中国科学院金属研究所 刘 正 王中光
沈阳工业大学 王 越 李 峰 韩行林
欧洲镁合金协会驻德国阿仑压力铸造研究所 Fr iendrich K le in
目前, 汽车工业压铸镁合金用量较多的地区和国家主要是北美、欧洲、日本和南朝鲜。这些地区和国家的压铸镁合金用量近年急剧增加。例如, 1991年压铸镁合金的用量仅为2. 4万吨, 到1997年则增至6. 4万吨, 而且其中80%的压铸镁合金用于生产汽车零部件。据预测,这些地区和国家由汽车工业拉动的镁合金需求量还将持续增长。
1 镁合金应用的现代社会效益
汽车质量大小对其能量的消耗有着重要的影响, 质量每降低100 kg, 油耗可减少0. 7 L。镁的密度只有1. 74 g /cm3, 因此以镁为基的镁合金比铝合金约轻36%, 比锌合金约轻73% , 比钢约轻77%。在目前所用金属材料中, 镁合金堪称是最轻的金属材料。用镁合金制作汽车结构件以减轻质量的尝试持续了近70年, 但汽车减重的呼声从未像现在这般强烈。近来, 欧共体向欧洲的汽车厂家建议, 到2005年汽车废气中的CO 2 含量应由现在的每公里183 g 降至120 g,也就是要求汽油发动机百公里耗油不超过6 L, 柴油发动机百公里耗油不超过5. 3 L。当然, 人们可从燃料管理系统等途径寻求解决的方法, 但在这些方法中, 汽车轻量化的努力将举足轻重, 而镁合金无疑将会扮演极为重要的角色。
在物体形状一定的情况下, 固体弹性区域内的静态应力-应变关系决定于物体的杨氏模量(E ), 而动态下的应力-应变关系, 即激振力-振动振幅关系, 特别是在共振状态下, 则随衰减而有很大变化。因此即使镁合金的杨氏模量值很低(E= 45 GP a), 但却不失为一种优良的减震材料。例如, 在35M P a 应力水平下, 镁合金A Z91D 的衰减系数为25%, 铝合金A 380(E= 71 G Pa)只有1%; 在100M P a应力水平下, 镁合金A Z91D 的衰减系数上升为53% (AM 60为72%, A S41为70% ), 而铝合金A 380也只达到4% 。显然, 应用镁合金材料作为汽车结构件, 非常有利于减轻汽车运行中噪声和震动的影响。例如, 现在越来越多的汽车, 特别是安装安全汽袋的汽车都开始改用镁合金方向盘。文献认为, 这既可使质量减轻, 又可降低路面和控制系统的震动, 同时发生意外时, 镁合金方向盘可吸收更多能量, 保证驾驶员安全。
2 压铸镁合金成分、性能及其研究进展
常用的压铸镁合金大多是美国牌号AZ 91, AM 60,AM 50, AM 20, A S41和A E 42, 分别属于M g-A l-Zn,M g-A l-M n, M g-A l-S i和M g-A l-RE 系, 其化学成分如表1所示。其中, A Z91合金含铝的成分最高, 强度也最高, 但塑性最低; AM 20合金含有铝的成分最低, 强度也最低, 但塑性最高; AM 60, AM 50, A S 41和A E 42合金的常规力学性能适中, 但A S41, A E 42合金具有较好的抗高温蠕变性能, 如表2[ 6]所示。A Z91合金中, 含有Fe,N i , C u等杂质元素较少的AZ 91D 和含稀土的A E 42,具有比其它合金以及铝合金A 380还好的耐蚀性能,如图1所示。
对镁合金疲劳性能的研究结果表明, T 6状态的砂型铸造镁合金A Z91E 具有循环疲劳强化的现象, 其循环应变下的屈服强度( 180M Pa)比静拉伸时的屈服强度( 142M Pa)高25% [8 ]; 压力铸造镁合金A Z91D 在T 6状态时的疲劳断裂韧度Δkf 值随反映加载形式的R 值(P m in /Pm ax )及交变频率的增加而提高, 并且在T 4固溶状态时, Δk f 值比F和T 6时高50% [9 ]。文献虽然提供了一些有意义的疲劳数据, 但未见到有关应变控制疲劳寿命的研究。
表1 常用压铸镁合金的化学成分
Table1 Chem ical compostion of commonly used die-cast ingmagnes ium alloys
表2 常用压铸镁合金的力学性能
Table2 Mechan ical propert ie s of commonly used die-cast ingmagnes ium alloys
注: ( 1)旋转弯曲疲劳5× 107次( 2) 175℃, 35M P a, 100 h的伸长率( 3) 149℃, 100 h 产生0. 5%伸长率的应力
在一定条件下镁合金还会表现出某些特殊的性能。例如, 以镁合金为基体S iC 增强复合材料的力学性能得到明显改善; 镁合金A Z91D 经过等通道角挤压可获得约1 μm 的微小的晶粒尺寸, 并在473 K 即0. 5Tm 低温显示661% 伸长率的明显超塑性。
3 镁合金压铸工艺及其特点
据文献[14]报道, 现在世界工程构件镁合金需求的98%来自于压铸行业, 而其中的绝大多数又用于汽车工业, 因此镁合金的压铸工艺性能对其在工业中应用的发展起着决定性的作用。事实证明, 镁合金是一种非常适合于压铸的金属材料, 既可冷室又可热室压铸, 镁合金压铸件壁厚目前已能够达到1. 0～ 2. 0mm 的技术水平, 其产品的主要优点是质量好, 效率高, 加工成本低。
