镁及镁合金的发展历程Word文档格式.docx
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德国为丁研究压铸合金工艺、
半固态成型工艺、快速原型化与工具制造技术,制订了一个投资金额达2500万马克的铁合金研究与开发计划,H的是为了提高德国在铁合金生产和应用方曲的能力;
欧洲汽车制造商在1993年提出了“3公升汽油轿车”的新理念,美国提出新--代交通工具的合作计划,这都是为了生产岀大多数消费者能够承受的新型的毎一百公里消耗3公升汽油的轿车,而且轿车的所有部件至少80%以上可以回收再利用,以上这些要求都将促使制造商更多地应用髙新技术來完成重量轻、耗油少、同时还环保的新一代汽车的生产;
日本为了限制工程塑料的使用,通过丁“家电回收法"
,领先在笔记本电脑、数码相机、摄像机、移动电话上应用镁合金,并有进一步推广到家电和通讯器材等领域的计划。
21世纪时,世界原镁的生产能力超过60万吨,据有关报道,2002年的原镁牛产如下:
中国27000()吨,加拿大117000吨,美国45000吨,挪威42000吨,俄罗斯40000吨,以色列27500吨,法国17000吨,乌克兰15000吨,巴西12000吨,哈萨克斯坦10000吨,塞尔维亚5000吨,印度900吨。
目前西方发达国家己经重点研究与开发性能忧良的新型镁合金,不再生产对环境影响较大的原镁。
我国是世界上镁资源最丰寫的国家,目前占有三项“世界冠军”,第一,我国是镁资源大国,己发现的菱镁矿石有30.09亿吨,约占世界已知储量的25%,储量位居世界首位:
第二,我国是原镁生产大国,原镁的产量占全球总产量的三分之二,在我国能用于练镁的I、II级矿石约占78%;
第三,我国足出口大国,近些年的出口量为总产量的80%到85%。
但是我国在镁工业方面并不是强国,我国的镁工业还是起步阶段,原钱的生产不仅规模小而且很散、技术比较落后、品质不很稳定,而且在出口的产品中廉价的初级原糾占绝大部分。
我国相关的政府部门现已投入大量资金进行镁合金相关问题的研究与开发。
随着国际与国内镁及镁合金的市场开发,镁及镁合金将会发挥更为亞要的作用,并且可能会成为铜和铝后的又一亮点同。
镁在门捷列夫元素周期表中属HA族屉土金属,原子序数为12,相对原子虽为243050,块状金属镁在室温下呈银白色.标准大气压下纯铁的熔点为(650±
1)°
C;
沸点为11079;
在空气炉中加热时纯钱的燃烧点为615-C;
密度在20・C时为1.738g/cm\是最轻的工程结构材料:
铁及镁合金貝有高的比强度和比刚度、良好的尺寸稳定ft和切削加工性、阻尼减震性能和电磁屏蔽性能良好、导热性、导电性以及散热性好、其热传
导性比铝合金和铜合金略低,却远高于钛合金、比热与水接近、可以回收再利用并且具有环保特性。
纯镁不能直接作为结构材料使用的原因是它的力学性能较差,为了捉高纯铁的力学性能,可以在纯镁中添加合金元索,以使镁合金能够作为结构材料广泛被应用<镁可以与铝、锌、铜、错、牡、猛等多种金風形成合金,但不能和铁、钠、钾、彼等金属形成合金。
添加合金元素后的镁合金具有良好的力学性能,可以作为结构材料使用。
务数镁合金是来排六方的晶体结构,其塑性变形在低于225C时只有基面(0001)(]120)滑移与锥面<1012X1120)$生,故镁合金在变形时仅有3个几何滑移系与2个独立滑移系,与铝合金的12个几何滑移系与5个独立滑移系相比可明显看岀常温下镁合金塑性很差,故铁合金室温塑性变形时非常容易在晶界处产生大的应力集中。
在钱合金产生较犬的变形帚时,沿着大晶粒的基面{0001}或者沿李生区域(特别是在压缩时)会产生局部穿晶断裂,故铁合金的冷变形最多只能是中等变形,故镁合金在室温下的冷变形最-般介于10%~20%之间。
当温度高?
