1、鎂合金研究現狀及發展趨勢摘要：鎂合金作為21世紀的綠色環保工程材料之一，近年來已成為學術界的一 個研究熱點。本文主要綜述了鎂合金的研究進展和應用，介紹了耐熱、耐蝕、阻 燃和高強高韌等高性能鎂合金材料的最新發展。還介紹了鎂合金成型技術的研究 成果，最后展望了高性能鎂合金的發展前景。關鍵詞：鎂合金；高強高韌；成型技術；應用1.引言鎂（Mg）是地球上儲量最為豐富的元素之一，在陸地、湖泊和海洋中都廣為分布，例如，其在地殼表層金屬礦資源中的含量達2.3%,僅次于占8.1%的鋁和5%的鐵，居第三位；海水中的鎂含量達到2.1 X015噸，可以認為是取之不盡、 用之不竭的元素1。止匕外，我國的白云石礦儲量、菱

2、鎂礦以及原鎂的產量位列世 界鎂資源儲量首位2o同時，隨著當前鋼鐵行業中鐵礦石等資源的日趨緊張，開 發和利用鎂作為替代材料是必然的趨勢。被譽為“二十一世紀綠色金屬結構工程 材料”的鎂合金是目前所知金屬結構材料中最輕的，與其他同類材料相比，它具有密度小，比強度、比剛度較高，可以回收再利用且機加工性能優異，阻尼減震 性好，電磁屏蔽效果佳等一系列優點，因此在交通運輸（如汽車、摩托車、自行 車等工業）、航空航天、武器裝備、計算機通訊和消費電子產品等領域具有廣闊 的應用前景3,但其使用量與鋁合金和塑料相比還相當少4o目前，從全球鎂合金研發狀況看，發展方向如圖1所示，我國在鎂合金材料的應用研究與產業化方面也

3、己取得重大進展，形成了從高品質鎂材料生產到鎂合金產品制造的完整產業鏈，為我國實現由鎂資源大國向鎂應用強國的跨越奠定 了堅實的基礎。Specific StrengthDuctilityCreep ResiitancaSLtiper bghL hvigh fitrengltiSpray formal.圖1鎂合金的研發方向5Fig. 1 Directions of Mg alloy development2.鎂合金的特點及分類通過在純鎂中添加其他化學元素，可顯著改善鎂的物理、化學和力學性能。但鎂合金同時存在著顯著的缺點，下面對鎂合金的優缺點進行簡要的闡述。2.1 鎂合金的優點6 81）密度小、質量輕

4、。鎂合金是目前工業應用中最輕的金屬結構材料，根據 合金成分的不同，其密度通常在1.75-2.10g/cm3范圍內，約為鋁的2/3,鋼的1/42）比強度、比剛度高。鎂合金的比強度高于鋁合金和鋼鐵，但略低于比強 度最高的纖維增強塑料。具比剛度與鋁合金和鋼鐵相當，但卻遠高于纖維增強塑 料。鎂合金材料與其他相關材料的物理性能和力學性能分析比較如表1所示。表1鎂合金和相關材料的物理和力學性能比較Tab. 1 The comparison of physical and mechanical properties between magnesium alloy andother materials 9材料

5、抗拉強度/Mpa屈服強度/Mpa延伸率/%彈性模量/Gpa比強度鎂合金AZ3125115413.845141鎂合金AZ9127514513.845151鎂合金AM602401401545134鋁合金380315160371106碳鋼5171402220080塑料ABS35-402.141塑料PC104-36.71023）吸震阻尼性能好。鎂合金與鋁合金、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 沖擊震動負荷。鎂合金具有極好的滯彈吸震能力，其抗沖擊性是鋁合金的10倍, 塑料的20倍。4）良好的鑄造性能。鎂與鐵的反應低，熔煉時可用鐵塔竭，

