镁合金压铸件在汽车上的应用

重庆大学李玉兰刘江彭晓东摘要介绍了镁合金构件的主要特性, 综述了镁合金压铸件在全球汽车业中的应用现状及镁铸件用量增长情况, 镁合金的发展状况和目前应用的镁合金压铸工艺及防腐蚀表面处理技术。 同时对存在的问题和未来应用进行了探讨和预测。关键词: 镁合金压铸件汽车压铸工艺表面处理A pp l ica t ion of M a gn e s ium D ie Ca st in g s in A utom o t ive In dustryL i Y ulan L iu J ian gPen g X ia odon g(Chon gq in g Un iver s ity)A BSTRACTT h e app lica t io n s o f m agn e sium d ie ca st in g s in g lo b a l au tom o t ive in du st ry an d th e deve lop 2 m en t o f m agn e sium a llo y s w e re rev iew ed. T h e m a jo r p rop e r t ie s o f m agn e sium a llo y com p en en t s, m agn e2 sium d ie ca st in g p ro ce sse s an d su rface t rea tm en t fo r co r ro sio n re sistan ce w e re d iscu ssed. A t th e sam et im e, th e u t liza t io n o f m agn e sium d ie ca st in g s fo r au tom o v t ive in du st ry in th e fu tu re w a s fo reca st.Key W ord s: M a gn e s ium A lloy s, D ie Ca st in g s, A utom ob ile, D ie Ca st in g Proce ss, Surfa ce F in ish in g发展的要求: 减轻车重、提高燃料经济性、降低排放、提高安全性0前言镁合金作为结构材料主要用于航空航天领域, 80 年代以来,镁合金开始在汽车、计算机、通讯设备上得到越来越多的应用, 其中绝大部分是镁铸件1 。 北美从 80 年代中期开始在汽车上使用 镁铸件, 每年以16. 6% 的速度增长, 其中增长最快的是压铸件, 占70% 80% 2 。世界范围内的汽车用镁合金铸件也以较大比例增长, 如欧洲, 1994 年比 1993 年增长了 25% 3 。镁的密度 (1. 74 gcm 3 ) 小, 约为铝的 64% , 锌的 25% 和钢的20% , 这使它在汽车减少自重、提高燃料效率方面独具魅力。 作 为轻金属, 镁合金的强度接近铝合金, 其比强度明显高于铝合金 和钢, 其比刚度与铝合金及钢相当, 而远远高于工程塑料 ( 如图1、图 2 所示) 4 。图 2 4 种材料的相对比刚度F ig. 2 T h e re la t ive sp ec if ic r ig id ity o f fo u r k ind s o f m a te r ia ls图 3 4 种材料的相对腐蚀率F ig. 3 T h e re la t ive sp ec if ic co r ro sio n o f fo u r f ind s o f m a te r ia ls 和驾驶性6 。由此, 北美、欧洲、日本、韩国的汽车用镁铸件量大大 增加。 以美国为例, 在 1984 1994 年期间, 镁压铸件在汽车上的 使 用 量 每 年 以 17. 7% 的 比 例 增 长, 而 1994 年 的 增 长 为 33% (1984 年为 7 000 t, 1994 年为 30 000 t)。 据预测到 2000 年期间 每年增长率仍将保持在 12% 20% 或更高7, 8 。