AZ91板材化:用金相控制法为塑性加工开辟道路

2013-12-17 9:19:25来源:日经制造作者:
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有可能大幅拓展通用镁合金AZ91”用途的是日本住友电气工业开发的板材。2013年,作为使用“AZ91”板材的首款产品,东芝上市了“dynabook KIRA”。

住友电工在AZ91板材的量产技术上初见眉目是在2010年。此后三年,经过以稳定量产为目标的技术开发和用户评测之后,终于达到了实用化阶段。因作为压延材料使用的“AZ31”镁合金耐腐蚀性较低,有的产品只好不再将其用作外装材料,而AZ91板材刚好可应用于这些产品。

使微细晶粒均匀分散

铝(Al)含量较多的AZ91,在镁合金中拥有出色的耐腐蚀性,是最常用的通用镁合金*1。但是,其使用形态过去基本上只限于铸造材料。原因是“普通AZ91完全不能进行塑性加工”(住友电工新业务开发本部镁合金开发部长岸本明)。因其会不均匀地析出较硬的MgAl化合物,加工时易导致材料破碎。因此,无法制造板材、不适合冲压加工是镁合金被人冷却的主要原因之一。

*1 一般铝含量越多,耐腐蚀性就越高。

打破这一障碍的企业是住友电工。该公司开发出了“类似漏模造型(Strip Casting)的自主急速冷凝技术”(岸本明),成功使金属组织的分布细致而且均匀(图1),由此避免了大尺寸化合物的析出,从而可防止由此引起的材料破碎。尽管详情未透露,但住友电工新领域技术研究所镁合金研究室主任河部望表示“关键在于在母材中均匀地混合大量铝并急速冷却”。

图1:AZ91的金相

住友电工的板材组织中没有发现明显的金属间化合物(a)。铸造材料则明显析出了的金属间化合物(黑色部分)。这种金属间化合物比较硬,因此在加工时容易破碎。

加工性能与AZ31同等

由板材制造的冲压品不仅适合大量生产,而且具有尺寸精度高、表面缺陷少、强度高等多种优点。比如,住友电工的AZ91冲压品,其拉伸强度最大可达到380MPa,是铸造品的1.5倍,延展率高达10%以上。而且,对冲击的耐受性也很强。在薄板铸造品被砸碎的冲击试验中,相同厚度的冲压品只出现稍微凹陷,并未出现裂纹(图2)*2。

*2 用于笔记本电脑机壳时,较薄的AZ91铸造品在长期使用过程中有的曾因摔落或冲击而破碎。

图2:冲击试验结果

从75cm高处令225g的铁球落下。左侧的AZ91板材冲压品只稍微凹陷,并未出现裂纹,而比其厚的触变成型品则被砸破。

AZ91板材的加工性能与AZ31同等,“因其强度高,连铝合金都很难做到的深冲及小R角也能冲压成形”(河部)。

发挥出色的耐腐蚀性用于表面加工

AZ91板材的另一大优点是“装饰性高,可以实现AZ31无法做到的外观设计”(河部)。这得益于AZ91板材的出色耐腐蚀性。

AZ91板材的耐腐蚀性比AZ31板材及AZ91铸造材料都高。这是因为其表面缺陷少,晶体细密且均匀,表面性质十分稳定的结果。从住友电工实施的100小时盐水喷雾试验结果来看,AZ31板材及AZ91铸造材料的表面出现了白色锈斑,而AZ91板材却没有明显的腐蚀痕迹(图3)。耐腐蚀性高,可采用的涂料范围就会扩大,从而可以使用多种颜色的涂料,也就是说外观设计性更高。

图3:盐水喷雾腐蚀试验结果

AZ31板材与AZ91铸造材料在24小时后有明显腐蚀,而住友电工的AZ91板材在100小时后也没有明显的腐蚀。

板材间的接合可以采用普通焊接方式*3。比如,住友电工设想将其应用于大尺寸产品,试制了手提公文箱等(图4)。将三块板材以摩擦搅拌焊接工艺粘贴起来,冲压加工制成。据称,制造过程中直接沿用了铝合金模具。

*3 这里指MIG(Metal Inert Gas,金属惰性气体)焊接、TIG(Tungsten Inert Gas,钨极惰性气体)焊接、激光焊接及摩擦搅拌焊接等。

图4:用AZ91板材制造的样品

图为笔记本电脑表面机壳示意图。采用冲压技术施以十字加工。右图是以摩擦搅拌焊接(FSW)工艺将三块板材焊接成大尺寸板材,再冲压成形加工成的手提公文箱。这种公文箱已由开发人员日常使用。

目前,住友电工可以供应的板材尺寸为宽350mm×厚2mm。要想按照用户需求用于大型结构材料,还需要解决如何实现大型化的课题。

AZ91板材剩下的问题就是成本了。因为板材在铸造之后还要经过压延工序加工,所以成本高于铸造品。但是,由于成形后的研磨工时及表面处理工时少于铸造品,且生产效率高,因此住友电工估计,最终的板材价格可以控制在与铸造品同等或以下的水平。

(关键字:AZ91 板材 镁合金)

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