6、熔融鎂對日竭 的侵蝕小，壓鑄時對壓鑄模的侵蝕小，與鋁合金壓鑄相比，壓鑄模使用壽命可提高2-3倍，通常可維持20萬次以上。鎂合金的比熱和結晶潛熱小，所以流動性 好、凝固快。5)尺寸穩定性高。不需要退火和消除應力就具有尺寸穩定性是鎂合金的一個很突出的特點，其體積收縮率僅為4%，是鑄造金屬中收縮量最低的一種。此外，鎂合金還具有切削加工性能優良、電磁屏蔽性好、散熱性高和再生性等一系列優點。2.2 鎂合金的缺點10 121)易燃性。鎂元素與氧元素具有極大的親和力，其在高溫下甚至還處于固態的情況下，易與空氣中的氧氣發生反應。所以鎂合金必須在熔劑覆蓋下或在SO2、CO2或SF6保護氣氛的保護下，或在真空條件

7、下進行熔煉。2)室溫塑性差。鎂晶體中的滑移僅發生在滑移面與拉力方向相傾斜的某些晶體內， 因而滑移的過程將會受到極大地限制，而且在這種取向下孿生很難發生，所以晶體很快就會出現脆性斷裂。3)耐蝕性差。鎂具有很高的化學活潑性，其平衡電位很低，與不同類金屬接觸時易發生電偶腐蝕，并充當陽極作用。4)高溫強度特別是高溫抗蠕變性能較差?，F在常用的鎂合金的使用溫度一般不超過120，這一缺點將使它在汽車行業的應用受到限制。因此，研發具有良好高溫蠕變性能的新型低成本鎂合金成為鎂合金研究的一個重點。2.3 鎂合金的分類按成形工藝，鎂合金可分為鑄造鎂合金和變形鎂合金，兩者在成分、組織性能上存在很大的差異。鑄造鎂合金主

8、要用于汽車零件、機電殼罩和電器構件等。鎂合金的鑄造方法有砂型鑄造、金屬型鑄造、擠壓鑄造、低壓鑄造、高壓鑄造和熔模鑄造等。變形鎂合金主要用于薄板、擠壓件和鍛件等。國內鑄造鎂合金一般按合金系列分為13:鎂-鋁系：ZM5, ZM10;鎂-鋅-皓 系：ZM1, ZM2, ZM7;鎂-稀土-培系：ZM3, ZM4, ZM6。鎂合金按化學成分可分為二元、三元或多元合金系。國際上大多采用美國ASTM 標準，依據鎂合金所含的12 種主要合金元素簡寫命名法，將鎂合金分為 M 系( Mg-Mn) 、 AZ 系( Mg-Al-Zn ) 、 AM 系( Mg-Al-Mn ) ， Mg-Al-Ca 系( AX) 、 M

9、g-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，鎂合金的大致分類如圖2所示的造候會金變肝口合和鐘世，耐埃犢合金仆品或七金Mg-Al-ZnLIg-RE-ZrMg-Lti-Th1C/AZ9：L>E鬼 Ai-HuZn mr上。-L&：Mg-AL-MdMt'Th-MnL-YTdMe* -CuMg Y?nMS-Y-A：AbOj/AZ9)D由燈 J

10、/AZ91D圖2現有鎂合金的分類Fig. 1 Classification of magnesium alloys3 .鎂合金的國內外發展現狀3.1 國外發展現狀近年來，北美、歐洲和日本等發達國家相繼加大了對鎂合金開發與應用研究 的投入。鎂合金應用和研究重點開始從宇航和兵工等領域擴展到民用高附加值產 業（如汽車、電腦、通信和家電等）。圍繞鎂合金材料的開發，爭奪國際商業市場 的競爭日趨激烈。目前，世界各國正在加大鎂及鎂合金的生產14。1999年世界鎂的消耗在40 萬噸左右，2005年以前達到55萬噸。鎂合金公司（MAC）正在剛果投資5.14億美 元，建成一家世界上最大的年產 6萬噸的壓鑄鎂合金廠

