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镁合金到底好在哪?附《新材料产业“十三五”发展规划》

日期:2016-06-27 09:54:52       浏览次数:

多年来,镁合金的应用曾受到三种疑虑的影响:其一为成本高(原料贵及回收再利用费贵);其二为易腐蚀;其三为高易燃易爆性。

  事实上,熔化镁所消耗的能量虽大于熔化锌,但却小于熔化铝。而当今的无助剂熔镁技术和添加硫氟化物(SF6)技术,已能控制使熔化镁时的耗损减至最低。同时镁合金的良好切削性能和可控制的极小压铸误差,以及很高的压铸生产率,都使得镁的应用成本大为下降。

  镁合金制件的腐蚀问题,已借助添加垫片等简易技术及新型表面处理技术得以解决。 镁的易燃问题亦已通过各种措施得到解决,实际上,镁铸件并不像镁粉那样存在易燃问题,对于熔融状态的镁合金件或在高速切削时的高燃燃性也早已有了相应措施。

  因此,上述疑虑在当今技术条件下无需担心,而镁合金的下列独特优点却使这颗材料领域的新星更加熣灿。

 

  镁合金对比其他合金的优势

  大众车友接触得最多的自行车材料就是铝合金。

  而现实是,我国铝资源矿石总储量只占世界的2.96%,位居世界第九,每年均需大量进口。

  据估算,照目前的发展速度,大概在十年以内,国内铝矿石资源就会枯竭。而长期依赖澳大利亚的铝矿进口也为国内供应增加了不可控因素,不说进口的价格被牢牢掌握在对方手里,一旦两国在政治上发生对抗或者关系走僵,就会对资源供给造成非常大的威胁。如果澳大利亚方面今天说是300美金的价格,明天升到700美金,中国无法讨价还价,因为这是一个卖方市场。

  那么在铝资源枯竭的情况下我们要找哪种材料来替代?镁是地球上储量最丰富的轻金属元素之一,而我国是世界上镁资源最为丰富的国家之一,镁资源矿石总储量占世界的21.7%,居世界第一,也是镁资源出口的第一大国。

  镁的密度仅为1.74g/cm3,约为铝的2/3、钛的2/5、铁的1/4。镁合金是以镁为基加入其他元素组成的合金,镁合金比铝合金轻36%、比锌合金轻73%、比钢轻77%[1]。镁合金的延伸率和冲击抗力则明显好于压铸铝合金。

  下面两张图分别对比了几种典型金属结构材料与工程材料的比强度和比刚度[2],表明镁合金特别适用于轻质结构件。弹性模量大、刚性好、抗震力强,减振性能比铝合金高30倍,承受冲击载荷能力比铝合金强。可见镁合金具有优良的力学性能。

                                                                                   图片关键词

 

 

  在这里特别解释一下弹性模量,它是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度。在一定载荷作用下的物体,弹性模量越低,弹性模量变形相对越大,刚度越小,材料易发生变形柔性越好;弹性模量越高,材料发生弹性模量变形相对越小,刚度大,材料不易变形,脆性越强。

  镁合金具有极高的压铸生产率。几种常用压铸镁合金及最常用的压铸铝合金A380和压铸锌合金AG40B的热物理性能见下表[3]。

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  由表可知:压铸镁合金与压铸铝合金和压铸锌合金一样,具有良好的流动性;其结晶潜热和热导率低于A380,凝固区间比A380大。因此,压铸镁合金具有良好的充型能力,充型后凝固速度较快,对压铸型的热冲击较小,可用于压铸薄壁件而不会出现热裂和欠铸等缺陷,并减轻压铸型的热疲劳现象,延长压铸型的使用寿命,缩短压铸件的留型时间,压铸生产速率比铝合金快约75%。

  除了上述特点,镁合金的优势还体现在散热好和耐有机物和碱的腐蚀性能好,与纯镁的易燃、自爆、不稳定、活性强的特性完全不同。

 

  镁合金对比碳纤材料的优势

  现在在自行车材料领域,除了讨论合金,就是讨论碳纤维,大家都知道同样的重量下碳纤维的强度要比普通的金属高出许多,但相对高昂的价格为其制造了一定的门槛。

  据自行车制造业内人士介绍,碳纤维,毕竟工艺中的手工成分多,不如镁合金那么适合大批量生产,因此它需要花费的成本就比较大,时间就比较长,对工艺的要求也比较高。这些因素直接影响成品的价格,也就让最终端的消费者要花更多的钱。

  另一方面,环保是当今各行各业重视的话题,而碳纤维对环境的破坏是可观的。2010年时丰田汽车发布的一项研究表明,碳纤维的原材料处理阶段,会产生大量的废气污水,而加工过程要排放更多的二氧化碳,同时其生产过程有可能导致工人的各种呼吸道疾病和皮肤病。碳纤维产品被丢弃后,将在土壤和水里存在非常久的时间,降解难度非常大,进一步对地球造成污染。所以,碳纤维是否是合适的绿色材料,还是个未知数。

  而镁合金是二十一世纪新兴的环保材料,国外也把镁合金划为环保产业。其对环境无污染、可回收再利用的性能让人相当满意。

 

  国家扶持的政策优势

  在目前的十三五规划里面,国家把镁合金列为非常重要的材料,因此对这方面的引导和扶持力度非常大。比如对河南和山西这种镁资源储量大的地方,国家的补助非常慷慨。实际上除了原材料的开采,还有在加工方面,只要是跟镁合金有关系的,国家都会给予很大程度的帮扶,资金动辄百万千万。

  “以轻质、高强、大规格、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳为发展方向,发展高性能镁合金,重点满足大飞机、高速铁路等交通运输装备需求,加快镁合金制备及深加工技术开发,开展镁合金在汽车零部件、轨道列车等领域的应用示范。”摘自《新材料产业“十三五”发展规划》。