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镁合金及其应用

发布时间:2017-01-17  阅读:3005次
镁合金技术与应用
 镁合金是以镁为基加入其他元素组成的合金。其特点是:密度小(1.8g/cm3镁合金左右),比强度高,比弹性模量大,散热好,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。在实用金属中是最轻的金属,镁的比重大约是铝的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。
中文名 镁合金 外文名 magnesium alloy;
发展
得益于中国汽车工业和3C等行业的转型升级及其中国经济地位的显著提升,镁合金行业令市场看好。其中,汽车行业的轻量化,环保化需求,尤其是新能源汽车的发展,以及镁合金研发技术和回收利用技术的不断进步,对促使镁合金的广泛应用将是利好消息。
2015年,国内汽车用镁合金将达到68kg/辆,而同期我国汽车销量将突破2800万辆,乘用车销量将达到1960万辆,自主品牌汽车企业通过产业兼并、技术研发和市场渠道开拓等因素作用,销量将突破1000万辆。
与此同时,镁合金在医药化工和航空航天工业领域的应用也将得到成长。由于下游终端汽车消费市场的稳步增长,预计2015年,全球镁合金市场为600万吨,年均复合增长率(CAGR)为20%-25%(其中包含了交通工具、3C、航空航天和医药化工领域镁合金的应用)。
此外,作为有色金属合金行业的子行业,镁合金行业在中国制造工业的的升级过程中得到实惠。作为资金、材料密集型行业,原材料价格的稳定和较低水平、铸造件行业的整合集中、技术研发的进步等都将较为有利于镁合金行业的发展,市场较为看好。
基本简介
特性
密度低、比性能好、减震性能好、导电导热性能良好、工艺性能良好、耐蚀性能差、易于氧化燃饶、耐热性差。
其加工过程及腐蚀和力学性能有许多特点:散热快、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。
产品特点
其加工过程及腐蚀和力学性能有许多特点:散热快、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。
在弹性范围内,镁合金受到冲击载荷时,吸收的能量比铝合金件大一半,所以镁合金具有良好的抗震减噪性能。
镁合金熔点比铝合金熔点低,压铸成型性能好。镁合金铸件抗拉强度与铝合金铸件相当,一般可达250MPA,最高可达600多Mpa。屈服强度,延伸率与铝合金也相差不大。
镁合金还个有良好的耐腐蚀性能,电磁屏蔽性能,防辐射性能,可做到100%
回收再利用。
镁合金件稳定性较高压铸件的铸造行加工尺寸精度高,可进行高精度机械加工。
镁合金具有良好的压铸成型性能,压铸件壁厚最小可达0.5mm。适应制造汽车各类压铸件。
但镁合金线膨胀系数很大,达到25~26 μm/m℃,而铝合金则为23 μm/m℃,黄铜约20 μm/m℃,结构钢12 μm/m℃,铸铁约10μm/m℃,岩石(花岗岩、大理石等)仅为5~9 μm/m℃,玻璃5~11 μm/m℃。
镁合金是以镁为基础加入其他元素组成的合金。其特点是:密度小,比强度高,弹性模量大,消震性好,承受冲击载荷能力比铝合金大,耐腐蚀性能好。主要合金元素有铝、锌、锰、铈、钍以及少量锆或镉等。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。
镁合金比重在所有结构用合金中属于最轻者,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。镁合金的比强度明显高于铝合金和钢,比刚度与铝合金和钢相当。在弹性范围内,镁合金受到冲击载荷时,吸收的能量比铝合金件大,所以镁合金具有良好的抗震减噪性能。在相同载荷下,减振性是铝的100倍,钛合金的300~500倍。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。质感佳,镁合金的外观及触摸质感极佳,使产品更具豪华感,而且,在空气中更不容易腐蚀。