11、，并于2003年建成投產。 澳大利亞目前有9個鎂項目正在研究和發展建設中。另外，以色利、日本、德國、 英國、荷蘭、俄羅斯等國家也已完成建新廠或正在擴大已有工廠的生產能力。鎂合金在電子器件中應用的增長就更快，日本松下、NEC、SONY以及歐洲、 美國、臺灣等著名公司已經用鎂合金制造便攜式電腦、 手提電話、攝錄像機殼體, 顯示出了極強的競爭力。3.2 國內發展現狀15我國目前在鎂工業方面擁有三項“世界冠軍”。第一是鎂資源大國，儲量居世界首位；第二是原鎂生產大國；第三是出口大國。盡管如此,我國的鎂工業還存在著不少問題,主要表現在：1）原鎂生產技術比較落后，質量不夠穩定；2）出口產品絕大多數是廉價的純

12、鎂錠，鎂合金出口比重只有15%左右；3）原創性的研究成果缺乏，目前出口的所有鎂合金錠幾乎全部按照國外的牌號生產，而且在鎂合金產品加工中的關鍵技術和裝備大部分依靠進口。中國鎂合金產品的生產和應用現狀是，鎂合金的優勢已經被許多企業所認識，在汽車、 摩托車和3C 產業中鎂合金已經開始獲得應用，用戶包括如上汽、一汽、二汽、奇瑞、隆鑫、海爾等，例如，一汽鑄造有限公司AM50 鎂合金方向盤骨架； 鎂合金壓鑄迅速增長，臺灣、 香港和大陸投資的鎂壓鑄廠分布在幾乎全國各地，各種壓鑄機數量超過50 臺，變形鎂合金加工開始起步。4 . 鎂合金的制備方法4.1 壓鑄壓鑄是鎂合金最主要的成形工藝，世界鎂合金鑄件的93%

13、是用壓鑄工藝生產的。 鎂合金有熱室壓鑄和冷室壓鑄兩種方式，主要取決于鑄件壁厚，熱室壓鑄一般用于薄壁鑄件。采用型腔抽真空的方法可以減少鎂合金鑄件的氣孔，真空壓鑄就是在壓鑄過程中抽出型內氣體，以消除或減少壓鑄件內的氣孔和溶解氣體，提高壓鑄件的力學性能和表面質量。充氧壓鑄是一種無孔壓鑄，該法在充型前將氧氣或其它活性氣體充入型腔以置換型內空氣，充型時， 活性氣體與鎂合金液反應生成彌散分布的金屬氧化物，達到消除壓鑄件內氣體和氣孔的目的。用該法生產的壓鑄件可以進行熱處理強化。4.2 半固態鑄造半固態鑄造分為流變鑄造和觸變鑄造。觸變鑄造的工藝過程如圖1 所示。 由投料筒經進料口進入料筒的固態鎂合金顆粒,憑借

14、螺桿旋轉產生的剪切力及料筒加熱器的加熱,當材料加熱到固液兩相區、達到一定的固相分數時,由螺桿推動射入型腔成形。鎂合金觸變鑄造的優點是：非枝晶鎂合金坯料不需完全熔化，節省能源；充型時不易產生飛邊，鑄件尺寸精度高；鑄件致密，縮松少;金屬漿料 溫度低，鑄型壽命長；不需要用SF6作為保護氣體，環境污染?。荷a過程安全 性高。圖3觸變鑄造的工藝流程Fig. 3 The process of thixotropic casting4.3 擠壓鑄造擠壓鑄造的充型壓力比重力金屬型鑄造要高幾個數量級，其對鑄件成形的影響主要表現為提高充型速度，減少鑄件中的疏松和氣孔缺陷，提高鑄件的致密度 和力學性能，獲得可以熱處

