镁合金具有比重小,比强度、比刚度高,阻尼性、切削加工性、导热性好,电磁屏蔽能力强,易回收等优点,被称为21世纪的绿色工程材料。近年来,镁合金在世界范围内的年增长率高达20%,在汽车工业、通讯电子工业和航空航天工业等领域得到日益广泛的应用。我国有丰富的镁矿资源,加强镁合金研究与应用,是利国利民的重要方向。

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镁合金汽车零部件
  镁合金在汽车上的应用(初级阶段)是压铸镁合金产品,主要应用于变速箱壳体上;随着耐热镁铝合金的发展,开始应用于汽车的热循环部位,如发动机、自动变速器壳体;伴随着压铸技术的进一步发展,可以压铸薄壁复杂形状的镁铝合金部件,主要应用于汽车车身的前后挡板等。继等温锻造技术在镁铝合金上的应用,开始涉足汽车的底盘,但由于汽车底盘对能量吸收和抗环境腐蚀能力要求较高,相应地制约了镁铝合金的广泛使用。近几年,随着变形镁铝合金的研究和开发,一些变形镁铝合金的轧制或者挤压产品,开始应用于汽车内部的各种部位,如仪表盘、方向盘、座椅等。综合来看,镁合金在汽车上的应用逐渐地在扩大,每一个阶段的创新应用都给汽车行业带来实质上的技术进步。

镁__绿色工程材料_曾小勤

  近年来,汽车行业加快了镁合金应用于发动机和自动变速箱的抗高温、抗蠕变性能的研发工作。德国宝马公司在2006年4月开发出了直列6缸发动机的镁合金气缸体工艺———将铝合金缸衬嵌入金属模具后用镁合金注入成形。此外,德国大众汽车公司也开展了镁合金发动机的研究项目,开发了一种可以耐200℃高温的新型砂型镁合金材料AM-SC1,继而开发出了镁合金LUPO汽车3缸发动机缸体(缸体重14公斤,比同等铝合金缸体轻25%,比铸铁缸体轻70%,见题图)。2001年,美国汽车材料公司和三大汽车公司也启动了用于动力系统的镁铸件开发项目,通过对各研究机构所开发出的耐热镁合金进行基本性能评估,并以福特的V6发动机为原型,试制了缸体、油盘和前阀盖等零件。
  与压铸镁合金相比,变形镁合金在汽车上的应用优势在于其良好的机械性能,比如,铸造AZ31镁合金经挤压变形处理后,其延伸率可以达到15%;但是由于其密排六方结构,变性镁合金在多向剪切应力作用下的能量吸收要比铝合金的低。而Wagon汽车公司研发的镁合金零件的拉伸挤压成型技术,并结合镁合金的连接工艺流程,成功地开发出了镁合金车门系统,同铝合金系统相比,重量减轻了20~30%。
  近年来,将镁用于大面积和薄壁轻量化结构件的潜在需求在提高,如车身组件(车门、行李箱、引擎盖)的外板。在这些部位,镁板的应用和钢相比,重量减轻大约50%;和铝相比,重量减少20%。如VW 3L Lupo引擎盖采用镁板冲压、铰接和铆接成型,和钢引擎盖相比,减轻了大约50%的重量;和铝引擎盖相比,减轻了15~20%的重量。另外,戴姆勒·克莱斯勒公司拟将在下一代车型上采用全集成镁合金车身前围结构(由一件镁合金铸件与三个冲压件组装而成),以取代先前的15个钢冲压件焊装的前围,重量由22.9㎏减至9.5㎏。
镁合金电子产品零部件
  随着声像计算机通讯业(AVCC)的飞速发展和数字化技术的进步,各类数字化电子产品不断出现,电子器件正在向高度集成化和轻薄小型化方向发展,采用工程塑料来制作电子器材壳体已经难以满足这些要求。镁合金具有比重轻、导热性好、电磁屏蔽能力强等优点,近年来在电子器材中的应用正以高达25%的年增速得到快速的增长,显示出了诱人的发展前景。
  轻量化
  目前,电子器材外壳一般采用工程塑料(PC、PC/ABS、PBT/ABS、Nylon/PPE或碳纤维增强塑料)制作。但是,当塑料件的壁厚接近1mm后,其刚度、耐冲击性、抗挠曲变形的性能则大大降低,一般的工程塑料已无法满足要求。此时,镁合金则具有明显的优势。下表列举了几种材料的壁厚与重量的比较结果。表中是以便携式电脑外壳常用的PC/ABS塑料为标准,采用不同材料以获得与1.6mm厚的PC/ABS相同强度所需要的壁厚与材料重量比。由此可见,采用铝合金所需壁厚为0.53mm,重量为PC/ABS的78%;采用镁合金的,重量仅为PC/ABS的59%。

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  辅助散热
  由于电脑芯片的运算速度越来越快,导致发热功率密度的不断升高。因此,必须把系统内产生的热量迅速散发到大气中,使元件的温度维持在可靠的范围内,确保系统的稳定性和延长零件的寿命。
  一般金属的导热系数是塑料的几百倍,镁合金的导热系数略低于铝合金和铜合金,但远高于钛合金和钢铁材料,比热则是常用合金中最高的。因此,镁合金外壳导热快、自身又不容易发热,从散热性考虑,显然是制作电子器材壳体的理想材料。

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  电磁相容
  个人电脑、移动电话等使用时会发出高频电磁波,如果电磁波穿过机体外壳,则会引起干扰信号、降低通讯和运算的质量,同时,还会对人体健康造成危害。在发达国家,检验GSM手机的权威组织FTA在认证手机质量时,第一和最重要的标准就是手机电磁辐射对人体的健康安全性,此标准通不过则禁止上市。目前,解决电磁干扰(electro-magnetic interference,EMI)主要有两种途径:1.抑制干扰源,2.电磁屏蔽处理。
  其中,电磁屏蔽可以通过材料选择和加工处理解决。
  对电子器材外壳目前主要采用的电磁屏蔽方式为:1.喷导电漆,2.表面镀层,3.金属喷涂,4.塑料内添加导电材料,5.铺金属箔或金属板。但是,这些方法存在原料或设备成本高、操作复杂、污染环境、屏蔽效果不佳等问题。由于金属本身就是良导体,采用镁合金制造电子器材外壳不需要作导电处理,就能获得很好的屏蔽效果。
本文作者曾小勤来自上海轻合金精密成型国家工程研究中心