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镁合金产业发展报告(二)

发布时间:2018-02-26 13:00:13 来源:材料+ 查看次数:

  近当代应用

  的一种新的应用说明其强度得到了改进是在老式军用悍马车上加入一个两件式平板插片。这些插入物设计可以保持车辆以30英里/小时的速度使用单个轮胎行驶30英里。之后,由于金属插片切入轮胎缩短了其使用寿命,后来由橡胶耐磨插入件取代。

  之后合金最为突出的军事应用是在西科斯基黑鹰等3000多架陆军和海军飞机上的传动和齿轮箱。强度的增加和耐腐蚀性的提高促使合金的应用的普及。类似的合金也被用在通用动力海军陆战队两栖远征战斗车(EFV)上。EFV变速器壳体由Elektron21,ZE41和AZ91E制成的多于15种的零件组成。

  在实践应用中,科学家和工程师了解到高强度性能和良好的耐腐蚀性不足以表明该合金具备良好的冲击响应和穿孔阻力。重新引起工程师们注意的是对旧的(AZ31B-H24)和新的(Elektron 675,Electron 21等)锻造合金的弹道评估以确定穿孔阻力的实验结果。通用型AZ31B-H24具有中等的强度和良好的耐腐蚀性,但在防弹性能方面没有任何优化的方法;但是在重量基础上其防弹性能超过5083-H131对抗穿甲弹。而这些结果最终也导致了第一个合金装甲材料规范指南(MILDTL-32333(MR))出台,其可作为进一步发展合金(如Elektron 675和WE 54)装甲的基准。

  随着科技的发展,军事活动对其装备的性能和动力提出了新的要求。而性能和动力的要求的提高也引起了国防部对应用的新兴趣。因此在2007年,美国国防部参与举办了国际研讨会。研讨会的目的是评估合金的全球最先进水平,并就加工,微观结构和相应性能方面的最新进展交换信息。纳米结构和超细晶粒材料,集成计算材料工程(ICME)以及合金和加工设计等技术的出现为合金的研究打开了全新的设计框架大门,并指出从人员防护到车辆结构的广泛的应用潜力。

  之后美国致力于合金应用的研发。美国陆军研究实验室与MENA公司达成协议,共同发展制造用于装甲地面车辆的合金。根据协议,其主要对高强度WE43和Elektron 675合金进行研究开发。

  此外,各种合金也正在被研究用于复合头盔外壳,其中重量轻,比刚度和高阻尼,加上适当的防弹性都可能引起性能的提升。燃油效率地面车辆演示器(FED)计划旨在通过设计战术车辆来降低战区内的燃料消耗,其燃料经济性明显高于M114。在考虑高风险/高回报技术时,他们试图将发动机缸体和壳体部件结合在一起。

  为了发掘合金的使用潜力,美国能源部在93年到03年的这十年中也投资了类似的项目来支持汽车工业,并取得了一切成绩。克尔维特使用在“结构铸造合金开发”(SCMD)项目下研发的合金发动机支架;动力系统铸造组件(MPCC)计划展示了在高压压铸动力系统部件中使用的可行性和益处。针对轻型车辆结构的超大型铸件项目探索了用于超大型结构的半固态成型和/或多口热流道技术,以克服高压铸造的缺点。前端应用研究和开发计划是一个多国努力的结果,开发实用技术和知识,使得车辆前端车身结构轻50-60%。而这些成功的应用也促进了合金在汽车领域的广泛应用。

  在民用方面,主要集中在汽车领域。各国纷纷加大合金制品的研发力度,尤其是20世纪90年代以来,相继出台了研究计划,开展了大型的"产、学、研"联合攻关项目和计划。德国政府制订了一个投资2500万德国马克的合金研究开发计划,主要研究压铸合金工艺,快速原型化与工具制造技术和半固态成型工艺,以提高德国在合金应用方面的能力;1993 年欧洲汽车制造商提出"3公升汽油轿车"的新概念,美国也提出了"PNGV"(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3公升的轿车,且整车至少80%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。此外,科学家还研究将合金用于笔记本电脑、移动电话、数码相机、摄像机上,并广泛推广到家电和通讯器材等领域。

