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金沙集团186cc成色金
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中铝轻研成功开发新型不锈镁“SSMag”合金

日期:2024年01月11日

11月中旬,中铝轻研镁合金团队成功开发出一种具有高强度、高耐蚀性和优异中高温冲压性的新型“不锈”镁合金,该合金相比于防锈铝A5052,腐蚀性能相当,抗拉强度、屈服强度均提升近40%,密度则降低34%,能够满足更复杂、更严苛的应用场景和使用环境,在航空航天、轨道交通及3C笔电领域应用前景广阔。镁合金团队将其命名为“Super stainless magnesium alloy”,简称SSMag。 ”

SSMag不锈原理与效果

致密表面膜层是关键。

镁合金团队基于前期“不锈”镁锂合金研究基础,筛选了可形成致密氧化产物膜层的化学成分,首先通过合金化元素固溶降低自腐蚀电位,然后通过形成网状和连续分布的第二相抑制α-Mg相溶解,双重作用下阻碍镁合金腐蚀,并采用微量Be、Y等元素生成能够填充镁合金表面膜层间隙的氧化物,增大致密度,提高耐蚀性,最终开发出高强高耐蚀镁合金。

该镁合金经3.5wt.% NaCl盐雾实验14天,腐蚀速率达到0.036mg/cm2/d,是普通镁合金的10-50倍,且有随腐蚀时间延长,腐蚀速率下降的趋势,与防锈铝A5052腐蚀性能相当(图3、图4),因此,由于其具有不同于普通镁合金的超高耐蚀性(Super stainless),故而镁合金团队将其命名为SSMag。

图3 不同镁合金在3.5wt.%NaCl盐雾腐蚀后的表面形貌

图4 SSMag与普通镁合金、防锈铝力学性能和腐蚀性能对比

    SSMag在3C镁合金的应用优势

目前,镁合金材料通常被用于中高档超轻、超薄型的笔记本电脑、数码相机、平板电脑、手机等的外壳,被主流品牌认可,且用量呈上升趋势。在轻量化要求下,轻薄笔电整机重量基本控制在1000g左右,壳体厚度都在0.4~0.6mm,传统压铸工艺已不能满足要求,因此笔电镁合金薄壁件加工主要采用薄板冲压成型,后制程主要是微弧氧化+喷漆。

然而,目前3C用镁合金存在以下几个痛点,限制了其产品在消费领域的进一步扩大应用:

1、难冲压。镁合金晶体结构为密排六方结构,对称性差,变形后微观组织和力学性能的各向异性大,如3C常用AZ31B镁合金薄板即使在高温冲压时也容易开裂,成品率不稳定。

2、表面差。镁合金易腐蚀,需要做微弧氧化+喷漆以保护基材不被侵蚀。但这样会造成镁合金外壳表现油漆感,即呈现塑料感,虽重量大幅降低,但美观性和质感无法与铝合金外壳相媲美。

3、强度低。3C常用镁合金强度较低,结构强度与A5052铝合金相当,加之其成本更高、油漆感更强,故替代优势表现不足。

4、成本高。常用镁合金在薄板轧制、冲压成型及表面处理均会产生一定比例的报废,最终成品率低至50%以下,造成成本攀升。

  镁合金团队开发的SSMag,具有高强度、高耐蚀性和温间冲压成形性,能够很好的弥补3C镁合金所存在的以上不足,实现媲美铝合金表面观感的工艺效果,并因其更高的比强度,可为笔电带来进一步结构减重。SSMag用于3C笔电主要优势有下

良好的温冲成形性

SSMag不锈镁合金比AZ31B具有有更好的温间冲压成形性能(图5),在同样温度和冲压参数下,SSMag成形质量更好,冲压后无任何裂纹和缺陷,且表面保持光亮,可有效降低冲压成型废品率。通过高温拉伸性能表征可以看到(图6),SSMag在250℃下拉伸时延伸率最高达到232%,约为AZ31B镁合金的3倍、AZ91D镁合金的4.5倍。

图5 SSMag与AZ31B在250℃下冲压成形对比

图6 SSMag与AZ31B、AZ91D在250℃下高温拉伸力学性能对比

高强高韧性

SSMag不锈镁合金相比于A5052防锈铝合金,抗拉强度360MPa,提升约40%;屈服强度300MPa,提升40%;密度1.79g/cm3,降低34%;比强度提升1倍。力学性能的提升带来抗磨性、抗凹性及耐冲击性的提高,可在保证零件强度和刚度的前提下, 减少零件壁厚,达到进一步结构减重的目的。

