镁合金薄板生产技术资料6Word下载.docx
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自20世纪30年代开始,金属热还原法开始建立并极受重视,尤其是硅热法炼镁。
由于具有工艺较简单、无污染、建厂快、投资省等优点,已成为生产金属镁的一种主要方法。
我国镁工业赴较晚。
镁冶金的现代方法主要分为两种:
一是电解法;
二是硅热法。
2、镁合金的成分、组织和性能
工业用镁的纯度可达到99.9%,但是纯镁不能用作结构材料。
在纯镁中加入铝、锌、锂、猛、锆等稀土元素形成的镁合金具有较高的强度,可以作为结构材料广泛应用。
在20世纪20年代至30年代晚期,镁合金的开发和应用达到第一个高峰;
在20世纪50年代,达到第二个高峰;
从20世纪90年代至今是第三个高峰。
镁合金铸有多种方法,包括重力铸造和压力铸造;
砂型铸造、永久模铸造、半永久模铸造、熔模铸造、挤压铸造、低压铸造和高压铸造。
通常所说的压铸是指高压铸造,以区分重力铸造和低压铸造。
对于具体材料,就根据其化学成分、工艺要求来选择合适的铸造方法。
合金成分和铸造工艺对组织结构有重要的影响。
合金元素,尤其是稀土元素RE引起中间相结构的复杂变化,对镁合金的组织和性能产生很大的影响。
许多镁合金既可做铸造镁合金又可做变形镁合金。
变形镁合金经过挤压、轧制和锻造等工艺后具有比相同成分的铸造镁合金更高的力学性能。
变形镁合金制品有轧制薄板、挤压件和锻件等。
这些产品具有更低成本、更高强度和延展性以及多样化的力学性能等优点。
其工作温度不超过150℃。
在镁中加锂元素能获得超轻变形镁锂合金,它是迄今为止最轻的金属结构材料,具有极优的变形性能和较好的超塑性能,已应用在航天和航空器上。
镁合金在熔炼铸造时很容易氧化、燃烧和吸气,其铸锭常常存在一些空隙、氧化物夹杂或蚀坑等缺陷,它们尤其是夹杂物对镁合金的力学性能和腐蚀性能产生严重的影响。
3、镁合金强化处理
工业纯镁的室温塑性很差,如纯镁单晶体的临界切应力只有4.8~4.9MPa,此外,纯镁多晶体的强度和硬度也比较低,不能直接用作结构材料。
通过形变硬化、晶粒细化、合金化、热处理、镁合金与陶瓷相复合等多种方法或这些方法的综合应用,镁的力学性能会得到大幅度改善。
国内外在镁及其合金的强化方面进行了大量的研究,并取得了积极的成果。
目前已应用于镁合金的强化处理方法主要有合金化强化、热处理强化、复合强化和细晶强化。
在这些强化处理方法中,以合金化强化为最基本、最常用和最有效的强化处理方法,其他方法均建立在合金化强化的基础上。
3.1镁的合金化处理
镁的合金化一般都是利用固溶强化、沉淀强化和弥散强化来提高合金的常温和高温力学性能,因此其合金化设计应从晶体学、原子的相对大小、原子价以及电化学因素等方面进行考虑。
选择的合金化元素应在镁基体中有较高的固溶度,并且随温度变化有明显变化,在时效过程中合金化元素能形成强化效果比较突出的过渡相,除了对力学性能进行优化外,还要考虑合金化元素对抗蚀性、加工性能及抗氧化性能的影响。
3.2镁的热处理
镁合金热处理的目的是在不同程度上改善其力学性能,如抗拉强度、屈服强度、伸长率、塑性、硬度和冲击韧性等。
而有些热处理则是为了减少铸件的铸造内应力或淬火应力和在高温下工作时这些应力的生长倾向,达到稳定尺寸的目的。
其热处理的特点是:
镁固溶体的扩散和分解过程缓慢,因此固溶处理和时效处理时需要保持较长的时间,其铸态力学性能可通过热处理的方法改善,对于锻件,既可单独也可以交用冷加工、退火、固溶和时效等方式来提高镁合金的力学性能。
3.3镁合金的细晶强化处理
镁合金的细晶强化主要是通过控制镁合金晶粒度的方法实现。