  鉴于合金的发展前景,许多钢铁业主也转向参与业的投资开发。上述趋势造成许多大型项目的实施和完成,必将推动工业的低成本生产工艺的研究开发和应用,加上合金回收容易的因素,将使全球金属的价格稳步下降。目前,世界的金属的价格与铝的价格已非常接近,而的价格还将继续下降,影响合金广泛使用的原材料价格瓶颈正在突破。

  优势单位

  东北大学拥有材料电磁过程教育部重点实验室和轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,也是我国最早设立铝轻金属冶金专业的高等学校,有一大批专门从事轻合金电磁冶金与提取冶金的研究人员;开发了合金低温连铸和合金低频电磁连铸新技术。先后承担原冶金部无隔板电解槽炼,水氯石脱水及皮江法炼等项目。

  中科院金属研究所 是国内较早开展合金设计、开发与应用研究的单位之一。近年来承担了有关合金的四个“863”项目、一个“十五”攻关项目、国家自然科学基金和重点基金3 项。主要研究了合金的冶炼和铸造技术,高温变形行为、强化机理和高速变形机理和温热塑性成形原理。已研制出Mg-Li 合金棒料、2mm 薄板材、合金汽车轮毂,以及强度超过450MPa 的高强度变形合金等产品。并在合金凝固过程控制、半固态合金方面进行了研究,发现了Mg2Ca,Al2Ca,(Mg,Al)2Ca 等强化相的形成规律。金属所在材料的环境行为研究领域有雄厚的研究基础,具备腐蚀和材料的环境敏感断裂研究的各种设备。在多项国家项目的支持下,广泛开展了合金腐蚀与防护的研究工作,包括腐蚀电化学理论、电镀,化学镀,阳极氧化等表面处理技术。开发的化学镀技术获沈阳市科技进步奖。目前,已经获得了无污染的转化膜,化学复合镀和微弧氧化防护方法。

  中科院沈阳分院-金属研究所设有合金腐蚀防护及表面处理研究课题组和基轻质材料及其应用创新团队。合金腐蚀防护及表面处理研究团体从事包括合金的微观腐蚀机制研究、耐蚀型合金的研发及合金表面化学转化膜、微弧氧化、化学镀及生物可降解涂层研究等在内的合金腐蚀防护研究。团队主要研究方向有合金的腐蚀防护研究、合金无铬转化膜技术、合金自封孔微弧氧化技术、合金多功能化学镀镍技术。基轻质材料及其应用创新团队的主要研究方向:合金材料加工制备工艺-组织-性能关系、高品质合金结构零部件成形制造技术、合金腐蚀及其表面防护技术等;拥有高活泼性合金熔体无熔剂合金化、熔体高洁净化工艺及设备研制(解决了合金夹杂倾向严重的技术难题)、高强、耐热合金砂型-低压铸造工艺及高品质、高致密度铸件开发、室温高塑性合金板材、型材制备技术及其室温成形技术、高强、耐热合金高效、低成本锻造及各向异性调控技术、合金表面防护技术等。

  沈阳工业大学 是承担国家十五攻关计划“合金研究开发与产业化”重大项目“高性能合金及其挤压产品关键技术研究开发及产业化”等多项课题的参加单位,以及国家十五“863”计划“高强高韧合金及其在车轮上的应用”课题的单位。沈阳工业大学具有一个省级重点实验室,立足于当前学科领域的前沿,开展了对合金强韧化机制、合金疲劳强度、合金疲劳裂纹扩展、合金凝固过程及缺陷控制、合金晶粒细化、合金塑性变形和超塑性、合金蠕变行为、合金快速凝固与非晶、合金复合材料等方面的研究工作。