镁合金的散热相对与合金来说有绝对的优势:根据公式:Q=dvC△t 其中Q—热量;d=比重;V=体积;C=比热容;△t =(t1-t2)变化的温度;当相同体积与形状的镁合金与铝合金,接受相同的热量Q时,二者变化的温度比为:△t/△t=2.74x0.23/1.81x1.05=1/3;即镁合金为铝合金的1/3;镁合金导热系数54W/mk;铝合金导热系数100W/mk;相差一倍。意味对于相同体积与形状的镁合金与铝合金材料的散热器,某热源生产的热量(温度)镁合金比铝合金更容易由散热片根部传递到顶部的速度,顶部更容易达到高温。即铝合金材料的散热器根部与顶部的温度差,比镁合金材料的散热器小。这意味着由镁合金材料制作的散热片根部的空气温度与顶部的空气温度温度差,比铝合金材料制作的散热片大,因此加速散热器内部空气的扩散对流,使散热效率提高。因此,相同温度,镁合金的散热时间还不用铝合金的一半。
所以,镁合金是应用于LED及其他灯饰,汽车应用零部件,及其他要求高质量,高强度,高韧性配件的理想材料。
应用场所
在航天的应用
镁合金是航空器、航天器和火箭导弹制造工业中使用的最轻金属结构材料。镁的重量比铝轻,比重为1.8,强度也较低,只有200~300兆帕(20~30公斤/毫米2),主要用于制造低承力的零件。
镁合金在潮湿空气中容易氧化和腐蚀,因此零件使用前,表面需要经过化学处理或涂漆。德国首先生产并在飞机上使用含铝的镁合金。镁合金具有较高的抗振能力,在受冲击载荷时能吸收较大的能量,还有良好的吸热性能,因而是制造飞机轮毂的理想材料。镁合金在汽油、煤油和润滑油中很稳定,适于制造发动机齿轮机匣、油泵和油管,又因在旋转和往复运动中产生的惯性力较小而被用来制造摇臂、襟翼、舱门和舵面等活动零件。民用机和军用飞机、尤其是轰炸机广泛使用镁合金制品。例如,B-52轰炸机的机身部分就使用了镁合金板材635公斤,挤压件90公斤,铸件超过200公斤。镁合金也用于导弹和卫星上的一些部件,如中国“红旗”地空导弹的仪表舱、尾舱和发动机支架等都使用了镁合金。中国稀土资源丰富,已于70年代研制出加钇镁合金,提高了室温强度,能在300°C下长期使用,已在航空航天工业中推广应用。
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100 kg,每百公里油耗可减少0.7 L左右,每节约1 L燃料可减少CO2排放2.5 g,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镁合金。
合金名称 特征 应用范围
AZ91D 强度高且耐腐蚀性好 电器产品的壳体等
AM60B 延伸率和抗冲击力大 汽车上的方向盘和坐椅等
AM50A 延伸率和抗冲击力大 汽车上的方向盘和坐椅等
AS41B 抗蠕变性能好 汽车上的减速箱等
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。
表:各种金属的切削阻力(以镁合金的切削阻力为1)
金属名 切削阻力
镁合金    1.0
铝合金    1.8
黄铜      2.3
铸铁      3.5
耐凹陷性好:镁合金与其他金属相比抗变形力大,由冲撞而引起的凹陷小于其他金属。
对振动·冲击的吸收性:由于镁合金对振动能量的吸收性能好,使用在驱动和传动的部件上可减少振动。另外,冲击能量吸收性能好,比铝合金具有更好的延伸率的镁合金,受到冲击后,能吸收冲击能量而不会产生断裂。
再生:镁合金与塑料不同,它可以简单地再生使用且不降低其机械性能,而塑料很难在不降低其机械性能再生使用。镁合金与其他金属相比,熔点低,比热小,在再生熔解时所消耗的能源是新材料制造所消耗的能源的4%。