表3列出了镁合金的主要物理性能。与铝合金相比, 镁合金具有较低的密度、熔点、动力学粘度、比热容和相变潜热。鉴于镁合金的密度低, 因此若对应一个一定质量的锌合金零件, 用相同质量的材料可生产2. 5个同样尺寸的铝合金零件、3. 75个镁合金零件; 鉴于镁合金的动力学粘度低, 相同流体状态(雷诺指数相等)下的充型速度远大于铝合金; 加之镁合金熔点、比热容和相变潜热均比铝合金低, 故其熔化耗能少, 凝固速度快, 镁合金实际压铸周期可比铝合金短50%。此外, 镁合金与铁的亲和力小, 固溶铁的能力低, 因而不容易粘连模具表面, 其所用模具寿命比铝合金高2～ 3倍。进一步的研究结果还表明, 镁合金的加工(磨、钻)能量仅为铝合金的70%, 如图2所示。
Table3 Physical proper ties of magnesium and its alloys
注: 数据来自H ydro M agn esium D atenb lat t, 其中, 密度、比热容和热导率均为20℃时的测试值, 粘度为650℃时测试值。
4 压铸镁合金产品开发及其发展潜力
表4是1997年世界上镁合金用量最大的10个汽车生产厂家的镁合金用量[ 15]。据估计, 到2002年将由表中所示的45 150 t增至88 600 t。目前在汽车工业中
表4 1997年世界上镁合金用量最大的10个汽车公司
Table4 Themagnes ium alloys in greatest amount used for ten companies in theworld in 1997
镁合金用量最多的地区是北美, 但欧洲紧追其后, 年发展速度已达60% (北美为30% , 世界平均为15% ), 其目标是造出百公里耗油3 L 的轿车, 预计至2000年镁合金用量就会达到与北美相同水平。
镁合金应用的发展需要有相应的经验、知识和研究为基础, 需要工厂、研究部门和政府的配合。继国际镁合金协会之后, 1996年成立了欧洲镁合金协会, 并规定每年9至10月召开一次镁合金在汽车工业中应用的学术会议和产品博览会; 同年德国巴登符腾堡州投资2 400万马克, 由阿仑专科工业大学、慕尼黑工业大学、杜易斯堡大学和多特蒙特大学以及大众汽车公司等57家工厂展开了代号为M AD ICA (M ag ne sium D ie C ast ing )的联合攻关项目, 内容包括模具制造、高压铸造、半固态成形、焊接、机械加工、表面处理以及废品回收, 目的是保
证德国汽车工业在今后很长一段时间内继续处于领先地位。
5 镁合金观念误区及其未来发展方向
镁合金用于交通工具虽然有70多年的发展史, 但其应用大多是在北美和欧洲, 且其用量也不像铝合金那样大。在中国, 镁的产量远大于消费量, 例如1996年产量为4. 5～ 5万吨, 消费量仅为1. 4～ 1. 5万吨, 汽车上使用镁合金压铸件只限于桑塔纳轿车的变速箱壳体、壳盖及离合器外壳。
5. 1 镁合金汽车零件的经济性
目前镁合金的单位质量价格比铝合金的贵, 但由于镁合金密度小, 相同体积的汽车零件, 镁合金用量只是铝合金的三分之二, 因此用单位体积价格而不是单位质量价格来衡量镁合金汽车零件的材料成本更为合适。文献认为, 同等强度的镁合金制品每千克耗电为35. 7 kW· h, 铝合金制品每千克耗电则为41. 1 kW·h, 单位体积镁合金比铝合金价格便宜10%～ 20%, 而质量小25%～ 30% 。实际上, 镁合金汽车零件成本中还应包括材料的加工成本, 在这一顶目中用于压铸材料的模具所占的比例最大, 由于用于压铸镁合金的模具使用寿命是铝合金的2～ 3倍, 因此其工艺成本比铝合金明显低。此外, 应用镁合金汽车零件的经济性还与镁合金的生产、加工、使用和回收的各个环节相关。例如, 镁合金的回收比其生产要容易的多, 也比铝合金回收所消耗的能量少。
5. 2 镁合金汽车零件的性能
镁合金的性能指标是指其标准试样在一定的条件下所测得的性能参数, 如抗拉强度、屈服强度、布氏硬度、伸长率和冲击韧度等, 这些参数对镁合金汽车零件的设计与应用只具有参考价值, 而不是镁合金汽车零件的实际使用性能。镁合金汽车零件的实际使用性能不但与这些性能参数有关, 而且还与其尺寸、形状和结构有关, 即与实现所要求尺寸、形状和结构的设计与工艺方法有关。例如, 由于镁合金的比强度高, 镁合金结构件可通过增加其截面厚度来提高其性能。另一方面, 由于镁合金的压铸充型性能好, 壁厚最薄可至1. 0～ 2. 0mm(铝合金可至2. 5～ 3. 5mm ), 因此其实际的强化常采用薄壁+ 加强筋+ 凸缘的结构设计方法, 这比单纯增加截面厚度的方法更合算。由此可见, 镁合金的开发、设计和使用应当是模具设计、压铸工艺、性能测试和汽车厂各个环节密切配合的系统工程, 这也是欧洲MA D ICA项目执行的基本设想。
未来5年内世界上将要加快发展镁合金汽车零件, 如仪表盘, 坐椅框架、变速箱壳、舵杆件、气缸盖、吸入分支管、门框、大的车体外部件、发动机箱体、支撑柱等。显然, 在世界性的汽车轻量化发展中, 中国汽车工业也不会仅仅是拭目以待, 到2000年中国将生产镁合金的方向盘芯、汽缸盖、离合器及刹车的踏板支架等。