  北京工业大学合金课题组 长期致力于开展新型高强耐热合金材料、高性能合金复合材料、合金型材塑性成形技术等研究以及为企业制定中长期产业发展规划。目前拥有7项发明专利。完成国家973计划--合金加工新方法及原理的基础研究、合金关键技术开发与应用、高性能合金成分设计优化及制备工艺、面向应用的新型合金研究开发等国家科技支撑计划。课题组目前拥有800吨压铸机、630吨挤压机、Φ400X450双辊轧机等大型工业化制备加工设备,可为国内相关企业提供新产品开发、合作研究及制定企业发展规划等业务。

  国家合金材料工程技术研究中心是一家经科技部于2007年批准组建的以重庆大学为依托单位的国家国际合作重点基地。其成员单位包括重庆业科技股份有限公司、长安汽车(集团)有限责任公司、西南铝业(集团)有限责任公司、西南技术工程研究所、重庆工学院等,其前身为重庆市合金工程技术研究中心。2007年底被批准为国家国际合作重点基地。

  在国家"211"和"985"工程的支持下,中心已在重庆大学建成6000多平方米的研发基地,拥有合金熔炼、压铸、半连续铸造、薄带连铸、挤压、轧制和冲压等成套研发设备和先进的材料分析检测仪器。中心的中试及产业化核心基地拥有压铸、挤压、装备制造等工业设备,建有多条合金产业化生产线。

  国家合金材料工程技术研究中心先后承担国家及省部级重要项目等30余项,突破并掌握了一批关键技术,取得了一批具有自主知识产权的标志性成果;促进了合金产品在摩托车、汽车、军工、手动工具、3C产品等方面的应用,极大地推进了我国产业的发展。通过技术服务与项目合作,中心的研发成果已辐射到全国40余家合金生产与应用企业。

  潘复生院士专长合金、铝合金、工具钢、冶金铸轧技术、冶金熔体纯净化技术等方面的研究和应用,特别是在合金方面成就显著。他建立了国家合金材料工程技术研究中心,组建了一支在国际上有重要影响的科研团队。三十多年来,潘复生教授和他的团队重点致力于解决合金材料塑性差、加工成形难、纯净度低等关键难题,承担完成了一批重要的国家级项目和多个重要的国际合作项目,在高塑性合金、先进成形加工技术和深度纯净化等领域取得重要创新成果,为我国科学技术与产业的发展壮大和走向世界做出了重要贡献。已在国际著名刊物发表SCI收录论文350多篇,出版著作12部(本)。获国家技术发明奖和科技进步奖4项,省部级重要科技奖励10余项;获国家授权发明专利130多项,制订并获批国家标准多项。

  上海交通大学拥有轻合金精密成型国家工程研究中心,轻合金精密成型国家工程研究中心(Light Alloy Net Forming National Engineering Research Center-LAF-NERC)成立于2000年3月,是由国家发改委批准组建、上海交通大学承建的国家级工程研究中心,现任中心主任为丁文江教授。中心以国家战略需求和产业发展为导向,致力于新型高品质轻合金及其制品的研制、工程化、产业化和技术转移等工作,开展了先进铸造铝合金、合金与液态成型、塑性成型与控制、材料能量场制备、腐蚀与防护技术、基生物材料、基能源材料等方面的研究。

  现有科研人员50多名。近年来,轻合金精密成型国家工程研究中心先后承担了国家“八五”、“九五”和“十五”重点科技攻关、“863”计划、国防预研究项目、民口军工配套项目、国家自然科学基金、上海市科技发展基金等国家和省部级科研项目40 多项,发表论文250 余篇,申请和取得国家发明专利权39 项,获得国家及省部级科技奖励15 项,已产业化成功的成果4 项。工程中心拥有合金压铸机5 台、挤压铸造机1 台、低压铸造机2 台、800 吨型材挤压机1 台、150 吨冲压机1 台。工程中心拥有的核心技术包括高品质合金熔剂、高品质合金锭生产技术、合金精密压铸成型技术、合金轮毂生产技术、合金塑性变形加工技术(挤压、轧制、冲压等)和合金表面处理技术等。

  上海材料及应用工程技术研究中心(SMA) 成立于2009年9月,是上海市科学技术委员会批准正式组建的基新能源材料研究和开发基地,主要从事先进材料设计、制备及产业化的研究开发工作。