由图 4 可以很清 楚地观察到全球各地区汽车用镁铸件量的年度变化和对未来几 年的预测, 这种不断增长的势头说明了在未来一段时间镁铸件 对汽车工业的发展将起着至关重要的作用。图 1 4 种材料的相对比强度F ig. 1 T h e re la t ive sp ec if ic st reng th o f fo u r k ind s o f m a te r ia ls耐蚀性差是镁合金扩大应用的一大障碍, 采用 SF 6 作为合金 熔炼加保护气氛, 消除溶剂夹杂, 严格控制合金中的杂质元素, 可 显著改善镁合金纯度, 大大提高耐蚀性。 现有的高纯压铸镁合金 在盐雾试验中的耐蚀性已超过压铸铝合金 A 380, 比低碳钢好得 多 (如图 3 所示) 4 。另外, 镁还有别的优点, 如: 好的吸湿能力、流动性、机械加工 性能和电磁干扰屏蔽性能5 。镁的这些特性在汽车制造业中的应用符合人们对汽车工业 李玉兰, 女, 1965 年出生, 讲师, 硕士, 重庆大学建筑工程学院 ( 400044)120收稿日期: 1998- 10- 20图 4 全球镁铸件在汽车上的应用量和未来几年预测F ig. 4 T h e am o un t o f m agne sium a llo y ca st ing s u sed in g lo ba l au tom o t ive indu st ry and th e fo reca st fo r nex t seve ra l yea r s1镁铸件在汽车上的应用现状从本世纪 20 年代开始, 镁制零件就在赛车上应用。1936 年,2镁合金研究发展情况用于汽车零部件的镁合金件一般是压铸件 ( 只有做模型时才 用重力铸镁件) , 其合金有四个系列2 : M g2A l2Zn 2M n (A Z 系列 ) , M g2A l2M n (AM 系 列) , M g2A l2S i (A S 系 列) , M g2A l2稀 土(A E 系列)。表 1 列出了最常用的压铸镁合金的组成成分和力学 性能。德国大众汽车公司开始用压铸镁合金生产“甲壳虫”汽车的曲轴箱、传动箱壳体等发动机传动系统零件, 到 1946 年, 每车用镁合 金 18 k g 左右。到 1980 年, 大众公司共生产了 1 900 万辆甲壳虫, 用 镁 合 金 铸 件 38 万 t, 达 到 了 批 量 生 产 使 用 镁 合 金 的 最 高 记 录1, 4, 5 。 而北美汽车用镁合金铸件到 80 年代表 1 常用压铸镁合金的合金成分和力学性能中 期 之 前 数 量 较 小, 当 开 发 出 高 纯 度 镁 合 金后, 才有实质性的增长。1992 年, 美国三大公司 采 用镁合金压铸分别为 30 个零件 ( 福特) , 45 个 零 件 ( 通 用) , 20 个 零 件 ( 克 莱 斯 勒) 9 。 到1993 年, 则差不多增加了 1 倍, 三大公司有 60 多个不同镁铸件在生产中, 而 1983 年则仅有 5 个零部件。 并且 1993 年三大公司镁合金铸件用量 占 北 美 镁 的 总 消 耗 量 的 70% , 达 14 282t, 福特消耗最多, 为 8 258 t, 通用为 3 436 t, 克 莱斯勒为 2 588 t 10 。 这些镁合金主要用来制Table 1 The com po s it ion s an d m echan ica l proper t ie sof som e m agn e s ium a lloy s f or d ie ca st in g合金成分 w B % b 0. 2 E 疲 劳强度 硬 度 比屈服强度合金J g- 1M P aM P a%GP aM P aHBA lM nZnS iR EA Z91DAM 60B A S41A9. 06. 04. 30. 130. 130. 350. 723025524516013515036445. 043. 550 7050 7050 706762788875761. 0 A E 42 4. 0 2. 