细晶强化时,晶界是滑移传递的有效障碍,晶界前方的应力集中使得更多的滑移系被激活,合金的整体变形更加均匀,带来合金强度和韧性的提高。
获得细小等轴的晶粒可以改善合金的性能,根据以往的研究结果表明,目前镁合金的晶粒度可通过变质处理、热加工、塑性变形和快速凝固等方法控制。
4、镁合金铸造
工业镁合金按生产工艺可以分为铸造镁合金和变形镁合金,其中铸造镁合金约占镁合金总量的90%以上,按性能特点可分为高强镁合金和耐热镁合金,高强铸造镁合金一般具有较高的常温强度和良好的铸造工艺性能,但耐热性较差,长期工作温度不超过150℃。
高强铸造镁合金具有均衡的力学性能、铸造性能和耐腐蚀性能,其屈服强度也较高,是目前应用最广泛的铸镁合金。
耐热镁合金指能在150℃以上温度范围内长期工作,比一般高强镁合金的使用温度高出50~200℃,一般耐热镁合金都是通过添加稀土元素提高镁合金高温性能。
5、镁合金的塑性成形
变形镁合金的塑性成形方法与变形铝合金的塑性成形方法基本相同,常用的成形方式有:
挤压成形、锻造成形、轧制成形、等温及超塑成形和板料成形。
由于镁具有密排六方晶体结构,在室温条件下变形只有基面{0001}产生滑移,滑移系数仅为3个,晶面产生滑移的可能性相当有限,因而导致镁合金的塑性很低,冷态变形十分困难,必须升高成形温度以实现镁合金的塑性成形。
当成形温度升高到180~240℃之间时,随着孪晶的形成而有更多和附加滑移面产生,使镁合金的塑性得到很大的提高;
而温度进一步升高达到300℃以上,即可出现再结晶过程,使镁合金具有更好的成形性能。
因此,镁合金的塑性成形加工一般均是在热态条件下完成的。
镁合金可采用与铝合金相同的加热方式,一般是采用在箱式电阻炉中加热。
镁合金有良好的导热性,任何开关和尺寸的毛坯或铸锭均可不经预热而直接放入炉膛加热。
由于对镁合金进行塑性成形加工时,加热温度远低于合金的熔点温度,加热时不需要惰性气体或还原气氛保护。
但必须保证炉温均匀,在预加热阶段必须避免出现大的温度梯度,防止坯料局部过热。
若装有鼓风机等强制空气循环装置对坯料均匀加热是极为有利的。
同时,加热炉应有可靠的温度控制精度,避免镁合金发生燃烧的危险。
6、镁合金的连接
绝大多数镁合金可以用气焊、氩弧焊、电阻焊、电子束焊、钎焊等方法焊接,目前通常用氩弧焊方法焊接。
氩弧焊适用于一切镁合金焊接,它能得到较高的焊缝强度系数,焊接变形比气焊小,焊接时可不用气剂。
且铸件可用氩弧修补并能获得满意的焊接质量。
镁合金因为没有适用的焊剂,不能用埋弧焊。
镁合金也可粘接连接。
7、镁合金的腐蚀及表面防护处理
镁及镁合金表面极易腐蚀形成疏松多孔的氧化镁,耐蚀性较差,制约了镁合金的广泛应用。
这一问题一下受到人们的极大关注。
影响镁合金耐蚀性能的因素有许多,镁合金铸件或铸锭中的氯化物溶剂夹杂可导致镁合金制品的耐腐蚀性能大幅度降低。
合金中的夹杂元素铁、镍、钴、铜对镁合金的耐蚀性影响最大;
镁合金在海洋气候环境下或酸雨环境中的抗蚀性也会大大降低:
除此以外,影响镁合金腐蚀性的因素还有加工工艺、组织状态等。
为了提高镁合金的耐腐蚀性能,一方面要提高镁合金的纯净度,最大限度地降低镁合金中重金属杂质元素的含量,研究熔炼高纯镁合金;
另一方面应当采用各种表面处理方式,对镁合金表面进行防护处理。
当然,只有在合理设计和正确装配连接的情况下,镁合金件才能取得理想的防护效果。
另外,利用镁电位低、极易腐蚀的特点,镁及其合金可以用作船舶壳体、埋地管线和钢架等结构保护的牺牲阳极。
8、废镁回收及镁合金安全生产
镁及镁合金废料主要产生于压铸产品的生产和加工,而2000年以前我国的镁合金压铸业没有得到发展,因而产生的镁及镁合金废料也很少。