  中心现有研究开发人员18名,包括教授4名和副教授7名,拥有博士学位的研究人员10名,从海外引进高水平研究人员4名。中心设有先进材料与成型、能源合金设计与制备、生物医用合金等研究方向,有等离子体金属纳米粉体制备仪、同步热分析仪、气相-固相反应仪、电化学工作站等先进材料制备、测试和表征仪器设备,主要通过第一性原理计算、X射线衍射、同步辐射、中子衍射、高分辨透射电镜等先进研究和分析方法,对合金及其制备技术开展研发。中心十分关注国际国内合作与交流,与国内上汽、比亚迪、华为等大型企业开展了产学研合作,同时与美国通用汽车研发中心、密歇根大学、挪威科技大学、日本东北大学、加拿大英属哥伦比亚大学建立了良好的国际合作关系,通过访问研究、学生交换和合作发表论文促进了中心研发实力的提升。

  中南大学是国家“211”工程和“985”工程重点建设的全国重点大学。学校在变形合金研究方面有良好的工作基础,其中金属材料研究所是国家“轻质高强材料”国防重点实验室、教育部快速凝固材料重点实验室,开展了大量变形合金、喷射沉积、电磁场铸轧的研究。承担了“稀土合金制造涡喷-10 型航空发动机机匣”、“鱼雷动力源Mg/CuCl 阳极合金薄板材料”和国家“十五”攻关—“合金应用及产业化”研究项目。研究所拥有完整的合金挤压和轧制生产线,目前已成为海装和航天某部特种合金板材的定点生产单位,自行研制的快速凝固喷射沉积装备,可实现自动化全密封喷射沉积制备非平衡凝固材料;自行研制的ф400×500mm 电磁场铸轧机组,可进行常规电磁场铸轧和超薄快速电磁场铸轧的系列实验,能为合金薄带凝固-变形一体化的研究提供较好的实验平台。

  北京有色金属研究总院创建于1952 年11 月,是我国有色金属行业规模最大的综合性研究开发机构。拥有有色金属行业开发基地、有色金属材料制备加工国家重点实验室、有色金属复合材料工程中心、有色金属及电子材料分析测试中心等国家级研发部门8 个。开展合金材料及其深加工技术研究已有近四十年的历史,尤其是九五、十五期间,承担了包括“973”、“863”、国家科技攻关重大专项、国防科工委民口重点项目等在内的合金相关课题十余项。自主研究开发建成了铸造牺牲阳极生产线、挤压阳极生产线、高纯变形合金材料制备中试线。2005 年经国家科技部批准组建了面向我国有色金属行业技术创新的有色金属材料制备加工国家重点实验室。针对合金领域,与东北轻合金集团、宁夏东方有色金属集团建立了联合技术中心。

  中铝洛阳铜业有限公司拥有我国完整的一条板带材生产线,具有四十多年的合金板带材研究开发和实际生产的经验,具有很强的开发、研制、生产合金材料新品种的能力,目前该生产线已累计生产近万吨合金板带材,开发生产的合金板带材在化工、交通、纺织、航天航空等行业得到广泛应用,并为我国的国防军工和重点武器型号的发展做出了重大的贡献。洛铜集团自60年代建成合金板带材生产线以来,先后承担并完成了多项国家重点军工科研试制任务,研制开发了多种变形合金材料和屑重熔技术,SF6 保护技术、压力导流铸造等技术。近年来加大力度在变形板传统的加工方式的工艺改进优化、变形合金材料应用性能的研制开发、变形材在交通、3C产品的推广应用等民用方面进行大量的技术工作。对合金连续铸轧成型技术进行了有益的前期探索。在2005 年5 月份进行了变形连续铸轧实际工艺试验,成功铸轧出6×600mm 的AZ31 带坯;于2005年8 月份成功铸轧出6×600mm 并卷取成功,连续铸轧出6×1000mm 的带坯,可以说在连续铸轧成型技术上取得了实质性的突破。

