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六氟化硫(SF6)與鎂合金的技術、市場與應用

 九十年代以來,在全球范圍內,鎂作為一種迅速崛起的工程金屬材料,每年以超過15%的速率保持高速增長,增長速度遠遠高于鋁、銅、鋅、鎳以及鋼鐵,這種增長速度在近代工程金屬材料的應用中是前所未有的。以鎂合金壓鑄件為例,根據國際鎂協會(International Magnesium Association)和HydroMagnesium的估計,1991年,在全球鎂合金壓鑄件中,鎂的應用已達到24000t。此后每年以15%—20%的速率穩步增長,及至1997年,已達64 000t。2000年突破100 000t大關。到2008年,可能增加到240000t規模,其中80%是汽車工業的應用。
1 鑄造鎂合金的應用
1.1 鎂合金在航空航天領域的應用
就航空材料而言,結構減重和結構承載與功能一體化是飛機機體結構材料發展的重要方向。鎂由于其低密度、高比強度的特性使得其很早就在航空工業上得到應用。航空材料減重帶來的經濟效益和性能的改善十分顯著,商用飛機與汽車減重相同重量帶來的燃油費用節省,前者是后者的近100倍。而戰斗機的燃油費用節省又是商用飛機的近10倍,更重要的是其機動性能改善可以極大提高其戰斗力和生存能力。正因為如此,航空工業才會采取各種措施增加鎂合金的用量。
1.2 鎂合金在軍事領域的應用
鎂合金重量輕、比強度和剛度好、減振性能好、電磁干擾屏蔽能力強等特點能滿足軍工產品對減重、吸噪、減震、防輻射的要求。
1.3 鎂合金在汽車領域的應用
鎂合金用作汽車零部件通常表現為以下優點:
1)提高燃油經濟性綜合標準,降低廢氣排放和燃油成本,據測算,汽車所用燃料的60%消耗于汽車自重,汽車每減重10%,耗油將減少8%-10%;
2)重量減輕可以增加車輛的裝載能力和有效載荷,同時還可改善剎車和加速性能;
3)可以極大改善車輛的噪音、振動現象。
1.4 鎂合金在摩托車領域的應用
50多年來,經過不斷的技術革新,鎂合金在摩托車上的應用也不斷在廣度和深度上進行擴展,應用車型從賽車擴展到運動型摩托、輕便型摩托、概念型摩托,覆蓋歐美日十幾種主要摩托車品牌,鎂合金應用部件涵蓋動力系統,傳動系統以及各種摩托車附件四十余種,其中僅英國的Dymay輪轂就應用多達400種車型。國內摩托車鎂合金的應用目前尚屬空白,重慶隆鑫率先試制出型號為LXl50的“鎂合金綠色概念摩托車”,在國內引起了廣泛的關注,所采用的12個零部件如今已有3個實現了規?;a。
1.5 鎂合金在計算機類、通訊類、消費類電子產品領域的應用
3C產品——Computer,Communication,Consum·erElectronicProduct(計算機類、通訊類、消費類電子產品)是當今全球發展最快的產業,數字化技術導致了各類數字化產品的不斷涌現。鎂合金3C產品最早出現于日本,1998年,日本廠商開始在各種可攜式商品(如PDA.手機等)采用鎂合金材質,如今運用鎂合金最普遍的3C產品是筆記本電腦,也是由日本Sony公司率先推出的。在3C產品朝著輕、薄、短、小方向發展趨勢的推動下,近年來鎂合金的應用得到了持續增長。
2 鑄造鎂合金的熔煉技術
2.1 鑄造鎂合金液的阻燃技術
2.1.1 熔劑保護法
利用低熔點的化合物在較低的溫度下熔化成液態,在鎂合金液面鋪開,因阻止鎂液與空氣接觸從而起到保護作用?,F在普遍使用的熔劑由無水光鹵石(MgCI2—KC)為主,添加一些氟化物、氯化物組成。該劑使用較方便,生產成本低,保護使用效果好,適合于中小企業的生產特點。但是,該劑使用前要重新脫水,使用時會釋放出嗆人的氣味。由于熔劑的密度較大會逐漸下沉,需要不斷添加。使用過程中釋放出大量有害氣體,污染環境、腐蝕廠房嚴重。因此,研究新型的覆蓋、精煉效果好且無公害的鎂合金熔劑是一項重要課題。
