锆石等)或成形冷却器。此外,为了获得获得高机械性能所需的细粒结构,需要细化晶粒。低成本的晶粒细化剂可用于铝合金,但不适用于镁合金,特别是如果它们含有铝。此外,还需要开发不引入任何氧化物或潜在腐蚀/强度降低杂质的最合适的孕育剂引入方法(例如通过气体注入,模具涂覆,插入,模内接种等)。非HPDC铸件需要热处理来为汽车应用开发可行的机械性能产品。低成本程序,如流化床技术,对于以较低成本改进成本控制具有相当大的希望。

铸造充填:熔融镁非常活泼。必须开发砂芯/模具添加剂和涂层,以产生光滑的铸造表面; 不会与熔体发生反应; 并在凝固后落砂而不破裂铸件。高质量结构铝铸件需要填充模具而不产生氧化诱导的紊流; 镁也是必需的。机械/电动泵送系统可以提供受控/缓慢的填充而不产生紊流,因此不会产生夹杂物。但是,在熔融镁中获得长的泵寿命需要新的材料和设计。填充没有缺陷的超大型薄壁铸件可能需要多个浇注口,可以依次填充。

新技术 :需要发明适合于汽车应用的新合金,并且可以使用上述的非HPDC技术进行加工。改善性能的新方法可能包括含有大颗粒和纳米颗粒,纤维和复合预制件的复合材料。必须考虑熔融Mg相容性的问题,因为Mg将与几乎所有的非金属反应形成尖晶石并潜在地腐蚀反应产物。

镁铸件行业的发展需要提高二级/回收镁金属的质量:目前在低浓度下经济地去除和定量检测非金属/气体包裹体的能力有限。所有加工过程都应确保所生产的镁铸件生产零排放,经生命周期分析证实。

金属加工技术

锻造技术为扩大镁在汽车行业的应用提供了重要的机会。冲压,挤压,锻造,制动/静液压成型,纺丝,拉伸成型,深拉伸,弯曲和超塑成型都是可能的。金属加工成本比HPDC更昂贵;然而,在所有领域,成本削减是可能的。而常规铸锭轧制的镁片比铝片要贵五倍,而新的连续铸造技术可能使价格降低至仅约为20%。

镁的许多科学/技术问题,包括开发新的低成本合金,需要解决镁与钢和铝基锻造材料竞争。与大多数压缩强度大于拉伸的金属不同,镁的压缩比拉伸弱两倍。但是镁也表现出强烈的优选结构取向,具有广泛的孪生和在受力方向上的性质变化。这两个问题都需要独特的设计来补偿由制造工艺产生的不对称性质。更重要的是,由于Mg晶体结构是六方密闭的,室温变形性比钢和Al低得多,直到温度达到230°C(450°F)才有足够的延展性形成复杂的形状。

板材生产和冲压工艺

在二十世纪三十年代,陶氏化学公司表明,薄板镁产品可用于生产轻型拖拉机拖车。到了1942年,差不多有300T /月。AM503板材在德国被用来制造飞机。战后,价格上涨和低成本/改进的铝合金基本上取代了镁板在这些领域的应用;然而,大量的数据是可用的。

低成本的片材生产

目前从铸锭生产镁片的加工方法比铝更昂贵。双辊铸造方法有很大的前景,可以使镁板成为更具成本竞争力和可行的汽车材料。目前正在中国,韩国,德国,挪威和澳大利亚进行研究和开发。板材和汽车冲压技术需要大量的开发,只要价格合理,汽车镁冲压件可以看到广泛的应用。

常规冲压

合金成分,铸造结构和热机械加工是汽车板材和冲压的重要变量。镁的六方密堆晶体结构需要较高的加工温度(225℃),而铝或钢可在室温附近进行冲压。超细晶粒连铸板材可以热成型(90-150℃),从而大大降低加工成本。补偿镁的独特属性的工具设计需要开发,如用于卷边,内/外连接和润滑剂/涂层的规则,以改善冲压,拉拔和卷边成形。

超塑成形(SPF)

SPF可以制备外壳形状,而不需要传像统冲压件那样,在制备过程中承受不利的冲压载荷,高温度下拉伸,撕裂和开裂的问题。SPF需要独特的晶粒结构,温度和成型/变形工艺的开发。

表面准备/保护

由于滚压和冲压加工,冲压片材的表面可能涂覆有潜在的有害颗粒,并且需要仔细清洁片材。这将产生需要保护的活动表面。还需要开发涂层以改善其耐磨性。这些可能包括双面,共轧,粘合塑料层,光泽/金刚石硬涂层,无铬转化涂层或其他化学钝化涂层。

挤压

镁挤压件的汽车应用取决于镁合金支撑部件承受的应力的能力。Mg似乎在单轴拉伸和弯曲应力应用中提供了重量减轻的潜力,在这种情况下薄壁和部件横截面可以相应地扩大。 镁挤压的根本优势在于它比铸造零件具有更好的力学性能,断裂伸长率高达15%。大众研究人员指出,在动态轴向应力下,镁的能量吸收能力较低;动态横向和对角加载的差异较小。

锻造

锻件用于铸件性能变化太大或太弱的地方。由于高成本和有限的知识基础,锻造Mg部件只能应用在有限的汽车领域。高温锻造需要迫使金属进入模腔。由此产生的金属流动导致该部分沿着结晶学优选的方向,第二相粒子和晶粒轴应变方向排列。机械特性反映了这种不对称性,高于平行于流动方向,在横向低。锻造设计过程的一个重要部分是确保金属流动被引导到需要最大性能的地方。元件设计、锻造工艺、力学性能和应用负荷之间的强相互作用需要镁的发展。潜在的镁锻造应用包括转向节,控制臂和高强度车轮。