甘孜导热镁合金材料高导热镁合金型材

铸锭凝固时，随着冷却速度的加大，减小了脆性温度区间，提高了固液区的金属的塑性，有利于减少热裂纹。晶粒粗大的凝固着的锭的脆性温度也较大。过热合金熔体将使晶粒粗化，加大脆性温度范围，降低合金的塑性，从而加大脆性敏感性。
　　晶粒形状也对脆性区范围和固液区的塑性大小有影响，柱状晶的不但脆性区较大，且其固液区的塑性也较低，因而易形成热裂纹。
　　铸造速度、铸造温度、冷却强度、铸锭尺寸及形状都对铸锭凝固速度有着直接影响，因而直接影响铸锭的内应力、脆性区大和固液区的塑性。在铸造镁合金锭时，不能同时不适当地加大铸造速度与冷却强度，否则会加大热裂纹敏感性。镁合金有较大的热裂纹敏性，裂纹的分布形式主要与工艺条件有关，常见形式有表面裂纹和发状裂纹。
　　冷裂纹
　　铸锭中的冷裂纹是在凝固以后形成的，是当铸锭冷却到低于不平衡固相线温度以下时，由于铸锭收缩困难造成的，即取决于当时铸锭的内应力大小和塑性高低。铸造应力可分为热应力、相变应力和收缩阻力。在连续铸造时，镁合金的相变应力可不考虑，主要是其余的两种应力，但是收缩力也不大，同时可调控，因此，热应力是主要的，所以冷裂纹取决于在固态时铸锭内部热应力的大小和塑性高低。
　　热应力的产生是由于铸锭内外各层间的收缩不同步与收缩系数的相异，例如直径530mm MB15合金圆锭，在铸造速度为33.6cm/min时，中心部分的平均冷却速度为48℃/min，而外表层的为58℃/min，这种差别必然导致收缩系数不一样，另外各层的收缩时间也不同步，表皮先收缩，中心后收缩，这就会使铸锭内部产生应力。一旦这种热应力超过铸锭的屈服Rp0.2，就会形成冷裂纹。
　　热应力大小除与线膨胀系数α及温差有关外，还与合金的正弹性模E有关，镁合金的E小，只有45000N/mm2，热应力也会小一些。另外，在镁合金铸造过程中所允许的结晶速度较低，产生的热应力不大，故镁合金铸锭产生冷裂纹的几率不高。

面聊了铸造镁合金的熔炼，现在来谈谈变形镁合金的熔炼。熔炼变形镁合金多用反射炉，其炉型与铝合金熔炼的相当。镁合金的熔炼过程为：烘炉、洗炉、配料、装炉、熔化、扒渣、加合金元素、转炉、精炼、静置。
　　烘炉
　　新筑砌炉和中修反射炉在熔炼前烘炉。严格按烘炉曲线进行烘炉，时间不短于264h：由室温缓慢地在109h内升至300℃，在300℃保温24h，然后均匀地在25h内升至400℃，保温48h，再在58h内升至900℃完成烘炉。超过240h的停炉后也务必烘炉，时间不短于72h。烘炉很重要，对炉的寿命有重要影响。
　　洗炉
　　新炉与中修后的反射炉在使用前都要进行一次洗炉，以防合金杂质含量升高与去除砖缝中的一部分非金属夹杂及气态夹杂物，在所熔炼合金转组时也应洗一次炉，例如由熔炼Mg-Al-Zn-Mn系合金转熔Mg-Mn系或Mg-Zr系合金，由Mg-Mn系合金转熔Mg-Zr系合金都要洗炉。洗炉用重熔用镁锭或熔剂，装炉量达炉容积的1/2处，升温至760℃~800℃，充分搅拌两次，静置几分后放尽。
　　配料
　　按车间配料标准配料，所有原辅材料务必清洁干燥，无混料，复化料一般不大于40%，所用的镁锭、铝锭、锌锭、混合铈稀土、锆氟酸钾、氯化锰等的品质与化学成分都应符合有关标准。
　　装炉、熔化及扒渣
　　装炉前与炉底均匀地铺一层粉状二号熔剂（质量%：38~46Mgcl2、32~40KCl、5~8BaCl2、3~5CaF2），然后装料，先装碎的，后装镁锭，后装大块废料，装得尽可能密实平整，装完后撒一层薄的二号熔剂，升温熔化，炉内气氛应呈微还原性。
　　在熔炼过程中应严防镁的燃烧，一旦燃烧，立即用二号熔剂熄灭。炉料化平后，扒次渣，扒渣宜平稳，熔体温度升到750℃~770℃时扒第二次渣，渣要把扒尽，但又尽可能地不带出或少带出溶融镁。扒完渣后搅拌一次，静置几分钟后取样分析，取样温度（℃）：MB1、MB8合金的780~800，MB2、MB3、MB5、MB7合金的720~740，MB15合金的780~800。在熔炼过程中按有关规程加入合金化元素，但铝锭、锌锭可随同炉料一起装料，生产MB15合金时，可用纯锆盐，也可用混合锆盐（K2ZrF6+CaF6+LiCl）或Mg-Zr中间合金加锆，加纯锆盐（K2ZrF6、K2ZrCl6、ZrCl4）时熔体温度900℃~920℃，以后两种方式加锆的温度800℃~920℃。
　　转炉
　　经炉前化学分析熔体成分合格温度为750℃~780℃时即可进行转炉，装熔体转入静置炉进行精炼。转炉方法有：静压差法，适于两个炉膛不位于同一水平上，打开流口，熔体便可自动流出；虹吸法；离心泵法；电磁泵法。中国当前多用种方法。
　　精炼
　　镁合金熔体总或多或少地含有一些非金属夹杂物和气体（主要是氢），因此进行精炼，以去除这些异物，提高合金的各项性能。精炼温度730℃~760℃，精炼熔剂用量为约10kg每吨镁合金熔体，精炼时间约10min。
　　除Mg-Li合金外，其他合金均可以用五号熔剂（质量%）精炼：20~35MgCl2、16~29KCl、8~12BaCl2、14~23MgF2、0.5~8.0BaO3。精炼后向熔体表面撒一层精炼剂，静置60min后铸造。
　　含锆的镁合金不用含Al和Mn的氟化物的熔剂精炼，可用四号熔剂；不采用二号熔剂精炼Mg-Mn系和Mg-RE系合金，因为会有熔剂夹杂存在。应尽量缩短含锂和稀土合金的熔炼与精炼时间，以减少烧损，必要时还要补料。对熔炼炉与静置炉应及时清炉，熔炼炉转炉完了和静置炉铸造终了都要清炉。用五号熔剂的精炼时间不短于60min，它可用于精炼所有的变形镁合金。