225*C时,随着温度升高,原子振动的振幅增加,最密排面与次密排面的差别逐噺减小,此时潜在的滑移方向与滑移而被激活,附加角锥滑移面<1011}.{]】刃开始启动,此时钱会发生很明显的延性转变,塑性有非常大的提高;
与此同时因为回复和再结晶的发生而造成的软化,同样也在很大程度上提高了镁及镁合金的塑性.但是铁合金在髙温F,尤其是40(TC以上很容易被氧化和导致晶粒粗大,所以镁合金的压力加工通常在225eCMOO-C之间进行,在这个温度区间可以保证镁合金不被氧化和产生粗大晶粒,此时还会在角锥面{1011}±
产生滑移并抑制学晶形成Z叫
1.1.3镁及镁合金的应用
金属镁主要用于以下几个方面,,8-201:
(1)镁是一种重要的添加元秦,至今为止,镁的最大用途是作为铝棊合金的重要添加元素,用量达到铁的总消耗量的43%左右,
(2)用于制造各种零部件的镁合金用量也占据很大的比例,现已达到镁总消耗量的35%左右。
镁及镁合金在电子、电卷、汽车、航空航天和国防军事等领域都具有潜在的巨大应用价值和非常广阔的应用前景。
在航空航天上应用低密度、高比强度的镁合金作为航空材料会使航空工具的性能有很大的改善.并且航空工具的减吏也带来了非常显著的经济效益"
在减重相同重量的前提下,节省的商用飞机燃池费用是节省的汽车燃油费用的近100倍,而节省的战斗机的燃油费用接近商用飞机节省的费用的10倍,最重要的是战斗机机动性能得到很大改善,其战斗力和生存能力得到极大提高;
镁合金在火箭、导弹等结构件中也得到了广泛应用,主要是用于生产战术防空导弹的支座舱段与副翼蒙皮、舵面、壁板、加强框、隔框等:
卫星上的井字梁、相机架、各种仪器支架等都使用了ZM5镂合金。
镁合金也在交通运输业上的应用也有重要意文.根拯相关测算得知,汽车自車泊耗了汽车所用燃料的60%,汽车自重每减轻10%,汽车所用燃料就会减少8%^0%,其燃油效率可提高5.5%1211.所以采用镁合金制造汽车上的零部件就能在很大程度上减轻车身重量、明显降低油耗、减少尾气排放量,还可以在零部件的加工和装配成本减少的同时使汽车设计的灵活性、汽车零部件的集成度、整车加速与制动性能等都得以提高,此外行驶振动、噪声等也得到降低。
再者,应用高塑性的谍合金可以使汽车的乘动和耐碰撞性能、汽车的安全性和可操作性、以及废旧零部件的回收率等都可以得到很人程度上地提高。
假设每辆汽车都能应用70公斤的镁合金,那么每年CO;
的排放量就会减少至少30%(呻。
3C产品(通讯类、计算机类、消费类电子产品)是目前世界上发展最快的产业,电了技术的迅猛发展耍求电子器件壳体的材料应具有重量轻、强度及刚度高、抗冲击和减蕊性能好、电碗屏蔽能力强、散热性良好、并且还要容易加工、美观耐用、质感佳、成本低、可以回收利用、符合环保等特点。
因此传统的塑料和铝材很难满足电子器件材料的选择要求,故逐渐被满足以上要求的镁合金取代,铁合金是制造电子器件壳体的理想材料,在电子、家电产品上的应用前景很广阔’伴随镁合金生产能力和技术水平的提高和在3C产品朝着轻、薄、短、小等方向发展的趋势的拆动下,樸合金的应用增长迅速。
