&

專題 | 鎂合金的發(fā)展及應(yīng)用

2019-09-19 13:20:24 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：《腐蝕與防護(hù)之友》分享至：

隨著著航空航天、交通運(yùn)輸、信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，新型輕合金材料的研發(fā)逐漸受到各國(guó)的高度重視。在許多領(lǐng)域，傳統(tǒng)鋼鐵材料已逐漸被各種綜合性能更為優(yōu)良的新型材料所替代。

鎂合金是以鎂為基加入其他元素組成的合金，是目前實(shí)際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、強(qiáng)度高、阻尼性、切削加工性和鑄造性能好的優(yōu)點(diǎn)。

1. 鎂合金的特點(diǎn)

與其他金屬相比，鎂合金具有以下特點(diǎn)：

（1）鎂合金的比重小，是目前最輕的結(jié)構(gòu)材料，密度在1.75—1.85g ／cm3 之間，是鋼密度的23％，鋁密度的67％，塑料密度的170％。鎂合金比強(qiáng)度明顯高于鋁合金和鋼，僅略低于比強(qiáng)度最高的纖維增強(qiáng)材料；比剛度與鋁合金和鋼相當(dāng)?shù)h(yuǎn)高于纖維增強(qiáng)材料，具有很好的優(yōu)越性。

（2）鎂合金阻尼性能好，與鋁合金、鋼、鐵相比具有較低的彈性模量，在同樣受力條件下，可消耗更大的變形功，具有降噪、減振功能，可承受較大的沖擊震動(dòng)負(fù)荷，適合于制備抗震零部件。

（3）鎂合金導(dǎo)熱性、熱穩(wěn)定性、抗電磁干擾性和屏蔽性能良好。

（4）鎂合金的鑄造性良好，鎂與鐵反應(yīng)性很低，熔煉時(shí)可用鐵坩堝，鎂在單位容量下的熱焓低，其壓鑄速度可比鋁高，且鎂鑄件的鑄造和加工精度高，鎂合金壓鑄件的最小壁厚可達(dá)0.6mm，而鋁合金為1.2-1.5mm，鎂合金可以進(jìn)行高速機(jī)械加工，生產(chǎn)效率高，在模具內(nèi)凝固快，生產(chǎn)率比壓鑄鋁件高出40-50％，最高可達(dá)兩倍，適用于汽車工業(yè)的大批量生產(chǎn)。

（5）鎂合金的尺寸穩(wěn)定性較好，收縮率穩(wěn)定，鑄件和加工成品的尺寸精度高，除了鎂- 鋁- 鋅合金外，多數(shù)鎂合金在熱處理過(guò)程及長(zhǎng)期使用中由于相變而引起的尺寸變化基本為零。

（6）切削加工性能優(yōu)良，其切削速度大大高于其他金屬。切削鎂合金時(shí)對(duì)刀具的消耗低，切削功率小，鎂合金、鋁合金、鑄鐵、低合金鋼切削同樣零件消耗的功率比值為l ∶ 1.8 ∶ 3.5 ∶ 6.3。鎂合金在切削后不需要磨削、拋光，不用切削液即可以得到粗糙度很低的加工面。此外，鎂合金在受沖擊或摩擦?xí)r，表面不產(chǎn)生火花，利于生產(chǎn)安全。

（7）與塑料類材料相比，鎂合金可回收利用，回收成本低，回收利用率高，這對(duì)降低制品成本、節(jié)約資源、改善環(huán)境相當(dāng)有益。

（8）液態(tài)鎂容易劇烈氧化、燃燒，故鎂合金的熔煉必須在熔劑覆蓋下或者在保護(hù)氣氛中進(jìn)行。鎂合金鑄件需要在SO2、C02 或SF6 氣體保護(hù)，或者在真空條件下進(jìn)行固溶處理，并且固溶處理和時(shí)效處理時(shí)間均較長(zhǎng)。

2. 鎂合金的發(fā)展

鎂合金是實(shí)際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，但與鋁合金相比，鎂合金的研究和發(fā)展還很不充分，鎂合金的應(yīng)用也還很有限。目前，鎂合金的產(chǎn)量只有鋁合金的1％。鎂合金作為結(jié)構(gòu)應(yīng)用的最大用途是鑄件，其中90％以上是壓鑄件。限制鎂合金廣泛應(yīng)用的主要問(wèn)題是：

