铝镁合金的应用王 吉方向科技 2002.6.5慨述我国是镁矿富裕国，矿产资源占世界镁矿的 50%，世界镁矿市场一直受我国镁矿的冲击。不过由于自己缺乏深加工技术，只能出口矿粉，同时由于国内各镁矿公司之间的无序竞争，使镁矿粉的出口价格由前几年的 3000-6000 美元/吨降至 1200 美元/吨。因此无论是镁矿公司还是国家主管部门都提出加速镁合金深加工技术开发的要求。镁合金价格便宜，有利于深加工技术的开发，由于缺乏镁合金的深加工技术，而我国又是镁矿富裕国，山西、青海、新疆、甘肃等镁矿资源集中的省，许多乡镇企业竞相参与开采，使产量逐年大幅度上升，致使目前镁合金的价格为 13-14 元/kg ，而铝的价格为 18-20/kg 元，这给镁合金深加工技术的开发带来极为有利的条件。镁合金的应用是近几年才发展起来的。由于它具有比强度高、密度小、耐腐蚀、可回收、导热性好、防电磁辐射、可薄壁成型的诸多优点。从欧洲开始，一些汽车制造厂开始在方向盘、车门、发动机缸体上应用镁合金来代替原用材料。在日本、台湾更是将镁合金应用于 3C 产品的覆盖件上，提升了产品的品质，藉此增强了产品的竞争力。目前，镁合金应用主要有以下三个方面。1. 汽车、摩托车等交通工具零部件采用镁合金制造汽车零部件，可显著减轻汽车的整体重量，而汽车所用燃料的大约 60%消耗于汽车自重，车重每减轻 10%，可节约燃料 5.5%，因此，国外近年来在汽车制造中的镁合金应用量在逐步增长。但我国在这方面的开发刚刚起步。世纪年代以来，各国尤其是发达国家对汽车的节能和尾气排放提出了越来越严格的限制，年欧洲汽车制造商提出“公升汽油轿车”的概念。美国提出了“” （新一代交通工具）的合作计划。其目标是生产出消费者可承受的每百公里耗油公升的轿车，且整车至少以上的部件可以回收。这些要求迫使汽车制造商采用更多高新技术，生产重量轻、耗油少、符合环保要求的新一代汽车。据测算，汽车自重减轻，其燃油效率可提高，如果每辆汽车能使用公斤镁，的年排放量就能减少以上。镁合金作为实际应用中最轻的金属结构材料，在汽车的减重和性能改善中的重要作用日益受到人们的重视。2. 电子通讯器材及家电汽车行业对镁合金的大量需求，推动了镁合金生产技术的多项突破，镁合金的使用成本也大幅度下降，从而促进了镁合金在计算机、通讯、仪器仪表、家电、医疗、轻工等行业的应用发展。其中，镁合金应用发展最快的是电子信息和仪器仪表行业。电子信息行业由于数字化技术的发展，市场对电子及通讯产品的高度的集成化、轻薄化、微型化和符合环保的要求是越来越高。工程塑料曾作为主要材料，但其强度终究无法和金属相比。例如，镁合金具有优异的薄壁铸造性能，其压铸件的壁厚可达，并保持一定的强度、刚度和抗撞能力，这非常有利于产品超薄、超轻和微型化的要求。这是工程塑料，甚至铝合金所无法达到的。在薄壁、微型、抗摔撞的要求之下，加上电磁屏蔽、散热和环保方面的考虑，镁合金成了厂家的最佳选择。另外，镁合金外壳可使产品更豪华、美观，这也是工程塑料所无法比拟的。在电子信息和仪器仪表行业的镁合金制品的单件重量和尺寸不如汽车零部件，但它的数量大、覆盖面大，其用量也是巨大的。所以，近几年电子信息行业镁合金的消耗量急剧增加，成为拉动全球镁消耗量增加的另一重要因素。3. 其它应用领域高档建筑装饰材料 由于镁合金的许多独特性能比铝合金更优越，因此国外出现了采用镁合金制造高档豪华型建筑装饰材料的趋势，国内一些镁合金生产厂家强烈要求开发镁合金型材的成型加工技术，国家科技部也希望尽快开发这方面的高新技术，并列为国家“十五”攻关项目。其它如铝合金添加剂、镁牺牲阳极和型材用镁合金等。镁牺牲阳极作为有效的防止金属腐蚀的方法之一，广泛应用于长距离输送的地下铁制管道和石油储罐。目前，作为镁牺牲阳极的镁合金有万吨年的市场需求量，且每年以的速度增长。镁合金型材、管材，以前主要用于航空航天等尖端或国防领域。