0 244 140 17 69 83 A Z 系列具有均衡的力学性能、铸造性能和耐蚀性, 其屈服强度最高, 一般用于制 造 形 状 复 杂 的 薄 壁 压 铸 件, 典 型 型 号 是A Z19D (M g29A l20. 7Zn 20. 2M n ) , 通过加入质量分数0. 2% 的M n 来提高防腐蚀性能, 使其成为应用于室温条件下最基本的压铸 镁合金, 通常用于阀套、离合器支架、转向盘柱、凸轮盖、支架、离 合器壳、手动变速箱壳体及其他零件。AM 系列镁合金具有优良 的韧性和塑性, 用于经受冲击载荷, 安全性较高的场合, 典型型号 是 AM 60B (M g26A l20. 2M n ) , 常 用 于 座 位 架 和 设 备 仪 表 板。 A Z19D 和 AM 60B 构成了汽车上镁合金应用量的 90% 2 。 但他 们通常只在不超过 150 的温度下使用, 若是超过 150 应用, 则必须使用 1993 年底新加入商业镁合金行列的 A S 系列。A S 系 列有较好的抗蠕变性 能, 常 用 于 工 作 温 度 较 高 的 发 动 机 零 件。 A S41A (M g24. 3A l21S i20. 35M n ) 在 175 时的蠕变强度要高于 A Z91D 和 AM 60B , 且有较好的伸长率、屈服强度和很高的抗拉 强度。 过去通常用作空冷型汽车发动机的曲轴箱和大众车部件 (如风扇套和电机支架) , 最近则被通用公司用于叶片定子和离合 器 活塞。A E 系列有比 A S 系列更好的抗蠕变性能, A E 42 (M g24A l22R E ) 应用于汽车动力系统上颇受好评。但由于稀土成本高,暂时无法大量推广应用。造离合器壳体、转向柱架、制动器踏板支架、阀盖、阀板、仪表板支架、变速箱体、车窗马达壳体、油滤接头、发动机前盖、进气歧管、 镜子外罩、辅件托架及照明灯夹持器等汽车零部件。 而近年的汽车用镁铸件又有新的 进 步, 除 了 整 体 式 镁 合 金 铸 造 座 椅 外, 在1997 年展出的梅塞德斯2奔驰的新车型 SL K 上, 燃料箱和行李 箱之间的隔板也采用质量为3. 19 k g 的压铸镁合金件代替质量 为 6 k g 的钢件。通用的 EV 1 车型采用的整体铸镁转向盘等亦是 镁合金铸件在汽车上的新应用11 。福特着眼于 2000 年后中型车100 km 油耗少于 3 L 的目标, 而于 1998 年元月推出的轻质概念 车 P 2000, 所采用的铸镁车轮 (每个质量3. 1 k g, 比钢板冲压件减 少 5 k g) , 则将是镁铸件在未来汽车上的应用12 。汽车用镁合金铸件绝大部分是压铸件, 对减少汽车质量、提 高燃料经济性、保护环境、提高安全性和驾驶性、改善汽车性能,增强竞争能力效果显著。 例如丰田汽车的方向盘加装安全汽囊后质量增加, 采用 AM 60B 镁合金压铸件后, 质量比过去的钢制 品、铝制品分别减少了 45% 和 15% , 并减少了转向系统的振动。 奔驰公司用 AM 20 和 AM 50 压铸座椅架, 质量比过去的冲压2焊 接钢结构件大大减少, 通用 EV 1 型用镁制仪表板将 20 个冲压及 塑料零件组合成一个压铸件, 不但减少3. 6 k g, 而且增加了刚性, 减少了装配工作量13 。 福特公司用 A Z91D 制锁套, 比用锌减少 质量 75% , 而福特公司的卡车离合器壳改用 A Z91D 镁合金压铸 件不但无大气腐蚀问题, 且耐海水腐蚀性也比铝合金壳体好, 延 长了使用寿命。镁合金的压铸技术与铝合金相比, 镁合金的密度、比热和凝固潜热较小, 熔点较 低, 熔化和压铸时不与铁反应13 , 因此其熔化耗能少, 凝固速度3121 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 快, 压射周期比同样的铝件可缩短 50% , 又因为镁合金不冲击钢模和工具, 使压铸模寿命延长 1 2 倍, 达 20 万次以上, 并且还可 使用低碳钢坩埚和工具2 。镁合金可用冷室或热室压铸机压铸成形。