由于鎂元素極為活潑，鎂合金在熔煉和加工過(guò)程中極容易氧化燃燒，因此，鎂合金的生產(chǎn)難度很大；鎂合金的生產(chǎn)技術(shù)還不成熟和完善，特別是鎂合金成形技術(shù)有待進(jìn)一步發(fā)展；鎂合金的耐蝕性較差；現(xiàn)有工業(yè)鎂合金的高溫強(qiáng)度、蠕變性能較低，限制了鎂合金在高溫（150 ～ 350℃）場(chǎng)合的應(yīng)用；鎂合金的常溫力學(xué)性能，特別是強(qiáng)度和塑韌性有待進(jìn)一步提高；鎂合金的合金系列相對(duì)很少，變形鎂合金的研究開(kāi)發(fā)嚴(yán)重滯后，不能適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)合的要求。

2.1鎂合金研究的新進(jìn)展

（1）耐熱鎂合金

耐熱性差是阻礙鎂合金廣泛應(yīng)用的主要原因之一，當(dāng)溫度升高時(shí)，它的強(qiáng)度和抗蠕變性能大幅度下降，使它難以作為關(guān)鍵零件（如發(fā)動(dòng)機(jī)零件）材料在汽車等工業(yè)中得到更廣泛的應(yīng)用。己開(kāi)發(fā)的耐熱鎂合金中所采用的合金元素主要有稀土元素（RE）和硅（Si）。稀土是用來(lái)提高鎂合金耐熱性能的重要元素。含稀土的鎂合金QE22 和WE54 具有與鋁合金相當(dāng)?shù)母邷貜?qiáng)度，但是稀土合金的高成本是其被廣泛應(yīng)用的一大阻礙。

（2）耐蝕鎂合金

鎂合金的耐蝕性問(wèn)題可通過(guò)兩個(gè)方面來(lái)解決：①嚴(yán)格限制鎂合金中的Fe、Cu、Ni 等雜質(zhì)元素的含量。例如，高純AZ91HP 鎂合金在鹽霧試驗(yàn)中的耐蝕性大約是AZ91C 的100 倍，超過(guò)了壓鑄鋁合金A380，比低碳鋼還好得多。②對(duì)鎂合金進(jìn)行表面處理。根據(jù)不同的耐蝕性要求，可選擇化學(xué)表面處理、陽(yáng)極氧化處理、有機(jī)物涂覆、電鍍、化學(xué)鍍、熱噴涂等方法處理。例如，經(jīng)化學(xué)鍍的鎂合金，其耐蝕性超過(guò)了不銹鋼。

（3）阻燃鎂合金

鎂合金在熔煉澆鑄過(guò)程中容易發(fā)生劇烈的氧化燃烷。實(shí)踐證明，熔劑保護(hù)法和SF6、SO2、CO2、Ar 等氣體保護(hù)法是行之有效的阻燃方法，但它們?cè)趹?yīng)用中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染，并使得合金性能降低，設(shè)備投資增大。純鎂中加鈣能夠大大提高鎂液的抗氧化燃燒能力，但是由于添加大量鈣會(huì)嚴(yán)重惡化鎂合金的機(jī)械性能，使這一方法無(wú)法應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。鉸可以阻止鎂合金進(jìn)一步氧化，但是鉸含量過(guò)高時(shí)，會(huì)引起晶粒粗化和增大熱裂傾向。

（4）高強(qiáng)高韌鎂合金

現(xiàn)有鎂合金的常溫強(qiáng)度和塑韌性均有待進(jìn)一步提高。在Mg-Zn 和Mg-Y合金中加人Ca、Zr 可顯著細(xì)化晶粒，提高其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度；加入Ag 和Th 能夠提高M(jìn)g-RE-Zr 合金的力學(xué)性能，如含Ag 的QE22A 合金具有高室溫拉伸性能和抗蠕變性能，已廣泛用作飛機(jī)、導(dǎo)彈的優(yōu)質(zhì)鑄件；通過(guò)快速凝固粉末冶金、高擠壓比及等通道角擠等方法，可使鎂合金的晶粒處理得很細(xì)，從而獲得高強(qiáng)度、高塑性甚至超塑性。

（5）鎂合金成形技術(shù)

鎂合金成形分為變形和鑄造兩種方法，當(dāng)前主要使用鑄造成形工藝。壓鑄是應(yīng)用最廣的鎂合金成形方法。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的鎂合金壓鑄新技術(shù)有真空壓鑄和充氧壓鑄，前者已成功生產(chǎn)出AM60B 鎂合金汽車輪毅和方向盤，后者也己開(kāi)始用于生產(chǎn)汽車上的鎂合金零件。

