科普 ｜ 镁合金在一些领域的巨大应用价值前景

由于纯镁的机械强度低，所以主要使用铝镁合金，它轻而有一定的强度，是重要的结构材料，除用于飞机的机身、机翼、发动机零件、轮架外，以后将广泛用于制造汽车、火车。金属镁是铝合金中的主要合金元素，世界年需求量在15万吨左右，我国用镁作合金元素，每年约需1.01 万吨。镁合金有4 个主要系列：Mg-Al-Zn-Mn（AZ 系列），Mg-Al-Mn（AM 系列），Mg-Al-Si（AS系列），Mg-Al- 稀土（AE 系列），它们各具特有的使用性能，能满足多种功能的需要，将会得到广泛应用。 在国防工业的应用 现代战争需要军队具有远程快速部署运动的能力，要求武器装备轻量化，在手持式武器、装甲战车、运输车、航空制导武器上将大量采用轻金属材料。 轻量化是提高武器装备作战性能的重要方向。镁所具有的轻质特性决定了镁合金是生产航天飞行器、军用飞机、导弹、高机动性能战车、船舶的必不可少的结构材料，如可做火箭头、导弹点火头、航天器元部件以及照明弹等。因此，大力开发镁合金应用范围是国防现代化的需要。 在钢铁工业的应用 镁目前主要用于冶金工业的铸造、钢铁脱硫等。随着汽车工业、石油、天然气管线、海洋钻井平台、桥梁建筑等领域用高强度低硫钢的需求不断增加，近几年，我国鞍钢、宝钢、武钢、本钢、包钢、攀钢、首钢等钢铁企业已经用镁粉深脱硫，获得优质钢，取得良好效果。镁粉用于钢铁脱硫，具有巨大的潜在市场。 镁在汽车工业的应用 镁是最轻的结构金属材料之一，又具有比强度和比刚度高、阻尼性强和切削性好、易于回收等优点。国内外将镁合金应用于汽车行业，以减重、节能、降低污染，改善环境。目前，全球镁合金消费量最大的是汽车行业，为减轻汽车总重，镁合金压铸件在汽车上的使用愈来愈多，包括仪表盘、方向盘、变箱、油底、气缸罩、座椅架及轮毂（WheelHub）等多个关键零部件。根据统计资料，2003 年美国平均每辆汽车镁合金的使用量已达60 千克左右，美国汽车材料协会（USAMP） 预计到2020 年北美生产的每辆汽车镁合金用量将达到约160 千克。目前，中国镁合金在汽车工业的使用情况仍处于起步阶段，除上海大众（Shanghai Volkswagen） 外， 其他的汽车生产商在镁合金制造方面仍未有具体的发展计划。发达国家汽车百公里耗油最终将实现3 升目标，欧洲汽车用镁占镁总消耗量的14%，预计今后将以15% ～ 20% 的速度递增。数据显示，全球镁合金在汽车压铸件方面的增长率连续多年保持在15％的水平，是当前及未来新的产业亮点。我国东风、长安等汽车已开始用镁合金，不久，重庆、成都等地将成为我国汽车用镁合金研究与开发应用的生产基地。因此，全面推动汽车使用镁合金制品将成为来新材料产业的重要发展方向。 其他应用——镁的轻质特性带来镁应用的大好前景镁牺牲阳极作为有效防止金属腐蚀的方法之一，可广泛用在地下铁制管道、石油管道、储罐、海上设施、民用等。 此外，镁粉还用于制造化工产品、药烟火、信号照明弹、金属还原剂、油漆涂料、焊丝以及供球墨铸铁用的球化剂等。镁易燃，所以可用作照明弹，其原理是照明弹中装有镁铝和硝酸钠、硝酸钡等物质。引爆后，镁在空气中迅速燃烧，放出含紫外线的耀眼白光，同时放出热量使硝酸盐分解。与塑料相比，镁合金具有重量轻、比强度高、减振性好、热疲劳性能好、不易老化，又有良好的导热性、电磁屏蔽能力强、非常好的压铸工艺性能，尤其易于回收等优点，是替代钢铁、铝合金和工程塑料的新一代高性能结构材料。为适应电子、通讯器件高度集成化和轻薄小型化的发展趋势，镁合金是交通、电子信息、通讯、计算机、声像器材、手提工具、电机、林业、纺织、核动力装置等产品外壳的理想材料。发达国家非常重视镁合金的开发与应用，尤其在汽车零部件、笔记本电脑等便携电子产品的应用，每年以20% 的速度增长，非常引人注目，发展速度惊人。 