新型轻质金属镁铝合金的发展

新型轻质金属镁(铝)合金的发展材料科学技术与工程学院s20120350刘少杰我所研究的方向为镁合金铸造及改性研究。镁金属这一新型轻质材料通过传统的加工工艺加入一些改性元素，来进一步改善其各方面应用性能。我中心近期所承担的项目为为机动车辆的油箱及发动机箱体的材料改性，所用具体材料就是镁铝合金。随着科学技术的飞速发展，现代汽车制造材料的构成发生了较大的变化，高密度材料的比例下降，低密度材料有较大幅度的增加。从90年代开始，汽车材料向轻量化、环保型方向发展的趋势日益明显，其中铝、镁合金是应用日渐广泛的材料之一。早在上世纪二十年代中期，德国就出现了镁合金压铸件。长期以来，德国一直处于世界领先地位，而北美和日本汽车行业镁合金的开发与应用起步于二十世纪八九十年代。我国在上世纪八十年代末引进了汽车变速器壳体壳盖大型镁合金压铸技术，开始了中国大型汽车镁合金压铸件制造之路。吕合金是一种较轻的金属材料，在二十世纪初才开始工业应用。第二次世界大战期间，铝材主要用于制造军用飞机。战后，铝工业界着手开发民用铝合金产品，使其应用范围由航空工业扩展到建筑业、容器包装业、交通运输业、电力和电子工业、机械制造业和石油化工等国民经济各部门，应用到人们的日常生活当中。一：镁合金的重要性能1.化学物理性能以镁为基加入其他元素组成的合金。其特点是：密度小（约1.8g/cm3），强度高，弹性模量大，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐有机物和碱的腐蚀性能好。主要合金元素有铝、锌、锰、铈、钍、钕以及少量锆或镉等。目前使用最广的是镁铝合金，其次是镁锰合金和镁锌锆合金。主要用于航空、航天、运输、化工、火箭等工业部门。在实用金属中镁是最轻的金属，比重大约是铝的2/3，是铁的1/4。它是实用金属中的最轻的金属,高强度、高刚性。2.镁合金的特点其加工过程及腐蚀和力学性能有许多特点：质量轻、刚性好、具有一定的耐蚀性和尺寸稳定性、抗冲击、耐磨、衰减性能好及易于回收；另外还有高的导热和导电性能、无磁性、屏蔽性好和无毒的特点。应用范围:镁合金广泛用于携带式的器械和汽车行业中，达到轻量化的目的。镁合金的比重虽然比塑料重，但是，单位重量的强度和弹性率比塑料高，所以，在同样的强度零部件的情况下，镁合金的零部件能做得比塑料的薄而且轻。另外，由于镁合金的比强度也比铝合金和铁高，因此，在不减少零部件的强度下，可减轻铝或铁的零部件的重量。镁合金相对比强度（强度与质量之比）最高。比刚度（刚度与质量之比）接近铝合金和钢，远高于工程塑料。3.机械加工性能镁合金比其他金属的切削阻力小，在机械加工时，可以较快的速度加工。二：镁合金应用目前,镁合金在汽车上的应用零部件可归纳为2类。1.壳体类如离合器壳体、阀盖、仪表板、变速箱体、曲轴箱、发动机前盖、气缸盖、空调机外壳等。2.支架类如方向盘、转向支架、刹车支架、座椅框架、车镜支架、分配支架等。根据有关研究，汽车所用燃料的60%是消耗于汽车自重,汽车自重每减轻10%,其燃油效率可提高5%以上；汽车自重每降低100kg,每百公里油耗可减少0.7L左右,每节约1L燃料可减少CO2排放2.5g，年排放量减少30%以上。所以减轻汽车重量对环境和能源的影响非常大，汽车的轻量化成必然趋势。手机电话，笔记本电脑上的液晶屏幕的尺寸年年增大，在它们的枝撑框架和背面的壳体上使用了镁合金。虽然镁合金的导热系数不及铝合金，但是，比塑料高出数十倍，因此，镁合金用于电器产品上，可有效地将内部的热散发到外面。在内部产生高温的电脑和投影仪等的外壳和散热部件上使用镁合金。电视机的外壳上使用镁合金可做到无散热孔。电磁波屏蔽性:镁合金的电磁波屏蔽性能比在塑料上电镀屏蔽膜的效果好，因此，使用镁合金可省去电磁波屏蔽膜的电镀工序。在硬盘驱动器的读出装置等的振动源附近的零件上使用镁合金。若在风扇的风叶上使用镁合金，可减小振动达到低骚音。此外，为了在汽车受到撞击后提高吸收冲击力和轻量化，在方向盘和坐椅上使用。三：表镁合金的应用范围：四：各种金属的切削阻力(以镁合金的切削阻力为1)五：汽车材料轻量化进程铝的密度为钢的1/3，用铝代替钢可以减少重量50％左右。镁合金的强度比铝合金高、而与高强合金结构钢相近，密度只有铝的2/3。所以，用铝、镁合金制造汽车零部件，是使汽车减轻重量和节约能源的有效途径之一。国内专家认为，在未来几年，车用铝合金的需求将逐步增加，非承载元件的重量将因此减少2/3，承载元件重量将减少1/3～1/2。汽车轻量化的迫切需要使有色金属在汽车上的应用得以快速发展。据预测，2016～2025年，铁基合金与轻质的铝、镁合金相比，在汽车上的应用将明显处于下风。国内外研究方向美国汽车委员会(USCAR)与欧洲汽车研究委员会(EUCAR)研究认为，减轻车辆重量一个必不可少的手段是将铝、镁铸件逐步替代钢铁零部件。