中國科學(xué)院金屬研究所 劉 正 王中光
沈陽工業(yè)大學(xué) 王 越 李 峰 韓行林
歐洲鎂合金協(xié)會駐德國阿侖壓力鑄造研究所 Fr iendrich K le in
目前, 汽車工業(yè)壓鑄鎂合金用量較多的地區(qū)和國家主要是北美、歐洲、日本和南朝鮮。這些地區(qū)和國家的壓鑄鎂合金用量近年急劇增加。例如, 1991年壓鑄鎂合金的用量僅為2. 4萬噸, 到1997年則增至6. 4萬噸, 而且其中80%的壓鑄鎂合金用于生產(chǎn)汽車零部件。據(jù)預(yù)測,這些地區(qū)和國家由汽車工業(yè)拉動的鎂合金需求量還將持續(xù)增長。
1 鎂合金應(yīng)用的現(xiàn)代社會效益
汽車質(zhì)量大小對其能量的消耗有著重要的影響, 質(zhì)量每降低100 kg, 油耗可減少0. 7 L。鎂的密度只有1. 74 g /cm3, 因此以鎂為基的鎂合金比鋁合金約輕36%, 比鋅合金約輕73% , 比鋼約輕77%。在目前所用金屬材料中, 鎂合金堪稱是最輕的金屬材料。用鎂合金制作汽車結(jié)構(gòu)件以減輕質(zhì)量的嘗試持續(xù)了近70年, 但汽車減重的呼聲從未像現(xiàn)在這般強烈。近來, 歐共體向歐洲的汽車廠家建議, 到2005年汽車廢氣中的CO 2 含量應(yīng)由現(xiàn)在的每公里183 g 降至120 g,也就是要求汽油發(fā)動機(jī)百公里耗油不超過6 L, 柴油發(fā)動機(jī)百公里耗油不超過5. 3 L。當(dāng)然, 人們可從燃料管理系統(tǒng)等途徑尋求解決的方法, 但在這些方法中, 汽車輕量化的努力將舉足輕重, 而鎂合金無疑將會扮演極為重要的角色。
在物體形狀一定的情況下, 固體彈性區(qū)域內(nèi)的靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系決定于物體的楊氏模量(E ), 而動態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系, 即激振力-振動振幅關(guān)系, 特別是在共振狀態(tài)下, 則隨衰減而有很大變化。因此即使鎂合金的楊氏模量值很低(E= 45 GP a), 但卻不失為一種優(yōu)良的減震材料。例如, 在35M P a 應(yīng)力水平下, 鎂合金A Z91D 的衰減系數(shù)為25%, 鋁合金A 380(E= 71 G Pa)只有1%; 在100M P a應(yīng)力水平下, 鎂合金A Z91D 的衰減系數(shù)上升為53% (AM 60為72%, A S41為70% ), 而鋁合金A 380也只達(dá)到4% 。顯然, 應(yīng)用鎂合金材料作為汽車結(jié)構(gòu)件, 非常有利于減輕汽車運行中噪聲和震動的影響。例如, 現(xiàn)在越來越多的汽車, 特別是安裝安全汽袋的汽車都開始改用鎂合金方向盤。文獻(xiàn)認(rèn)為, 這既可使質(zhì)量減輕, 又可降低路面和控制系統(tǒng)的震動, 同時發(fā)生意外時, 鎂合金方向盤可吸收更多能量, 保證駕駛員安全。
2 壓鑄鎂合金成分、性能及其研究進(jìn)展
常用的壓鑄鎂合金大多是美國牌號AZ 91, AM 60,AM 50, AM 20, A S41和A E 42, 分別屬于M g-A l-Zn,M g-A l-M n, M g-A l-S i和M g-A l-RE 系, 其化學(xué)成分如表1所示。其中, A Z91合金含鋁的成分最高, 強度也最高, 但塑性最低; AM 20合金含有鋁的成分最低, 強度也最低, 但塑性最高; AM 60, AM 50, A S 41和A E 42合金的常規(guī)力學(xué)性能適中, 但A S41, A E 42合金具有較好的抗高溫蠕變性能, 如表2[ 6]所示。A Z91合金中, 含有Fe,N i , C u等雜質(zhì)元素較少的AZ 91D 和含稀土的A E 42,具有比其它合金以及鋁合金A 380還好的耐蝕性能,如圖1所示。