2000年约3000多吨,2000年以后,日本、韩国以及我国台湾地区在中国建立了笔记本电脑、移动电话、台式电脑等大量电子产品的生产基地。
由于这些产品的外壳大多采用镁合金压铸件生产,因而极大地带动了我国镁合金压铸业的发展。
镁合金压铸件的另一个重要应用领域是汽车和摩托车部件,重庆已建成镁合金生产基地,主要产品是汽车和摩托车配件。
国外一些镁厂也已经将生产基地转移到中国,主要发展方向就是镁合金压铸业,预计到2005年我国的镁及镁合金废料将达到1万吨左右。
在压铸过程中所产生的废料有两种:
一种是在压铸过程中产生的过剩镁合金,如料饼、流道、溢边、废零件、冒口结块、飞边、切屑、熔渣等。
另一种是在机械加工中、喷漆过程中产生的废件。
在压铸过程,仅有30%~50%的给料用于成形,剩下的50%~70%的给料都浪费在料柄和流道上了。
因此,要达到减少环境污染和降低成本的目的,就必须找到回收料柄和流道等过剩镁合金和废品的方法。
对于压铸成形件大多需要进行高精密两次机械加工以达到最终尺寸与性能要求,削去多余的料、钻空、抛光,严格按技术要求进行机械加工,但在机械加工中由于加工的尺寸没控制好也要产生废件;
对于机械加工合格件要进行表面处理和喷漆,在喷漆时由于没有控制好也将产生废品。
9、镁合金的应用
全球范围掀起的镁合金开发应用热潮始于20世纪90年代。
镁由于性能独特,正成为继钢铁、铝之后第三大金属工程材料,被誉为“21世纪绿色工程材料”,世界镁产业以每年15%~25%的幅度增长,这在近代工程金属材料的应用中是前所未有的。
镁合金具有优异的性能(低密度、比刚度和比强度高),因而广泛应用于航空、航天、交通工具、3C产品、纺织和印刷行业等。
镁合金零部件运动惯性低,应用到调整运动零部件上时效果尤为明显。
另外,由于镁合金密度低,适合应用到需要运动和搬运的零部件上,同时制备同一零件时壁厚可以增大,从而满足了零件对刚度的需求,简化了常规零件增加刚度的复杂结构(如筋、肋等)制造工艺。
尽管质量小可能是结构应用领域选择镁合金的最主要因素,但镁合金的一些其他特性在不同的应用领域也显得特别重要。
例如,镁合金的中温性能合得它能够在飞机和导弹上替代工程塑料和树脂基复合材料;
其高减振性能使其在飞机和导弹的电子仓结构上获得应用;
其对X射线和热中子的低透射阻力使得镁合金特别适用于X射线机框和核燃料盒等。
镁合金还长期被用于制造各种军事装备,如帐篷骨架、迫击炮座和导弹壳体等。
由于含铝小于30%的细小镁铝合金颗粒在燃烧时能产生耀眼的白光,该白光比自然光线还有利于照相,因此被广泛用于照相用的闪光灯。
因此,烟火工业是镁合金的第一个工业应用领域。
镁颗粒还被用于制造夜间空中照相用的照明弹、高能燃料、引火装置和燃烧弹等火器。
近年来,随着资源的不断枯竭以及环保和安全所需,镁合金在汽车、摩托车、电子产品等方面的开发应用受到了全世界的极大关注。
镁合金塑性成形技术研究进展
作为目前最轻的工程金属材料,镁合金比强度和比刚度较高,具有优良的阻尼性、电磁屏蔽性、减振性、切削加工性和抛光与表面处理性能。
因此,镁合金被誉为“21世纪绿色工程材料”.近年来,随着现代科技和相关产业技术的发展,镁合金的应用范围迅速扩大,特别是在汽车及3c产品中镁合金零部件获得大量应用。
然而,镁合金为密排六方结构,滑移系较少,在室温和低温条件下塑性较差,而且,迄今对镁合金塑性变形机理的认识还不够全面和深入,未能建立起完善的塑性变形理论体系。
对于改进现有的镁合金塑性成形工艺及开发新的塑性成形技术缺乏理论指导。
因此,深入研究镁合金塑性成形机理,开发镁合金的塑性成形技术是目前亟待进行的工作.
