鎂合金概述與分類

1 概述

鎂合金是以鎂為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金。其特點(diǎn)是：密度小（鎂合金1.8g/cm3左右），強(qiáng)度高，彈性模量大，散熱好，消震性好，承受沖擊載荷能力比鋁合金大，耐有機(jī)物和堿的腐蝕性能好。主要合金元素有鋁、鋅、錳、鈰、釷以及少量鋯或鎘等。目前使用最廣的是鎂鋁合金，其次是鎂錳合金和鎂鋅鋯合金。主要用于航空、航天、運(yùn)輸、化工等工業(yè)部門。在實(shí)用金屬中是最輕的金屬，鎂的比重大約是鋁的2/3，是鐵的1/4，具有高強(qiáng)度、高剛性等特點(diǎn)。

2 分類

鎂及鎂合金材料的市場(chǎng)與需求

汽車領(lǐng)域

目前，鎂合金在汽車上的應(yīng)用零部件可歸納為兩類。

（1）殼體類。如離合器殼體、閥蓋、儀表板、變速箱體、曲軸箱、發(fā)動(dòng)機(jī)前蓋、汽缸蓋、空調(diào)機(jī)外殼等。

（2）支架類。如方向盤、轉(zhuǎn)向支架、剎車支架、座椅框架、車鏡支架、分配支架等。

汽車用鎂合金有良好的減重效果。

幾乎所有的企業(yè)在針對(duì)汽車輕量化的難題時(shí)，首先都會(huì)從車身框架的角度去試圖找到解決方案。因?yàn)檐嚿砜蚣芩嫉目偭颗c面積比重最大，而且比較方便主機(jī)廠進(jìn)行車型賣點(diǎn)傳播。

目前鎂、鋁合金是汽車進(jìn)行輕量化的兩大理想材料。據(jù)美國(guó)鋁學(xué)會(huì)報(bào)告，如果汽車每使用0.45Kg鋁，可使車身減重1Kg。以白車身為例，如果將鋁合金代替鋼和高強(qiáng)度鋼，其車身重量為230kg，最高可減重40%。不過鎂合金在減重上性能更優(yōu)，由于其重量約為鋁合金的2/3，僅為153kg，其減重比例可超50%。

不僅體現(xiàn)在重量上，鎂合金還具備密度小，比強(qiáng)度、比剛度高，抗震、易回收和易加工等優(yōu)勢(shì)。對(duì)比等質(zhì)量且具有近似界面構(gòu)件的各金屬比剛度，鎂合金是鋼的18.9倍，鋁合金的兩倍有余，位列三大輕量化金屬的首位。

鎂合金材料或許是汽車輕量化最為直接的有效解決方式。但是目前世界鎂產(chǎn)量整體下降（我國(guó)產(chǎn)量最大，但受制于環(huán)保限產(chǎn)），用全鎂合金替代整個(gè)白車身不現(xiàn)實(shí)，但部分、逐步替代的思路仍然可行。

當(dāng)前鎂合金制造成本的逐步下降，而加工工藝也有所突破，使其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，需求也有增加，不過目前汽車市場(chǎng)仍是其保持增長(zhǎng)的主要推動(dòng)力。據(jù)2016年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)的汽車平均用鎂量約3kg左右，相較于北美的汽車平均用鎂量在10kg相距甚遠(yuǎn)。目前我國(guó)汽車用鎂還主要停留在汽車方向盤領(lǐng)域，未來儀表盤支架、汽車輪轂、汽車大燈支架等潛在的滲透空間巨大。

3C電子工業(yè)領(lǐng)域

現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電子器件用結(jié)構(gòu)材料及部件的性能提出了越來越高的要求。為了適應(yīng)電子器件輕、薄、小型化的發(fā)展方向，要求作為電子器件的殼體材料具有密度小、強(qiáng)度和剛度高、抗沖擊和減振性好、電磁屏蔽能力強(qiáng)、散熱性能好、容易成型加工、表面美觀、耐用、成本低、易于回收和符合環(huán)保要求等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的塑料和鋁材已逐漸難以滿足所有要求，鎂及其合金是制造電子器件殼體的理想材料，在電子及家用電器產(chǎn)品上具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，近來來鎂合金在電子器材中的應(yīng)用正以25%的年增長(zhǎng)率得到快速的發(fā)展，呈現(xiàn)了良好的發(fā)展前景。

表1 不同便攜式電器產(chǎn)品對(duì)鎂合金性能的要求

歐美率先使用鎂合金汽車零部件以減輕質(zhì)量， 隨后向電子、電氣行業(yè)發(fā)展。在亞洲，中國(guó)臺(tái)灣直至目前均以鎂合金為主體制作筆記本電腦殼體。日本通常在數(shù)碼相機(jī)、CD機(jī)外殼、電腦零部件等方面逐漸普及，家用換氣扇的葉片也用鎂合金材料取代塑料，即使普通商品也使用鎂，并考慮增加其用量。

