镁合金研究现状及发展趋势

镁合金研究现状及发展趋势摘要：镁合金作为21世纪的绿色环保工程材料之一，近年来已成为学术界的一个研究热点。本文主要综述了镁合金的研究进展和应用，介绍了耐热、耐蚀、阻燃和高强高韧等高性能镁合金材料的最新发展。还介绍了镁合金成型技术的研究成果，最后展望了高性能镁合金的发展前景。关键词：镁合金；高强高韧；成型技术；应用1.引言镁（Mg）是地球上储量最为丰富的元素之一，在陆地、湖泊和海洋中都广为分布，例如，其在地壳表层金属矿资源中的含量达2.3%，仅次于占8.1%的铝和5%的铁，居第三位；海水中的镁含量达到2.1×1015吨，可以认为是取之不尽、用之不竭的元素[1]。此外，我国的白云石矿储量、菱镁矿以及原镁的产量位列世界镁资源储量首位[2]。同时，随着当前钢铁行业中铁矿石等资源的日趋紧张，开发和利用镁作为替代材料是必然的趋势。被誉为“二十一世纪绿色金属结构工程材料”的镁合金是目前所知金属结构材料中最轻的，与其他同类材料相比，它具有密度小，比强度、比刚度较高，可以回收再利用且机加工性能优异，阻尼减震性好，电磁屏蔽效果佳等一系列优点，因此在交通运输（如汽车、摩托车、自行车等工业）、航空航天、武器装备、计算机通讯和消费电子产品等领域具有广阔的应用前景[3]，但其使用量与铝合金和塑料相比还相当少[4]。目前，从全球镁合金研发状况看，发展方向如图1所示[5]，我国在镁合金材料的应用研究与产业化方面也己取得重大进展，形成了从高品质镁材料生产到镁合金产品制造的完整产业链，为我国实现由镁资源大国向镁应用强国的跨越奠定了坚实的基础。图1镁合金的研发方向[5]Fig.1DirectionsofMgalloydevelopment2.镁合金的特点及分类通过在纯镁中添加其他化学元素，可显著改善镁的物理、化学和力学性能。但镁合金同时存在着显著的缺点，下面对镁合金的优缺点进行简要的阐述。2.1镁合金的优点[6~8]1）密度小、质量轻。镁合金是目前工业应用中最轻的金属结构材料，根据合金成分的不同，其密度通常在1.75-2.10g/cm3范围内，约为铝的2/3，钢的1/4。2）比强度、比刚度高。镁合金的比强度高于铝合金和钢铁，但略低于比强度最高的纤维增强塑料。其比刚度与铝合金和钢铁相当，但却远高于纤维增强塑料。镁合金材料与其他相关材料的物理性能和力学性能分析比较如表1所示。表1镁合金和相关材料的物理和力学性能比较Tab.1Thecomparisonofphysicalandmechanicalpropertiesbetweenmagnesiumalloyandothermaterials[9]材料抗拉强度/Mpa屈服强度/Mpa延伸率/%弹性模量/Gpa比强度镁合金AZ3125115413.845141镁合金AZ9127514513.845151镁合金AM602401401545134铝合金380315160371106碳钢5171402220080塑料ABS35-402.141塑料PC104-36.71023）吸震阻尼性能好。镁合金与铝合金、钢、铁相比具有较低的弹性模量，在同样受力条件下，可消耗更大的变形功，具有降噪、减振功能，可承受较大的冲击震动负荷。镁合金具有极好的滞弹吸震能力，其抗冲击性是铝合金的10倍，塑料的20倍。4）良好的铸造性能。镁与铁的反应低，熔炼时可用铁坩埚，熔融镁对坩埚的侵蚀小，压铸时对压铸模的侵蚀小，与铝合金压铸相比，压铸模使用寿命可提高2-3倍，通常可维持20万次以上。镁合金的比热和结晶潜热小，所以流动性好、凝固快。5）尺寸稳定性高。不需要退火和消除应力就具有尺寸稳定性是镁合金的一个很突出的特点，其体积收缩率仅为4%，是铸造金属中收缩量最低的一种。此外，镁合金还具有切削加工性能优良、电磁屏蔽性好、散热性高和再生性等一系列优点。2.2镁合金的缺点[10~12]1）易燃性。镁元素与氧元素具有极大的亲和力，其在高温下甚至还处于固态的情况下，易与空气中的氧气发生反应。