我国在“十五”期间启动了“十五”国家科技攻关重大项目之一“镁合金开发应用及产业化”项目。全国共有21个省、自治区、直辖市的4个研究院所、7所高校、20多家企业直接参与了项目实施，我校就是其中之一。目前已初步建立了从镁合金前沿高科技研发到产业化技术开发的技术研发体系，突破了一批前沿核心技术和产业化关键技术，并培育组建了十几家有关镁合金及制品的股份制公司，建立了一批镁合金产业化基地。该项目已申请有关专利33项，其中发明专利15项；启动了镁合金标准体系建设工作，并已完成一批标准的制定。国内各大汽车集团都建立自己的铝、镁合金生产基地与产品开发项目。铝、镁合金材料生产研究单位形成并发展了轻合金的压铸、半固态铸造、低压铸造、挤压、轧制、热冲成形、热锻、热冲锻、等温锻造、超塑成形技术。国外研究方向欧美对镁合金研究的重点课题有：抗蚀能力、浇注工艺与浇口/浇道设计、基础结构设计数据库、成本模式、微观结构、焊接、微观组织工艺过程数学模型、过程传感器设计、射线探伤、疲劳强度、成型工艺技术与经济评价和有限元设计等等。欧美研究、解决的铝合金铸件课题有：开发预测微观结构的数学模型、预计重力浇铸、金属型倾斜浇注、低压、挤压、半固态Alcoa＇sVRP/VRC工艺浇铸件的机械性能、材料/机械性能数据库、开发铸造轻合金结构件的设计向导、开发用于工艺过程监控和模具条件的快速反应温度传感器、开发铸件量子/数字的X射线标准。国内对铝镁合金研究的课题有：压铸材料、稀土添加剂、金相、缺陷分析、后续热处理、表面防氧化、真空压铸工艺、阻燃镁合金、虚拟化设计、CAD、CAM、CAE、浇口浇道设计、基础结构设计数据库、压铸模设计技术。近年来科研机构于高校联合，发展成功或正在研制具有可投产的新型铝合金及技术，我国的ZL205A，抗拉强度为510MPa，延伸率可达13％。北京航空材料研究院研制出一种与ZL205A成份相近、韧性特别好的铸造铝合金，其延伸率达19％～23％，冲击韧性为ak181～304kJ/m2。六：轻金属在汽车上应用现状镁合金正在汽车制造中被大量使用。目前在北美生产的汽车，平均每辆含镁合金4.08kg。德国大众生产的帕萨特和奥迪A6轿车上的镁合金压铸件分别为13.6kg和14.6kg。全球车用铝合金占整车重量的平均比例已由2002年的2.6％上升至2006年的6％。各国铝、镁合金铸件产量也在连年攀升。福特汽车公司宣称2020年单车镁合金用量由目前的2kg上升到90kg。德国大众汽车公司要在每一辆轿车上设计含有80kg以上的镁合金零件。七：铝、镁合金材料的成形形式及汽车零部件的制造轻金属的成形形式根据合金成分和生产工艺，将工业用铝、镁合金分为变形合金和铸造合金。变形合金指合金铸锭经热塑性变形或冷塑性变形加工后再使用，有良好的成形性能，有挤压、轧制、热冲成形、热锻、热冲锻、等温锻造、超塑成形工艺。变形合金又分为可热处理强化和不可热处理强化两种。若其固溶体成分不随温度变化，不能借助于时效处理强化，称为不可热处理强化的铝合金。若其固溶体成分随温度发生变化，可进行时效沉淀强化处理，称为可热处理强化的铝合金。铸造合金指直接浇铸或压力下铸造成形，有良好的铸造性能。铸造形式有高压铸造、重力铸造、低压铸造、半固态压铸。铝、镁合金材料制造的汽车零部件用铝合金板可制造发动机罩、行李箱盖、保险杠、车身内外饰板件、散热器，我中心承担的就是为军用油箱和发动机箱体材料改性（减重）的镁合金研究。铝合金铸件已经替代了部分铁铸件，如活塞、轮毂、进气支管、气缸盖、盘轮等都采用了重量轻的铝合金。在美国和欧洲，保险杠、油箱也由钢板改为铝合金。未来汽车的材料构成比例中，欧美地区铝合金使用率将大大增加。如在德国的试验车中，铝合金使用率已达到全部材料的30％。铝合金仍将是汽车轻量化的首选材料。镁合金材料比铝更轻，且在我国资源丰富。由于已开发出高效且安全的制造工艺，使镁合金及其产品的制造成本下降，镁合金已大量应用于仪表板骨架、座椅骨架、操纵杆托架、大梁、离合器壳和变速器壳等汽车零部件的制造。近几十年来铝合金的应用范围得到广泛推广。在经济全球化的浪潮中，新的国际产业分工正在形成。中国经济发展水平，加上拥有丰富的有色金属和劳动力资源以及巨大的市场有利条件，决定了中国在国际产业分工中的位置。这意味着中国将在较长一段时间内承担国际有色金属铸件及其制品的生产制造业务。国际压铸生产重心逐渐向东方转移已成为必然趋势。国内镁便宜，劳动力低廉。大型镁、铝压铸件不适宜长途运输，欧美产品不易进入国内，这给行业竞争带来了机遇。不但在国内，甚至在东南亚地区都有发展余地，同时也需要积极创造条件逐步实现铸造产业的结构转型，增加铸造产品的技术含量和附加值，积极向技术先进型、能源节约型、环境友好型方向发展。材料物理化学作业材料科学技术与工程学院S20120350刘少杰