如德国 A ud i 汽车 的仪表盘是在装有自动浇注机构的锁模力为 24 500 kN 的冷室压铸机上压铸的; 通用汽车公司汽车上的直角承梁是 AM 60B 在 锁模力为 21 560 kN 的冷室压铸机上压铸而成的。汽车座椅框架和汽车轮毂也用冷室压铸机生产, 而汽车方向盘等零件一般用AM 60B 镁合金在热室压铸机上生产。 热室压铸机的生产效率为 同容量的冷室压铸机的 2 倍, 通常用于生产薄壁压铸件。然而和其他合金的压铸件一样, 用传统压铸方法生产的镁 合金压铸件也不能进行热处理强化和在较高温度下使用。 为此, 近 20 年新开发的三种压铸方法: 真空铸造、充氧压铸、半固态金属流变或触变压铸等在消除镁铸件缺陷、提高其内在质量, 扩大压铸件的应用范围方面有很大的贡献。 真空压铸能明显提高压铸件的力学性能和表面质量, 目前在冷室压铸机上用真空压铸法生产出的 AM 60B 镁合金汽车轮 毂, 在锁模力为 2 940 kN 的热室压铸机上生产出的 AM 60B 镁合金汽车方向盘零件, 合金伸长率由 8% 提高至 16% 。充氧压铸又称无气孔压铸, 是将氧气或其他活性气体置换 型腔内的空气, 与充型金属液反应生成金属氧化微粒弥散分布在压铸件内, 从而消除压铸件内的气体, 使压铸件可热处理强化。日本轻金属株式会社用充氧压铸法成批生产了 AM 60 镁合金汽 车轮毂与摩托车轮毂, 与铝轮毂相比, 质量减少 15% 。半固态流变压铸具有充型平稳, 无金属喷溅, 金属液氧化损 失少, 节 能, 操 作 安 全, 减 少 铸 件 孔 洞 类 缺 陷 等 优 点, 固 相 率 为40% 50% 的 A Z91D 镁合金在冷室压铸机上的半固态流变压铸 件 消 除 了 气 孔 缺 陷, 抗 拉 强 度 达 140 200 M P a。 美 国 D ow C h em ica l 公司 1991 年推出的第二代半固态压铸机已生产出的A Z91D 镁合金半固态压铸件有汽车传动器壳体盖、点火器壳体。 此外, 挤压铸造也能提高铸件质量, 但一般用于镁基复合材料制品的生产。对 A Z91D 合金注入 N 2+ 离子也能提高合金的抗蚀性, 注入剂量为 51016 粒cm 2 时的效果最好。另外化学气相沉淀 (CV D ) 和激光表面熔化能使表面生成玻 璃 结 构, 如 A Z91D 激 光 改 良 表 面 的 腐 蚀 率 为 未 经 改 良 处 理 的13。虽然表面处理技术较多, 但离生产应用的要求还有较大差 距。 各种粗劣的表面处理也是镁合金压铸件在汽车上大量应用 的一个技术障碍。6结论据预测到 1999 年, 用于汽车的镁压铸件将有 130 多个, 而美国三大汽车公司耗镁量将达 10 万 t, 其中福特占将近一半14 。而 大众公司的用镁目标是到 2000 年每车用镁量达到令人咋舌的50 k g 15 。 然而这并非天方夜谭, 成本和技术方面的阻碍的克服 将使汽车用镁量持续增长的趋势继续下去。目前, 成本方面的障碍是镁锭成本约高出铝锭 20% 多, 每吨约多出几千美元, 然而, 按美国目前的质量减少 1 k g 多出的成本 不高于 2 美元就可以应用的要求16 来看, 还是可以接受的。并且 汽车工业竞争激烈, 对价格相当敏感, 对用新材料带来的好处有 相当充分的认识。 再加上生产率提高、潜在的新产品市场、对高等级废料的回收, 可使镁锭成本降低, 再通过不断提高的熔铸能 力和生产效率, 通过有限元分析, 对镁铸件进行重新设计和改良 替代设计, 充分利用镁合金的性能 (薄壁整体可铸性, 高比强度和 低机加工成本) , 可使镁合金压铸件在不久的将来, 与钢、铝在成 本上有一定竞争力。阻碍镁铸 件 不 断 扩 大 应 用 的 技 术 障 碍 是 缺 少 高 温 压 铸 合 金、缺乏足够的设计数据、漫长的研制周期和粗糙的表面处理技术。 然而, 汽车制造商和各国政府必定会投入更多的技术力量和 资金去攻克这些技术难关, 使镁合金压铸件成为下个世纪初汽 车上的主导材料。