镁合金应用的发展趋势及切削加工要点.

引言

自20世纪90年代初开始，国际上主要 金属材料的应用发展趋势发生了显著 变化，钢铁、铜、铅、锌等传统材料的 应用增长缓慢，而以镁合金为代表的轻 金属材料异军突起，以每年20%的速度 持续增长。镁合金可分为铸造镁合金和 变形镁合金。镁合金按合金成分不用主 要分为 Mg-AI-Zn-Mn 系、Mg-AI-Mn 系 和 Mg-AI-Si-Mn 系、Mg-AI-RE 系、 Mg-Zn-Zr 系和 Mg-Zn-RE 系。

镁的物理性能

密度（20° C）： 1.738g/cm³；

熔点：650°C；

沸点：1107°C；

熔化热：8.71kJ/mol；

汽化热：134kJ/mol；

比热容（20°C）： 102.5J/kg.K；

线胀系数：25.2*10-6/K；

热导率：155.5W/m.K；

电阻率：44.5nQ.rn；

电导率：38.6%IACS

镁合金的性能特点及应用现状

镁合金具有以下几方面的特点：

（1）重量轻：镁合金的比重约1.7,为锌的1/4,钢的1/5,甚至比铝合金（比重约2.7）的比 重也轻1-3.

（2）镁合金具有的“高强度、重量轻”特性使其可在钢、铸铁、锌合金甚至铝合金的传统应用 中取代上述材料。

（3）优良的导热性、相对于工程塑料极佳的吸震性，较佳的机械强度、抗冲击性及耐磨性。

（4）抗EMI电磁波：镁合金为非磁性金属，电磁遮蔽性能优良。

（5）尺寸稳定性高：不易因环境温度变化及时间而改变。

（6）可回收：镁合金具有100%完全回收的特性，更符合当今环保要求。

（7）机械加工特性：如果设镁切削所需动力为1,则铝是1.8,黄铜是2.3,铸铁是3.5；且比重轻，切削惯性小，可高速切削。

镁合金的主要用途在于轻量化。目前镁合金压铸品的应用产业以汽车零组件为主，约占8既 以上，其次为3C产业，其它如自行车、器材工具、运动用品及航天国防也都在其应用范围之内。

镁合金的主要用途

汽车零件一车座支架、仪表板及托架、电动窗电机壳体、升降器及轮轴电枢、油门踏板、音 响壳体、后视镜架

自行车零件一避震器零件、车架、曲柄、花壳、三/五通零件、轮圈、刹车手把

电子通讯一笔记本计算机外壳、MD外壳、移动电话外壳、投影机外壳

航天国防---航空用通信器和雷达机壳、飞机起落架轮壳

运动用品一网球拍、滑雪板固定器、球棒、射弓中段与把手

器材工具一手提电动锯机壳、鱼钓自动收线匣、控制阀、相机机壳、摄像机壳 

镁合金产品应用统计表

信息、通讯产品77%：其中：笔记本计算机39%,数字摄影机19%,移动电话14%,数码相机 5%,投影仪6%,其他电子产品17%。

汽、机车零件18%：其中：汽车零件88%,机车零件12%。

农林机械5%：其中：农林业机械41%,电动工具27%,运动用品8%,其它24%。

美国政府与三大汽车公司（Ford）、通用（GM）、克莱斯勒（Chrysler）于1993年提出PNGV （Partnership for a New Generation of Vehicles）计划，希望在 2004 年开发 6 人座省 油车，以每100公里耗油3公升为目标，主要在于车体结构与动力系统的轻量化设计开发。 

可以镁合金化的汽车零件

悬吊系统总成一零件名称：车轮，备用轮胎，控制臂（2个，后方），控制臂（2个，前方）, 引擎架，后方支架

内装总成一零件名称：仪表板、横梁，仪表板支架，椅背椅座，气囊零件

方向盘总成一方向盘零件

车身总成一零件名称：保险杠补强横梁，铸造车门内衬，铸造A/B柱，挡风片开关补强材， 行李架，侧镜

刹车系统总成一零件名称：ABS零件,；离合器/刹车踏板托架，踏板零件

电器机械零件一交流电箱，音响/EEC零件，雨刷电机，交流电/AC托架 动力系统总成一传动（阀体。箱、侧盖、启动器），传动箱（总重量12kg的15%）,发动机 组，支撑托架，罩套（油/水泵，机车马达），汽缸盖，吸气歧管，引擎支架，油盖，前盖

镁合金加工的问题

基于以上优异的特性，使镁合金在未来发展中具有很强的优势，更符合当代环境保护、可持 续发展的要求，是取代钢铝材的理想选择。由于镁金属化学活性大，给镁合金零部件的加工 带来一系列的问题，妨碍了镁合金的推广使用，主要体现在：

（1）极易产生电化腐蚀。在冶炼、制造上需特别注意，在防蚀处理上也较其他金属困难。 因此，为了使镁合金的应用更加广泛，对于镁合金的腐蚀机制、防蚀机制、表面处理技术及 工件防蚀设计，需要有更多的处理程序。

（2）燃点低。在切削过程中必须考虑温度的影响，以防止切削燃烧，并在加工中要釆取相应的 措施和条件才能真正杜绝事故的发生。

（3）工件变形的问题。镁合金的线膨胀系数比钢和铸铁大，切削热、温差等因素都会直接影响 镁合金零件的精度，需要在选择加工余量、刀具几何参数。切削用量以及工装夹具的设计、 检测方法的选择等方面有很好的措施。