随着镁合金生产能力和技术水平的进步,其生产成本已经降低到与铝合金的生产成本接近,故在狠大程度上促进了其在民用产品方面的应用,例如镁在健身器材、运动机械、医疗设备、光学器件、办公设备、家庭消费甜等方面都有应用。
(3)用于炼钢脱就的钱大约为13%,钱是铁水预处理时的主要脱硫剂之一,球墨铸诙制备过程中加入镁可以在去硫的同时将石墨球化,得到高强度和良好的压延性;
镁还可以用做冶炼钛、铀、错、彼等的还原剂;
铜合金制各过程中铁还能充当脱氧剂或净化剂。
(4)镁也能用于化工行业、阴极保护材料、金属还原剂等。
(5)镁在核工业上可以用作天然铀燃料的包壳材料,在C02气体冷却的反应堆中使用。
(6)镁粉可以用作烟火、各种礼花、摄彩闪光灯、照明弾、燃烧弹和军用信号弹等。
(7)镁合金可以用来储氢。
镁合金具有资源丰富、价格便宜、储氢量大、质量轻等一系列的优点,故镁合金在储氢介质、燃料电池方面具育很大的潜力和应用前景。
镁合金是最轻的金属结构材料,但相对于铝合金来说镁合金的研究和发展祁还很不充分,而11目前镁合金的应用也还很有限,镁合金的产量只有铝合金的1%,故镁合金发展前景和发展潜力不可估量。
镁合金的广泛应用也便其面临了连接技术的问题,因此焊接逐渐成为优选的连接方法z—。
焊接是制造镂合金的塑性变形零件和铸造零件的必需手段,同时铸件缺陷的修补也需要焊接。
大部分镁合金可以采用鹄极气体保护电弧焊、熔化极气体保护电弧焊、钎焊、电阻焊、超声波焊、摩擦焊、扩散焊等。
镁的比热容和熔化潜热较低,故在焊接时焊接速度要高,并输入的热量要低。
镁合金通常采用熔化焊(例如电弧焊、激光焊、气焊、和电子束焊等方法)进行焊接。
但是由于镁合金具有热膨胀系数大、熔点低、密度低、易氧化且生成的氧化物熔点又很高、热导率和电导率大零特点,因此釆用熔化焊焊接镁合金时会产生以下缺陷:
(1)粗晶;
由于镁的热导率萬、熔点低,镁合金焊接时需釆用大功率的热源,故容易导致焊缝和近缝区金属过热、晶粒长大和结晶偏析等,导致接头的力学性能降低。
如AZ31镁合金焊接线能童为5.363kJ/cm时,无论是基体金属还是焊缝熔合线区都是沿晶界分布的含有金属相化合物的细晶显微结构;
随着线能量增大,熔合线区的晶粒也越來越粗大,直至14.07kJ/cm的线能量时,晶间岀现粗大的金属间夹杂物。
(2)热应力;
由于镁合金的热膨胀系数大,故在焊接时镁合金会产生较大的应力变形。
(3)氧化与蒸发:
由于镁的化学性质活泼、氧化性很强,所以在焊接时镁与空气中的氧发生&
应很容易形成MgO,这种氧化膜具有很高的熔点(2500C)冃密證高
(3l2g/cm3)易留在焊缝中形成夹渣,从而严重降低焊縫的力学性能;
再者,高温时金属镁容易和空气中的氮发生反应生成镁的氮化物,这同样也会导致焊接接头力学性能降低.再者就是镁校低的沸点(1】O(TC)使镁在电弧高温下容易蒸发。
(4)气孔;
锲合金在焊接过程中很容易产生氢气孔.由于氢在镁中的溶解度随着温度的降低而迅遠减小,氢含杲越多,出现气孔的倾向也越大。
(5)热裂纹;
镁元索容易同A】、Cu>
Ni零合金元素形成Mg・Cu、Mg-AkMg-Ni等低熔点共品体,所以导致脆性温度区间比较宽,容易形成焊接热裂纹。
(6)夹鸭;