参 考 文 献12汪之清 1 国外镁合金压铸技术的发展 1 铸造, 1997 ( 8) : 48 51A lan L uo. J ean R enaud, Isao N ak a t sugaw a, e t a l. M agne sium C a st2ing s fo r A k tom o t ive A pp lica t io n s. JOM , 1995, 47 ( 7) : 28 31Dw a in M . D eve lopm en t s in th e G lo be M g M a rk e t. JOM , 1995, 47 ( 7) : 26T hom a s J. R uden and D a r ry l L. A lb r igh t. H igh D uc t ility M agne siumA llo y s in A u tom o t ive A pp lica t io n s. A dvanced M a te r & P ro ce sse s,1994, 145 ( 6) : 28 32羊秋林, 李尹熙 1 汽车用轻量化材料 1 北京: 机械工业出版社, 19911Dw a in M . A G lo ba l R ev iew o f M agne sium P a r t s in A u tom o b ile. L igh t M e ta l A ge, 1996 ( 829) : 60In te rna t io na l M agne sium A sso c ia t io n. P r im a ry M agne sium Sh ipm en t s in M e t r ic T o n s. M agne sium , IM A N ew sle t te r, 1995 ( 3) : 4 5W H Show n. M agne sium Supp ly and D em and21993. P ro c 51 st A nnu2a l W o r ld M agne sium Co nfe rence (M c lean V A : IM A ) , 1994. 44 49R B row n. M agne sium A u tom o t ive M ee t ing. L igh t M e ta l A ge, 1992 ( 526) : 18 20B row n D C. 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M a te r ia ls C h a rac te r iza t io n, 1995, 35 ( 7) : 3 9(编辑: 袁振国)4腐蚀和表面处理镁有极高的化学活性, 当与不同类金属配合时易发生电解34腐蚀和微电腐蚀, 通过正确的零部件设计和表面强化方法, 能使阳极腐蚀减到最小; 通过控制铸造过程化学反应和微观组织, 可 减小微电腐蚀。而在自然环境中, 如图 3 所示, 高纯度压铸镁合金的抗腐蚀能力优于铝合金 A 380, 远远高于低碳钢, 因而在应用中 只要控制压铸镁合金中的杂质水平和铁锰比, 就可提高其抗腐蚀能力。采用正确的零件设计和合适的化学成分, 加强对微观组织 的控制, 镁合金压铸件就可以不用任何表面处理而直接应用于 汽车上。 然而车轮、轮毂、引擎组元等关键部件, 进行表面处理是 必要的。镁合金压铸件进行表面处理分为三个步骤: 机械表面清理 和脱脂除渍或酸蚀刻; 表面涂层; 最终保护处理。 其中含有 M g (O H ) 2 和 C r (O H ) 3 的 C r 溶液能提高涂层质量和提供中性腐蚀 保护, 但含 C r 的复合物有剧毒, 应严格控制。ITM ( In st itu te o f M agne sium T ech no lo gy) 研制了一种叫氢 装载的变换涂层法, 用这种方法, 通过暴露电极使镁表面附上一富氢层, 这种方法经济、无毒性, 在盐雾中的防蚀能力比 C r2M n处理好得多, 其工业化的研究正在进行2 。1225678910111213141516 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.