近几年由于镁合金生产能力和技术水平的提高，其生产成本已下降到与铝合金相当的程度，极大地刺激了其在民用领域的应用，如用做自行车架、轮椅、康复和医疗器械及健身器材。 特性镁合金材料的优越性1. 密度小，镁金属是目前广泛应用的金属中密度最小的金属，按 =1.8g/cm3计算，镁合金比塑料轻 20%，比铝轻 30%。2. 比强度高，即镁合金的强度与质量之比高，具有一定承载能力。3. 散热性能好，适合散热要求较高的产品。热传导率是 PP 料的 100 倍。4. 弹性模量小，刚性好，长期使用不易变形，抗震力强。5. 抗电磁干扰、电磁屏蔽性好。6. 色泽鲜艳美观，耐腐蚀，能长期保持外观质量。7. 是环保型材料，其废料可以回收利用。镁合金材料的不足之处1. 加工工艺难度大，熔融的镁液易燃易爆，压铸件成品率低。2. 集渣包、流道及浇注系统废料较多，是产品体积的一倍以上。3. 国内材料的价格便宜，但品质较差。4. 由于电位腐蚀而必须避免与其它材料如铝、钢的直接联接，这使装配方面产生了一些难度。牌号与性能AZ91D 铸锭成分成分 Al Zn Mn Si Cu Ni Fe Mg(wt%) 8.86643 0.69532 0.21242 0.02034 0.00204 0.00102 0.00475 Remainder我们可能用到的压铸镁合金牌号一般有：AZ91D、AM60B 、AS21X1 、AS41XB（美国 ASTM 相关标准） 。其中以 AZ91D 的使用最为普遍。材质 制造状态 比重(20C)熔点(C)熔解温度(C)比热(kJ/kg K)线膨胀系数(106)/C热传导率(w/m K)硬度(Hv)AZ91D 压铸 1.81 595 425 0.979 27.3 51.2 70在造型、结构、模具、机械加工、表面处理、储运方面的要求1造型应尽量平直，过渡平滑、通顺为压铸时的镁液流动创造条件。2结构薄壁：一般在 2mm 以下，最小的目前已达到了 0.8mm。加强筋：弥补了镁合金的软弹性模量不足并增加了刚度减少了镁液的涡流以及热裂现象的发生。拔模斜度：可小于 1.5。 。3模具加热炉有两个独立的温控开关，一个操作主要温度，一个微调温度。加热时表面不可有硝酸盐。熔接和铸造的建筑物不易燃，熔接室要易于控制火灾，地板要为不易燃烧的结构，保持清洁，不可潮湿或积水。当和熔化的镁接触时，所有的金属要用 250(121)的温度预热干燥。在熔化炉的外围区域，氧化铁要远离熔融的镁液。进浇口尽量避免对型腔中型芯的直接冲刷。保温炉中的镁液与空气用保护气体隔绝开。4机械加工避免做无意义的切削而产生大量的摩擦热引起燃烧。钻深孔时如果孔的深度超过五倍孔径则需采取措施避免镁屑堆积。切削时的切削油只能使用矿物油，严禁使用酸性类切削剂。清除镁屑时，要避免压缩空气中有积水喷出。若用吸尘器吸尘，需用干式吸尘器。定期保养机械设备，并于每天开机前确实清理干净工作台面。所有加工机械均应接地。操作者衣物不可有口袋或堆积的折边，并不要穿容易堆积粉屑的纹路，工作一段时间便清理一次台面。在加工过程中若产生火花，则需暂停工作，并将机器的电源关闭，将现场清除干净。5表面处理由于镁合金制件可能处于潮湿的工作环境或与其它不同材料的零配件进行装配，为提高及保证制件的耐磨、耐蚀及可看性，镁合金制件必须进行表面处理。其中预处理会影响到随后的喷涂，在制造过程中，制件可能会被一些污染物如油脂、氧化物、润滑剂及异物污染，这些残留的杂质必须清除。一般镁合金制件的预处理可分为四种类别：机械清洗、溶剂清洗、碱液清洗 、酸洗。以上这些方法可以单独使用、也可组合使用。抛光过程中须留意研磨粉与水的供给，抛的要很亮才行！AZ91D 是比较难抛光的(与前几道细砂纸有关) 。镁合金制件常见表面处理方法大致分为:油、蜡的表面涂敷、化学处理、阳极氧化、喷涂、电镀、化学镍、非铬系皮膜。