在钱合金焊接时需要采用夫电流,并口焊接速度也要快,故手工氮弧焊工操作时耍集中精力•口保持铸电极清洁,铉极直径的选择占焊接电流的大小有关。
因为钩及其氧化物密度大,当焊件大于3mm时,焊绝的反面会沉积镐犬程并且不容易被持岀,从而造成夹鸽。
(7)薄件的烧穿和塌陷:
在镁合金薄件焊接时容易岀现烧穿和塌陷的原因是钱合金的熔点低,而生成的氧化镁的熔点却非常高,这样就导致了两者难以熔合与焊接葆作时不易观察焊缝的熔化过程。
在焊接温度升岗时熔池的颜色并不会变化显著,故在焊接较薄的钱合金零件时很容易有烧穿或者塌陷的现象。
(8)未焊透:
接头形式不同,故未焊透的形状也不同。
焊接未焊透的主要原因有坡口形状不当、焊接速度过快、焊矩角度不当等。
(9)焊缝下埸:
因为铁的表面张力较小,所以镁合金焊接时容易产生焊缝金属的下如
除此之外,由于镁及镁合金很容易燃烧,因此镁合金在熔化焊接时必须有焊剂或惰性气体的保护.镁合金的焊接性能比较差,要想实现可靠的连接有一淀的技术难度,因此铁合金的焊接技术阻碍了它的广泛应用。
目前大多数的研究都是有关如何改善焊接接头俎织结构与提高焊接接头力学性能这些方面,实验硏究中采用的方法主要是鸽极氨弧焊(TIG),熔化极録孤焊(M1G),激光焊(LBW),电阻焊(RW),搅拌摩擦焊(FSW),电子束焊(EBW)以及扩散焊(DB)等。
镁合金采用TIG焊或者MIG焊时,焊后会产生较大的残余应力,并且热影响区很宽,经熔化、凝直后焊线金属的冶金组织变化比较大,故焊接接头的综合性能受到严重的影响°
激光焊和电子束焊都具有较高的能束密度,焊接时无需开坡口,焊后产生的焊缝宽度比较大,焊接接头的质最也比较高,但也无法避免类似于在TIG焊或MIG焊中产生的焊接缺陷问题,并且这两种焊接设备的结构都较复杂、且运行成本也较高:
搅拌摩擦焊具有焊接速度较低、焊件夹持要求高、搅拌头的适应性比较差等特点,因此使其只能局限于焊接结构简单的零件;
下而将洋细介绍各种焊接的特点。
121气体保护焊
气体保护焊(T】G焊)是利用外加气体作为保护介质的一种电弧焊方法,其优点是电弧和熔池的可见性很好,燥作比较方便,无熔渣或熔渣很少,不再需要焊后淸渣,但是室外作业必须有专门的防风措施。
根丸焊接过程中的电极是否熔化,气体保护焊分为不熔化极(铸极)气体保护焊和熔化极气体保护焊。
钩极惰性气体保护坪(TIG焊〉是在有惰性气体保护的前提F,利用钙电极与工件间产生的电弧热熔化母材和填允焊丝(如果使用填充焊丝)的-种焊接方法。
早期镁合金的焊接研究多数为TIG焊,TIG焊主要用在铁合金铸件的补焊上.镁合金的导热快,熔点低,而T1G焊的热输入大,故在焊绻及近缝区很容易有过热和晶粒K大的现象,并且这种焊接的热影响区较宽,变形也比较严至,严茧影响了接头的力学性能.
徐杰对AZ31B镁合金TIG焊的焊接组织结构进行了比较系统的研究,研究结果表明焊缝与热影响区的分界比较明显。
焊接热影响区的组织为典型的过热组织,晶粒比较粗大;
而相对于母材和热影响区的品粒来说,焊缝区的晶粒相对细小,为典型的急冷铸造组织:
焊接母材的晶粒为纤维状的变形组织,存在这种组织的主要原因是TIG焊的热循环过程和镁合金的物理特性。