所以镁合金必须在熔剂覆盖下或在SO2、CO2或SF6保护气氛的保护下，或在真空条件下进行熔炼。2）室温塑性差。镁晶体中的滑移仅发生在滑移面与拉力方向相倾斜的某些晶体内，因而滑移的过程将会受到极大地限制，而且在这种取向下孪生很难发生，所以晶体很快就会出现脆性断裂。3）耐蚀性差。镁具有很高的化学活泼性，其平衡电位很低，与不同类金属接触时易发生电偶腐蚀，并充当阳极作用。4）高温强度特别是高温抗蠕变性能较差。现在常用的镁合金的使用温度一般不超过120℃，这一缺点将使它在汽车行业的应用受到限制。因此，研发具有良好高温蠕变性能的新型低成本镁合金成为镁合金研究的一个重点。2.3镁合金的分类按成形工艺，镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金，两者在成分、组织性能上存在很大的差异。铸造镁合金主要用于汽车零件、机电壳罩和电器构件等。镁合金的铸造方法有砂型铸造、金属型铸造、挤压铸造、低压铸造、高压铸造和熔模铸造等。变形镁合金主要用于薄板、挤压件和锻件等。国内铸造镁合金一般按合金系列分为[13]：镁-铝系：ZM5，ZM10；镁-锌-锆系：ZM1，ZM2，ZM7；镁-稀土-锆系：ZM3，ZM4，ZM6。镁合金按化学成分可分为二元、三元或多元合金系。国际上大多采用美国ASTM标准，依据镁合金所含的1~2种主要合金元素简写命名法，将镁合金分为M系（Mg-Mn）、AZ系（Mg-Al-Zn）、AM系（Mg-Al-Mn），Mg-Al-Ca系（AX）、Mg-Al-Ca-Sr系(AXJ)、ZC系(Mg-Zn-Cu)、ZK系（Mg-Zn-Zr）、EK系(Mg-RE-Zr)、HM系（Mg-Th-Mn）、QE系(Mg-Ag-RE)、LA系(Mg-Li-Al)和WE系（Mg-Y-Nd）等，镁合金的大致分类如图2所示。图2现有镁合金的分类Fig.1Classificationofmagnesiumalloys3.镁合金的国内外发展现状3.1国外发展现状近年来，北美、欧洲和日本等发达国家相继加大了对镁合金开发与应用研究的投入。镁合金应用和研究重点开始从宇航和兵工等领域扩展到民用高附加值产业（如汽车、电脑、通信和家电等）。围绕镁合金材料的开发,争夺国际商业市场的竞争日趋激烈。目前，世界各国正在加大镁及镁合金的生产[14]。1999年世界镁的消耗在40万吨左右，2005年以前达到55万吨。镁合金公司(MAC)正在刚果投资5.14亿美元，建成一家世界上最大的年产6万吨的压铸镁合金厂，并于2003年建成投产。澳大利亚目前有9个镁项目正在研究和发展建设中。另外，以色利、日本、德国、英国、荷兰、俄罗斯等国家也已完成建新厂或正在扩大已有工厂的生产能力。镁合金在电子器件中应用的增长就更快，日本松下、NEC、SONY以及欧洲、美国、台湾等著名公司已经用镁合金制造便携式电脑、手提电话、摄录像机壳体，显示出了极强的竟争力。3.2国内发展现状[15]我国目前在镁工业方面拥有三项“世界冠军”。第一是镁资源大国，储量居世界首位；第二是原镁生产大国；第三是出口大国。尽管如此,我国的镁工业还存在着不少问题,主要表现在：1）原镁生产技术比较落后，质量不够稳定；2）出口产品绝大多数是廉价的纯镁锭，镁合金出口比重只有15%左右；3）原创性的研究成果缺乏，目前出口的所有镁合金锭几乎全部按照国外的牌号生产，而且在镁合金产品加工中的关键技术和装备大部分依靠进口。中国镁合金产品的生产和应用现状是，镁合金的优势已经被许多企业所认识，在汽车、摩托车和3C产业中镁合金已经开始获得应用，用户包括如上汽、一汽、二汽、奇瑞、隆鑫、海尔等，例如，一汽铸造有限公司AM50镁合金方向盘骨架；镁合金压铸迅速增长，台湾、香港和大陆投资的镁压铸厂分布在几乎全国各地，各种压铸机数量超过50台，变形镁合金加工开始起步。4.镁合金的制备方法4.1压铸压铸是镁合金最主要的成形工艺，世界镁合金铸件的93%是用压铸工艺生产的。镁合金有热室压铸和冷室压铸两种方式，主要取决于铸件壁厚，热室压铸一般用于薄壁铸件。