各种材料的物理性质比较

材料名                                 AZ91                                   AM60                         铝合金(压铸成形)380
密度(g/cm3)                       1.82                                      1.79                                        2.70
熔点(℃)                         
596                                       615                                         595
导热系数(W/Mk)               
72                                         62                                           100
抗拉强度(MPa)                 
280                                      270                                          315
屈服点(MPa)                     
160                                      140                                          160
延伸率(%)                          
8                                          15                                              3
比强度                                  
154                                      151                                          117
杨氏模量(GPa)                   
45                                        45                                             71
在数码单反相机上的应用
镁合金由于密度低、强度较高,具有一定的防腐性能,常用来做单反相机的骨架。一般中高端及专业数码单反相机都采取镁合金做骨架,使其坚固耐用,手感好。
采用了镁合金机身的数码单反相机不仅是准专业级专业的象征,也具有高昂的价格。
按成型方法分为变形镁合金和铸造镁合金两类。
1、合金名称
镁合金的合金名称是以主要添加合金元素及其百分比来取名。
2、主要合金的成分(ASTM规格)
合金名称   Mg         Al            Zn            Mn           Si            Cu           Ni            Fe
AZ91D     余量   8.5-9.5  0.45-0.90  0.17-0.4   <=0.05   <=0.025   <=0.001    <=0.004
AM60B     余量   5.6-6.4    <=0.20   0.26-0.5   <=0.05   <=0.008   <=0.001    <=0.004
AM50A     余量   4.5-5.3    <=0.20   0.28-0.5   <=0.01   <=0.008   <=0.001    <=0.004