  合金基地

  随着中国汽车、IT、通讯等产业近年来的快速发展,对合金产品的需求不断增长,从而带动了国内合金压铸产业的发展,在中国产、官、学、研的努力下,一些地区形成了不同产品种类和规模的合金压铸产业群体,中国的六大合金基地建设已经初具规模:

  1、重庆:重庆业主要制造合金轻型汽车、摩托车零配件和手动工具压铸件。

  2、青岛:金谷业、海尔集团合作生产3C 用合金零配件(手机与笔记型电脑外壳),并为海信、摩托罗拉等公司提供家电、通讯类产品。

  3、长三角地区:上海交大轻金属精密成型国家工程研究中心研发新型合金及其精密成形技术,而近几年长三角也涌现出一批合金压铸企业,以台资居多,主要投资地点是上海、苏州、昆山等地。主要生产汽车和摩托车用合金压铸件,移动电话和笔记本电脑合金壳体。

  4、深圳:深圳力劲集团公司由香港力劲公司和北京清华大学联合对合金铸造设备及其技术进行研发;同时,在广东省,主要由一批台资和港资企业组成合金压铸件生产群体,集中在珠江三角洲一带,以生产计算机、通讯和消费类电子产品部件为主。

  5、东北:在辽宁,主要从事氧化矿开发;吉林长春一汽铸造有限公司以汽车用合金压铸件为产品定位方向,批量生产轿车方向盘和大马力柴油机汽缸罩盖。

  6、宁夏:将建成中国高品质合金生产基地及示范区。

  但是,同其他国家相比,我国的技术和应用水平还是较低的。要提升我国产业整体水平,实现我国高性能合金及其型材自给自足,拓宽我国合金的应用领域,必须重视资源的低耗提取与合金高效制备、加工及应用的关键科学问题,需在原冶金动力学及合金熔体纯净化、合金强韧化与塑性变形机理以及合金与环境交互作用机制等方面取得突破。从而为我国产业中的各个关键环节的发展提供理论与技术支撑。

  在汽车领域

  满足了汽车工业减重、节能、环保以及通讯电子器件高度集成化和轻薄小型化的要求,因此是目前最理想的汽车轻型结构材料。用合金制造汽车、摩托车发动机、减速箱、轮毂、减震系统等结构和运动部件,不仅能降低汽车、摩托车的重量和能耗、提高整车加速、制动性能,还能降低行驶振动和噪声、提高驾乘舒适度。

  铸车轮首次使用是在1967年的菲亚特,后来是1978年的阿尔法罗密欧。1968年,保时捷推出了一款使用的6缸曲轴箱。第一款仪表板横梁车型出现在1989年的奥迪车型上,后来传到美国,并在1995年的出现在通用汽车公司Model车型上。奥迪在1999年推出了首款质自动变速箱;在2003年,戴姆勒-克莱斯勒公司在奔驰安装了更大型号的变速箱。2003年第一台大型质散热器支架/载体出现在北美车辆福特F-150上。2004年,宝马推出了复合/铝硅I-6曲轴箱。

  关于锻造产品,陶氏化学公司在20世纪20年代用片材和挤出成分生产示范性卡车。通用汽车公司为1952年的克尔维特制造了有限数量的盖罩。国际收割机公司在1955-1965年期间成功生产了6,300辆含有板和挤压件的轻型卡车。目前,唯一的汽车锻造产品是在2005年保时捷上使用的锻造车轮和内饰板。下表是近年来应用于汽车上的零部件。