3. 鎂合金的應(yīng)用

3.1 鎂合金材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展

環(huán)境污染與資源緊張的日益加劇要求汽車滿足輕量化與環(huán)保的要求，因此使用密度較小的鎂合金已成為汽車材料未來(lái)發(fā)展的主要方向之一。汽車用鎂正以年均20% 的增長(zhǎng)速度迅速發(fā)展，世界各大汽車公司都把已采用鎂合金零件的數(shù)量作為自身產(chǎn)品技術(shù)領(lǐng)先的標(biāo)志。

目前，汽車工業(yè)中鎂合金用量較多的地區(qū)和國(guó)家主要是北美、歐洲、日本和韓國(guó)。綜合部分廠家的使用情況，目前鎂合金材料主要用來(lái)制造的汽車零部件，見(jiàn)表1 所示。

隨著材料加工技術(shù)與材料性能的不斷優(yōu)化，鎂合金在汽車上的應(yīng)用范圍也將逐漸擴(kuò)大：比如，雖然鎂制底盤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件剛剛開(kāi)始應(yīng)用，但北美汽車業(yè)界估計(jì)未來(lái)2 年內(nèi)鎂合金在底盤結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用將增加10 倍以上，而第42 屆大眾公司股東年會(huì)上，大眾展出了世界上最經(jīng)濟(jì)的小車1L 車，車身空間框架均采用鎂合金，比鋁車身輕13kg，燃油泵殼、變速器殼、座椅框架等也是用鎂合金制成，代表了未來(lái)汽車用鎂合金的發(fā)展方向。

表1 鎂合金在汽車零部件上的應(yīng)用
部件系統(tǒng)	零部件名稱
車內(nèi)構(gòu)件	儀表盤、座椅架、座位升降器、操縱臺(tái)架、氣囊外罩、轉(zhuǎn)向盤、鎖合裝置罩、轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向柱支架、收音機(jī) 殼、小工具箱門、車窗馬達(dá)罩、剎車與離合器踏板托架、氣動(dòng)托架踏板等
車體構(gòu)件	門框、尾板、車頂框、車頂板、IP橫梁等
發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)	閥蓋、凸輪蓋、四輪驅(qū)動(dòng)變速箱體、手動(dòng)換擋變速器、離合器外殼活塞、進(jìn)氣管、機(jī)油盤、交流電機(jī)支架、變速器殼體、齒輪箱殼體、油過(guò)濾器接頭、馬達(dá)罩蓋、汽缸頭蓋、分配盤支架、油泵殼、油箱、濾油氣支架、左側(cè)半曲軸箱、右側(cè)半曲軸箱、空機(jī) 罩、左抽氣管、右抽氣管等
底盤	輪轂、引擎托架、前后吊桿、尾盤支架

3.2 鎂合金材料在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展

航空材料減重帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和性能的改善十分顯著，商用飛機(jī)與汽車減重相同質(zhì)量帶來(lái)的燃油費(fèi)用節(jié)省，前者是后者的近100 倍。而戰(zhàn)斗機(jī)的燃油費(fèi)用節(jié)省又是商用飛機(jī)的近10 倍，更重要的是其機(jī)動(dòng)性能改善可以極大提高其戰(zhàn)斗力和生存能力。表2 給出了鎂合金材料在航天飛機(jī)零部件上的應(yīng)用情況。隨著鎂合金制備技術(shù)的發(fā)展，材料的性能如比強(qiáng)度、比剛度、耐熱強(qiáng)度、蠕變等性能不斷提高，其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。目前其應(yīng)用領(lǐng)域包括各民用、軍用飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、螺旋槳、齒輪箱、支架結(jié)構(gòu)以及火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星的一些零部件。如用ZM2 制造WP7各型發(fā)動(dòng)機(jī)的前支撐殼體和殼體蓋；用ZM3 鎂合金制造J6 飛機(jī)的WP6 發(fā)動(dòng)機(jī)的前艙鑄件和WP11 的離心機(jī)匣；用ZM4 鎂合金制造飛機(jī)液壓恒速裝置殼體、戰(zhàn)機(jī)座艙骨架和鎂合金機(jī)輪；以稀土金屬釹為主要添加元素的ZM6 鑄造鎂合金已擴(kuò)大用于直升機(jī)WZ6 發(fā)動(dòng)機(jī)后減速機(jī)匣、殲擊機(jī)翼助等重要零件；研制的稀土高強(qiáng)鎂合金MB25、MB26 已代替部分中強(qiáng)鋁合金，在殲擊機(jī)上獲得應(yīng)用。

