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鎂合金是目前工程應(yīng)用中重量輕的工程金屬材料,具有比重輕、導(dǎo)熱性好、電磁屏蔽能力強(qiáng)、易于回收等特點(diǎn),被認(rèn)為是21世紀(jì)富于開發(fā)和應(yīng)用潛力的“綠色材料”,目前已在汽車電子、航天、通訊等行業(yè)得到了應(yīng)用。
一、鎂合金材料優(yōu)點(diǎn)
1、重量輕
鎂合金作為一種輕質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)材料,其密度為鋁的2/3、鋼的1/4;在同等剛性條件下,1Kg鎂合金的堅(jiān)固度等于18Kg鋁和2.1Kg鋼,這一特性對于現(xiàn)代手提類產(chǎn)品的重量減輕及車輛能耗減少有重要意義。
2、吸震性能高
鎂有極好的滯彈吸震性能,可吸收震動與噪音。在相同載荷下,其減振性是鋁的100倍、鈦合金的300~500倍,抗沖擊性是塑料的20倍。用于設(shè)備機(jī)殼可減少噪音傳遞、提高防沖擊與防凹陷能力。
3、切削性能良好
鎂有良好的切削性能,能接受較高的切削速度,可減少切削加工時(shí)間,延長刀具使用壽命;有優(yōu)良的表面光潔度,并可一次切削獲得,極少出現(xiàn)積屑瘤;有良好的斷屑特性及溫度傳導(dǎo)性,可免于使用冷卻液或潤滑液。
4、再生性
廢舊鎂合金鑄件可再熔化作為AZ91D、AM50或AM60的二次材料進(jìn)行鑄造。由于壓鑄件的需求不斷增長,可回收的能力是非常重要的,也更符合環(huán)保要求。
二、鎂合金材料在筆電中的應(yīng)用
筆記本電腦(以15寸筆電為例)常用鎂合金與鋁合金的對比:
目前在輕量化要求下,輕薄筆電結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品主厚都在0.5~0.6mm,傳統(tǒng)壓鑄工藝已不能滿足要求,因此筆電鎂合金薄壁件加工主要采用半固態(tài)射出成型,及少量的沖壓成型。
下面我們來了解一下,鎂合金成型技術(shù)。
三、鎂合金的成型技術(shù)
根據(jù)成型工藝的不同,鎂合金材料主要分為鑄造鎂合金和變形鎂合金兩大類。前者主要通過鑄造獲得鎂合金產(chǎn)品。包括砂型鑄造、永久型鑄造、熔模鑄造、消失模鑄造、壓鑄等。其中壓鑄是最成熟、應(yīng)用最廣的技術(shù),目前90%以上的鎂合金產(chǎn)品是壓鑄成形的。。而后者則是通過變形生產(chǎn)尺寸多樣的板、棒、管、型材及鍛件產(chǎn)品。并且可以通過材料組織的控制和熱處理工藝的應(yīng)用,獲得更高的強(qiáng)度、更好的延展性、更好的力學(xué)性能,從而滿足更多結(jié)構(gòu)件的需要。另外,鎂合金的半固態(tài)成型作為一種新型鑄造技術(shù)也得到了廣泛的研究與應(yīng)用。
目前采用較多的鎂合金成型方法和主要工藝如下表所示:
目前在輕量化要求下,輕薄筆電結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品主厚都在0.5~0.6mm,傳統(tǒng)壓鑄工藝已不能滿足要求,因此筆電鎂合金薄壁件加工主要采用半固態(tài)射出成型,及少量的沖壓成型。
下面我們來了解一下,鎂合金成型技術(shù)。
三、鎂合金的成型技術(shù)
根據(jù)成型工藝的不同,鎂合金材料主要分為鑄造鎂合金和變形鎂合金兩大類。前者主要通過鑄造獲得鎂合金產(chǎn)品。包括砂型鑄造、永久型鑄造、熔模鑄造、消失模鑄造、壓鑄等。其中壓鑄是最成熟、應(yīng)用最廣的技術(shù),目前90%以上的鎂合金產(chǎn)品是壓鑄成形的。。而后者則是通過變形生產(chǎn)尺寸多樣的板、棒、管、型材及鍛件產(chǎn)品。并且可以通過材料組織的控制和熱處理工藝的應(yīng)用,獲得更高的強(qiáng)度、更好的延展性、更好的力學(xué)性能,從而滿足更多結(jié)構(gòu)件的需要。另外,鎂合金的半固態(tài)成型作為一種新型鑄造技術(shù)也得到了廣泛的研究與應(yīng)用。
