时代骄子——镁合金(一)

自1970年中东石油危机以来，许多国家都重视节能降耗。汽车行业是一个石油消费大国，降低汽车油耗有很大影响。据调查，每减少10%的汽车重量可以节省5%的油，减少油耗和废气排放，从而减少环境污染。汽车是由金属材料制成的。为了减轻汽车的重量，我们必须首先对材料提出建议。铝合金的比例大约是钢的1/3。用铝代替钢的过程已经在进行中。为了进一步减轻汽车的重量，人们想到了镁，其比例是铝的2/3，其性能与铝合金相似。用镁代替铝，用镁代替锌是近年来的一个主要趋势。据统计，北美压铸镁合金的消费量在1982年至1992年的10年间以每年20%的速度增长，在1996年至2000年的4年间增长了30%，在欧洲超过60%，其中汽车工业的消费量占80%以上。可以说，镁合金压铸件在汽车工业中的普及和应用，使曾经用量很少的镁合金突然成为一种新的宠儿。

3C产品(手机、笔记本电脑、数码相机和摄像机)是高新技术的代表产品。自1990年以来，它们一直保持着快速增长的势头。镁合金因其重量轻(适用于铝和钢)和高刚性(适用于塑料)而成为3C产品的最佳材料，尤其是其电磁屏蔽效应，可防止电磁干扰及其对人体的危害。

其他部门如自行车、家用电器、电子、仪表、航空航天和武器工业也越来越多地使用镁合金零件。

一、镁工业发展的历史

镁是地壳中最丰富的元素之一。其丰度排名第八，占地壳的2.5%。主要存在白云石(钙镁碳酸盐)和菱镁矿。此外，海水中含有约0.13%的镁，可以说是取之不尽用之不竭的。然而，人们对镁的了解较晚。1828年，法国科学家布斯用金属钾取代了熔融氧化镁中的镁。1852年，本生建立了一个小型实验电解池来生产镁。1886年，在本森电解槽的基础上，德国建立了第一个商用电解槽。1910年世界镁产量约为10吨/年，1930年增加到1200多吨/年。第二次世界大战期间，镁工业发展迅速。从1935年起，德国、法国、苏联、奥地利、意大利等国家分别建立了镁工厂。美国的镁生产能力增加了10倍，1943年世界镁产量约为235千吨/年。在此期间，镁主要用于制造燃烧弹、照明弹、曳光弹、照明弹和军用设备的部件，如军用和飞机。第二次世界大战结束后，世界镁产量在1946年下降到25吨/年。世界各国开始考虑镁合金在民用工业中的发展和应用。在接下来的20年里，美国陶氏化学公司在镁合金及其生产技术的发展方面取得了突出的成就，为镁及其合金在冶金、航空、电子、武器、汽车、化学与防腐、印刷、纺织等民用工业领域的应用开辟了一条道路。镁工业显示出持续增长的势头。事实上，自二战结束以来，年均增长率一直在7%左右。目前世界镁生产能力已达到550 kt/a，2000年实际产量为430kt。

中国是世界上著名的镁生产国。菱镁矿资源总量达到31.45亿吨，居世界首位。2001年出口量达到200万吨，占世界镁市场总需求的40%以上。然而，大多数出口是原材料和初级产品，价格低，效益差。我国镁合金及其加工技术的研究和应用还处于起步阶段。镁合金在汽车工业中的使用只是开始，远远落后于发达国家。因此，中国的镁工业和镁及其合金的加工应用技术应进一步发展和研究，以赶上世界先进水平。

第二，镁及其合金的特性:

1.几种常见镁合金的物理和机械性能及其与其他常见结构材料的比较见表1

几种常见结构材料的物理力学性能比较表1

\木材组

项目\

镁铸件

镁锻造

铝铸件

铝锻造

铸铁

钢铁

塑料ABS

合金等级

AZ91

AM50

AZ80-T5

Z31-H24

A380

A356-T6

6061-T6

5182*-H24

HT350

白铁皮

制备方法

压铸

压铸

推出

板

压铸

永久铸模

推出

板

砂型

板

密度(g/cm3)

1.81

1.77

1.80

1.77

2.68

2.76

2.70

2.70

7.15

7.8

1.07

熔点(℃)

598

620

610

630

595

615

652

638

1175

1515

260

传热系数

(w/m.c)

51

65

78

77

96

159

167

123

41

46

0.28

热膨胀系数

(10-6摄氏度)

