鎂合金作為目前密度最小的金屬結(jié)構(gòu)材料,廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)、汽車工業(yè)、通訊電子業(yè)等領(lǐng)域。鎂合金突出的優(yōu)異性能受到了自行車生產(chǎn)廠家與客戶的青睞,逐漸被各大公司應(yīng)用于自行車的零部件生產(chǎn)。近年來,國內(nèi)外的許多公司紛紛開始了鎂合金自行車架的研發(fā),許多知名廠商已經(jīng)成功地生產(chǎn)出性能優(yōu)越的鎂合金車架自行車并投入使用,取得了很好的效果。
鎂合金的性能
1鎂合金適用于自行車車架的優(yōu)異性能
1.1高的比強(qiáng)度、比剛度
應(yīng)用于自行車架的材料中,鋼的強(qiáng)度和剛度是最好的。同時(shí),鎂合金的抗拉強(qiáng)度,彈性模量也明顯低于鋁合金和鋼。但是,鎂合金的比剛度與鋼、鋁合金幾乎相同,比強(qiáng)度更是優(yōu)于鋁合金,幾乎是鋼的2倍。因此,鎂合金在進(jìn)行自行車架設(shè)計(jì)時(shí),通過截面變化及表面處理等手段,可以減輕鎂合金性能低的不利因素,改善鎂合金的使用性能。
1.2優(yōu)異的減振性能
許多鎂合金都具有優(yōu)異的減振性能,能吸收沖擊與振動(dòng)。鎂合金的單位減振性能比硬鋁高100倍,比合金鋼高20倍,比鈦合金高300~500倍。這一特點(diǎn)使以鎂合金為車架的自行車具有更好的騎行舒適性。
1.3其他主要優(yōu)點(diǎn)
鎂合金的優(yōu)點(diǎn)還有疲憊無記憶性能突出。密度低,很大程度上減輕了車身質(zhì)量。接觸性、生物相容性好。鎂合金在生物領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛,舒適的接觸性,使其非常適合用于與人體緊密接觸的零部件;易于回收,環(huán)境負(fù)荷小,被稱為“綠色材料”。
2鎂合金的加工及使用性能
2.1鎂合金的腐蝕與保護(hù)
鎂的標(biāo)準(zhǔn)電極電位是-2.37V,電負(fù)性很強(qiáng),耐蝕性很差。在潮濕的空氣中會(huì)發(fā)生腐蝕,生成氧化膜薄層。這種薄層脆性大,疏松,耐蝕性很差,在使用過程中需要增加工藝來對(duì)其進(jìn)行防護(hù)。
常用的保護(hù)方法有三種,一種是添加或消除某些相容性材料構(gòu)成復(fù)雜合金或者復(fù)合材料。常見的添加材料有Mn、Fe、Zr、Si、Ni、SiC、TiC等。合理的控制添加物的比例,不僅可以滿足使鎂合金增強(qiáng)的效果,還能適當(dāng)?shù)谋Wo(hù)鎂合金減小腐蝕。另外一種方法是表面處理。常用的方法是化學(xué)氧化膜、陽極氧化膜、表面陶瓷化、電鍍、化學(xué)鍍、氣相沉積、涂層、氮離子改性、激光表面處理等。需要注重的是,不同的表面處理對(duì)鎂合金都具有保護(hù)作用,但是得到的鎂合金的表面硬度、耐磨性、強(qiáng)度、導(dǎo)電性等各項(xiàng)性能會(huì)有很大差異。第三種方法就是合理把握零部件工藝設(shè)計(jì)。比如圓角比尖銳的邊角更不易被腐蝕。另外,在水蝕、鹽蝕、高溫等化學(xué)環(huán)境中,應(yīng)盡量避免使用鎂合金部件。
2.2鎂合金的壓鑄
壓鑄鎂合金已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展,目前,絕大部分鎂合金的應(yīng)用部件是壓鑄件。
鎂合金用于壓鑄具有很多優(yōu)點(diǎn):生產(chǎn)效率高,表面質(zhì)量好,易成形,有時(shí)甚至可以取消隨后的機(jī)加工。制造成本低。鎂合金具有低熔化潛熱,低比熱,低溶鐵性,可以使用任何鑄造工藝來成形。壓鑄鎂合金壽命長,鎂合金熔化和壓鑄時(shí)不與鐵反應(yīng),因此其熔化耗能少,凝固速度快,壓射周期短,同時(shí)鎂合金不沖擊鋼模和工具,使壓鑄型壽命長達(dá)20萬次以上5。鎂合金粘度很小,利于脫模。
壓鑄鎂合金同時(shí)具有以下一些缺點(diǎn):
體積收縮率大。純鎂在結(jié)晶凝固時(shí),體積收縮率為4.2%,從熔點(diǎn)923K降溫至室溫時(shí),體積收縮率約為5%。鎂合金的收縮率與純美極為接近。由于鎂合金的鑄造及冷卻收縮率很大,鑄造鎂合金會(huì)產(chǎn)生微孔,鑄件具有低韌性和高缺口敏感性。
壓鑄鎂合金的試模成本較高,試模時(shí)間較長。大多數(shù)鎂合金零件的原始設(shè)計(jì)不是鎂合金,而是鋁合金、鋼板沖壓和塑料件等,其最初的結(jié)構(gòu)和尺寸與最終采用的鎂合金零件結(jié)構(gòu)可能會(huì)有很大的變化,而且在試裝階段還有可能更改結(jié)構(gòu)。這種情況有可能導(dǎo)致模具報(bào)廢,重新設(shè)計(jì)模具,增加成本。