中国在发展镁合金方面特别是对镁-稀土合金的研发居世界地位，受到刮目相看，除了前面谈的一些成就，主要成就还有：
　　低成本非稀土镁合金
　　目前发展的新型镁合金的85%以上都或多或少含有稀土，它们的价格昂贵，提高了合金的价格，使其身价倍增，但在性价比上却大打折扣，推广应用不易。因此，研发低成本非稀土型的镁合金显得非常必要，中国在发展这类合金方面也取得了非凡的成就，，如上海交通大学的ASZ511Sb合金、AT72合金、AX51合金。
　　ASZ511Sb（Mg-5Al-1Zn-1Si-0.6Sb）合金，它是一种金属型重力铸造合金，不含合金元素，其主要合金元素为铝、锌、硅，还含有少量的锑与微量的稀土，用于金型重力铸造，铸件的室温屈服强度95N/mm2，抗拉强度Rm=235N/mm2，伸长率A=12%。合金的显微组织为α-Mg+共晶体，其晶体中的Mg2Si呈汉字状，Sb的加入显著细化了Mg2Si，使它成为均匀分布的颗粒。该合金在200℃、50N/mm2条件下的抗蠕变强度与稀土耐热镁合金AE42（Mg-4Al-2RE-0.2Mn）合金的相当，因此可以在100~150℃的温度下长期工作。该合金在5%NaCl盐雾试验时的腐蚀速率比AZ91D合金的低10%。
　　AT72铸造镁合金也是上海交通大学研发的，用于金属型重力铸造，以铝、锡为主要合金元素，还含有锌、锰、稀土等微量元素，金属型重力铸件的室温屈服强度Rp0.2=90N/mm2，抗拉强度Rm=225N/mm2，伸长率A=7%。铸态合金的显微组织以α-Mg固溶体为基体，其中分布着离异共晶Mg17Al12和少量的Mg2Sn，固溶处理后，Mg17Al12溶入基体，但仍有少量的Mg2Sn相。该合金的铝含量不多，有较好的压铸成形性能，与AZ91D合金的相当，但因铝的含量少，仅7%，重力铸件的时效强化效果较弱。AT72-T5合金压、铸件的室温力学性能：屈服强度Rp0.2=125N/mm2，抗拉强度Rm=225N/mm2，伸长率A=4.5%。该合金的抗腐蚀性能与传统AZ91D合金的相当。
　　AX51合金是一种压铸合金，以Al、Sr为主要合金元素，Ti为次要合金元素，是上海交通大学研制的，重力铸件的典型组织为α-Mg+共晶体（α-Mg+Al4Sr），含钛的Mg-5Al-1Sr合金的显微组织发生了明显的变化，晶界上的共晶组织由粗大的层片状转变为球状与短棒状，因而力学性能有较大提高。AX51合金压铸件的典型力学性能：屈服强度Rp0.2=138N/mm2，抗拉强度Rm=270N/mm2，伸长率A=7%。Mg-5Al-1Sr-Ti合金在175℃/70N/mm2的稳态拉伸蠕变速率比不含Sr、Ti合金的小1个数量级。