张福全等人对板厚为1.2mm的AZ31薄板进行了T1G焊实验研究,焊接电流分别为40A和45A时,得到的焊接接头的力学性能很好,勺达到了205MPa,接近母材强度的80%,断裂总是发生在显微组织比较粗大的热影响区,焊缝区域的显微组织为细小的等轴品粒。
苗玉刚、Stem等人对AZ91D的氮孤焊研究结果表明:
镁合金的良好的导热性和低热容导致焊接接头的热影响区较大,且热彩响区由半熔化区和未熔化区组成,且有Al12Mg|7相在半熔化区的品界上连续的分布.AI,2Mg17是脆性相.故焊接接头的断裂主要发生在热影响区的晶畀处,接头的力学性能受到严重彩响[”・纫。
熔化扱氨弧焊(M1G焊)是把连续给送的焊丝作为电极,在有氮气保护的前提F,依靠焊件与焊丝之间产生的电弧来熔化母材和焊丝的焊接方法。
山于镁合金的熔化极气体保护焊使用焊丝作电极,电流密度有很大的提高,故母材的熔深较犬,填充金属的熔敷速度也很快,中丿孚板的焊褛很适合采用这种焊接方法,这种焊接方法的优点是焊接速度快,全自动焊接每分钟可以达到Im左右卩叭
镁合金膨胀系数比较大,因此在约束条件下焊接时很容易产生大的焊接应力,导致裂纹产生,但焊缝熔合区的细晶组织能分散焊接应力,从而阻碍裂纹的扩展。
L.F.Lockwood在AZ31B铁合金薄板的MIG焊接试验中分析了焊接缺陷形成的原因,并且研究了各工艺参数对焊缝的影响U,loH.Wohlfahrt等人对AZ3】和AZ61板材的MIG焊焊按怨头的力学性能进行了测试,试验结果表明焊接接头的抗拉强歿大约为母材抗拉强度的80%〜100%,弯曲应力下的疲劳强度大约是母材疲劳强浚的50%,如果去除余髙,其疲劳强度能够达到母材疲劳强度的75%供1。
1.2.3激光焊接
激光焊接是-种比较先进的连接技术,具有焊速高、质蚩好、线能量低、不需要真空条件、焊件变形小、接头强度高、并且容易实现自动化等优点,促俊人们越来越关注这种焊接方法。
焊接时,当激光束照射到金属表面时,金属材料瞬间被汽化,并在蒸汽压力与束流压力的作用下形成细长的小孔,小孔中的汽化金属被屯离,并完全吸收了摄入的能量,接着通过传选热量给四周的材料并使其熔化,于是使在小孔附近形成了熔池。
采用激光焊能得到很小的熔化区与热峯响区,并且可以净化焊缝,降低焊接过程中产生的内应力、气孔和裂纹等缺陷。
从有关文献可知镁合金在激光焊接时很容易存在热影响区腕化、气孔、裂纹、滋光能量吸收率偏低等问题<例如,利用澈光焊焊接压铸镁合金时会岀现与电子束焊类似的焊接缺陷,即焊缝中很容易有气孔产生。
Shearouse.Mikwcki在实验研究中发现A291镁合金中气孔的数量正比于合金中的含量氢成,并且金属间化合物Mg17AlI2对氢的阻碍作用促进了凝固阶段微气孔的形核与长大。
王继锋等人在AZ31B薄板的YAG激光焊接中釆用500W功率,得到的焊接接头成形性好,焊缝狭窄且焊缝组织由细小的等轴晶粒组成,接头区域并没有明显的热影晌区、区域偏析以及脆晶相的存在;
但足在上表面附近存在大晶粒,而且由于佞的蒸发损失也导致了镁在熔深方向的损失增大和焊缝金属中铝元素的含量升高,锌元秦基本保持不变:
斯裂时的断口是混合型断裂,没有气孔与裂纹:
焊縫处的显微浚度要髙于母材的显微硬度,这是因为焊缝区的品粒比母材的品粒要细小,显微硕度沿熔深方向逐渐増大.