鎂的鑄造燒損率高。鎂的表面活性很高,壓鑄時(shí)燒損率最高可達(dá)4%。近幾年來,鎂合金壓鑄技術(shù)不斷發(fā)展,國際上常用半固態(tài)金屬流變壓鑄法。這種方法具有充型平穩(wěn)、無金屬噴濺、金屬液氧化損失少、節(jié)能、操作安全、可以減少鑄件內(nèi)孔洞類缺陷等優(yōu)點(diǎn)。中國的力勁集團(tuán)對(duì)于鎂合金的壓鑄問題研究深入,已經(jīng)在國內(nèi)首先利用半固態(tài)金屬流變壓鑄獲得了較好的鎂合金試件。
2.3鎂合金的焊接
與壓鑄鎂合金相比,焊接鎂合金不用模具,節(jié)約了成本;操作更為簡便;便于將各個(gè)部件進(jìn)行組合。但是鎂合金的焊接性能并不好,所以,焊接鎂合金并不常見。
鎂合金在焊接過程中會(huì)碰到如下問題:
粗晶問題。鎂合金熱傳導(dǎo)率較大,焊接時(shí)需要較大的熱源,焊縫四周出現(xiàn)金屬過熱和晶粒長大的現(xiàn)象。氧化、氮化和蒸發(fā)。高溫下,鎂輕易被氧化、氮化生成夾雜物,破壞接頭的性能。
另外,鎂的沸點(diǎn)只有1100℃,焊接時(shí)很輕易蒸發(fā)、變形和下塌。鎂的熱膨脹系數(shù)比較大,高溫電弧下很輕易產(chǎn)生較大變形并引起很大的熱應(yīng)力。同時(shí),鎂的表面張力很小,輕易形成塌陷。
氣孔。氫氣在鎂中的溶解度隨溫度升高而增大,焊接時(shí),氫氣進(jìn)入鎂中,同時(shí),鎂的密度小,氣體不易逸出。這樣,焊接過程會(huì)形成氣孔。
熱裂紋。鎂合金焊接時(shí),組織中低熔點(diǎn)化合物首先熔化,出現(xiàn)空穴或者晶界氧化現(xiàn)象,即產(chǎn)生了熱裂紋。
燃燒。高溫下操作時(shí),即使在氣氛保護(hù)下,鎂合金焊接時(shí)仍會(huì)產(chǎn)生大量氧化鎂濃煙及臭氧,甚至出現(xiàn)飛濺、燃燒等劇烈的氧化現(xiàn)象,操作要十分小心。
目前鎂合金的焊接問題正逐步得到解決。公認(rèn)較好的幾種焊接工藝主要是混合焊以及慣性摩擦焊。混合焊是將激光焊和氬弧焊結(jié)合在一起,這樣做比單獨(dú)使用其中一種方法更有優(yōu)勢(shì)??梢詫?shí)現(xiàn)晶粒細(xì)小均勻、無下陷、提高能量利于率等優(yōu)點(diǎn),達(dá)到鎂合金的高效、優(yōu)質(zhì)連接。慣性摩擦焊適用于異種金屬的焊接,通過慣性摩擦焊,基本可以得到性能可靠的焊接接頭。除此之外,熔化極氣體保護(hù)焊、攪拌摩擦焊、電子束焊、點(diǎn)焊等也是常用于鎂合金的焊接方法。
鎂合金自行車架的生產(chǎn)工藝
1壓鑄法
壓鑄是目前鎂合金成型最成熟、應(yīng)用最廣的工藝方法。壓鑄分為熱室鑄造和冷室鑄造。用于生產(chǎn)自行車車架的是熱室壓鑄方法。如英國的Kirtprecision公司用熱室壓鑄生產(chǎn)AZ91P鎂合金自行車車架。北京首鋼集團(tuán)與河北遠(yuǎn)東集團(tuán)組合而成的北京首鋼遠(yuǎn)東鎂合金制品有限公司,推出壓鑄法生產(chǎn)的折疊式鎂合金電動(dòng)自行車。
2焊接法
車架更新?lián)Q代非???,壓鑄件的鑄模成本很高。而焊接的車架易于設(shè)計(jì)和成形,因此采用變形鎂合金彎曲成車架是一種非常經(jīng)濟(jì)的方法。因此鎂合金車架材料應(yīng)具有高的擠壓能力和焊接能力。目前許多焊接方法已經(jīng)可以輕易地將鎂合金焊接成車架,因此焊接將是鎂合金車架的主要成形方法。焊接的效率非常高,因此許多鎂合金都不需要進(jìn)行熱處理,這樣使加工控制很穩(wěn)定,成本較低。
前景展望
鎂合金是繼鋼鐵、鋁合金之后發(fā)展起來的第三類金屬結(jié)構(gòu)材料,是21世紀(jì)的綠色工程材料。鎂在自然界分布非常豐富,居第8位。我國是世界上鎂儲(chǔ)量最豐富的國家,也是原鎂產(chǎn)量最大的國家之一,占世界的40%以上。同時(shí),我國大陸地區(qū)是世界最大的自行車產(chǎn)地和自行車消費(fèi)地,因此在我國發(fā)展鎂合金車架具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。但是我國鎂工業(yè)發(fā)展存在很多問題:原鎂生產(chǎn)技術(shù)比較落后,出口大多是初級(jí)材料;高性能、高質(zhì)量鎂合金產(chǎn)品的研發(fā)水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外許多國家,難以滿足日益增長的需求。鎂及鎂合金的深加工技術(shù)是十三五期間我國重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)業(yè),利用這一契機(jī),我國的鎂合金車架將得到大力發(fā)展,鎂合金車架不僅要應(yīng)用于登山、越野、競(jìng)賽等高端產(chǎn)品,也必將朝著多用途、多功能、大眾化的方向不斷發(fā)展。