扩展镁合金压铸 开拓新的应用领域

镁合金是目前实际应用中最轻的金属结构材料,作为一种新型的应用材料,是继钢、铝之后的第三大金属工程材料,具有很多的优良性能,应用前景极为广泛。以前,由于受价格和技术的限制,被称为“贵族金属”,随着技术的进步,特别是皮江法冶炼工艺的成熟应用,镁正以“物美价廉”的形象出现,为人们所接受。现在镁合金已经广泛用于军事、民用领域,在航空航天、航海、通信、医疗、广播电视、音像器材、微电子和光学仪器等方面,以及在汽车、摩托车、电动工具、风动工具、家用电器、手机、计算机及电子设备等制品中,都可以看到镁合金的存在。

 

本文将简要介绍压铸镁合金的性能和应用,不涉及其他工艺生产的镁合金材料的应用范围。

 

1.镁合金的优良性能

镁是轻金属材料,镁合金产品具有许多优良的性能特点:

    重量轻:镁的密度为1.74g/cm3,是铝密度的2/3,钢密度的1/4。

    比强度高:比强度高于铝合金。

    吸震性好:能有效地吸收振动波,有利于减震和降低噪音。

    稳定性好:在1000C以下,可长时间保存,不易变形。

    环保:可100%回收再用,且镁合金无毒,符合环保要求。

    抗撞击能力强:镁合金与其它物体相冲撞时,产生的印痕比铝合金小。

    防辐射性能高:无磁性,电磁屏蔽性能好,高于无电解电镀的塑料,适于做手机外壳一类的产品。

    导热率高:可作为散热片和外壳材料。

    力学性能好:镁合金具有极高的高精度切削加工性能和锻压铸造生产率。

除此之外,镁合金还具有良好的低温性能,在-1900C时仍具有良好的力学性能,可制作在低温下工作的零件,并具有超导性能和储氢性能。

镁合金的熔点比铝合金低,锻压铸造成型性能好,压铸件壁厚最小可达0.5mm,镁合金的屈服强度和延伸率比铝合金更胜一筹。

 

2.几种常用的压铸镁合金

镁合金的应用领域非常广泛,生产工艺很多,材料的应用也千差万别,目前国内的镁合金材料标准大多采用美国ASTM标准,虽然品种繁多,化学成份时有微小差异,但压铸最常用的镁合金材料牌号是AM50A/AM60B/AZ91D,以下是这几种牌号材料的化学成份对照表(参照ASTM B94-05)(表一):

 

 

Al

Zn

Mn

Be

Si

Cu

Fe

Ni

Mg

AZ91D

8.3-9.7

0.35-1.0

0.15-0.5

30ppm

0.1

0.03

0.005

0.002

bal

AM50A

4.4-5.4

0.22

0.26-0.6

 

0.1

0.01

0.004

0.002

bal

AM60B

5.5-6.5

0.22

0.24-0.6

5-15ppm

0.1

0.01

0.005

0.002

bal

 

这几种镁合金材料的力学性能如下表(表二):

 

 

抗拉强度

Mpa

屈服强度

Mpa

抗压强度

Mpa

延伸率

%

抗剪强度

Mpa

疲劳强度

Mpa

布氏

硬度

洛氏

硬度

AM50A

200

110

 

10

 

 

58

 

AM60B

220

130

 

8

 

 

62

 

AZ91D

230

160

160

3

140

100

63

75

 

3.镁合金压铸产品的应用

 

3.1在汽车中的应用

镁合金在汽车上应用非常普及,日趋增加的安全保护和电子设施的需要,使得每一代新车的重量也日益增加,在1990年到2002年间,北美家庭轿车重量从1426kg增加到2171kg。表三给出了2款普及型轿车重量增加的趋势:

 

轿车

1986年重量kg

2005年重量kg

本田雅阁

1148

1411

大众高尔夫

921

1315

 

重量增加是提高安全性能的需要,但与此同时,政府也在立法要求减少尾气排放和燃油消耗,因此对汽车轻量化的要求日益迫切,迫使汽车制造商采用轻量化的材料,镁合金的使用便顺理成章,它不仅减轻了汽车重量,也提高了汽车防撞性能。目前许多镁压铸件应用于汽车上,以下就是几种产品:

仪表板

压铸镁仪表板已经在20世纪90年代中叶进行了大批量的生产,第一代这种部件的重量大约为8kg,壁厚不足4mm(图1)

                               

后代的仪表板的壁厚和重量进一步减小,重量大约为4.5kg,壁厚大约为3mm(图2),但仍然保持较高的防撞性和减震降噪功能。与钢仪表板相比,镁仪表板的优点是重量大约减轻了50%,减少焊接点,降低噪音。目前技术人员正在研究在不降低安全性能情况下如何进一步减轻重量。

前置结构件

第一代压铸镁前置结构件于2003年生产,并用于福特F-150,这一铸件重量大约为6kg,里面支撑着许多部件,包括散热器、前大灯、护罩、撞击传感器、门窗框突角和线路束,这个产品集成了12个钢冲压件,为前轮节约了12kg的压力,它的优点是对前轮大量的减重减轻了汽车重量,同时提高了汽车的可操控性,具有良好的耐用性和可重复性。