對鎂合金疲勞性能的研究結(jié)果表明, T 6狀態(tài)的砂型鑄造鎂合金A Z91E 具有循環(huán)疲勞強化的現(xiàn)象, 其循環(huán)應(yīng)變下的屈服強度( 180M Pa)比靜拉伸時的屈服強度( 142M Pa)高25% [8 ]; 壓力鑄造鎂合金A Z91D 在T 6狀態(tài)時的疲勞斷裂韌度Δkf 值隨反映加載形式的R 值(P m in /Pm ax )及交變頻率的增加而提高, 并且在T 4固溶狀態(tài)時, Δk f 值比F和T 6時高50% [9 ]。文獻(xiàn)雖然提供了一些有意義的疲勞數(shù)據(jù), 但未見到有關(guān)應(yīng)變控制疲勞壽命的研究。
表1 常用壓鑄鎂合金的化學(xué)成分
Table1 Chem ical compostion of commonly used die-cast ingmagnes ium alloys
表2 常用壓鑄鎂合金的力學(xué)性能
Table2 Mechan ical propert ie s of commonly used die-cast ingmagnes ium alloys
注: ( 1)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞5× 107次( 2) 175℃, 35M P a, 100 h的伸長率( 3) 149℃, 100 h 產(chǎn)生0. 5%伸長率的應(yīng)力
在一定條件下鎂合金還會表現(xiàn)出某些特殊的性能。例如, 以鎂合金為基體S iC 增強復(fù)合材料的力學(xué)性能得到明顯改善; 鎂合金A Z91D 經(jīng)過等通道角擠壓可獲得約1 μm 的微小的晶粒尺寸, 并在473 K 即0. 5Tm 低溫顯示661% 伸長率的明顯超塑性。
3 鎂合金壓鑄工藝及其特點
據(jù)文獻(xiàn)[14]報道, 現(xiàn)在世界工程構(gòu)件鎂合金需求的98%來自于壓鑄行業(yè), 而其中的絕大多數(shù)又用于汽車工業(yè), 因此鎂合金的壓鑄工藝性能對其在工業(yè)中應(yīng)用的發(fā)展起著決定性的作用。事實證明, 鎂合金是一種非常適合于壓鑄的金屬材料, 既可冷室又可熱室壓鑄, 鎂合金壓鑄件壁厚目前已能夠達(dá)到1. 0～ 2. 0mm 的技術(shù)水平, 其產(chǎn)品的主要優(yōu)點是質(zhì)量好, 效率高, 加工成本低。
表3列出了鎂合金的主要物理性能。與鋁合金相比, 鎂合金具有較低的密度、熔點、動力學(xué)粘度、比熱容和相變潛熱。鑒于鎂合金的密度低, 因此若對應(yīng)一個一定質(zhì)量的鋅合金零件, 用相同質(zhì)量的材料可生產(chǎn)2. 5個同樣尺寸的鋁合金零件、3. 75個鎂合金零件; 鑒于鎂合金的動力學(xué)粘度低, 相同流體狀態(tài)(雷諾指數(shù)相等)下的充型速度遠(yuǎn)大于鋁合金; 加之鎂合金熔點、比熱容和相變潛熱均比鋁合金低, 故其熔化耗能少, 凝固速度快, 鎂合金實際壓鑄周期可比鋁合金短50%。此外, 鎂合金與鐵的親和力小, 固溶鐵的能力低, 因而不容易粘連模具表面, 其所用模具壽命比鋁合金高2～ 3倍。進(jìn)一步的研究結(jié)果還表明, 鎂合金的加工(磨、鉆)能量僅為鋁合金的70%, 如圖2所示。
Table3 Physical proper ties of magnesium and its alloys
注: 數(shù)據(jù)來自H ydro M agn esium D atenb lat t, 其中, 密度、比熱容和熱導(dǎo)率均為20℃時的測試值, 粘度為650℃時測試值。
4 壓鑄鎂合金產(chǎn)品開發(fā)及其發(fā)展?jié)摿?/p>
表4是1997年世界上鎂合金用量最大的10個汽車生產(chǎn)廠家的鎂合金用量[ 15]。據(jù)估計, 到2002年將由表中所示的45 150 t增至88 600 t。目前在汽車工業(yè)中
表4 1997年世界上鎂合金用量最大的10個汽車公司
Table4 Themagnes ium alloys in greatest amount used for ten companies in theworld in 1997
鎂合金用量最多的地區(qū)是北美, 但歐洲緊追其后, 年發(fā)展速度已達(dá)60% (北美為30% , 世界平均為15% ), 其目標(biāo)是造出百公里耗油3 L 的轎車, 預(yù)計至2000年鎂合金用量就會達(dá)到與北美相同水平。