26

26

26

26

22

21.5

23.6

24.1

10.5

10.7

76.5

弹性模数

(Gpa)

45

45

45

45

71

72

69

70

100

210

2.1

抗张强度

(Mpa)

240

210

380

290

324

262

310

310

293

390

43

屈服强度

(Mpa)

160

125

275

220

159

186

275

235

320

39

疲劳强度(Mpa)

85

85

138

90

95

128

伸长率(%)

7

15

7

15

5

12

8

O

26

16.5

屈服强度重量比(AZ91为100)

100

80

172.8

140.6

67.1

76.2

115

98.5

32.6

41

*美国ASTM标准:其成分为镁4.5%，锰0.35%，铁0.35%，锌0.25%，硅0.20%，其余为铝。

从上表可以看出，与其他结构材料相比，镁合金具有以下特点:

1)镁合金的密度为钢的23%，铝的67%，塑料的170%，塑料是金属结构材料中最轻的金属。镁合金的屈服强度与铝合金大致相同，仅略低于碳钢，是塑料的4-5倍，其弹性模量远高于塑料，是塑料的20多倍。因此，在相同的强度和刚度下，镁合金可以大大减轻零件的重量，这对航空工业、汽车工业和便携式电子设备具有重要意义。

2)与铝合金、钢和铁相比，镁合金具有较低的弹性模量，在相同的应力条件下可以消耗更多的变形功，具有降噪和减振的功能，可以承受较大的冲击和振动载荷。

2.镁合金具有良好的铸造性能和加工性能；

镁和铁之间的反应很低。熔炼时可以使用铁坩埚。在压铸过程中，熔融镁对坩埚的侵蚀很小，对压铸模具的侵蚀很小。与铝合金压铸相比，压铸模具的使用寿命可提高2-3倍，通常可保持20万次以上。铸造镁合金具有良好的铸造性能，镁合金压铸件的最小壁厚可达0.6毫米，而铝合金为1.2-1.5毫米。镁的结晶潜热小于铝，在模具中凝固迅速，其生产率比铸铝高40-50%，高达两倍。镁合金具有很好的切削加工性，刀具消耗低，切削时切削功率低。切割镁合金、铝合金、铸铁和低合金钢的相同零件所消耗的功率比为1∶1.8∶3.5∶6.3。

3.镁合金具有良好的电磁屏蔽性能和导热性，适合用作发射电磁干扰的电子产品的外壳和外壳，特别是靠近人体的手机。镁合金和铝、铜等有色金属一样，不产生火花，适用于采矿设备和粉末作业设备。镁合金表面不粘连，适用于在冰、雪和灰尘中移动的产品。镁合金具有良好的耐磨性，适用于缠绕和滑动设备。

4.镁合金具有高的尺寸稳定性、稳定的收缩率以及铸件和机加工零件的高尺寸精度。除镁-铝-锌合金外，大多数镁合金在热处理和长期使用过程中由于相变导致的尺寸变化几乎为零，适用于制作电子产品的模板、夹具和盖子。

5.镁有很强的化学活性，在空气中容易氧化。特别是在高温下，如果氧化反应释放的热量不能及时消散，很容易引起燃烧。因此，熔炼镁合金时应采取措施防止氧化。氧化镁膜的比体积小于基体金属，所以它是疏松多孔的，比铝合金表面氧化膜的固体和开口少得多，没有明显的保护作用。镁的电极电位很低，电化学级数在普通金属中排在最后，因此镁的耐腐蚀性差。镁在干燥和氢氟酸、铬酸、矿物油(如汽油、煤油)和碱性介质中相对稳定，可用作输油管道。然而，它在潮湿的大气、淡水、海水和大多数酸和盐溶液中容易腐蚀。因此，在镁合金的生产、加工、储存和使用过程中，应在表面采取适当的保护措施，如表面氧化处理或涂漆。镁合金与其他金属接触时容易发生接触腐蚀，但与铝镁合金接触时除外。因此，当使用镁合金零件时，应仅与绝缘材料接触，或者应使用铝镁合金(如5052)作为垫圈，以防止其电化学腐蚀。

镁的低电极电位也有它的用途。它可以用作牺牲阳极，保护其他金属物体免受电化学腐蚀。

6.镁合金对缺口敏感，容易造成应力集中。在高于125℃的高温下，大多数合金的抗蠕变性较差，在选择和设计零件时应考虑这一点。

7.可恢复。与塑料材料相比，镁合金具有可回收性。这有利于降低产品成本，节约资源，改善环境。