一挤压
镁合金在室温下的塑性很低,延伸率只有4%一5%,所以,挤压加工是理想的方法。
目前,镁合金管材、棒材、型材、带材主要采用挤压加工方法。
由于液压机的行程速度比较慢,可以保证镁合金挤压时有良好的变形速度条件,所以只要变形温度合适,不管应力状态如何,镁合金都具有较高的塑性。
在液压机上可以挤出所需形状、尺寸的挤压件。
镁合金的挤压工艺与其他金属类似,包括正向挤压和反向挤压。
镁及镁合金的典型挤压温度范围是300℃~400℃,挤压温度的高低取决于合金种类和挤压件形状。
在挤压时,为了减轻坯料与挤压筒及凹模之间的摩擦,防止黏模,降低摩擦力,有利于金属流动,必须采用润滑剂,同时润滑剂还起到隔热的作用,从而提高模具寿命。
镁合金挤压的挤压比在10:
1~100:
1范围内变化,已预挤压的锭坯挤压比可适当增大。
工件在挤压成形过程中会生成大量的热量,从而必须充分散热,否则会导致镁合金发生热裂。
挤压件脱模后,为了保持微细、均匀的显微组织,可采用强迫气冷或水冷进行淬火。
挤压具有细化晶粒的作用,同时能提高材料的强度和塑性。
ZK60合金经423K挤压后抗拉强度上升到500MPa以上,这可归因于晶粒细化。
AM60,AZ91,ZK60和ZK61等合金热挤压件的性能优于铸锭,延伸率高达1O%以上。
ZK60,WE43和WE54合金的热处理状态一般为T5(人工时效)态或T6(固溶+人工时效)态。
ZK系列镁合金挤压件经过T5或T6热处理后,有利于提高力学性能的各向同性和获得高塑性。
热处理对WE系耐热镁合金挤压件的室温性能影响不大,但能提高高温稳定性。
AZ61和AZ80镁合金也可以产生时效强化,经过rr5或T6处理后,强度略有提高而塑性大大降低。
挤压态zK系列镁合金强度和塑性的匹配良好,通常不需要热处理强化。
反向挤压可以用来制造轴对称的管状镁合金工件,特别是带有薄壁或不规则截面的工件。
镁合金反向挤压的温度范围为448K~643K,挤压温度取决于合金的成分和挤压速度。
挤压过程中必须保持挤压温度恒定,以保证公差。
在挤压过程中,由于吸热,模具温度可升高65K左右。
在允许工件性能有所降低的情况下,可以稍微提高挤压温度。
挤压成形可显著细化晶粒、改善组织,提高材料的强度和塑性。
例如,ZK60合金经150℃挤压后抗拉强度上升到500N/ram2以上,这可归因于晶粒细化(引。
因此可以通过调节挤压参数来控制材料微观组织。
通常,降低挤压温度和挤压速度,可获得更细小的晶粒;
增加挤压比也能进一步细化晶粒,从而获得更好的力学性能。
二轧制成形
镁合金的带材及板材一般采用轧制成形的方法生产。
轧制过程可以细化晶粒,改善镁合金组织,显著提高镁合金的力学性能[4J。
轧制温度是镁合金轧制过程中的关键参数。
轧制温度过低时,高的应力集中可导致孪晶形核和切变断裂;
轧制温度过高时,晶粒容易长大而使板材热脆倾向增大.当温度达573K时,轧制态AZ31镁合金板材的各向异性基本消失。
高温时,镁合金各向异性减弱的原因是由于温度升高激活能增大而有更多的滑移系启动,以及板材发生再结晶综合作用的结果,这对镁合金板材的二次成形,如深拉延等是极为有利的。
镁合金板材在轧制后一般要进行退火处理,退火后会发生再结晶。
因此若要获得最高的常温力学性能,退火温度应靠近完全再结晶温度范围内。
退火温度过高会引起晶粒长大,降低材料性能。
