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镁合金

www.91jinshu.com   2017-03-08  来源:91金属  编辑部
摘要 镁合金的特点可满足于航空航天等高科技领域对轻质材料吸噪、减震、防辐射的要求,可大大改善飞行器的气体动力学性能和明显减轻结构重量。从20世纪40年代开始,镁合金首先在航空航天部门得到了优先应用。 在国外,B-36重型轰炸机每架用4086kg镁合金簿板;喷气式歼击机“洛克希德F-80”的机翼用镁板,使结构零件的数量从 47758个减少到16050个;“德热来奈”飞船的起动火箭“大力神”曾使用了600kg的变形镁合金;“季斯卡维列尔”卫星中使用了 675kg的变形镁合金;直径约1米的“维热尔”火箭壳体是用
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是地球上储量最丰富的轻金属元素之一,镁的比重是1.74g/cm3,只有的2/3、的2/5、钢的1/4;镁合金比铝合金轻36%、比合金轻73%、比钢轻77%。

镁具有比强度、比刚度高,导热导电性能好,并具有很好的电磁屏蔽、阻尼性、减振性、切削加工性以及加工成本低、加工能量仅为铝合金的70%和易于回收等优点。

镁合金的比强度高于铝合金和钢,略低于比强度最高的纤维增强塑料;比刚度与铝合金和钢相当,远高于纤维增强塑料;耐磨性能比低碳钢好得多,已超过压铸铝合金A380;减振性能、磁屏蔽性能远优于铝合金。

镁物理性能:除了比重低,镁还有很多其它的良好的物理特性,使之在汽车结构材料应用中,有时比铝和塑料更有应用价值。镁物理性能的主要优点是:比铝高30倍的减振性能; 比塑料高200倍的导热性能; 其热膨胀性能只有塑料的1/2。

镁机械性能:和压铸铝合金相比,镁除了上述物理性能等优点,还具有较高的机械性能。镁的强度和刚度要明显好于塑料,延伸率和冲击抗力则明显好于压铸铝合金。

镁加工性能:镁有很好的加工性能,也就是说有很好的铸造性能。和其它材料比,它的制造成本很低,值得重视的是,尽管每公斤镁锭的价格要比铝和铁贵一些,但它单位体积的成品价格几乎是一样的。镁的物理化学特性使其比铝更适合压铸大型部件。镁单位体积的熔化潜热只有铝的2/3,比热只有铝的3/4,并且有非常低的溶铁性。这些特性使镁压铸件达到和铝几乎相同的生产成本/每公斤。

镁合金与几种材料的性能比较:
 


性能参数
比重g/cm3
抗拉强度Mpa
比强度
屈服强度Mpa
延伸率%
弹性模量Gpa
比刚度
导热系数w/mk
减震系数
AZ91D
1.81
250
138
160
7
45
25.86
54
50
A380
2.70
315
116
160
3
71
25.9
100
5
碳钢
7.86
517
80
400
22
200
24.3
42
15
ABS
1.03
96
93
60
0.9

 

无论是国内还是国外,镁的应用主要集中在铝合金生产、压铸生产、炼钢脱硫三大领域,还有稀土合金、金属还原及其他领域。

由于镁的密度小,比强度高,并能与铝、、锌等金属构成高强度合金,因此,镁是重要的合金元素。世界上镁的最大消费领域是作铝合金添加元素。2002年世界主要地区原镁消费中,共用了 14.56万吨镁生产铝合金,占原镁消费总量的40%;我国2003年共用2.1万吨镁作为铝合金添加元素,占消费总量的41%。一般来说,镁与原铝的消费比率约为0.4%。

2002年世界主要地区原镁消费中,压铸占 35%。在镁压铸生产行业中,北美、拉美、西欧用量最多,因为汽车制造业促进了市场对镁需求量的增长。有关统计数字表明,在过去10年里,镁合金压铸件在汽车上的使用量上升了15%左右,而且这种发展趋势还会继续。

欧美、俄罗斯等地区和国家的不少钢厂都采用镁脱硫。2002年世界主要地区原镁消费中,5.73万吨用于炼钢脱硫,占总量的15.70%。我国2003年钢铁脱硫用镁8000吨,占总消费量的15.62%。使用镁粒的脱硫效果比碳化钙好,虽然镁的价格比碳化钙高,但其用量仅为碳化钙的1/6—1/7,镁脱硫总费用较碳化钙经济。一般来说,吨钢消耗镁粒0.4—0.5公斤,脱硫后含硫量0.001—0.005%。

使用镁牺牲阳极进行阴极保护,是一种有效的防止金属腐蚀的方法,镁牺牲阳极具有以下特点:防腐性能好、不需外加直流电源、安装后自动运行、不需维护、占地面积少、工程费用低、与外界环境不发生任何干扰。镁牺牲阳极广泛用于石油管道、天燃气、煤气管道和储罐;港口、船舶、海底管线、钻井平台;机场、停车场、桥梁、发电厂、市政建设、水处理厂、石化工厂、冶炼厂、加油站的腐蚀防护以及热水器、换热器、蒸发器、锅炉等设备。