AS41B     余量   3.7-4.8    <=0.10   0.35-0.60  0.6-1.4  <=0.015   <=0.001    <=0.0035
技术
1、电弧炉一步法冶炼稀土硅铁镁合金的工艺方法
2、铝、镁合金的固溶或均匀化热处理方法
3、镁合金的表面处理方法
4、镁合金加工专用模具组
5、镁合金在喷灌设备上的应用
6、镁合金在制做合金门窗及其型材方面的应用
7、耐热阻燃压铸镁合金及其熔炼铸造工艺
8、镁合金锻造成型新工艺
9、镁合金的熔炼方法
10、含有铝的镁合金用化成处理液、高耐蚀性表面处理镁合金制品及其制造方法
11、高耐腐蚀性表面处理镁合金制品及其制造方法
12、铝镁合金电缆桥架型材
13、铝镁合金电缆桥架
14、披覆有色彩薄膜的镁合金产品
15、铝镁合金电缆桥架型材
16、笔记本电脑铝镁合金外壳碳纤维的补强制法
17、高强度镁合金及其制备方法
18、镁合金专用水平连铸机
19、一种镁合金生产工艺
20、一种镁合金熔炼阻燃保护的方法
21、镁合金表面处理工艺
22、镁合金表面处理方法
23、镁合金的表面处理方法及镁合金构件
24、镁及镁合金环保型阳极氧化电解液及其应用
25、一种用于制备镁合金锭料的方法
26、一种镁合金粒的制备方法及其产品
27、镁合金薄壁铸造的压铸方法
28、含mg2si强化相镁合金的组织细化熔铸工艺
29、汽车用多元耐热镁合金及其熔铸工艺
30、一种制备超细晶粒组织变形镁合金的方法
31、低成本耐热镁合金
32、镁合金凝固过程表面合金化工艺
33、模铸镁合金
34、低热裂倾向性固溶强化高强度铸造镁合金
35、低热裂倾向性高强度压铸镁合金
36、镁合金成形品及其制造方法
37、用湿式喷砂机处理镁合金表面的方法
38、镁合金精炼剂及生产方法
39、镁合金成形品的涂覆结构及涂覆方法、以及该涂覆结构作为外包装部件的应用
40、镁合金屑专用铣床
41、一种电磁泵充型的镁合金低压铸造系统
42、镁合金屑数控专用铣床
43、大跨距铝镁合金桥架型材
44、铝镁合金防腐涂层
45、下流式高纯度镁和镁合金熔炼坩锅
46、压流式高纯度镁和镁合金熔炼坩锅
47、通过加钙-镁合金从熔融铅中除去铋的方法
48、基于酰胺的防冻剂浓缩物以及用于保护镁和镁合金的含这些浓缩物的冷却剂组合物
49、镁和/或镁合金制部件的制造方法
50、镁合金压铸机熔炉结构
51、无助熔镁合金废料回收炉结构及其回收系统
52、用于镁合金的化学转化试剂、表面处理方法和镁合金基质
53、抗蠕变镁合金
54、镁合金散热器片及其制造方法
55、镁合金安全气囊方向盘骨架
56、一种含nd-sr铸造镁合金及其制备方法
57、一种用于镁合金的复合阻燃变质工艺
58、镁合金表面多元复合氧化物膜的氧化处理方法
59、镁合金消失模铸造阻燃涂料及其制备方法
60、锌铝铜镁合金丝
61、镁合金表面复合陶瓷质膜和生成方法
62、废镁合金真空回收工艺及设备
63、镁合金固态冲压成型工艺方法
64、炉内加热固态扩散镁或镁合金制品表面合金化方法
65、一种新型耐蚀锌基稀土铝镁合金负极材料
66、镁合金安全帽或头盔及其制备方法
67、具有高耐蚀性的镁合金和镁合金元件
68、一种倾转式镁合金熔炼炉浇注装置
69、高延展性镁合金材料的制造方法
70、镁合金无铬化学转化膜制备方法及所用成膜溶液
71、强韧阻燃镁合金
72、用镁及镁合金造粒的方法
73、一种镁合金的制备方法
74、镁合金轮毂压力铸造装置及其方法
75、一种铸造轮毂的镁合金及其熔炼与成型方法
76、一种镁合金用细化剂及其制备方法
77、镁合金金属型铸造涂料及制备方法
78、镁合金除铁熔剂及其生产方法
79、镁合金熔炼炉
80、镁合金废旧料再生工艺
81、镁合金超声波阳极氧化方法
82、铜镁合金绞线的制造方法
83、高镁合金包芯线的芯剂及芯线的制作工艺
84、流动性优异的镁合金及其材料