2.1.2氣體保護法
氣體保護法是在鎂合金液的表面覆蓋一層惰性氣體或者能與鎂反應生成致密氧化膜的氣體,從而隔絕空氣中的氧,采用的主要保護氣體是六氟化硫SF6、二氧化硫S02、二氧化碳CO2、氬氣Ar、氮氣N2等。為了進一步提高保護作用和減少較貴的六氟化硫SF6氣體的用量,國外一般在六氟化硫SF6氣體中混合空氣或其他干燥氣體如一氧化碳CO:混合氣體保護效果好,但是存在以下問題:
1)污染環境,六氟化硫SF6會產生二氧化硫S02、四氟化硫SF4等有毒氣體,六氟化硫SF6對全球變的作用是二氧化碳CO2的24900倍;
2)設備復雜,需要復雜的混氣裝置和密封裝置;
3)腐蝕設備,顯著降低坩堝使用壽命。
2.1.3 合金化法
過去人們采用在鎂合金中添加鈹元素來提高鎂合金的阻燃性能,但鈹的毒性較大,且加入量過高會引起晶粒粗化和增加熱裂傾向,因此受到添加量的限制。日本學者研究認為,添加一定量的鈣能明顯提高鎂合金的著火點溫度,但是存在著加入量過高,且嚴重惡化鎂合金的力學性能。同時加入鈣和鋯具有阻燃效果。國內研究認為,在鎂合金AZ91D中加入稀土鈰可有效提高鎂合金的起燃溫度。
2.2 鎂合金熔體的變質處理技術
鎂合金熔煉變質的目的是改變鎂合金的組織形態,該工藝對合金的晶粒大小和力學性能有較大的影響,且對鎂液中的氧化夾雜亦有一定影響。研究表明,對于不含Al的鎂合金,采用鋯進行變質處理具有很好的晶粒細化效果,作用原理是Zr發生包晶反應,促進晶粒細化。在Mg—Al類合金中加入合適的碳素材料后,使其與合金液起化學反應生成A1C4,該化合物可以起到外來晶核的作用,促使鎂合金的晶粒細化。在AZ91鎂合金基礎上添加不同含量的混合稀土,對其鑄態和固溶時效的組織及性能也有明顯的效果。
3 鎂合金成形技術
文獻對鎂合金成形技術的進展做了詳細的闡述。鎂合金成形分為變形和鑄造兩種方法,當前主要使用鑄造成形工藝。鎂合金可以砂型鑄造、消失模鑄造、壓鑄、半固態鑄造等方法成型,近年來發展起來的鎂合金壓鑄新技術有真空壓鑄和充氧壓鑄,前者已成功生產出AM60B鎂合金汽車輪毅和方向盤,后者也己開始用于生產汽車上的鎂合金零件。解決汽車大型和復雜形狀零部件的成形問題是當前進一步開發和改進鎂合金成形加工技術的方向。這里就現在常用的鎂合金鑄造方法作一簡要介紹。
3.1 壓鑄
該方法是將熔化的鎂合金液,高速高壓注入精密的金屬型腔內,使其快速成形。根據把鎂液送入金屬型腔的方式,壓鑄機可分為熱室壓鑄機和冷室壓鑄機兩種。
1)熱室壓鑄機。其壓室直接浸在坩堝內鎂液中,長期處于被加熱狀態,壓射部件裝在坩堝上方。這樣壓鑄每循環一次時,不必特意給壓室供給鎂液,所以生產能快速、連續,易實現自動化。熱室壓鑄機的優點是生產工序簡單,效率高;金屬消耗量少,工藝穩定;壓入型腔的鎂液較干凈,鑄件質量較好;鎂液壓人型腔時流動性好,適于壓薄壁件。但壓室、壓鑄沖頭及坩堝長期浸在鎂液中,影響使用壽命,對這些熱作件材料要求較高。鎂合金熱室壓鑄機更適合生產一些薄壁而外觀要求較高的零件,如手機和掌上電腦外殼等,但由于鎂合金熱室壓鑄機是采用沖頭直接將鎂合金液經過封閉的鵝頸和噴嘴壓人金屬模型腔,因此壓射時增壓壓力較小,一般不適用于汽車、航天航空等大型、壁厚、載荷大的零件。