1筆記本電腦

據(jù)權(quán)威預(yù)測(cè)，今后33mm以上的筆記本型電腦顯示器外殼都將采用鎂合金制作。但一個(gè)鋼模生產(chǎn)一定數(shù)量后會(huì)被磨損，成本又高，無法滿足大批量要求。后來中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的Watter科技公司和Catcher科技公司等模具制造商，將每個(gè)鋼模的鑄造產(chǎn)量提高到5萬件，擴(kuò)大了規(guī)模，節(jié)約了成本，使全球筆記本電腦制造商再次考慮用鎂合金取代塑料的問題。

Alienware使用鎂合金材質(zhì)的超薄機(jī)身

2通信器材

在移動(dòng)通信方面，采用鎂合金制造移動(dòng)電話外殼后，電磁相容性大大改善，通信過程中的電磁波是通過無線接收和發(fā)送，減少了電磁波的散失，提高了移動(dòng)電話的通信質(zhì)量，并減少了電磁波對(duì)人體的傷害。此外，還提高了外殼的強(qiáng)度和剛度，不易損壞，滿足了輕巧、美觀、實(shí)用的要求。

3攝錄像器材

壓鑄鎂合金薄壁復(fù)雜形狀鑄件已經(jīng)用于制造索尼便攜式數(shù)字?jǐn)z像機(jī)DCR -VX1000殼體。該殼體是一種大梁的結(jié)構(gòu)，有5個(gè)壓鑄件，包括主框架、機(jī)械室和磁帶室等這些鑄件用AZ91D鎂合金壓鑄后涂上一層丙烯酸樹脂仿皮溶層。

4稀土鎂合金在3C產(chǎn)品中的應(yīng)用新進(jìn)展

在世界范圍內(nèi)，采用鎂合金材料制備零件中，有90％以上的3C電子產(chǎn)品是用壓鑄方法加工而成的。AZ91D是最常用的一種壓鑄鎂合金，但是，AZ91D合金的耐高溫性能差，限制了其使用范圍。有關(guān)學(xué)者研究結(jié)果表明，AZ91D的抗拉強(qiáng)度隨著溫度的上升而下降，150℃的抗拉強(qiáng)度對(duì)比25℃時(shí)，下降約為30%。因此，為了提高AZ91D高溫性能，人們嘗試在AZ91D合金中添加鈰、鑭、釔等稀土元素，使合金的室溫及高溫力學(xué)性能均有明顯的提高。稀土在提高高溫性能的同時(shí)，也會(huì)影響合金的流動(dòng)性能。

航空航天領(lǐng)域

鎂合金作為“21世紀(jì)綠色工程材料”，具有高的比強(qiáng)度和比剛度，良好的尺寸穩(wěn)定性、導(dǎo)熱導(dǎo)電性，抗振能力強(qiáng)，可承受較大沖擊載荷，以及優(yōu)異的鑄造、切削加工性能和易回收利用，這些特性使其在航空航天領(lǐng)域占有一席之地，可作為飛機(jī)、導(dǎo)彈、飛船、衛(wèi)星等航空設(shè)備上重要構(gòu)件材料，隨著科技水平的不斷進(jìn)步，航空航天領(lǐng)域的發(fā)展越來越離不開鎂合金的參與。

表2 20世紀(jì)鎂合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

1航空航天產(chǎn)品工作的極端條件。

由于航空航天產(chǎn)品工作的特殊性，因此對(duì)材料提出了如下苛刻的性能要求：

①低密度。由于飛行器的質(zhì)量直接影響到它的機(jī)動(dòng)性能，而空間站和衛(wèi)星的質(zhì)量決定了對(duì)運(yùn)送工具的要求和費(fèi)用，所以航空航天要求材料盡可能的輕質(zhì)，也就是盡可能的低密度。表1為航空航天材料每減少0.45kg質(zhì)量所帶來的經(jīng)濟(jì)效益。商用飛機(jī)與汽車減重相同質(zhì)量帶來的燃油費(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戰(zhàn)斗力和生存能力。所以鎂合金的低密度，為它在航空航天中的應(yīng)用提供了較好的條件。

表3 航空航天材料每減少0.45kg質(zhì)量所帶來的經(jīng)濟(jì)效益

②剛度和熱導(dǎo)率。材料的比剛度和熱導(dǎo)率是非常關(guān)鍵的參數(shù)。鎂合金具有比剛度高和高的熱導(dǎo)率。可使某些部位的振動(dòng)（飛機(jī)的機(jī)翼）以及在低重力、高真空的太空環(huán)境中，可避免太陽(yáng)照射使得電子設(shè)備過熱而燒毀。

③減振能力。鎂合金具有良好的減振能力，可以保證航空航天產(chǎn)品承受較大的振動(dòng)載荷；鎂合金還具有高比強(qiáng)度、防輻射、良好的尺寸穩(wěn)定性、電磁屏蔽性，可以抵御短波輻射和高能粒子的“轟擊”。