85、热轧用镁合金板的制造方法及镁合金的热轧方法
86、镁合金板材加工方法及专用装置
87、镁合金上化学镀镍的方法
88、镁合金专用泡沫陶瓷过滤器制备方法
89、镁合金表面均匀聚苯胺薄膜的制备方法
90、大型重熔镁及镁合金产品防止收缩裂纹的方法
91、镁合金除硅熔剂及生产方法
92、镁合金型材毛坯、其连续铸造方法及连续铸造装置
93、一种镁及镁合金锭的浇注方法
94、用于摩托车发动机上的镁合金左后盖
95、除涂层的方法、制备再生镁合金的方法和再生涂料的方法
96、用于摩托车发动机上的镁合金左前盖
97、用于摩托车发动机上的镁合金右曲轴箱盖
98、镁合金板材热冲压装置
99、一种镁及镁合金锭的浇注设备
100、卧式冷室镁合金压铸机
目前,全国六大镁合金基地建设已经初具规模,形成了重庆——镁合金汽车、摩托车制造,青岛——信息和通信产品开发,上海——汽车工业应用,深圳——镁合金压铸设备,辽宁——氧化镁及镁矿开发,宁夏——盐湖镁资源开发布局。
防腐方法
化学处理
镁合金的化学转化膜按溶液可分为:铬酸盐系、有机酸系、磷酸盐系、KMnO4系、稀土元素系和锡酸盐系等。
传统的铬酸盐膜以Cr为骨架的结构很致密,含结构水的Cr则具有很好的自修复功能,耐蚀性很强。但Cr具有较大的毒性,废水处理成本较高,开发无铬转化处理势在必行。镁合金在KMnO4溶液中处理可得到无定型组织的化学转化膜,耐蚀性与铬酸盐膜相当。碱性锡酸盐的化学转化处理可作为镁合金化学镀镍的前处理,取代传统的含Cr、F或CN等有害离子的工艺。化学转化膜多孔的结构在镀前的活化中表现出很好的吸附性,并能改镀镍层的结合力与耐蚀性。
有机酸系处理所获得的转化膜能同时具备腐蚀保护和光学、电子学等综合性能,在化学转化处理的新发展中占有很重要的地位。
化学转化膜较薄、软,防护能力弱,一般只用作装饰或防护层中间层。
阳极氧化
阳极氧化可得到比化学转化更好的耐磨损、耐腐蚀的涂料基底涂层,并兼有良好的结合力、电绝缘性和耐热冲击等性能,是镁合金常用的表面处理技术之一。
传统镁合金阳极氧化的电解液一般都含铬、氟、磷等元素,不仅污染环境,也损害人类健康。近年来研究开发的环保型工艺所获得的氧化膜耐腐蚀等性能较经典工艺Dow17和HAE有大程度的提高。优良的耐蚀性来源于阳极氧化后Al、Si等元素在其表面均匀分布,使形成的氧化膜有很好的致密性和完整性。
一般认为氧化膜中存在的孔隙是影响镁合金耐蚀性能的主要因素。研究发现通过向阳极氧化溶液中加入适量的硅-铝溶胶成分,一定程度上能改善氧化膜层厚度、致密度,降低孔隙率。而且溶胶成分会使成膜速度出现阶段性快速和缓慢增长,但基本上不影响膜层的X射线衍射相结构。
但阳极氧化膜的脆性较大、多孔,在复杂工件上难以得到均匀的氧化膜层。
金属涂层
镁及镁合金是最难镀的金属,其原因如下:
(1)镁合金表面极易形成的氧化镁,不易清除干净,严重影响镀层结合力;
(2)镁的电化学活性太高,所有酸性镀液都会造成镁基体的迅速腐蚀,或与其它金属离子的置换反应十分强烈,置换后的镀层结合十分松散;
(3)第二相(如稀土相、γ相等)具有不同的电化学特性,可能导致沉积不均匀;
(4)镀层标准电位远高于镁合金基体,任何一处通孔都会增大腐蚀电流,引起严重的电化学腐蚀,而镁的电极电位很负,施镀时造成针孔的析氢很难避免;
(5)镁合金铸件的致密性都不是很高,表面存在杂质,可能成为镀层孔隙的来源。
因此,一般采用化学转化膜法先浸锌或锰等,再镀铜,然后再进行其它电镀或化学镀处理,以增加镀层的结合力。镁合金电镀层有Zn、Ni、Cu-Ni-Cr、Zn-Ni等涂层,化学镀层主要是Ni-P、Ni-W-P等镀层。
单一化学镀镍层有时不足以很好地保护镁合金。有研究通过将化学镀Ni层与碱性电镀Zn-Ni镀层组合,约35μm厚的镀层经钝化后可承受800-1000h的中性盐雾腐蚀。也有人采用化学镀镍作为底层,再用直流电镀镍能得到微晶镍镀层,平均结晶颗粒大小为40nm,因晶粒的细化而使镀层孔隙率大大降低,结构更致密。