镁合金表面处理的性能检测项目有：颜色与外观、镀层厚度与重量、孔质层估计、热稳定性与化学稳定性、耐磨耗性、耐腐蚀性、耐光照性及耐紫外线光照性、光泽特性、表面密度、断裂性与挠曲性、铅笔硬度、方格试验附着性、耐冲击性、导电性与热传性、埃力克森值(Erichsen value)、耐湿性与耐沸水性、耐候性、冷热循环试验、耐药性（碱、硫酸、硝酸、盐酸等） 。6储运镁合金锭及压铸废料必须储存于不可燃的容器内，不可与其它可燃物混杂，避免受潮。储存体积不要超过 1.4m3。堆积储存的高度不要超过 5.5m，不能使用洒水消防系统。镁合金之间的储放通道至少要大于堆放高度的一半，并至少保持 3m 的距离。镁锭不可放在易燃的地板上。镁锭不可倾斜应该平放。储存的地方要有良好的排水设施，附近不可堆积易燃材料。镁合金粉末必须储存于密闭不可燃容器，并保持环境干燥。镁合金粉末遇水易产生氢气，所以在保存时必须存放在加盖的容器中，并加一通气孔，在通风的环境存放。应使用 D 类消防设备。镁合金与铝合金不能混在一起存储。供应商及相关单位名录1. 嘉瑞制品有限公司：18 台热室机（5350 吨）锌合金压铸件、镁合金压铸件、笔记本电脑外壳、手机外壳等。Tel: 0755-8456490 Fax: 0755-84523532. 香港力劲机械有限公司 力劲机械（深圳）有限公司 TEL：0755-8543351 8542896 FAX：0755-85431783. 东莞精成科技有限公司镁合金事业部：24 台压铸机（125450 吨）镁合金压铸件，3C 产品壳体 Tel: 0769-3363017 Fax: 0769-3632105原材料及加工成本镁锭挪威 H 厂约 2.65 2.85 美元/kg.，美国 M 厂约 2.65 - 2.75 美元/kg。国内约 15 - 16 元人民币/kg，但耐蚀性可能会出问题建议 H 货较佳。据以往经验，加工费如果包工包料的话，大约是 3040 元/kg。不包括表面喷涂。实施步骤1. 部件功能评估与可行性选择。原材料、模具及压铸供应商的选择。2. 合金材料选择。一般就取用 AZ91D。3. 压铸零件设计。考虑结构工艺在压铸成型上的一些特点。4. 压铸模具设计及制造（需给设计单位提供压铸机资料） 。5. 压铸件及模具验收。6. 加工工艺选择（特别是压铸机） 。7. 毛坯预处理（机械加工、抛光等） 。8. 制件表面喷涂。9. 包装、储运。模具及压铸件验收特点压铸件从外观质量和结构品质来评定。结构品质可用 X 光探伤仪以及相关量具检测并进行整体的内部元器件装配检测。表面质量需要注意以下几个方面。1. 压铸大面积薄壳件，如 A4 大小壁厚 1mm 的笔记本电脑外壳时，需要极高压射速度，因而在模具内会有金属液乱流及卷气现象发生，造成工件表面孔洞缺陷。表面孔洞经过表面皮膜处理后在外观上不为外观要求极高的计算机厂商所接受，因此良品率（Yield rate）比较低。2. 网纹。铸件表面具有类似网状的结构，此缺陷发生位置多集中在浇口附近。3. 表面氧化。在镁合金的压铸件表面常可发现有许多小黑点，并散布在表面的任何位置。这是压铸过程中防氧化措施不足造成的。4. 热裂。热裂发生位置大多都是在凝固收缩时受限于模具然后产生应力之处，而这些位置如果又是最后凝固或充填的区域，其本身就易形成缩松或夹杂，再加上应力，从而使铸件从晶界上开始变形生成裂缝。此缺陷外观上为深浅不一且不规则的黑色裂缝，有时甚至会穿透铸件，对压铸件的品质有很大的影响。5. 顶出变形。凸起、裂纹甚至顶穿集中发生在顶杆附近。其裂纹深度一般比热烈浅且颜色为白亮，不象热裂那样是黑色的，因为它们一个是物理上形成的，一个是热化学上形成的，形成机理不一样。6. 流纹。流纹为发生机率较高的表面缺陷，通常发生在压铸件的水平表面。缺陷所在位置呈现不规则的折纹，犹如波浪一般，这是镁液在模腔内流动所造成的纹路，严重的话