目前采用較多的鎂合金成型方法和主要工藝如下表所示:
另外,1)熔模鑄造是目前國際上較為先進(jìn)的鑄造技術(shù)之一,熔模鑄造從原理上講適合于制備小體積高精密的鑄件,目前它已用于生產(chǎn)鋁合金甚至鎳基超合金。2)消失模鑄造是一種近無余量、精確成型的新型鑄造技術(shù),鎂合金的消失模鑄造具有較巨大的應(yīng)用前景。
五、變形鎂合金成型技術(shù)介紹
變形鎂合金不同于鑄造鎂合金的液態(tài)成形,而是通過在300℃—500℃溫度范圍內(nèi)擠壓、軋制、鍛造的方法固態(tài)成形。由于變形加工消除了鑄造組織缺陷及細(xì)化了晶粒,故與鑄造鎂合金相比,變形鎂合金具有更高的強(qiáng)度、更好的延展性和更好的力學(xué)性能,同時(shí)生產(chǎn)成本更低。
目前鎂合金的塑性成形過程主要為鍛造和擠壓,少量為軋制成形,且均需采用熱加工方式。因此,變形溫度是重要參數(shù),同時(shí)變形速率和應(yīng)力狀態(tài)也是重要的考慮因素。
1)鍛壓成形:鎂合金鍛造性能取決于3個(gè)因素:合金的凝固溫度、變形速率及晶粒大小。為了保證良好的加工性能必須采用具有可鍛性的AZ和ZK系鎂合金坯料或坯棒。這兩系合金可通過添加晶粒細(xì)化劑和合金元素得到滿意的晶粒尺寸。但鑄造組織的晶粒度一般不符合鍛造要求,須先將鑄錠加以擠壓,得到鍛造所需晶粒尺寸,再以高變速率鍛造成形。鎂合金在其固相線溫度以下55℃范圍內(nèi)進(jìn)行鍛造,鍛造溫度過低可能形成裂紋。液壓機(jī)和低速機(jī)械壓力機(jī)是其模鍛的常用設(shè)備。
2)擠壓成形:鎂合金可以擠壓成各種管材、棒材和型材。包括帶凹角和暗槽的型材,大直徑和變截面厚度的薄壁管等難加工的產(chǎn)品。擠壓材料也是AZ和ZK系鎂合金,溫度一般控制在300℃—460℃之間,具體溫度的選擇還和特定的合金牌號和擠壓形狀有關(guān)。因?yàn)殒V在變形過程中會產(chǎn)生大量熱,所以擠壓過程中必須充分冷卻,否則合金溫度可能超過固相線溫度而導(dǎo)致開裂。
3)軋制成形:鑄造成平面形狀且有圓形邊緣的鎂錠可以用來進(jìn)行厚板和薄板的軋制。一般鎂合金厚板厚度范圍為11.0mm—70mm,薄板厚度為0.8mm—10mm。鎂合金的冷軋性能不佳,一般厚板可以在熱軋機(jī)上直接生產(chǎn),而薄板一般采用冷軋和溫軋兩種方式生產(chǎn)。
超塑性變形
另外, 超塑性是指晶體材料在拉伸時(shí)表現(xiàn)出大的應(yīng)變。金屬及合金在一定條件下的流變應(yīng)力應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m大于0.3,表現(xiàn)出特大伸長率(200%~3000%)的性能稱為超塑性。鎂合金的室溫變形能力低,但是在超塑性狀態(tài)下卻有很高的塑性,可利用超塑性加工形狀復(fù)雜的零件與模鍛件。
超塑性加工鎂合金產(chǎn)品的主要有以下優(yōu)點(diǎn):
1、成品率高:成品率可達(dá)90%以上,且產(chǎn)品表面缺陷少,可減少后續(xù)工序與生產(chǎn)成本。例如,日本用不同方法生產(chǎn)鎂合金筆記本電腦外殼,壓鑄法的成品率在70%左右,而超塑性成形法的可達(dá)91%。
2、產(chǎn)品厚度薄:用超塑性工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品,厚度比壓鑄件及半固態(tài)壓鑄件產(chǎn)品要薄很多。例如用超塑沖壓鍛造生產(chǎn)的鎂合金工件其厚度可達(dá)0.4mm,而壓鑄件及半固態(tài)壓鑄件的大多在0.8mm以上。
3、形狀復(fù)雜、變形量大的工件可一次成型,并具有流動性高,填充性好、加工設(shè)備工作推力小等特點(diǎn)。
4、產(chǎn)品成形時(shí)不產(chǎn)生彈性變形,成形后幾乎不會發(fā)生回彈,工件尺寸精確,表面粗糙度也小。