切削加工技术要点

加工过程中防锈措施

零件应整齐排放在指定的库位，不允许接触地面；存放零件的地方应采取防潮措施；用布醮 汽油擦拭涂有防锈油的零件表面，吹干后才能进行加工；全部化学处理工序，即启封、氧化 和涂漆工序应记录在过程卡上；零件启封后到投入加工不得超过15昼夜；零件经过划线后， 氧化膜会被破坏，因此划线应在氧化前进行；采用干式切削加工，不得用润滑油和冷却 液冷却，加工螺纹时允许用机油润滑冷却；全部机械加工工序应在氧化之前进行，特殊 情况下，允许氧化后进行个别机械加工。零件的全部锐角应倒圆，以获得合理的保护； 从机械加工区氧化膜开始，每隔10昼夜进行氧化处理。

零件表面后续防锈处理

（1）表面预清洗（前处理）：镁合金产品经由压铸或锻造等程序，其表面易混入氧化物、润滑 剂、油脂等污染物，因此前处理的目的在于清洁镁合金表面以利后续处理。主要用两种方法清洗：①机械清洗，以不同研磨、粗抛光、干式及湿式磨蚀喷射等方式达到要求的表面粗糙 度；②化学清洗，以溶剂清洗、碱洗、酸洗，造成其不同的表面状态。

（2）钝化处理：钝化处理是利用金属表面与溶液间的非电解化学反应不溶解、无机盐表面薄膜, 其目的除了可提高耐蚀能力外，其钝化膜亦可作为涂装之基底，以增加涂装的附着力。

（3）阳极化处理：阳极处理可产生阳极氧化膜，大幅提升耐蚀能力；产生金属光泽质感，具备 美观装饰作用，其氧化膜也作为后续涂装基底，增加涂装的附着力。如果能在后续封孔处理 得好，生成的致密氧化层可提高表面硬度及抗蚀性。

（4）电镀处理：利用电镀技术可改变镁合金材料表面颜色、外观，以达到所需之功能性及装饰 性目的。一般在考虑提高电镀厂附着力时，会在电镀处理前进行数次打底的前置处理，如锌 置换、铜置换、无电镀镣等。

（5）金属覆层：金属覆层可进一步防蚀及增加表面机械性质、硬度，从而达到在特殊环境条件下选择轻量化镁合金的目的。

镁合金加工过程中防止燃烧的措施

（1）日常管理过程中的措施

在规定的场地加工镁合金零件，工作现场需整洁、明亮、通风。要及时清理工作现场的镁屑， 不准在机床旁边堆放切屑，而应在厂房外指定专用容器放置切屑。每台加工机床旁应配置干 粉灭火器或灭火用的干沙。

（2）技术规范措施

选择合适的切削用量和刀具几何参数，尽量避免小于0. 05mm的吃刀深度，保持刀具的锋利 和断续切削状态，避免产生薄的带状切屑。

（3）设备环境措施

尽可能釆用干式高速切削，不适用冷却液，空气自然冷却，配置冲水排屑装备。由于遇水的 镁合金粉末容易产生氢气，所以生产加工时尽可能使用矿物油（严禁使用酸性切削剂），对 于油类切削液的机床需具有防漏设计。另外，在清除镁屑时，尽可能不要接触水。

减少零件加工过程变形的措施

镁合金切削力小，切削能耗低，切削过程中发热少，切屑易断，刀具磨损小，寿命显著延长, 因此，加工镁合金可进行高速、大切削量切削，这在一定程度上抵消了镁合金价格较高的弱 点。原则上任何刀具材料，包括普通碳素钢都可以用于加工镁合金，大批量切削加工时，一 般选用硬质合金刀具，金刚石刀具主要用在表面质量要求较严的情况，车削镁合金一般也选 用金刚石刀具。但镁合金燃点低（650。C）,在加工中必须用矿物油进行强力冷却，并把镁 的切屑迅速从加工区运走。另外，高速切削时，镁合金有粘结刀具表面形成积屑瘤的情况。 降低变形的措施主要有以下几方面：

（1）技术规范：将粗加工与精加工分开，在粗加工阶段去除大部分余量，对框架类镁合金零件, 特别是薄壁类零件，可以采取粘贴阻尼材料的方法降低加工时的切削振动变形。考虑加工过 程减震处理，减小切削余量和温差。粗加工与精加工工序间安排人工或者自然时效及相应的 回火热处理，以尽可能释放零件内部应力，减小加工后变形。

（2）合理的刀具几何参数：采用大前角，一般Y =20° ~30°，粗加工取较小值，精加工时a =10° ~15° , גs=60° ~75°。大的刃倾角可增加切削力。同时，要考虑后刀面的磨损对切削力的 影响，因此，控制后刀面的磨损保持刀具的锋利程度也是降低切削力的有效办法。主偏角对 切削力有直接的影响，减小主偏角、增大切削深度与走刀量的比值对切削区内的散热有很好 的作用。一般主偏角Hɣ=30° ~45°。

（3）选择适合的切削用量：采用高速说削技术进行加工，切削热基本都有切屑带走，也可以适 当选择大走刀量、大切削深度。

结语

镁合金正在从一般结构铸造件向着高性能轻合金结构框架、精密复杂应用条件的方向发展, 正在由军工向着民用不断推广，同时加工技术向数控化、高速化、自动化技术方向发展，向 材料制备与构件成形同时制造的方向发展；制造技术向信息化、数字化及设计一制造一体化 方向发展。我国镁合金制造技术正处在一个新的变革时代，它将为新一代工业与民用设备的 研制提供更先进的材料与制造技术。