电镀或化学镀是同时获得优越耐蚀性和电学、电磁学和装饰性能的表面处理方法。缺点是前处理中的Cr、F及镀液对环境污染严重;镀层中多数含有重金属元素,增加了回收的难度与成本。由于镁基体的特性,对结合力还需要改善。
激光处理
激光处理主要有激光表面热处理和激光表面合金化两种。
激光表面热处理又称为激光退火,实际上是一种表面快速凝固处理方式。而激光表面合金化是一种基于激光表面热处理的新技术。激光表面合金化能获得不同硬度的合金层,具有冶金结合的界面。利用激光辐照源的熔覆作用在高纯镁合金上还可制得单层和多层合金化层。
采用宽带激光在镁合金表面制备Cu-Zr-Al合金熔覆涂层时,由于涂层中形成的多种金属间化合物的增强作用,使合金涂层具有高的硬度、弹性模量、耐磨性和耐蚀性。而由于稀土元素Nd的存在,在经过激光快速熔凝处理之后得到的激光多层涂敷,晶粒得到明显细化,能提高熔覆层的致密性和完整性。
激光处理能处理复杂几何形状的表面,但镁合金在激光处理时易发生氧化、蒸发和产生汽化、气孔以及热应力等问题,设计正确的处理工艺至关重要。
其他处理
离子注入是在高真空状态下,在十至数百KV电压的静电场作用下,经加速的高能离子(Al、Cr、Cu等)以高速冲击要处理的表面而注入样品内部的方法。注入的离子被中和并留在样品固溶体的空位或间隙位置,形成非平衡表面层。
有研究认为耐蚀性能的提高是由于自然氧化物的致密化、注入离子的辐射和形成镁的氮化物的结果。所得改性层的性能与所注入离子的量和改性层的厚度有关,而基体表面的MgO对改性层的耐蚀性能的提高也有一定的促进作用。
气相沉积即蒸发沉积涂层,有物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两种。它是利用能使镁合金中的Fe、Mo、Ni等杂质含量大幅度降低,同时利用涂层覆盖基体的各种缺陷,避免形成局部腐蚀电池,从而达到改善防腐性能的目的。
与镁合金的其他表面处理技术相比,有机涂层保护技术具有品种和颜色多样、适应性广、成本低、工艺简单的优点。目前广泛使用的主要是溶剂型的有机涂料。粉末型的有机涂层因无溶剂,和具备污染少、厚度均匀以及较佳耐蚀性能等特点,近几年来在汽车、电脑壳体等镁合金部件上的应用较受欢迎。
镁合金压铸件由于锁模力不足、合模不良、模具强度不足、熔汤温度太高等问题会出现表面有毛刺的现象,这种现象叫做产品披锋,往往是企业必须要面对的后处理加工工序.目前主要是根据产品性质运用手工打磨,氢氧爆炸以及昭凌冷冻抛丸机去解决
应用简介
火灾预防
镁合金切削工艺的火灾危险性
1.1 镁屑性质活泼,高温下极易燃烧。镁合金切削过程中,镁屑切口处大部分是未氧化的镁和镁合金。由于金属镁属一级遇湿易燃品,着火点及最小引燃能量低,加之切屑薄而小,比表面积大,因此高温环境下在空气中极易燃烧。
1.2 高速切削时会产生高温,引燃镁屑。机械加工时,为充分发挥刀具的切削性能,提高生产效率和工件质量,一般要求较高的切削速度。而高速度的切削往往会使金属切屑的温度高达700°C~ 1 000°C,当缺乏冷却液的有效供应时,高温将足以引燃镁屑起火。
1.3 镁屑燃烧温度高,火灾蔓延速度快,扑救难度大。镁一旦发生火灾,其燃烧温度可达3 000°C,燃烧热值高达25 121 kJ/kg。当镁屑呈粉状时与空气混合遇火能发生爆炸。此外,由于镁高温时遇水可发生化学反应放出氢气,故金属镁火灾中,水、泡沫、四氯化碳等灭火剂都受到限制,干粉、卤代烷灭火剂的灭火效果亦不明显,扑救难度大。
金属切削加工过程中影响切削温度的因素
金属切削过程中,99 %的切削变形与摩擦所消耗的功转化为热能,可用(1)式表示:
Q总=Q1+Q2+Q3(1)
式中:Q总——切削过程产生的总热量,又称切削热;
Q1——变形消耗的功转变的热量;
Q2——前刀面与切屑表面摩擦所消耗的热量;
Q3——后刀面与切屑表面摩擦所消耗的热量。
