镁合金的特点、分类和应用

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：汽车用镁合金在发达国家呈持续快速增长的势头。目前铸造镁合金比变形镁合金的应用要广泛得多。世界主要工业国家都有各自铸造镁合金和变形镁合金的国家标准。表2-3给出了美国ASTM编号常规铸造镁合金的特性。

镁合金作为最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度和比刚度高、减振性和散热性好等优点，在汽车、通信设备和电子行业中得到了日益广泛的应用。金属镁的密度（约1.7g/cm³）小于铝，镁合金也比铝合金轻，密度约为铝合金的三分之二。根据IMA（国际镁协会）的统计，1997年全球镁压铸件产量为6.4万t，2000年突破10万t，到2008年增加到24万t，其中80%用于汽车工业。汽车用镁合金在发达国家呈持续快速增长的势头。由于汽车尾气排放CO₂所造成的污染占大气污染的60%～70%，目前全世界仅CO₂累计已达2.3×10¹⁰t。在大气污染中，汽车排放的污染被认为是世界重大公害之一，已严重地威胁到人类的生存和发展。将镁合金应用于汽车，可以减轻重量、节约能源、降低污染、改善环境。

镁合金按成形工艺可分为铸造镁合金和变形镁合金，两者在成分、组织性能上存在很大差异。目前铸造镁合金比变形镁合金的应用要广泛得多。

1.铸造镁合金

常用的铸造镁合金牌号及化学成分见表2-1。铸造镁合金主要有三类：一类是以Mg-Al合金为基础，如镁铝锌合金和镁铝锆合金；另一类是以Mg-Zn合金为基础，如镁锌锆合金等。这两类合金有较高的常温强度和良好的铸造性能，但耐热性较差，长期工作温度不能超过150℃。第三类是以Mg-RE为基础，如镁稀土锆合金等，这类合金为耐热镁合金，可在250～300℃下长期工作。在高强度铸造镁基合金中，除主要元素Al、Zn、Zr外，还添加了一些其他组元，如Cd、Nb、Ag、La等，使力学性能进一步改善。

表2-1 常用的铸造镁合金牌号及化学成分

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注：表中有上、下限数值者为主要组元，只有一个数值者为非主要组元所允许的上限含量。

①合金可加入Be，w_Be≤0.002%。

②w_Ce≥45%的铈混合稀土金属，其中w_RE≥98%。

③w_Nd≥85%的钕混合稀土金属，其中w_Nd+w_Pr≥95%。

④RE为稀土元素。

世界主要工业国家都有各自铸造镁合金和变形镁合金的国家标准。关于铸造镁合金，美国ASTM B93M含20个牌号，其中牌号的第一部分两个字母代表主要合金元素，如AZ91，表示Al和Zn是主要合金元素，第二部分表示两种合金的平均含量，如AZ91，表示含Al9%左右，含Zn1%左右。日本JIS H2221、JIS H2222含6个牌号；俄罗斯POCT2856含14个牌号；德国DIN1729.2含5个牌号；英国BS2970含9个牌号；法国NF A5-102含5个牌号；ISO目前只有一个委员会草案ISO/CD 3115.2，规定了15个牌号。几个国家部分镁合金相近牌号对照见表2-2。表2-3给出了美国ASTM编号常规铸造镁合金的特性。

表2-2 几个国家部分镁合金相近牌号对照

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表2-3 美国ASTM编号常规铸造镁合金的特性

①A和B性能差不多，但AM60B铸件杂质含量为w_Fe≤0.005%、w_Ni≤0.002%和w_Cu≤0.010%。

②A和AB性能差不多，但AS41B铸件的杂质含量为w_Fe≤0.0035%、w_Ni≤0.002%和w_Cu≤0.020%。

③A、B和D性能相同，在AZ91B中w_Cu≤0.30%，AZ91D铸件中杂质含量为w_Fe≤0.005%，w_Ni≤0.02%和w_Cu≤0.030%。

压铸镁合金最常采用的牌号有AZ91D，AM60A等。

2.铸造镁合金的典型应用

镁合金的铸造方法有砂型铸造、金属型铸造、挤压铸造、低压铸造、高压铸造和熔模铸造等。铸造镁合金在汽车上应用的零件通常采用压铸方法进行生产，主要有变速器壳体（见图2-1）、方向盘骨架（见图2-2）、座椅靠背、进气管（见图2-3）、仪表板托架、齿轮箱等几十种。在摩托车制造中，也可用于多个零件的制造，如图2-4所示，如发动机曲轴箱体、箱盖及摩托车前后轮毂、尾盖、后扶手等。我国曾制造出全镁合金构件的摩托车，减重6kg左右。

图2-1 汽车变速器壳体（AZ91D镁合金）

图2-2 汽车方向盘（AZ91D镁合金）

图2-3 汽车镁合金进气管

图2-4 摩托车零件（Mg-Al、Mg-Mn等）

通过压铸生产方法，镁合金在3C产品（Computer、Communication、Consumption Elec-tronic Products，计算机、通信及消费类电子产品）零件的生产上得到了广泛的应用。采用铸造镁合金零件后，产品的散热性、耐用性及可回收性大大提高。如图2-5所示，镁合金可用于制造摄像机外壳、笔记本电脑外壳、照相机外壳等。

此外，铸造镁合金在航空领域一直有重要的应用，如发动机零部件、各种支架、传动器壳体，直升机传动箱等，在武器装备领域、冶金工业、化工、电化学工业等领域都有应用。

3.变形镁合金

变形镁合金牌号及化学成分见表2-4。变形镁合金主要也有Mg-Al、Mg-Zn、Mg-Mn三类。由于密排六方的镁变形能力有限，易开裂，因此早期的变形镁合金要求其兼有良好的塑性变形能力和尽可能高的强度，对其组织的设计，大多要求不含金属间化合物，其强度的提高主要依赖合金元素对镁合金的固溶强化和塑性变形引起的加工硬化。变形镁合金主要用于薄板、挤压件和锻件等。虽然变形镁合金的强度较低，但具有相对较好的耐蚀性能和焊接性能。

图2-5 电子产品外壳等零件（AZ91D等镁合金）

几个国家部分变形镁合金相近牌号对照见表2-2。关于变形镁合金，美国有两个标准，即ASTM B90M和ASTM B107M，含11个牌号。日本有四个标准，即JIS H4201、JIS H4202、JIS H4203、JIS H4204，含6个牌号。俄罗斯标准ГOCTl4957规定了13个牌号。德国标准DINl729.1规定了4个牌号。ISO3116规定了6个牌号。

表2-4 变形镁合金牌号及化学成分