鎂合金應(yīng)用的發(fā)展需要有相應(yīng)的經(jīng)驗、知識和研究為基礎(chǔ), 需要工廠、研究部門和政府的配合。繼國際鎂合金協(xié)會之后, 1996年成立了歐洲鎂合金協(xié)會, 并規(guī)定每年9至10月召開一次鎂合金在汽車工業(yè)中應(yīng)用的學(xué)術(shù)會議和產(chǎn)品博覽會; 同年德國巴登符騰堡州投資2 400萬馬克, 由阿侖專科工業(yè)大學(xué)、慕尼黑工業(yè)大學(xué)、杜易斯堡大學(xué)和多特蒙特大學(xué)以及大眾汽車公司等57家工廠展開了代號為M AD ICA (M ag ne sium D ie C ast ing )的聯(lián)合攻關(guān)項目, 內(nèi)容包括模具制造、高壓鑄造、半固態(tài)成形、焊接、機(jī)械加工、表面處理以及廢品回收, 目的是保
證德國汽車工業(yè)在今后很長一段時間內(nèi)繼續(xù)處于領(lǐng)先地位。
5 鎂合金觀念誤區(qū)及其未來發(fā)展方向
鎂合金用于交通工具雖然有70多年的發(fā)展史, 但其應(yīng)用大多是在北美和歐洲, 且其用量也不像鋁合金那樣大。在中國, 鎂的產(chǎn)量遠(yuǎn)大于消費量, 例如1996年產(chǎn)量為4. 5～ 5萬噸, 消費量僅為1. 4～ 1. 5萬噸, 汽車上使用鎂合金壓鑄件只限于桑塔納轎車的變速箱殼體、殼蓋及離合器外殼。
5. 1 鎂合金汽車零件的經(jīng)濟(jì)性
目前鎂合金的單位質(zhì)量價格比鋁合金的貴, 但由于鎂合金密度小, 相同體積的汽車零件, 鎂合金用量只是鋁合金的三分之二, 因此用單位體積價格而不是單位質(zhì)量價格來衡量鎂合金汽車零件的材料成本更為合適。文獻(xiàn)認(rèn)為, 同等強度的鎂合金制品每千克耗電為35. 7 kW· h, 鋁合金制品每千克耗電則為41. 1 kW·h, 單位體積鎂合金比鋁合金價格便宜10%～ 20%, 而質(zhì)量小25%～ 30% 。實際上, 鎂合金汽車零件成本中還應(yīng)包括材料的加工成本, 在這一頂目中用于壓鑄材料的模具所占的比例最大, 由于用于壓鑄鎂合金的模具使用壽命是鋁合金的2～ 3倍, 因此其工藝成本比鋁合金明顯低。此外, 應(yīng)用鎂合金汽車零件的經(jīng)濟(jì)性還與鎂合金的生產(chǎn)、加工、使用和回收的各個環(huán)節(jié)相關(guān)。例如, 鎂合金的回收比其生產(chǎn)要容易的多, 也比鋁合金回收所消耗的能量少。
5. 2 鎂合金汽車零件的性能
鎂合金的性能指標(biāo)是指其標(biāo)準(zhǔn)試樣在一定的條件下所測得的性能參數(shù), 如抗拉強度、屈服強度、布氏硬度、伸長率和沖擊韌度等, 這些參數(shù)對鎂合金汽車零件的設(shè)計與應(yīng)用只具有參考價值, 而不是鎂合金汽車零件的實際使用性能。鎂合金汽車零件的實際使用性能不但與這些性能參數(shù)有關(guān), 而且還與其尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)有關(guān), 即與實現(xiàn)所要求尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)的設(shè)計與工藝方法有關(guān)。例如, 由于鎂合金的比強度高, 鎂合金結(jié)構(gòu)件可通過增加其截面厚度來提高其性能。另一方面, 由于鎂合金的壓鑄充型性能好, 壁厚最薄可至1. 0～ 2. 0mm(鋁合金可至2. 5～ 3. 5mm ), 因此其實際的強化常采用薄壁+ 加強筋+ 凸緣的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法, 這比單純增加截面厚度的方法更合算。由此可見, 鎂合金的開發(fā)、設(shè)計和使用應(yīng)當(dāng)是模具設(shè)計、壓鑄工藝、性能測試和汽車廠各個環(huán)節(jié)密切配合的系統(tǒng)工程, 這也是歐洲MA D ICA項目執(zhí)行的基本設(shè)想。
未來5年內(nèi)世界上將要加快發(fā)展鎂合金汽車零件, 如儀表盤, 坐椅框架、變速箱殼、舵桿件、氣缸蓋、吸入分支管、門框、大的車體外部件、發(fā)動機(jī)箱體、支撐柱等。顯然, 在世界性的汽車輕量化發(fā)展中, 中國汽車工業(yè)也不會僅僅是拭目以待, 到2000年中國將生產(chǎn)鎂合金的方向盤芯、汽缸蓋、離合器及剎車的踏板支架等。