切削热主要通过切屑、刀具、工件、切削液(如冷却液、润滑液)和周围空气传导出去,当不加切削液时,则大部分热由切屑传出。
镁合金切削加工工艺火灾预防
3.1 控制好切削速度。切削热的产生与切削速度呈同比例增长,因此切削速度对切削温度影响极大。在实际工作中我们发现,不同的切削速度产生的切削热会使切屑的表面氧化膜颜色发生变化。因此,通过不同切削速度下的镁合金切削氧化膜颜色,便可估算出安全的车床主轴转速。
3.2 正确选择切削液。除非机械构造本身限制,在镁合金切削加工时应始终充分供应切削液以及时降低切屑温度。考虑到镁的化学特性,切削液的选择应避免采用可燃、具有强氧化性及含水量较高的液体,从而防止冷却液遇高温镁屑燃烧或反应放热起火。
3.3 强化易燃、可燃物品的监管。冷加工切削过程中使用的润滑油及精密机床使用的液压油、导轨油、主轴油等大多为可燃液体,而且一般储油量都较大,如普通机床液压油约有20 kg~70 kg。所以日常工作中应加强设备的检修与维护,保持机床完好,严防漏油。对清洁机床后遗留的油抹布、油棉纱等,应及时清理,并与镁屑相隔离。
镁屑火灾的扑救
4.1 严禁使用水、泡沫、四氯化碳、二氧化碳灭火剂扑救。
4.2 对已燃金属镁屑应选用D级灭火器。如7150、D类干粉、干砂等,考虑到目前国内市场上7150、D类干粉灭火器并不常见,而干砂对机床(特别是精密机床)损坏大,根据实际可就地取材选用75 %~80 %的覆盖熔剂粉加20 %~25 %硫磺粉经混合制成的撒粉熔剂灌装在手提干粉灭火器中进行灭火,效果明显。
4.3 扑救镁屑火灾时,应使灭火器喷嘴与起火镁屑间保持一定距离,以尽量减少灭火器喷射过程中对镁屑的冲击作用,防止镁屑扩散形成爆炸性混合物。
镁合金板材用途
①镁合金板材是航空、航天工业不可缺少的材料。航空材料减重带来的经济效益和性能改善十分显著,商用飞机与汽车减重相同质量带来燃油费用节省,前者是后者的近100倍,而战斗机的燃油费节省又是商用飞机的近10倍,更重要的是其机动性能改善可以极大提高其战斗力和生存能力。正因为如此,航空工业才会采取各种措施增加镁合金应用。现在飞机所用的铝材料约占飞机总重量的85%,高强度、耐腐蚀的镁合金板比铝板性能更好,在飞机上应用更有优势。
②镁合金是减轻武器装备质量,实现武器装备轻量化,提高武器装备各项战术性能的理想结构材料。军工上应用,如直升机、歼击机都要大量使用;坦克、装甲车、军用吉普车、枪械武器等等,可使单兵综合作战系统降到6.37Kg。用镁板制造子弹壳、炮弹壳,使单兵子弹负载增加一倍。
③交通工具上应用,如汽车、火车、船舶等,减轻重量、节省能源、减少污染,国家正大力发展。
④在3C产品上广泛应用。
⑤在电源上应用,镁电源类产品都是高能无污染电源,如制造镁锰干电池、镁空气电池、镁海水电池、鱼雷电源以及动力电池。
⑥高电位镁合金牺牲阳极板用在金属保护上。
⑦民用也很广。如环保建筑装饰板材、体育、医疗器械、工具、高级眼镜架、手表壳、
高级旅行用品等
焊丝应用
镁合金焊丝用于各种锻压镁合金及铸造镁合金,广泛应用于光学仪器 ,航空航天,汽车配件及民用镁制品和工艺品的焊接,是用于焊修镁合金断裂,裂纹,沙眼气孔的专用镁合金焊丝。
技术革新
最近,日本宇部公司在挤压铸造机上进行了铝合金和镁合金的半固态挤压铸造方面的研发工作。其开发的半固态新工艺流程是:首先将金属液在高精度控温式熔化保温炉中熔化,在稍高于合金熔点温度下浇入用于保温的中间容器中,然后通过控制气流,将中间容器中的半液态金属的温度调节到所要求的温度,并防止过冷,随后将中间容器中的半固态浆料倒置注入倾斜杯中,这样就可使氧化层保留在杯中挤压头的表面,以防进入铸件中;然后,挤压头将半固态浆料压入型腔中成形,以实现压力下凝固成铸件。用此种工艺生产的铸件,比常规挤压铸造有更致密的组织和更好的性能,并且可以成形更薄壁的铸件。