镁合金的再结晶温度取决于压下量、热轧开始和终了温度。
为降低变形镁合金的生产成本,连续铸轧工艺是目前研究的热点之一。
连续铸轧是冶金及材料领域的一项前沿技术,其特点是:
可简化生产工艺,缩短生产周期,降低能耗,降低生产成本。
在几种连续铸轧机中,双辊铸轧较适宜于大规模、商业化生产。
目前已成功应用于铝行业和钢铁行业。
三锻造
镁合金锻件具有组织致密、无孔隙、高性能等优点,可用于对气密性要求严格的场合,在工业应用上得到了充分重视。
适于锻造成形的镁合金有Mg—Al—Zn、Mg—Zn—Zr和Mg—Y—RE系合金。
镁合金锻件的力学性能通常取决于锻造过程中所产生的应变硬化程度。
锻造温度越低,其应变硬化效果越显著,然而温度过低时锻件容易开裂,过高时则氧化严重。
锻压成形镁合金的可锻性取决于固相线、变形速率和晶粒度3个因素。
锻造所用原料一般采用可锻性较好的Az和ZK系,这两系合金可通过添加晶粒细化剂和合金元素得到满意的晶粒尺寸。
镁合金在较高温度下尤其400℃以上时,很容易产生腐蚀氧化,因而不易锻造。
等温锻造是
目前镁合金的主要锻压成形工艺。
影响镁合金锻件力学性能的因素很多,主要包括变形程度、终锻温度及变形方式等。
一般来说,锻件性能随变形程度的增大而提高,而随着变形温度的升高,镁合金锻件的力学性能逐渐降低。
变形方式对锻件力学性能的影响,主要是通过改变其各向异性特征来实现的。
镁合金的加工变形量依设备种类而异,在锤上变形量不超过3O%~5O%,在液压机上变形量可达7O%~9O%,所以建议使用液压机为佳。
四板料成形
板料冲压成形一般应用于塑性较好的材料(如钢板,铝板等)。
镁合金室温塑性较差,其拉深、胀形等成形工艺都在150℃以上进行。
镁合金薄板的拉深性能与板材的各向异性比、加工硬化率以及成形温度、速度、工件形状及擦润滑等工艺条件有很大关系[34,35]。
一般来说,随着温度的升高,镁合金薄板的深拉延性能可得到明显改善。
对大多数工件而言,拉深深度并不是主要因素,关键是如何使带有圆角或异形的工件在拉深时不产生皱褶。
因此,拉深温度通常高于最大可拉深性所要求的温度。
对于特殊的难拉深零件,必须改变工艺流程降低废品率L3J。
差温拉深工艺能显著提高镁合金板料的拉深性能,得到了广泛关f36-38]。
该技术利用温度对材料性能的影响,通过实现温度的不均匀分布而实现不同部位强度的均匀分布,减小断裂倾向,提高成形极限。
五镁合金在汽车上的应用现状
目前,美国三大汽车制造公司(克莱斯勒、福特、通用)的汽车用镁合金零件主要是仪表盘托架、仪表盘横梁:
转向柱、方向盘(图1),约占其汽车用镁合金的68%。
德国大众汽车公司的甲壳虫牌汽车每车的镁合金用量为18左右(最小零件质量为0.15kg,最大零件为12kg),与原来使用的材料相比减重50,这种减重对于保持后驱动车辆的平衡十分重要。
近年来镁合金在汽车行业上获得了大量应用,德国大众汽车公司预测¨
到2005年镁合金在汽车上的用量可达6080。
表1给出了镁合金结构材料在汽车方面的部分用例。
有关专家认为,随着镁合金加工技术的进步,在2008年之前,全球用于汽车的镁合金仍将以l5%以上的速度强劲增长(图2)。
2.3国内汽车用镁情况我国镁资源丰富,菱镁矿储量居世界首位,原镁产量仅次于美国,居世界第二位。
但镁在我国汽车业方面的应用很少,与国外的差距很大,目前只有上海桑塔纳汽车上的变速箱壳体和壳盖采用了镁合金。