124电子束焊
电子朿焊接足在真空条件下山汇聚的高速电子流轰击工件焊缝处来产生热能从而使被焊件熔合的焊接方敢,其特点是功率密度很高、穿透能力很强、保护效果好、快速、精确、并且可控.电子束的能量是气休保护焊电弧能星的60倍到1000倍,与激光焊的能量相接近。
电子束焊接能够洋接力色金属、不锈钢,可以在薄板焊褛中代替TIG焊。
然而电子朿设备复杂且费用高,故在很大程度上限制了其在铁合金畀接中的应用卩W
电子束焊焊接时,在电子束下方马上会有蒸汽产牛,熔融的金属就会随即进入形成的小孔之中;
同时乂因为铁合金的蒸汽压很高,故钱合金釆用电子束焊时会相对于其它金属形成尺寸更大的小孔,同时容易在焊缝根部形成气扎;
再者,如果钱合金中所含锌元素的质屋分数大于1%时就更加难以焊接,这是因为锌的蒸汽压很高,气孔形成的倾向更大;
在压劣饯合金焊接时,如果压铸镁合金中有气体存在,那么经焊接垂熔后的焊缝中就很容易有气孔生成,焊缝的表而质摊随着气孔率的増大而明显降低。
实验证明压铸经合金采用电子束焊接得到的焊缝质量很不稳定,即使选用的材质与工艺参数完全相同,也有可能得到不同质量的焊缝。
1.2.5气焊
气焊火焰的热量不族中、焊件加热区宽,易导致焊缝处产生大的收缩应力和形成裂纹等缺陷,对接或角接接头中残留的夹渣、焊剂等使焊件容易被腐蚀。
故一般只在焊接不至要的镁合金薄板结构件、铸件的补焊或没有适合的焊接设备的现场时才选用气焊。
1.2.6电阻点焊3】
电阻点焊是将焊件以殆接接头的形式压紧在电极之间,用电流通过被埠工件时产生的电阻热熔化母材金属,形成淳点的电阻焊方法。
具中焊接电流、电极压力、通电时间、预压时间是主要工艺参数。
镁合金电阻点绰的特点,
(1)钱合金的导电性、导热性非常好,点焊必须在较短时间内通过大电流;
(2)镁合金的表而非常容易被氧化,导致零件间的接触电阻增大,当焊接电流较大时会产生飞溅;
(3)镂合金导热性好、线膨胀系数大,断电后熔核收缩快,很容易导致缩孔、裂纹等焊接缺陷。
某些镁合金仪表舱.隔板.框架等通常应用电阻点焊进行焊接。
127超声波焊
超声波焊接是-种固相焊接技术,装置如图M所示。
超声振动方向
图1・1趙声波焊接袈置的模式图I列
Fig.1-1Thefigureofsupersonic-weldingset
焊嘴安装在悬臂杆前端的砧座上面.焊嘴釆用滚花加工从而防止焊件与焊嘴间的滑动。
焊件呈十字形叠放在砧座侧的焊嘴上,在悬臂杆上加负荷的同时附加超声波抿动,使试件被焊合。
李翠梅通过实验分析了不同的表面处理方法与AZ31B板材趙声波焊接件7间的关察。
由于超声波现有设备功率的限制,上声极接触的试彳牛厚度不能太厚,且只能采席搭接的接头形式,冃前还无法焊接对接接头的试件•故此种焊接的应用范围受到很大限制.
128搅拌摩撫焊
尽管镁合金的熔化焊的焊接遠度较高,应用范圉比较广.但是熔化焊焊缝的显微组织是铸态组织,热循环作用导致焊接接头组织有很大变化,而且焊接後头的热影响区较宽、焊接时容易产生缺陷、接头变形程度大、焊接成本高,接头颜色与母材颜色不冋。
致使焊接接头的力学性能明显下降(特别是可热处理的镁合金)。
而搅拌摩按焊是采用形状特殊的搅拌头插入被焊试件的结合面处进行縻擦搅拌,在摩擦热的作用下,结合面处的金属为热塑性状态,在搅拌头的作用下由前向后塑性流动,并在圧力的作用下形成犁化连接的一种新型焊接方法.张华(哈尔滨工业大学)等人进行了AZ31钱合金搅拌摩擦焊,并对接头的力学杵•能进行了拉伸试验研究,结果表明,当搅拌头的旋转速度为900r/min~1500r/min,焊接速应为75mm/min~150mni/min的工艺条件下,获得的焊接接头力学性能良好。
129典空扩散焊接卩71
扩敢焊接是在适当的温度、压力下,将相互接触的待焊金属,通过使焊接面产生微量液相或者产生微观塑性变形的方法来增大被焊件表面的物理接触,当两界面之何的距离小于原子距离时,引力就会起作用,形成金属键,然后通过一定时间的保温來实现原子的不断扩敬,从而完成冶金结合的焊接方法。
扩散焊比熔化焊更适用于容易彼氧化的同种材料之间、或者异种材料之间的连接,它是一种精密的连接方法,接头区的金加不需要经过熔化与於固的过程,从而可以械少或者能够避免类似于熔化焊中产生的缺陷,这种焊接方法更容易实现与碌材组织性能一致的高质量的连接,并且扩散焊接后的试件变形小、梢度离,能够实现蓿密结合,一般不再需要进行机加工,从而能够获得更大的经济效益。
因此研究AZ3
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