我国青岛作为家电城，先后投资2.1~3.5亿人民币，生产制造手机外壳、数码相机、手提电脑、掌上电脑外壳，高级视听器材外壳等产品，年产1600 万件铸件产品，成为第一个镁合金开发应用产业化基地。镁合金型材、管材还用于制作自行车架、轮椅、康复和医疗器械等。 镁合金的新进展 1.耐热镁合金 耐热性差是阻碍镁合金广泛应用的主要原因之一，当温度升高时，它的强度和抗蠕变性能大幅度下降，使它难以作为关键零件（如发动机零件）材料在汽车等工业中得到更广泛的应用。己开发的耐热镁合金中所采用的合金元素主要有稀土元素（RE）和硅（Si）。稀土是用来提高镁合金耐热性能的重要元素。 含稀土的镁合金QE22 和WE54 具有与铝合金相当的高温强度，但是稀土合金的高成本是其被广泛应用的一大阻碍。 2.耐蚀镁合金 镁合金的耐蚀性问题可通过两个方面来解决：①严格限制镁合金中的Fe、Cu、Ni 等杂质元素的含量。例如，高纯AZ91HP 镁合金在盐雾试验中的耐蚀性大约是AZ91C 的100 倍，超过了压铸铝合金A380，比低碳钢还好得多。②对镁合金进行表面处理。根据不同的耐蚀性要求，可选择化学表面处理、阳极氧化处理、有机物涂覆、电镀、化学镀、热喷涂等方法处理。例如，经化学镀的镁合金，其耐蚀性超过了不锈钢。 3.阻燃镁合金 镁合金在熔炼浇铸过程中容易发生剧烈的氧化燃烷。实践证明，熔剂保护法和SF6、SO2、CO2、Ar 等气体保护法是行之有效的阻燃方法，但它们在应用中会产生严重的环境污染，并使得合金性能降低，设备投资增大。纯镁中加钙能够大大提高镁液的抗氧化燃烧能力，但是由于添加大量钙会严重恶化镁合金的机械性能，使这一方法无法应用于生产实践。铰可以阻止镁合金进一步氧化，但是铰含量过高时，会引起晶粒粗化和增大热裂倾向。 4.高强高韧镁合金 现有镁合金的常温强度和塑韧性均有待进一步提高。在Mg-Zn 和Mg-Y合金中加人Ca、Zr 可显著细化晶粒，提高其抗拉强度和屈服强度；加人Ag 和Th 能够提高Mg-RE-Zr 合金的力学性能，如含Ag 的QE22A 合金具有高室温拉伸性能和抗蠕变性能，已广泛用作飞机、导弹的优质铸件；通过快速凝固粉末冶金、高挤压比及等通道角挤等方法，可使镁合金的晶粒处理得很细，从而获得高强度、高塑性甚至超塑性。 5.镁合金成形技术 镁合金成形分为变形和铸造两种方法，当前主要使用铸造成形工艺。 压铸是应用最广的镁合金成形方法。 近年来发展起来的镁合金压铸新技术有真空压铸和充氧压铸，前者已成功生产出AM60B 镁合金汽车轮毅和方向盘，后者也己开始用于生产汽车上的镁合金零件。 镁合金的应用 镁合金是工程应用中最轻的金属结构材料，在航空航天、军事、汽车工业中都获得了广泛的应用。用镁代替铝和钢铁可大大减轻结构重量。减重对航天、航空、电子和通讯等结构件尤其是交通运输工具具有非常重要的意义。 我国具有丰富的镁资源，原镁产能、产量和出口均居世界首位。因此，如何利用我国的镁资源优势，将镁的资源优势转变为技术、经济优势，促进国民经济发展、增强我国镁衍业的国际竞争力，是摆在我们面前的迫切任务。 （消息来源：轻合金国家工程研究中心应用基地） 往期推荐 会议通知 关于开展“资源选冶联合与清洁利用技术转移转化能力提升班”的通知 征集通知 推荐计划 关于开展2022年中国标准创新贡献奖提名推荐工作的通知 关于开展2022有色金属行业成果评价工作的通知 扫码注册学会会议 9月16-18日 湖南长沙 固体废物循环利用与污染控制第二届学术研讨会 9月23-25日 江西鹰潭 2022中国铜产业科技创新大会 10月21-23日 陕西西安2022中国中国有色金属学会青年科技论坛 扫码看学会动态 学会官方微信公众号 学会官方网站 学会媒体平台 B站 抖音 今日头条