座椅框架

铸造镁座椅框架可以提供更好的减重效果。美洲虎S型和XJ型采用压铸镁座椅后背和衬垫。这种产品设计可比钢减重50%,而且可以提供优良的软装饰外观。镁压铸的尺寸精确性确保了方便的安装和减少了噪音,它可以在冲击下工作良好,具有耐用性和抗高负荷冲击疲劳性能,产品符合人体工学的特征,有利于制造商和消费者。

动力传动系统

动力传动系统包括手动变速箱(图3)、四轮驱动分动箱和缸前盖。这些部件大都采用AZ91D来制造,因为它们的工作温度较低。与同样的铝合金变速箱相比,镁变速箱可减轻重量25%左右。大众公司已生产使用了许多年这样产品,近来本田公司也在应用。镁分动箱的生产在北美已有20多年的历史,北美分动箱市场大约有40%是采用镁合金制造的。随着科技的进步,镁合金自动变速箱也将逐步取代铝合金变速箱。

3    镁合金手动变速箱壳

发动机托架

镁合金发动机托架的应用是近年来的事情,用于轻巡洋舰Z06汽车上,具有一定的抗高温性能,它代替铝合金产品,可以满足平台刚度和耐用性的目标,比铝合金减轻30%,具有较好的强度和韧性,确保了对汽车的冲击没有影响。

方向盘骨架

目前方向盘采用镁合金压铸件已非常普及,在欧洲市场上,大约有85%的骨架为镁合金件。使用的镁合金材料主要是AM50A或AM60B,这两种材料的延伸率较高。与铝合金或钢骨架相比,镁合金骨架不仅减轻了重量,而且增加了韧性,提高了抗冲击能力和安全性,骨架内的镶件也可以有效地增加刚度。

支架类产品

除了发动机托架外,汽车上还有很多镁合金支架类产品,如转向泵支架和踏板支架,采用的材料主要是AM60B,既有强度要求,也有延伸率的要求,可同时满足安全性和减重的需要。

此外,像德国宝马公司的镁合金直列6缸引擎,曲轴箱外部为镁合金,这一款排量3.0升的引擎,最大输出功率190KW,是全球最轻的直列6缸引擎。

 

3.2 在摩托车上的应用

中国是摩托车的生产大国和消费大国,摩托车零件的镁合金产品大大减轻了摩托车的自身重量,而且在一定程度上降低了生产成本。国内率先在摩托车上使用镁压铸件的是重庆镁业有限公司,他们开发研制了镁合金变速箱壳体,具有年产50万件以上产品的能力。

4  镁合金摩托车左侧盖

 

3.3在电动风动工具中的应用

镁合金的轻量化和吸震性能,是其应用在电动工具和风动工具上的主要原因。目前全球几大电动工具和风动工具制造商,对镁合金材料日益青睐有加,采用镁合金制造产品的著名生产商包括日本的日立(Hitachi)和牧田(Makita),美国的百得(Black&Decker),德国的博世(Bosch)等,它们在国内均设有工厂。在国内电动工具生产企业中,江浙一带的工具制造商采用镁合金生产外壳也很普遍,象铁榔集团等企业都有自己的镁合金压铸厂。这些工具制造商主要集中在珠三角和长三角地区,涉及的产品电钻、电锤、切割机、磨光机、振荡机、电镐、抛光机、砂光机和电刨等产品的外壳。下面是镁合金电圆锯护罩外壳(图5):

5  电圆锯护罩外壳

镁合金产品用于风动工具和其他手动工具中替代铝合金产品的现象也日益增多,下面是气动射钉枪的壳体(图6)和070油锯壳体(图7):

                        图6  射钉枪壳体

                       图7 070油锯左侧盖

此外,在工具类产品中,象青岛地恩地集团将镁合金产品用在了木工工具中,也是开辟了镁合金产品应用的新领域。

 

3.43C行业的应用

镁合金在电子行业和通讯行业的应用也具有很大的潜力。众所周知,电子工业是当今发展最为迅速的行业,数字化技术的发展导致各类数字化电子产品的不断涌现,电子元器件越来越趋于集成化和小型化,便携式电脑、数码摄像机和手机等日新月异,更新速度之快更令人瞠目结舌。

目前在日本已经有大量电子产品采用镁合金作为外壳材料,国内已经建立了一批专门生产3C产品镁合金部件的企业,如富士康科技、上海紫燕等,随着中国电子信息产业发展和制造业的快速发展,镁合金的加工规模也在不断扩大,台湾、香港和新加坡等企业将镁合金3C产品生产基地转移到珠三角和长三角地区,并形成了相对集中的产业群。

                    图8  镁合金IC电话机外壳

 

4.结束语

以上所述只列出了镁合金压铸产品的部分应用领域,科技的进步使得镁合金产品的应用领域也越来越广泛,这里不在一一列出。

我国镁的蕴藏丰富,镁资源占全球总储量的22.5%,是镁的资源大国和生产大国,我国菱镁矿资源总量31.45亿吨,符合炼镁要求的一、二级矿占78%,同时,储量巨大的白云石和青海的盐湖,也含有十分丰富的镁资源,中国目前共有镁生产企业130余家,万吨生产能力的厂家有20多家。丰富的资源,加上国家的扶持政策,大规模开发利用镁合金的时代已经来临。



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