镁合金的是一类前景广宽的功能材料，典型的功能材料为：镁储氢材料、医用镁材、阻尼镁材、镁电池材料、镁阳极材料等。功能镁合金是一类新型的高技术材料，是镁产业的一个新领域，是世界材料工作者关注的重要焦点之一。镁合金是一类可降解新型医用材料，具有的优势和潜力。
　　在常压与约250℃时镁与H2可形成MgH2，而在低压与重高温度下又能释放氢，因而是一类有效的储氢材料，纯镁的储氢率高达7.6%，即10kg镁中可以储存0.76kg氢，把氢储存在合金中，可以控制释放速度，使用安全性。
　　镁的电极电位低，具有非常的电化学性能，可以作为一次电池与二次电池的电极，可用于制造各种高容量电池，镁与锂的物理化学性能相似，但镁电池，对环境友好，安全性高、易操作，资源丰富，价格合理，作为电池材料具有的优势。目前商用镍氢电池的储氢材料为LaNi5，储氢量仅约1.4%，比容量约330mAh/g，限制了镍氢电池的应用的推广。上海交通大学通过向LaNi5添加少量Mg，大大提高了其电化学容量，其比容量达到400mAh/g，并有良好的循环稳定性。

用仪表板横梁通常采用钢管和钢板冲压件组合焊接制造，此类钢制仪表板横梁总成的组成零件数量多，需要焊接组装，不利于尺寸控制，且整体重量大，不符合轻量化理念。而根据文献报道，采用镁合金压铸的仪表板横梁可减重50%以上，轻量化效果非常明显。主要是因为镁合金是目前应用的金属结构材料中轻的，具有密度小，比强度和比刚度高，阻尼性、切削加工性和铸造性能好等优点，因此镁合金仪表板横梁在国外汽车产品中得到广泛的应用。
　　本文主要从设计选材、结构优化和性能验证等方面，简要介绍AM60B镁合金在奇瑞某车型的仪表板横梁上的应用情况。
　　镁合金仪表板横梁的特点
　　镁合金仪表板横梁与钢制仪表板横梁相比具有以下特点：
　　（1）轻量化 镁合金的密度为1.78g/cm3，仅为钢密度的1/4，减重在50%以上。
　　（2）零件集成化程度高，尺寸稳定 与钢制件相比，镁合金仪表板横梁采用整体压铸的生产工艺，可以把传统钢质CCB的20多个零件集成为一个件。
　　（3）安装尺寸精度高 由于采用整体压铸，尺寸精度很高，所有的尺寸公差都可以控制在0.5mm以内，解决目前钢骨架安装过程中的干涉和异响等问题。
　　（4）设计灵活 由于采用压铸工艺，产品工艺性好，零件形状的设计自由度大。
　　（5）绿色环保 镁合金材料可以回收利用。
　　镁合金的选择
　　目前镁合金的种类有很多，汽车工业采用较多的是AM系和AZ系合金，常用镁合号主要有AM60B和AZ91D。其中AM60B的铝含量较低，由于随着铝含量的降低，材料的韧性逐渐增高，故与AZ91D相比，AM60B的韧性和塑性较好。AM60B是高纯牌号，因此具有和AZ91D一样优良的耐蚀性能，且与A380铝合金相比，耐蚀性更加。
　　本文所介绍的仪表板横梁形状复杂、体积庞大而且壁厚不均，要求承载各种仪表仪器，因此需具有较高的韧性和强度。通过综合考虑AM60B和AZ91D的性能以及参考有关文献资料，终决定选用AM60B（性能见表1）作为制造仪表板横梁的材料。
　　表1 AM60B镁合金的化学成分和物理性能

镁合金零件早期采用金属型重力铸造，经研究发现，由于镁合金的熔点低、密度低，大多数合金的流动性比较好，且比热容低，容易获得较高的冷速，因而在适中的压力下可以获得理想的铸件。根据相关报道，奥迪某款车型的镁合金仪表板横梁，在装有自动浇注机构的锁模力为24.5MN的冷室压铸机上成功实现压铸，因此本文介绍的镁合金仪表板横梁采用冷室压铸是完全可行的。
　　针对仪表板横梁的结构性能要求，结合AM60B的疲劳性能对内在缺陷非常敏感的特点，仪表板横梁的压铸工艺过程中要求压铸过程充型平稳，实现顺序凝固，避免各种铸造缺陷的发生。这样才能在得到缺陷少、品质高的铸件的同时，提高生产效率，也为实现新材料在仪表板横梁上应用奠定了工艺基础。