高光:表面处理后具有更丰富的外观性

由于其不锈特性,能够实现阳极电泳,具有金属光泽(图8)实现高级质感;也可以通过钻石切割、透明涂装保持金属外观,呈现高光、高亮效果(图9);还可以通过化学转化,实现高的盐雾可靠性,进而降低表面处理的成本,这都是其他镁合金不能实现的表面处理方式。

图8阳极氧电泳

图9 透明涂装-高光

 

 综上,SSMag采用中铝轻研独特的真空高纯净镁合金制备工艺,耐腐蚀性能与防锈铝A5052相当,强度更高。而加工成形性、表面处理方式突破了镁合金限制,且充分保留了镁合金的高阻尼、低密度、高比强、高比刚度、优异的散热性和电磁屏蔽性,使其能够满足更复杂、更严苛的应用场景和使用环境,可替代现有AZ91D高强镁合金和A5052铝合金用于3C笔记电设备,产品更加耐用、可靠。

供货能力和技术水平

中铝金沙集团186cc成色金可根据客户需求连续批量生产多尺寸规格、不同厚度的高性能镁合金、镁锂合金等镁合金薄板的能力。公司拥有多套尖端、高效、创新的卷材生产工艺,采用先进的自动化控制系统和独特的轧制技术,可实现镁合金的120m/min的高速轧制,确保镁合金卷材的尺寸精度和表面质量,降低生产成本。并通过精确控制轧制力、轧制温度和轧制速度等参数,使得镁合金卷材的内部晶粒结构得到优化,力学性能得到显著提升。能够快速完成大批量,高品质的产品输出,满足客户的需要。

中铝轻研先后通过国军标武器装备质量管理体系、国标质量管理体系、职业健康安全管理体系、环境管理体系认证,武器装备科研生产单位二级保密资格认证,是国家工信部认定的专精特新“小巨人”企业,科技部认定的国家科技型中小企业。以国防军工中航空航天装备及零部件作为应用目标,开发高性能轻合金材料及精深加工新产品,选取超轻、高强、高模量、耐热等轻合金领域技术难度较大的合金产品作为技术产业化方向。

不锈镁的发现及由来

易腐蚀的世界难题是一百多年来一直制约镁合金发展的直接原因。如何研究开发高强度、高塑性、耐腐蚀的新型镁合金决定镁合金的发展前景,是镁合金与铝、钛、高分子等材料相竞争的关键。

2009年到2015年期间,为解决镁合金发展中存在的困境,肖阳博士团队从纯净化、低腐蚀电位微观组织设计、基体耐蚀膜层构建等方面,开展耐蚀镁合金的研究,并陆续培养了1名博士后、5名研究生。

2014年时,通过在镁合金中添加Li、Al、微量稀土Y,并经过固溶、时效、冷轧后在镁合金内部锂原子积聚形成一种均质纳米结构,在中性盐雾和盐水中做加速腐蚀试验时,锂优先氧化成Li2CO3,并与MgO和Mg(OH)2结合形成了一层氧化膜,其薄而致密、可自修复,具有类似不锈钢那样的防护特性,腐蚀速率与纯铝相当(图10),从而首次提出“不锈镁”的概念,并在中国镁业大会上做相关报道。

图10 不同镁合金在盐水腐蚀后的表面形貌

2015年将“不锈镁”部分成果,与合作者共同发表在国际学术期刊《nature materials》上,该成果通过控制合金化和优化热机械加工路线,有效地设计了溶质纳米结构的镁锂合金,解释了镁锂合金中复合强化和耐腐蚀性增强的机理。这项工作为进一步修改或控制镁合金的性能提供了一个平台,并证明了生产超轻耐蚀镁合金的可能性。

图11 SSMag(左)和AZ31B(右)在3.5wt%NaCl溶液中浸泡14d的形貌对比

镁合金团队8年来持续对“不锈镁”的化学成分、制备工艺进行不断优化与迭代。2023年11月,成功开发出新型高强高耐蚀镁合金——SSMag镁合金(图11),该合金能够快速实现产业化、市场化,可为航空航天、国防军工和3C笔电等领域新材料选材提供更多选择。

未来,中铝轻研将继续致力于开发新型合金的高性能和多样化应用,积极推动中国有色合金产业的快速发展,为促进科技进步贡献力量。