值得指出的是,目前国内各大汽车公司、高等院校都在大力开发研究汽车用镁合金零部件。
例如,二汽已成功开发出发动机的几个泵体、离合器壳体及壳盖;
一汽也研制出发动机缸盖罩、离合器壳、齿轮室等零部件样件,正小批试制;
重庆镁业科技公司正在大力开发长安汽车、摩托车用镁合金零件,现已研制出汽车用镁合金方向盘、镁合金气缸盖罩、镁合金手排档壳体及摩托车曲轴箱尾盖等产品(图3)。
相信通过
增加镁合金在汽车上的用量,改善汽车燃油经济性,会进一步促进我国汽车工业的健康持续发展。
近几年在镁合金塑性成形技术的研究方面,主要集中在成形工艺参数优化和技术因素对材料组织、结构和性能的影响上。
各种塑性成形技术都不同程度地获得了发展。
但与其他金属和合金材料相比,镁合金的塑性成形技术还有很大的研究空间,笔者认为应该加强的研究方向有如下几个方面:
(1)加强对镁及镁合金的塑性变形机理的研究,建立完善的塑性变形理论体系,以指导现有塑性变形工艺的改进及新的塑性成形技术的开发。
(2)继续开发新的适合于工业化、产业化生产的塑性成形技术,加大应用开发力度。
(3)开发适于塑性加工的高性能变形镁合金。
(4)采用计算机辅助设计技术,将计算机模拟和塑性成形技术相结合,缩短新技术的开发周期,降低试验成本。
六结束语
展望未来,镁合金塑性成形件大量被应用是不容置疑的,并且镁合金在我国有着丰富的资源,这为发展镁合金材料提供了良好的物质基础,但目前我国镁合金的应用与开发能力远远落后于欧美等发达国家,这对我国材料科研工作者提出了极大挑战。
如果我们提高镁合金的成形技术,克服镁合金在室温下难于变形JJnT-、耐腐蚀性能差、高温下易蠕变以及镁合金材料价格高等缺点,合理设计镁合金成分,提高镁合金性能,拓宽镁合金材料的应用潜力,相信我们应该有所作为,会迎头赶上时代潮流,超越世界先进水平。
镁合金的特点
1.重量轻——镁合金比重在所有结构用合金中属于轻者,它的比重为铝合金的68%,锌合金的27%,钢铁的23%,它除了做3C产品的外壳,内部结构件外,还是汽车、飞机等零件的优秀材料
2.比强度、比刚度高——镁合金的比强度明显高于铝合金和钢,比刚度与铝合金和钢相当,而远远高于工程塑料,为一般塑料的10倍
3.耐振动性好——在相同载荷下,减震性是铝的100倍,钛合金的300~500倍
4.电磁屏蔽性佳——3C产品的外壳(手机及电脑)要能够提供优越的抗电磁保护作用,而镁合金外壳能够完全吸收频率超过100db的电磁干扰
5.散热性好——一般金属的热传导性是塑料的数百倍,镁合金的热传导性略低于铝合金及铜合金,远高于钛合金,比热则与水接近,是常用合金中最高者
6.质感佳——镁合金的外观及触摸质感极佳,使产品更具豪华感
7.可回收性好——只要花费相当于新料价格的4%,就可将镁合金制品及废料回收利用
8.稳定的资源提供——镁元素在地壳中的储量居第八位,大部分的镁原料自海水中提炼,所以它的资源稳定、充分
镁及镁合金的焊接性
⑴粗晶
镁的熔点仅为651℃,导热快,焊接时要用大功率热源,所以焊缝及热影响区金属易产生过热和晶粒长大。
⑵氧化和蒸发
镁的氧化性极强,在焊接高温下,易形成氧化镁(MgO),MgO熔点高达2500℃,且密度大(3.2g
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