表2 鎂合金材料在航天飛機(jī)零部件上的應(yīng)用
年代	零部件名稱
20世紀(jì) 20年代	發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄箱、發(fā)動(dòng)機(jī)零件(鑄件)、氣球吊藍(lán)(薄板)、客機(jī)座椅、起落輪（薄板、擠壓件）
20世紀(jì) 40年代	JU88起落架支持框(鑄件)、Hel77&Ju90 部件(鑄件)、BMW801發(fā)動(dòng)機(jī)部件(鑄件)、機(jī)槍支架環(huán)(鑄件)、無(wú)線電設(shè)備底座(壓鑄件)、定向儀(壓鑄件)、尾輪(壓鑄件)、B-36 轟炸機(jī)部件
20世紀(jì) 50年代	RRDarr發(fā)動(dòng)機(jī)部件(鑄件)、S55直升機(jī) 發(fā)動(dòng)機(jī)基座、蛤殼式門、尾錐(鑄件)、蒙皮(薄板),火箭和導(dǎo)彈零部件(薄板)、直升機(jī)齒輪箱(砂型鑄造件)、直升機(jī)車輪及發(fā)動(dòng)機(jī)部件(砂型鑄造件)、渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)罩(砂型鑄造件)、主起落架 (砂型鑄造件、鍛造件)、B-471 輪及發(fā) 動(dòng)機(jī)部件(砂型鑄造件)、機(jī)輪外殼(離心鑄造薄板)、C-121和C-124運(yùn)輸機(jī)地板橫梁(擠壓件)
20世紀(jì) 60年代	B-47和B-52主起落架(鍛件)、衛(wèi)星零部件、HC-18直升機(jī)地板(擠壓件)、飛機(jī) 座艙頂棚框架(砂型鑄造件)、Apollo振動(dòng)檢測(cè)設(shè)備(砂型鑄造件)、S-64B起落架齒輪箱(砂型鑄造件)
20世紀(jì) 70年代	F-20減速裝置有直升機(jī)傳動(dòng)系(砂型鑄造件)和GH-53E直升機(jī)傳送箱(砂型鑄造件)
20世紀(jì) 90年代	直升機(jī)傳動(dòng)系(砂型鑄造件)、PW100渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件(砂型鑄造件)、Garrett T PE331-14&-15主渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)部件(砂型鑄造件)、恒速傳動(dòng)、輔助動(dòng)力設(shè)備進(jìn)氣管、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)齒輪箱

3.3 鎂合金在現(xiàn)代兵器零部件上的應(yīng)用和發(fā)展

從兵器零件的使用特點(diǎn)和性能要求分析，槍械武器、裝甲車輛、導(dǎo)彈、火炮、彈藥、光電儀器、武器用計(jì)算機(jī)及軍用器材中有較大數(shù)量的鋁合金零件和工程塑料件，根據(jù)目前鎂合金材料的性能和使用特點(diǎn)，應(yīng)用鎂合金材料制造相關(guān)零件，技術(shù)上是可行的，并有如下發(fā)展趨向。

（1）采用鎂合金及鎂基復(fù)合材料替代武器裝備的中、低強(qiáng)度要求的鋁合金零件和部分黑色金屬零件，實(shí)現(xiàn)武器裝備輕量化。表3 給出了鎂合金材料在武器裝備零部件中的應(yīng)用情況。

表3 鎂合金材料在武器裝備零部件中的應(yīng)用
裝備名稱	零部件名稱
槍械武器	機(jī)匣、彈匣、槍托體、下機(jī)匣、提把、前護(hù)手、彈托板、瞄準(zhǔn)座等
裝甲車輛	坦克座椅骨架、機(jī)長(zhǎng)鏡、炮長(zhǎng)鏡、變速箱箱體、發(fā)動(dòng)機(jī)濾座、進(jìn)出水管、空氣分配器座、機(jī)油泵殼體、水泵殼體、機(jī)油熱交換器、機(jī)油濾清器殼體、氣門室罩、呼吸器等
導(dǎo)彈	導(dǎo)彈艙體、舵機(jī)本體、儀表艙體、舵架、飛機(jī)翼片
火炮及彈藥	供彈箱、牽引器、腳踏板、炮長(zhǎng)鏡、輪轂、引信體、風(fēng)帽、火藥筒等
光電產(chǎn)品	鏡頭殼體、紅外成像儀殼體、底座等
計(jì)算機(jī)及通信器材	軍用計(jì)算機(jī)、通訊器材箱體、殼體、板類等零件

（2）解決零件老化、變形和變色的問(wèn)題。目前，輕武器、光電及通訊器材產(chǎn)品、戰(zhàn)車儀表盤等采用工程塑料制造。工程塑料尤其是纖維增強(qiáng)塑料的比強(qiáng)度最高，但彈性模量、比剛度遠(yuǎn)小于鎂合金，且難以回收，環(huán)境適應(yīng)性差，易磨損和老化變形、變色，還影響武器戰(zhàn)術(shù)性能。鎂合金替代工程塑料能從根本上克服工程塑料的這些缺陷。表4 給出了鎂合金替代工程塑料在武器裝備零部件上的應(yīng)用情況。