鎂合金超塑性成型在提出伊始就引起了很多企業(yè)的關(guān)注,一些具備條件的企業(yè)已經(jīng)開始著手相關(guān)設(shè)備的研發(fā)并成功試樣。估計(jì)再過不久,待設(shè)備和技術(shù)都成熟了,鎂合金超塑性產(chǎn)品會在多個(gè)行業(yè)發(fā)揮重要作用。
六、鎂合金半固態(tài)射出成型技術(shù)介紹
成型原理:在室溫條件下,顆粒狀的鎂合金原料由料斗強(qiáng)制輸送到料筒中,料筒中旋轉(zhuǎn)的螺桿使合金顆粒向模具運(yùn)動,當(dāng)其通過料筒的加熱部位時(shí),合金顆粒呈現(xiàn)半固態(tài),在螺旋體剪切作用下,呈半固體的枝晶組織的合金轉(zhuǎn)變成顆粒狀初生相組織,當(dāng)累計(jì)到預(yù)定體積時(shí),以高速5m/s將其壓入到預(yù)熱模具中成型,目前廣泛應(yīng)用于筆電外觀件。
工藝流程:半固態(tài)射出成型由塑膠射出成型衍生應(yīng)用在金屬的成型制程,其工藝流程:噴涂脫模劑→合模→射出→成型→取出成型件。根據(jù)工藝流程的不同,半固態(tài)成形通常分為流變鑄造(Rheocasting)和觸變鑄造(Thixocasting)兩類:流變鑄造是對冷卻過程中的金屬液進(jìn)行攪動,將形成的固相枝晶破碎,形成一定固相分?jǐn)?shù)的半固態(tài)金屬漿料,然后將漿料注入壓鑄機(jī)或擠壓機(jī)內(nèi)成形(俗稱“一步法”);而觸變鑄造是先由連鑄等方法制得具有半固態(tài)金屬組織的錠坯,然后切成所需長度,用二次加熱裝置再加熱到半固態(tài)狀態(tài),最后移送至壓鑄機(jī)等再壓鑄或擠壓成形(俗稱“兩步法”)。
工藝優(yōu)勢:筆電外殼采用半固態(tài)射出成型產(chǎn)品具有組織均勻,無縮孔縮松缺陷等優(yōu)勢,其綜合力學(xué)性能與鍛件相近,高于傳統(tǒng)壓鑄件,通過半固態(tài)成型技術(shù)增加強(qiáng)鎂鋁合金等輕合金的力學(xué)性能。
與壓鑄比較,半固態(tài)射出成型有如下優(yōu)勢:
1)成品含孔率低,機(jī)械性能提升高;
2)良好的尺寸精度,尺寸穩(wěn)定性好;
3)模具成型壁厚比L/D高,可成型薄壁件;
4)模具設(shè)計(jì)快速,適合3C電子產(chǎn)品開模;
5)精密復(fù)雜產(chǎn)品均可一體成型;
6)收縮小,操作溫度低,模具壽命長;
7)湯餅,流道,溢流槽等廢料少;
8)制程控制較易,品質(zhì)穩(wěn)定,良率高;
9)凝固時(shí)間縮短,可以降低成型環(huán)境;
10)無需熔爐,員工操作安全、簡單。
七、存在的問題及前景展望
近年來,鎂合金應(yīng)用逐年提高,但一些尚待解決的問題使得鎂合金的廣泛生產(chǎn)受到限制。表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:鎂的化學(xué)活性很強(qiáng),在空氣中易氧化,在高溫情況下可以發(fā)生燃燒,因此熔煉過程中須采用復(fù)雜的保護(hù)措施。工業(yè)中主要采用熔劑保護(hù)法和氣體保護(hù)法。熔劑保護(hù)法最大缺點(diǎn)是反應(yīng)過程中產(chǎn)生的有害氣體嚴(yán)重污染環(huán)境并損害人體健康;而氣體保護(hù)法中經(jīng)常采用且具有良好保護(hù)效果的SF6氣體,但其溫室效應(yīng)是CO2的23500倍;鎂常溫下成形性差,目前工業(yè)上應(yīng)用的多為鎂合金壓鑄件,限制了其它成形方法的運(yùn)用;鎂合金沒有像鋁合金那樣大規(guī)模使用的另一個(gè)原因是其耐蝕性差,采用表面防護(hù)又增加了其生產(chǎn)成本。
鑒于以上問題,鎂合金研究集中在以下幾個(gè)方面:無污染熔煉技術(shù);開發(fā)和改善鎂合金的成形工藝;進(jìn)一步研究鎂合金的表面處理技術(shù),改善其外觀和耐蝕性以及高強(qiáng)韌鎂合金和耐熱鎂合金的研究。