15、理的鑄件。擠壓鑄造最重要的工藝參數是鑄型溫度、 澆注溫度和合金的過熱度，合金本身的鑄造性能卻不十分重要，其它較重要的工 藝參數為澆注金屬液的體積、金屬液潔凈度、充型壓力曲線、鑄型涂料、擠壓前 金屬液停留時間等。要獲得無氣孔的擠壓鑄件，凝固溫度區間較大的AZ91鎂合金所需要的充型壓力比凝固溫度區間較小的 AZ31大。4.4 鎂合金的其他鑄造方法低壓鑄造和差壓鑄造已經應用于生產鎂合金汽車鑄件，這兩種方法可以保證 平穩充型，避免鎂合金液氧化和卷氣，還可以在鑄造過程中將加壓系統與鎂合金 的氣體保護有效地結合起來。鎂合金的精密鑄造和石膏型鑄造也得到了一定應用。 5.鎂合金的應用1.1 鎂合金在汽車工業上

16、的應用汽車行業的蓬勃發展給鎂合金的應用帶來了更為廣闊的空間。 上世紀90年 代初，上海大眾汽車公司首次在桑塔納轎車上采用鎂合金變速箱殼體、 殼蓋和離 合器外殼，目前桑塔納轎車鎂合金變速器外殼年用鎂量達 2000 t以上。二汽東 風已有八種鎂合金腳踏板安裝在東風“天龍”系列中型卡車上，2003年底鎂用量都已達300 t以上。圖4為部分汽車上已經應用的鎂合金零部件16。圖4鎂合金在汽車零部件上的應用16Fig. 4 Applications of magnesium alloys in motor vehicles1.2 鎂合金在電子產品上的應用鎂合金材料由于其密度低、比剛度大、電磁屏蔽性能佳、防

17、震效果和薄壁鑄 造性能好等優點逐漸地成為3c電子產品殼體的理想材料之一。國內很多3c產 品開始采用鎂合金，像手機廠商海爾、波導、科?。还P記本廠商聯想、方正等對 鎂合金殼體都有需求。表 2即為1999年到2005年幾年期間國內鎂合金市場 增長的統計。隨著國民收入水平的不斷提高，更多 3C產品逐漸進入普通家庭， 鎂合金的在這方面的需求大量增加成為必然。表2國內電子產品對鎂合金的應用Tab. 1 Application of magnesium alloys in domestic electronics productions/kg2005筆記本電腦70%0.708820手機50%0.02600數

18、碼相機30%0.102550其他30%0.1025505.3鎂合金在國防及航空航天中的應用鎂合金材料由于密度低、比強度高等特性使其可以有效地減輕航空航天零部件的重量，減重效果可以帶來顯著的性能改善和明顯的經濟效益，因而，航 空工業投入極大的人力和物力來研發航空用鎂合金材料。鑄造鎂合金材料在航空 航天領域中的應用如表3所小。表3鑄造鎂合金材料在航空航天領域中的應用17Tab. 3 Application of magnesium alloy in aerospace鎂合金牌號應用領域AZ31航空器控制裝置，各種支架、傳動器殼體以及機輪AZ92航空器控制裝置，各種支架、傳動器殼體以及機輪ZE41

19、航空發動機部件、輔助推進裝置、直升機變速箱、發動機殼體QE22航空發動機殼體、發動機結構部件等高溫環境中工作的部件WE43A發動機變速箱和直升機傳動箱EZ33減振部件、齒輪傳動部件在軍工領域，鎂合金在武器裝備上的應用不斷擴大。法國裝甲部隊的AMX30坦克10 mm線膛炮的身管熱護套采用了鎂合金；美國陸軍研制的氮化硼顆粒增強鎂基復合材料彈托取代 XM829型120mm穿甲彈的鋁合金彈托，可以使 彈體出膛的初速度提高100 m/s以上。英國成功研究和開發了大馬力柴油機鎂 合金箱體，為輕質低噪音地面裝備動力的開發提供了材料技術。歐、美、俄等發 達國家在導彈結構系統中大量采用了高性能鎂合金。6 .高性