表4 鎂合金替代工程塑料在武器裝備零部件上的應(yīng)用
裝備名稱	零部件名稱
槍械武器	彈匣、護(hù)蓋體、附件筒、前護(hù)手等
光電產(chǎn)品	鏡頭殼體、瞄具殼體、夜視儀殼體等
軍用器材	種類儀表盤、通訊器材箱體、殼體零件、軍用頭盔等

（3）導(dǎo)彈和其他飛行器零部件的鎂合金化。過(guò)去鎂合金在導(dǎo)彈上的應(yīng)用較少，只在照明彈中使用鎂粉。鎂合金由于密度小，近年來(lái)在導(dǎo)彈、火箭等結(jié)構(gòu)件中應(yīng)用廣泛。主要用于戰(zhàn)術(shù)防空導(dǎo)彈的支座艙段與副翼蒙皮、壁板、加強(qiáng)框、舵板、隔框等零件，材料為MB2、MB3、MB8 變形鎂合金。為滿足彈、箭減重及高精度零件（如導(dǎo)彈控制系統(tǒng)）對(duì)材料高尺寸穩(wěn)定性的需要，發(fā)展高強(qiáng)度、高剛度、低膨脹系數(shù)鎂基復(fù)合材料是兵器材料的重要技術(shù)途徑之一。

3.4 鎂合金材料在核工業(yè)上的應(yīng)用和發(fā)展

鎂的熱中子吸收截面非常小，大約只有鋁的1/4。英國(guó)將鎂合金作為核燃料的包殼材料在CO2 氣體冷卻的反應(yīng)堆中使用。核反應(yīng)堆用包覆套管要能承受反應(yīng)堆的惡劣條件：高熱、表面熱流、強(qiáng)烈的C 射線輻射以套管內(nèi)表面所受到的某些破碎片的轟擊等。大量的試驗(yàn)證明，鎂合金套管在出口氣體最高溫度為400-500℃下的反應(yīng)堆中充當(dāng)包覆材料使用是完全勝任的。而對(duì)CO2 的相容性的極限溫度可達(dá)500℃。滿足了反應(yīng)堆工作時(shí)的安全要求，不致引起燃燒。

核能發(fā)電是一種清潔能源，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已把核電作為一種主要能源，一般占整個(gè)發(fā)電的15% 以上。我國(guó)也正在大量開(kāi)發(fā)核電。因此，核反應(yīng)堆的包覆套管會(huì)不斷增加。鎂合金在核工業(yè)上的應(yīng)用潛力很大。

3.5 鎂合金在其他領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展

由于鎂及其鎂合金材料具有能夠減輕重量、降低噪音、減小振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，因此在自行車業(yè)、摩托車業(yè)、電子工業(yè)（家用電器和3C 產(chǎn)品）、鐵道和其他軌道行業(yè)、船舶工業(yè)、冶金工業(yè)、化學(xué)領(lǐng)域、電力工業(yè)、家庭消費(fèi)品、家具、車床設(shè)備、辦公室設(shè)備、光學(xué)設(shè)備、運(yùn)動(dòng)機(jī)械和醫(yī)療器械等眾多領(lǐng)域，也獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

4. 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，全球已研制開(kāi)發(fā)出了不少新型的鎂合金、新型的加工設(shè)備和加工工藝技術(shù)、新產(chǎn)品和新材料，并被廣泛應(yīng)用于汽車、摩托車、自行車、家用電器、通訊設(shè)備、電子產(chǎn)品等民用產(chǎn)品領(lǐng)域。

隨著武器輕量化要求的不斷提高，加上鎂材價(jià)格的降低和高溫耐熱、高強(qiáng)耐熱等新型鎂合金的發(fā)展，鎂合金材料將會(huì)在新一代航空航天、武器裝備等的研發(fā)中發(fā)揮重要的作用，成為航空航天、武器裝備等國(guó)防部門中應(yīng)用最廣的金屬結(jié)構(gòu)材料，將會(huì)有利地推動(dòng)我國(guó)鎂資源對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防事業(yè)建設(shè)健康穩(wěn)定可持續(xù)地發(fā)展。

免責(zé)聲明：本網(wǎng)站所轉(zhuǎn)載的文字、圖片與視頻資料版權(quán)歸原創(chuàng)作者所有，如果涉及侵權(quán)，請(qǐng)第一時(shí)間聯(lián)系本網(wǎng)刪除。