2航空航天工業(yè)對(duì)材料性能的要求

結(jié)構(gòu)減重和結(jié)構(gòu)承載與功能一體化是飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的重要方向。航空、航天領(lǐng)域要求鎂合金力學(xué)性能和高溫性能優(yōu)異，抗蝕性好，有良好的綜合性能。適合的合金包括AZ91E、QE22（MSR），ZE41（RZ5）、EQ21、（ZRE1）、WE43等，其性能比較見圖1。從圖中可知，飛機(jī)的各種機(jī)箱體、傳送箱和電源裝置，直升機(jī)主要傳送系統(tǒng)的零部件，螺旋槳系統(tǒng)可以采用ZE41和QE22合金制造；而在高溫下服役的零部件可采用WE43或EQ21合金制造。另外，WE43合金還具有極好的耐蝕性能，可用作飛機(jī)螺旋槳罩殼。Mc Donnell Dougles MD50直升飛機(jī)采用了WE43合金的變速箱殼體。

圖1 鎂合金的主要性能

目前，常用的航空航天鑄造鎂合金及其性能和用途見表4。

表4 航空航天工業(yè)常用鑄造鎂合金的性能和用途

其他

1兵器工業(yè)領(lǐng)域

鎂合金減輕武器裝備質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)武器裝備輕量化，是提高武器裝備各項(xiàng)戰(zhàn)術(shù)性能的理想結(jié)構(gòu)材料。鎂合金軍事上的應(yīng)用過去主要是在航空領(lǐng)域，近年來，鎂合金及鎂基復(fù)合材料已逐步在武器和彈藥上得到成功應(yīng)用，發(fā)展十分迅速。

（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。

（2）替代工程塑料，解決零件老化、變形和變色的問題。目前，輕武器、光電及通信器材產(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，但彈性模量小，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，既影響武器戰(zhàn)術(shù)性能，又影響武器外觀。該類零件采用鎂合金及鎂基復(fù)合材料可以從根本上克服工程塑料的這些缺陷。

（3）導(dǎo)彈及其他飛行器零部件的鎂合金化。過去鎂合金在導(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、舵面、隔框等零件，材料為MB2、MB3、MB8變形鎂合金。衛(wèi)星上采用了ZM5鎂合金制作井字梁與相機(jī)架，以及各種儀器支架和殼體等。

（4）新型鎂合金材料的研發(fā)，促進(jìn)了兵器零部件的鎂化。近年來，新開發(fā)的耐熱、耐磨、超輕（Mg-Li）等新型鎂合金及鎂基復(fù)合材料，由于具有一系列特殊性能，加速了兵器零部件的鎂合金化。

2核工業(yè)領(lǐng)域

鎂的熱中子吸收截面非常小，大約只有鋁的1/4。英國(guó)將鎂合金作為天然鈾燃料的包殼材料，在CO2氣體冷卻的反應(yīng)堆中使用。由于純鎂在高溫CO2氣體中發(fā)生氧化并有質(zhì)量遷移問題，在鎂中添加少量的Ca和Be（0.005%~0.01%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）后，在高溫CO2氣體中具有良好的耐腐蝕性能，稱為Magnox合金。后來發(fā)現(xiàn)該合金焊接后易出現(xiàn)裂紋與含Ca有關(guān)，因此用添加少量Al（0.8%~1.0%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）替代Ca。現(xiàn)在把作為結(jié)構(gòu)材料的Mg-Zr和Mg-Mn （Zr和Mn含量分別為0.55%和0.7%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）也稱為Magnox。

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，射線輻射以及套管內(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℃下工作的反應(yīng)堆中充當(dāng)包覆材料使用是完全勝任的。尤其在改善200~300℃的延性和400~500℃下的蠕變強(qiáng)度方面仍存在著可能。而對(duì)CO2的相容性的極限溫度可達(dá)500℃，保證了反應(yīng)堆工作時(shí)的安全要求，不致引起燃燒。

3冶金工業(yè)領(lǐng)域

迄今，鎂的最大應(yīng)用領(lǐng)域是作為鋁合金提高強(qiáng)度和抗腐蝕能力的合金化元素。鋁鎂合金既輕又硬，抗蝕性能好，可焊，可表面處理，是制造飛機(jī)、火箭、快艇、車輛等的重要材料。另外，鎂被加入鋅的壓鑄合金中，提高其強(qiáng)度和改善尺寸穩(wěn)定性。鎂還是其他鋅產(chǎn)品，如屋面板材、光蝕板材、干電池殼、陽(yáng)極氧化池結(jié)構(gòu)等的重要化學(xué)成分。鎂還用作鎳基合金、鎳-銅合金、鎳-銅-鋅合金的合金化元素，提高合金材料的性能。

鎂及鎂合金相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)