在人体细胞内,镁是第二重要的阳离子,它能激活体内多种酶抑制神经异常兴奋性,维持核酸结构的稳定性,参与体内蛋白质的合成、肌肉收缩及体温调节。近代研究证实,动脉硬化、心脑血管病、高血压、糖尿病、白内障、妇女痛经、骨质疏松、抑郁症均与缺镁有关。镁在医药领域的应用越来越受重视。

  2003年中国原镁消费量(单位:万吨)

 

消费领域
铝合金
压铸
炼钢脱硫
稀土合金
金属还原
其它
合计
消费量
2.10
1.02
0.80
0.40
0.30
0.50
5.12
2002年世界主要地区的三大用镁行业的原镁用量(单位:吨)
用镁行业
北美
拉美
西欧
亚洲/大洋洲
非洲与中东
总量
占总消费量%
同比%
铝合金
56165
4899
42943
31984
9622
145613
40.00
1.96
压铸
60649
4972
43602
18215
365
127803
35.00
17.65
炼钢脱硫
27697
4650
21048
3650
340
57385
15.70
36.83

 

 

镁及镁合金的应用领域

镁合金作为密度最小的金属结构材料之一,广泛应用于航空航天工业、军工领域、交通领域(包括汽车工业、飞机工业、摩托车工业、自行车工业等)、3C领域等。

镁合金的特点可满足于航空航天等高科技领域对轻质材料吸噪、减震、防辐射的要求,可大大改善飞行器的气体动力学性能和明显减轻结构重量。从20世纪40年代开始,镁合金首先在航空航天部门得到了优先应用。

在国外,B-36重型轰炸机每架用4086kg镁合金簿板;喷气式歼击机“洛克希德F-80”的机翼用镁板,使结构零件的数量从 47758个减少到16050个;“德热来奈”飞船的起动火箭“大力神”曾使用了600kg的变形镁合金;“季斯卡维列尔”卫星中使用了 675kg的变形镁合金;直径约1米的“维热尔”火箭壳体是用镁合金挤压管材制造的。

我国的歼击机、轰炸机、直升机、运输机、民用机、机载雷达、地空导弹、运载火箭、人造卫星、飞船上均选用了镁合金构件:一个型号的飞机最多选用了300-400项镁合金构件;一个零件的重量最重近300kg;一个构件的最大尺寸达2m多。

在军工方面需要镁合金板材以提高结构件强度,减轻装备重量,提高武器命中率。目前国内需要的板带材不得不从国外进口。

近二十年来,世界汽车产量持续增长,年均增长率为2.5%。汽车工业发展程度是一个国家发达程度的重要标志之一,而金属材料是汽车工业发展的重要基础。出于节能与环保的要求,汽车设计专家们想方设法减轻汽车体重,以达到减少汽油消耗和废气排放量的双重效果。镁合金作为最轻的结构材料,能满足日益严格的节能的尾气排放的要求;可生产出重量轻、耗油少、环保型的新型汽车。镁合金汽车零件的好处可简单归纳为:

密度小,可减轻整车重量,间接减少燃油消耗量; 镁的比强度高于铝合金和钢,比刚度接近铝合金和钢,能够承受一定的负荷;

镁具有良好的铸造性和尺寸稳定性,容易加工,废品率低;

镁具有良好的阻尼系数,减振量大于铝合金和铸铁,用于壳体可降低噪声,用于座椅、轮圈可以减少振动,提高汽车的安全性和舒适性。

镁合金在汽车上用作零部件的历史约有70年。早在1930年就用于一辆赛车上的活塞和欧宝汽车上的油泵箱,之后用量和应用部位逐渐增加。六十年代在有的车种上用量达到23千克,主要用作阀门壳、空气清洁箱、制动器、离合器、踏板架等。八十年代初,由于采用新工艺,严格限制了铁、铜、等杂质元素的含量,镁合金的耐蚀性得到了解决,同时,成本下降又大大促进了镁合金在汽车上的应用。从九十年代开始,欧美、日本、韩国的汽车商都逐渐开始把镁合金用于许多汽车零件上。

镁合金压铸件在汽车上的应用已经显示出长期的增长态势。在过去十年里,其年增长速度超过15%。在欧洲,已经有300种不同的镁制部件用于组装汽车,每辆欧洲生产的汽车上平均使用2.5kg镁。乐观的估计认为,出于减重的需求,每辆汽车对镁的需求将提高至70—120kg。

目前,汽车仪表、座位架、方向操纵系统部件、引擎盖、变速箱、进气歧管、轮毂、发动机和安全部件上都有镁合金压铸产品的应用。

 
世界汽车工业用镁合金压铸件的统计(单位:万吨)数据来源:IMA
 
地区
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
北美
1.23
1.72
2.02
2.60
3.63
4.75
5.16
5.93
6.82
7.85
欧洲
0.63
0.64
0.54
0.64
0.74
1.06
1.34
1.68
2.20
2.61
日本
0.15
0.14
0.18
0.30
0.50
0.68
0.91
1.23
1.66
2.24
其它
0.50
0.49
0.50
0.50
0.52
0.54
0.56
0.60
0.66
0.73
合计
2.51
2.99
3.24
4.04
5.39
7.03
7.97
9.44
11.34
13.43

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