  汽车制造公司应用合金零部件名称

  克莱斯勒转向术、托架、汽门盖、方向盘、油底壳、仪表集成和大灯架等20多个压铸件

  福特手动变速壳、岐管盖和后座架等30多个压铸件

  通用仪表板、离合器箱、变速箱静子、离合器助力泵、汽门盖、托架、转向柱、滤油器接头、进气管等45 个压铸件

  大众仪表板支架、发动机汽缸罩盖、座位架、齿轮箱盖、变速箱壳体、进气岐管、4轮驱动传动箱

  宝马轮圈、齿轮箱盖、V8 引擎及托架

  奔驰座位架、汽缸头盖及轮圈

  宝时捷轮圈、进气岐管、曲轴箱体、齿轮箱、前盖及油泵箱

  在过去的20年里,汽车行业中用量每年以10-15%的速度增长,即用在美国普通汽车制造商戴姆勒-克莱斯勒公司,福特汽车公司和通用汽车(3,360磅)这些汽车上的范围在10-12磅。相交于260磅的塑料、280磅的铝和2,150磅钢/铸铁,这个含量十分的微小。那么为什么在汽车领域的用量如此之少呢?

  欧洲和美国的汽车制造商有不同的使用标准。在欧盟,减重是为了提高燃油效率,并减少排放量。而美国汽车中使用Mg有时被用来解决CAFÉ(美国的油耗及排放评定标准)的要求。欧洲的OEM公司也在其昂贵的车辆中使用,通过减轻前部的重量(将重心移到尾部)来提高驾驶性能。现在业内公认车辆上使用更多的有四个主要的技术挑战:1、 认为高压铸造(HPDC)成本太高,质量太差。2、一般腐蚀问题。 3、电偶腐蚀问题。4、将组件固定在铁结构上不是一个持久的过程。换句话说,推进在车辆上的应用要沿着这四大方向。

  成本/质量问题:高压压铸(HPDC)是汽车零件的主要生产工艺。在的完全计算成本(即合金+模具+部件制造+防腐蚀+紧固+车辆安装/组装+修理)低于现有材料/部件之前,的用量不会发生大的变化。HPDC组件的质量变化也是车辆工程师面临的问题。

  工程/制造方面的挑战:在应用中必须应对合金零件腐蚀的挑战。资源回收使用也是产业的主要挑战。

  一般腐蚀问题:现代HPDC合金与低碳钢具有几乎相同的普通耐腐蚀性(CR),与含2%Fe和2-4%Cu的HPDC Al相比,性能要好得多。较旧的合金在车辆环境中迅速腐蚀,因为它们含有的铜,铁和镍杂质的含量高,因此耐腐蚀性也相应差。对于大多数应用,HPDC合金的CR是足够的,不需要任何保护性处理。 然而,在某些特定条件下(如海洋环境),需要表面保护。

  凝固(相尺寸和浓度),孔隙率和材料质量的影响:富含杂质的相(即引起Mg腐蚀的相)和Mg17Al12 β相(更耐腐蚀的高Al相)的尺寸和分布对腐蚀有很大的影响。缓慢的固化和热处理都会增加沉淀物的尺寸和形状,并可能增加孔隙率和其他瑕疵,从而降低铸件的CR。HPDCs冷却快,结构较细,夹杂物较小,对杂质的耐受性比低几个数量级的砂铸件要高。有了足够的铝,HPDC中的Mg17Al12相会呈现出连续的网络结构并可提供保护性氧化层。但在慢速凝固的铸件中,β相均匀分散并且不提供表面覆盖或保护。

  电偶腐蚀是限制在车辆中使用的最紧迫的技术和经济问题之一。当与另一种金属电连接时,或浸入同一导电液体(电解液)中,就会产生电偶腐蚀。即当存在电化学电位差加上液体电解质时,电流可以从一个流向另一个。对于合金来说,这是一个严重的问题,必须应用设计上加以防范。在酸性水,含氯化物水或湿气凝结物的存在下,电偶腐蚀会变差; 去除金属连接或电解质也可消除腐蚀。

  通过电解液的电流是通过离子流来完成的。其中一种金属溶解在电解质中以提供离子; 这被称为阳极。不溶解的金属是阴极。由于其在电位序列中的位置,对于几乎所有其他金属而言,Mg是阳极的。一般来说,电化学电位差越大,腐蚀越大; 因此,铁对比铝更严重。裸金属接触就是这种情况。但情况更为复杂,有时在Mg部分和阴极上会形成保护膜,从而增加了电流的电阻并降低了腐蚀速率; 例如锡可被阴极极化以减少其他金属的侵蚀。