采用型腔抽真空的方法可以减少镁合金铸件的气孔，真空压铸就是在压铸过程中抽出型内气体，以消除或减少压铸件内的气孔和溶解气体，提高压铸件的力学性能和表面质量。充氧压铸是一种无孔压铸，该法在充型前将氧气或其它活性气体充入型腔以置换型内空气，充型时，活性气体与镁合金液反应生成弥散分布的金属氧化物，达到消除压铸件内气体和气孔的目的。用该法生产的压铸件可以进行热处理强化。4.2半固态铸造半固态铸造分为流变铸造和触变铸造。触变铸造的工艺过程如图1所示。由投料筒经进料口进入料筒的固态镁合金颗粒,凭借螺杆旋转产生的剪切力及料筒加热器的加热,当材料加热到固液两相区、达到一定的固相分数时,由螺杆推动射入型腔成形。镁合金触变铸造的优点是：①非枝晶镁合金坯料不需完全熔化,节省能源；②充型时不易产生飞边,铸件尺寸精度高;③铸件致密,缩松少;④金属浆料温度低,铸型寿命长;⑤不需要用SF6作为保护气体,环境污染小;⑥生产过程安全性高。图3触变铸造的工艺流程Fig.3Theprocessofthixotropiccasting4.3挤压铸造挤压铸造的充型压力比重力金属型铸造要高几个数量级，其对铸件成形的影响主要表现为提高充型速度，减少铸件中的疏松和气孔缺陷，提高铸件的致密度和力学性能，获得可以热处理的铸件。挤压铸造最重要的工艺参数是铸型温度、浇注温度和合金的过热度，合金本身的铸造性能却不十分重要，其它较重要的工艺参数为浇注金属液的体积、金属液洁净度、充型压力曲线、铸型涂料、挤压前金属液停留时间等。要获得无气孔的挤压铸件，凝固温度区间较大的AZ91镁合金所需要的充型压力比凝固温度区间较小的AZ31大。4.4镁合金的其他铸造方法低压铸造和差压铸造已经应用于生产镁合金汽车铸件，这两种方法可以保证平稳充型，避免镁合金液氧化和卷气，还可以在铸造过程中将加压系统与镁合金的气体保护有效地结合起来。镁合金的精密铸造和石膏型铸造也得到了一定应用。5.镁合金的应用5.1镁合金在汽车工业上的应用汽车行业的蓬勃发展给镁合金的应用带来了更为广阔的空间。上世纪90年代初，上海大众汽车公司首次在桑塔纳轿车上采用镁合金变速箱壳体、壳盖和离合器外壳，目前桑塔纳轿车镁合金变速器外壳年用镁量达2000t以上。二汽东风已有八种镁合金脚踏板安装在东风“天龙”系列中型卡车上，2003年底镁用量都已达300t以上。图4为部分汽车上已经应用的镁合金零部件[16]。图4镁合金在汽车零部件上的应用[16]Fig.4Applicationsofmagnesiumalloysinmotorvehicles5.2镁合金在电子产品上的应用镁合金材料由于其密度低、比刚度大、电磁屏蔽性能佳、防震效果和薄壁铸造性能好等优点逐渐地成为3C电子产品壳体的理想材料之一。国内很多3C产品开始采用镁合金，像手机厂商海尔、波导、科健；笔记本厂商联想、方正等对镁合金壳体都有需求。表2即为1999年到2005年几年期间国内镁合金市场增长的统计。随着国民收入水平的不断提高，更多3C产品逐渐进入普通家庭，镁合金的在这方面的需求大量增加成为必然。表2国内电子产品对镁合金的应用Tab.1Applicationofmagnesiumalloysindomesticelectronicsproductions产品产品用镁合金比例单件镁合金用量/kg2005年镁合金用量笔记本电脑70%0.708820手机50%0.02600数码相机30%0.102550其他30%0.1025505.3镁合金在国防及航空航天中的应用镁合金材料由于密度低、比强度高等特性使其可以有效地减轻航空航天零部件的重量，减重效果可以带来显著的性能改善和明显的经济效益，因而，航空工业投入极大的人力和物力来研发航空用镁合金材料。铸造镁合金材料在航空航天领域中的应用如表3所示。表3铸造镁合金材料在航空航天领域中的应用[17]Tab.3Applicationofmagnesiumalloyinaerospace镁合金牌号应用领域AZ31航空器控制装置，各种支架、传动器