2)冷室壓鑄機。每次壓射時,先由手工或通過自動定量給料機把鎂液注入壓射套筒內,因而鑄造周期比熱室壓鑄機要長些。冷室壓鑄機的特點是: 壓射壓力高,壓射速度快,所以可以生產薄壁件,也可以是厚壁件,適應范圍寬;壓鑄機可大型化,且合金種類更換容易,也可與鋁合金并用;壓鑄機的消耗品比熱室壓鑄機的便宜。多數情況下,對大型、厚壁、受力和有特殊要求的壓鑄件采用冷室壓鑄機生產。鎂合金壓鑄時,由于壓射速度高,當鎂液充填到模具型腔時,不可避免會有金屬液紊流及卷氣現象發生,造成工件內部和表面產生孔洞缺陷,因此對于要求高的鑄件,如何提高其成品率是鎂合金壓鑄所面臨的主要問題之一。
3.2 半固態成形技術
鎂合金半固態成形是近年來發展起來的成形技術,可以獲得高致密度的鎂合金制品,是具競爭力的鎂合金成形方法。半固態成形主要有以下幾種方法。
3.2.1 觸變鑄造
觸變鑄造是將制備的非枝晶組織的棒料定量切割后重新加熱至液固兩相區(固相體積分數為50%—80%),然后再采用壓鑄或模鍛工藝半固態成
形,觸變鑄造不使用熔化設備,錠料重新加熱后便于輸送和加熱,易于實現自動化;但是,制備預制坯料需要巨大的投資,而且關鍵技術為國外少數幾家公司所壟斷,導致其成本
居高不下,僅適于制造需高強度的關鍵零件。
3.2.2 流變鑄造 流變鑄造采用金屬熔體做原料,冷卻攪拌產生半固態合金漿料后,以管路或容器輸送至壓鑄機直接成形,對于流變鑄造,由于非枝晶半固態合金漿料在保持、狀態控制和輸送等方面存在著困難,在很大程度上限制了其工業應用,從而慢于觸變鑄造工業應用的步伐。隨半固態鑄造技術的進展,觸變鑄造在預制材料均勻性及成本、感應加熱控制及材料消耗、成形過程的可靠性及重復性、廢料回收等方面的限制越來越明顯,其經濟效益很難盡人如意,因此開發流變鑄造再度受到人們的重視,日本日立制作所及UBE都開發出新的流變鑄造工藝及設備??傊?,流變鑄造不僅可以低成本生產高質量的成形件,而且生產流程將比觸變鑄造顯著縮短,更易于與傳統壓鑄技術接軌,減少設備投資。顯然,流變鑄造技術將會有更大的應用潛力。4 高性能鑄造鎂合金的研究進展
4.1 耐熱鎂合金
耐熱性差是阻礙鎂合金廣泛應用的主要原因之一,當溫度升高時,它的強度和抗蠕變性能大幅度下降,使它難以作為關鍵零件(如發動機零件)材料在汽車等工業中得到更廣泛的應用。己開發的耐熱鎂合金中所采用的合金元素主要有稀土元素(RE)和硅(Si)。稀土是用來提高鎂合金耐熱性能的重要元素。含稀土的鎂合金QE22和WE54具有與鋁合金相當的高溫強度,但是稀土合金的高成本是其被廣泛應用的一大阻礙。Mg—Al—Si(AS)系合金是德國大眾汽車公司開發的壓鑄鎂合金。175 cC時,AS41合金的蠕變強度明顯高于AZ91和AM60合金。但是,AS系鎂合金由于在凝固過程中會形成粗大的漢字狀Mg2Si相,損害了鑄造性能和機械性能。研究發現,微量Ca的添加能夠改善漢字狀MgaSi相的形態,細化Mg2Si顆粒,握高AS系列鎂合金的組織和性能。
4.2 耐蝕鎂合金
鎂合金的耐蝕性問題可通過兩個方面來解決:
1)嚴格限制鎂合金中的Pe、Cu、Ni等雜質元素的含量。例如,高純AZ91HP鎂合金在鹽霧試驗中的耐蝕性大約是AZ91C的100倍,超過了壓鑄鋁合金A380,比低碳鋼還好得多。2)對鎂
合金進行表面處理。根據不同的耐蝕性要求,可選擇化學表面處理、陽極氧化處理、有機物涂覆、電鍍、化學鍍、熱噴涂等方法處理。例如,經化學鍍的鎂合金,其耐蝕性超過了不銹鋼)。(未完)

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本文作者2020-11-5 14:28
鎂途
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