  另一种形式的电化学腐蚀是由于异种金属小颗粒的表面污染,造成的严重点蚀。这可能发生在含有二硫化钼和碳的模具润滑剂的铸造,锻造,挤压,轧制和冲压过程中,从模具上转移的铁颗粒,或喷丸介质中存在的重金属。酸洗溶液如果含有重金属盐,也会造成问题。

  电偶腐蚀最常见的来源是紧固件最有效的补救措施是选择兼容的接合材料并减少阴极表面积。可以通过大多数金属加工行业常用的键合,机械紧固和焊接方法来连接。但是为了消除或者减少电偶腐蚀,这些所有工艺都必须进行优化。考虑到的反应性和与其他金属不同的材料特性;工艺选择要基于考虑材料类型(铸造或锻造,裸露或涂覆等),合金和要连接的材料,操作环境(温度,湿度,盐度等)设计等。

  通过非HPDC制造扩大的应用

  非HPDC工艺方法:对于生产大型高质量汽车应用铸件,砂基工艺在成本,表面外观、表面光洁度、壁厚和尺寸公差方面与HPDC相竞争没有优势。砂基工艺目前被应用于生产昂贵的,低体积,高合金的航空航天铸件。但是对于大批量的汽车生产,则需要低成本版本。由于模具成本降低,在应用于大批量/低成本的汽车生产之前,这种工艺件应使用更容易,更快地成型工艺。介于HPDC需要大型机器,大而昂贵的金属模具和昂贵的控制装置,以及高压熔融金属快速填充模具,对于小批量生产(比如2万个单位)来说,快速成型工艺的成本应该比HPDC低。

  结构/性能控制:非HPDC工艺包括反重力/重力填充到半永久性砂模,重力/反重力/加压填充聚苯乙烯泡沫塑料模具和利用V型工艺。所有产品都以非常低(〜0)的温度梯度产生缓慢凝固的铸件。在没有晶粒细化的情况下,形成大的(〜5mm)不均匀的晶粒结构,其可能导致裂纹并由此降低产品的机械性能。HPDC铸件的热梯度非常高(〜104℃ / cm),冷冻速率也很高,而颗粒相应地小100-500倍。在砂铸件中,系统必须施加正温度梯度,例如使用高导热率的砂(钢粒,锆石等)或成形冷却器。此外,为了获得获得高机械性能所需的细粒结构,需要细化晶粒。低成本的晶粒细化剂可用于铝合金,但不适用于合金,特别是如果它们含有铝。此外,还需要开发不引入任何氧化物或潜在腐蚀/强度降低杂质的最合适的孕育剂引入方法(例如通过气体注入,模具涂覆,插入,模内接种等)。非HPDC铸件需要热处理来为汽车应用开发可行的机械性能产品。低成本程序,如流化床技术,对于以较低成本改进成本控制具有相当大的希望。

  铸造充填:熔融非常活泼。必须开发砂芯/模具添加剂和涂层,以产生光滑的铸造表面; 不会与熔体发生反应; 并在凝固后落砂而不破裂铸件。高质量结构铝铸件需要填充模具而不产生氧化诱导的紊流; 也是必需的。机械/电动泵送系统可以提供受控/缓慢的填充而不产生紊流,因此不会产生夹杂物。但是,在熔融中获得长的泵寿命需要新的材料和设计。填充没有缺陷的超大型薄壁铸件可能需要多个浇注口,可以依次填充。

  新技术 :需要发明适合于汽车应用的新合金,并且可以使用上述的非HPDC技术进行加工。改善性能的新方法可能包括含有大颗粒和纳米颗粒,纤维和复合预制件的复合材料。必须考虑熔融Mg相容性的问题,因为Mg将与几乎所有的非金属反应形成尖晶石并潜在地腐蚀反应产物。

  铸件行业的发展需要提高二级/回收金属的质量:目前在低浓度下经济地去除和定量检测非金属/气体包裹体的能力有限。所有加工过程都应确保所生产的铸件生产零排放,经生命周期分析证实。