挤压铸造,又称液态模锻,是一种使液态或半固态金属在高压下充型和凝固的精确成形铸造技术。这种工艺有效地提高了铸件的补缩和成形能力,具有避免或减少气孔等铸件缺陷,提高铸件力学性能,适用范围广,节约能源等优点。目前,这种工艺在国际上已经广泛用于汽车、摩托车等重要安全和高性能零件的生产,在能源日趋紧张和力学性能要求日益提高的将来具有重要的应用前景。
挤压铸造设备的改进是挤压铸造工艺得以推广的重要条件。目前,世界各国进行挤压铸造生产的各种液压机大致有1000台,先进的专用挤压铸造设备主要分布在日、美等发达国家,以日本最多。挤压铸造机大致发展成三类:垂直合模垂直挤压式;水平合模水平挤压式;水平合模垂直挤压式。挤压铸造设备的研发主要集中在以下几个方面:(1)挤压铸造方式从传统的直接挤压和间接挤压单一方式走向复合化,兼有两种方式的优点,形成适用范围更广的新型挤压铸造工艺。又如,与压铸及半固态铸造方式相融合,形成挤压压铸工艺和半固态挤压铸造。(2)浇注方式及浇注系统装置注重提高浇注的自动化水平和改善浇注条件,开发出高精度的液压控制阀和闭环控制的压射系统,建立专用高效的浇注系统。(3)合模力规格多样化,对压射系统的压力控制方法进行改进,提高其控制精度及稳定性,实现对挤压过程的精确控制;拓宽设备挤压速度和挤压压力的范围。
关于挤压铸造新产品的开发,各国均遵循如下方向:(1)取代常规的压铸工艺,使其有更致密的组织,可固溶热处理,并提高其力学性能或提高其耐磨性、抗渗漏性;(2)取代砂型、金属型铸造,使铸件内部组织更致密,表面轮廓更清晰,尺寸精度更高;(3)取代锻造、热挤压等工艺,以降低成本,简化工艺。近年来,世界各国对挤压铸造铝基复合材料的研究工作十分活跃,由于挤压铸造工艺是制备金属基复合材料最廉价又适合大批量生产的一种很实用的工艺方法,因此备受关注。
产品优点
优点:①密度小,比铝轻1/3,其比强度(抗拉强度与密度之比值)较铝合金高;②疲劳极限高;③能比铝合金承受较大的冲击载荷;④导热性好;⑤铸造性能好;⑥尺寸稳定性好;⑦易回收;⑧有良好的切削加工性;⑧有较好的减振性能;⑩在诸多方面比工程塑料优越,可替代工程塑料;@在煤油、汽油、矿物油和碱类中的耐蚀性较高等。
镁合金应用特性研究
压铸是3C产品用镁合金目前最为适合的加工工艺。与铝适合冲压、锻造和CNC一体加工等变形加工工艺不同,镁的晶体结构为密排六方,塑性变形加工存在天然的困难,这也就是目前在镁合金材料中,全球一般铸件和压铸件占90%以上,变形加工产品不到10%主要原因,在我国,铸造产品占比甚至高达95%以上,变形加工材只占3%左右。在压铸工艺中,由于3C产品大多是薄壁镁合金,挤压铸造、半固态成形等工艺对其最为适合。
表面处理是目前压铸镁合金市场推广的主要技术瓶颈,微弧氧化是重点发展方向。镁的氧化膜(MgO)不致密,耐蚀性能差,工件必须进行可靠的表面处理。但是,镁合金表面处理技术在全球范围看一直是个瓶颈问题,近年来进展不大,一方面导致这一环节的成本较高,另一方面也使得镁合金表面涂层的着色较为单一,难以满足当前日益增长的美观时尚的需求,目前市面上的镁合金3C外壳主要以黑色、灰色为主。从技术上讲,表面处理会根据外观要求、合金成分和组织以及产品不同的工作环境来选取相应处理工艺,目前流行的工艺主要有保护膜与涂层、阳极氧化、微弧氧化、表面渗层处理、金属涂层、有机涂层以及表面改性等7种。从宜安科技、嘉瑞国际等主攻压铸技术路线的厂商了解看,目前较为流行的是阳极氧化和微弧氧化工艺。其中,阳极氧化属于传统主流工艺,但由于涉及高价铬处理液、硫酸盐、氟化物等,污染问题凸显,各地政府对阳极氧化进行了严格的牌照管理,据调研信息,目前广东省内已停止发放阳极氧化的牌照。而80年代兴起的微弧氧化处理,以其工艺简单、效率高、清洁无污染、膜层均匀质硬且兼具陶瓷喷涂层的优点,成为继阳极氧化之后的重点发展方向,这也成为镁合金表面处理技术瓶颈的最有可能的突破口。

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