20、能鎂合金的研究6.1 耐熱鎂合金耐熱性差是阻礙鎂合金廣泛應用的主要原因之一， 當溫度升高時，它的強度 和抗蠕變性能大幅度下降，使它難以作為關鍵零件(如發動機零件)材料在汽車 等工業中得到更廣泛的應用。從八十年代以來，國外致力于利用 Ca來提高鎂合 金的高溫抗拉強度和蠕變性能。最近美國開發的 ZAC8506(Mg-8Zn-5Al-0.6Ca), 以及加拿大研究的Mg-5Al-0.8Ca等鎂合金。其抗拉強度和蠕變性能都較好。6.2 耐蝕鎂合金嚴格限制鎂合金中的Fe、Cu、Ni等雜質元素的含量、控制Fe/Mn比，得到 的高純鎂合金具有很好的耐蝕性。例如高純AZ91HP鎂合金在鹽霧試驗中的耐蝕性大約是

21、AZ91C的100倍，超過了壓鑄鋁合金 A380,比低碳鋼還好得多186.3 阻燃鎂合金上海交通大學輕合金精密成型國家工程研究中心通過同時加入幾種元素，發明了壓鑄阻燃鎂合金及其熔煉和壓鑄工藝、鑄造阻燃鎂合金及其熔煉和鑄造工藝，著火點溫度提高了250，力學性能與AZ91D 鎂合金相當，還發明了耐熱壓鑄阻燃鎂合金及其熔煉和壓鑄工藝、塑性變形阻燃鎂合金及其熔煉和塑性變形工藝。開發了阻燃性能和力學性能均良好的轎車用阻燃鎂合金，成功地進行了轎車變速箱殼蓋的工業試驗，并生產出了手機殼體、MP3 殼體等電子產品外殼。6.4 高強高韌鎂合金現有鎂合金的常溫強度和塑韌性均有待進一步提高。在Mg-Zn 和 Mg-

22、Y 合金中加入Ca、 Zr 可顯著細化晶粒，提高其抗拉強度和屈服強度；Ag 和 Th 能夠提高 Mg-Re-Zr 合金的力學性能；通過快速凝固粉末冶金、高擠壓比及等通道角擠(E-CAE)等方法，可使鎂合金的晶粒處理得很細，從而獲得高強度、高塑性甚至超塑性；2001 年，日本東北大學井上明久等采用快速凝固法制成的具有100至 200 納米晶粒尺寸的高強鎂合金Mg-2at%Y-1at%Zn， 其強度為超級鋁合金的3倍，還具有超塑性、高耐熱性能和高耐蝕性19。7 . 結束語鎂合金具有一系列的優良性能，在汽車工業、通訊電子業、航空航天業等領域得到了日益廣泛的應用，鎂合金及其成形技術也得到了快速發展，鎂

23、合金的性能不斷得到提高，鎂合金熔煉技術、成形技術和表面處理技術等領域得到了不斷發展， 新的技術和裝備也不斷被開發和應用，展示了鎂合金的光明前景。我國具有豐富的鎂資源，原鎂產能、產量和出口都居世界首位，但技術水平還不高，盡快提升我國鎂合金及其成形技術與裝備的技術水平，將我國的鎂資源優勢轉化為技術、經濟優勢，促進國民經濟發展、增強我國的國際競爭力，是擺在我們面前的迫切任務。參考文獻1 丁文江,曾小勤.中國Mg材料研發與應用J.金屬學報,2010, 46(11): 1450-1457.2張振亞.粉末熱擠壓制備高性能鎂合金研究D.山東大學，2010.3變形鎂合金M.化學工業出版社，2005.4 Ave

24、desian M M, Baker H. ASM specialty handbook: magnesium and magnesium alloysJ. ASM international, 1999, 274.5 Mordike B L, Ebert T. Magnesium: Properties applications potentialJ. Materials Science and Engineering: A, 2001,302(1): 37-45.6衛愛麗，付珍，趙浩峰.鎂合金的生產及應用J.鑄造設備研究，2003, 1: 34-37.7詈炳濤，王輝.鎂合金及其在工業中的應用 J.稀有金屬,2004, 28(1): 229-232.8 Nishikawa Y. Development of electric products using magnesium alloyJ. Kino Zairyo(Functio