  金属加工技术

  锻造技术为扩大在汽车行业的应用提供了重要的机会。冲压,挤压,锻造,制动/静液压成型,纺丝,拉伸成型,深拉伸,弯曲和超塑成型都是可能的。金属加工成本比HPDC更昂贵;然而,在所有领域,成本削减是可能的。而常规铸锭轧制的片比铝片要贵五倍,而新的连续铸造技术可能使价格降低至仅约为20%。

  的许多科学/技术问题,包括开发新的低成本合金,需要解决与钢和铝基锻造材料竞争。与大多数压缩强度大于拉伸的金属不同,的压缩比拉伸弱两倍。但是也表现出强烈的优选结构取向,具有广泛的孪生和在受力方向上的性质变化。这两个问题都需要独特的设计来补偿由制造工艺产生的不对称性质。更重要的是,由于Mg晶体结构是六方密闭的,室温变形性比钢和Al低得多,直到温度达到230°C(450°F)才有足够的延展性形成复杂的形状。

  板材生产和冲压工艺

  在二十世纪三十年代,陶氏化学公司表明,薄板产品可用于生产轻型拖拉机拖车。到了1942年,差不多有300T /月。AM503板材在德国被用来制造飞机。战后,价格上涨和低成本/改进的铝合金基本上取代了板在这些领域的应用;然而,大量的数据是可用的。

  低成本的片材生产

  目前从铸锭生产片的加工方法比铝更昂贵。双辊铸造方法有很大的前景,可以使板成为更具成本竞争力和可行的汽车材料。目前正在中国,韩国,德国,挪威和澳大利亚进行研究和开发。板材和汽车冲压技术需要大量的开发,只要价格合理,汽车冲压件可以看到广泛的应用。

  常规冲压

  合金成分,铸造结构和热机械加工是汽车板材和冲压的重要变量。的六方密堆晶体结构需要较高的加工温度(225℃),而铝或钢可在室温附近进行冲压。超细晶粒连铸板材可以热成型(90-150℃),从而大大降低加工成本。补偿的独特属性的工具设计需要开发,如用于卷边,内/外连接和润滑剂/涂层的规则,以改善冲压,拉拔和卷边成形。

  超塑成形(SPF)

  SPF可以制备外壳形状,而不需要传像统冲压件那样,在制备过程中承受不利的冲压载荷,高温度下拉伸,撕裂和开裂的问题。SPF需要独特的晶粒结构,温度和成型/变形工艺的开发。

  表面准备/保护

  由于滚压和冲压加工,冲压片材的表面可能涂覆有潜在的有害颗粒,并且需要仔细清洁片材。这将产生需要保护的活动表面。还需要开发涂层以改善其耐磨性。这些可能包括双面,共轧,粘合塑料层,光泽/金刚石硬涂层,无铬转化涂层或其他化学钝化涂层。

  挤压

  挤压件的汽车应用取决于合金支撑部件承受的应力的能力。Mg似乎在单轴拉伸和弯曲应力应用中提供了重量减轻的潜力,在这种情况下薄壁和部件横截面可以相应地扩大。 挤压的根本优势在于它比铸造零件具有更好的力学性能,断裂伸长率高达15%。大众研究人员指出,在动态轴向应力下,的能量吸收能力较低;动态横向和对角加载的差异较小。

  锻造

  锻件用于铸件性能变化太大或太弱的地方。由于高成本和有限的知识基础,锻造Mg部件只能应用在有限的汽车领域。高温锻造需要迫使金属进入模腔。由此产生的金属流动导致该部分沿着结晶学优选的方向,第二相粒子和晶粒轴应变方向排列。机械特性反映了这种不对称性,高于平行于流动方向,在横向低。锻造设计过程的一个重要部分是确保金属流动被引导到需要最大性能的地方。元件设计、锻造工艺、力学性能和应用负荷之间的强相互作用需要的发展。潜在的锻造应用包括转向节,控制臂和高强度车轮。

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