专题 | 镁合金的发展及应用

2019-09-19 13:20:24 作者：本网整理来源：《腐蚀与防护之友》分享至：

随着着航空航天、交通运输、信息产业的发展，新型轻合金材料的研发逐渐受到各国的高度重视。在许多领域，传统钢铁材料已逐渐被各种综合性能更为优良的新型材料所替代。

镁合金是以镁为基加入其他元素组成的合金，是目前实际应用中最轻的金属结构材料，具有密度小、强度高、阻尼性、切削加工性和铸造性能好的优点。

1. 镁合金的特点

与其他金属相比，镁合金具有以下特点：

（1）镁合金的比重小，是目前最轻的结构材料，密度在1.75—1.85g ／cm3 之间，是钢密度的23％，铝密度的67％，塑料密度的170％。镁合金比强度明显高于铝合金和钢，仅略低于比强度最高的纤维增强材料；比刚度与铝合金和钢相当但远高于纤维增强材料，具有很好的优越性。

（2）镁合金阻尼性能好，与铝合金、钢、铁相比具有较低的弹性模量，在同样受力条件下，可消耗更大的变形功，具有降噪、减振功能，可承受较大的冲击震动负荷，适合于制备抗震零部件。

（3）镁合金导热性、热稳定性、抗电磁干扰性和屏蔽性能良好。

（4）镁合金的铸造性良好，镁与铁反应性很低，熔炼时可用铁坩埚，镁在单位容量下的热焓低，其压铸速度可比铝高，且镁铸件的铸造和加工精度高，镁合金压铸件的最小壁厚可达0.6mm，而铝合金为1.2-1.5mm，镁合金可以进行高速机械加工，生产效率高，在模具内凝固快，生产率比压铸铝件高出40-50％，最高可达两倍，适用于汽车工业的大批量生产。

（5）镁合金的尺寸稳定性较好，收缩率稳定，铸件和加工成品的尺寸精度高，除了镁- 铝- 锌合金外，多数镁合金在热处理过程及长期使用中由于相变而引起的尺寸变化基本为零。

（6）切削加工性能优良，其切削速度大大高于其他金属。切削镁合金时对刀具的消耗低，切削功率小，镁合金、铝合金、铸铁、低合金钢切削同样零件消耗的功率比值为l ∶ 1.8 ∶ 3.5 ∶ 6.3。镁合金在切削后不需要磨削、抛光，不用切削液即可以得到粗糙度很低的加工面。此外，镁合金在受冲击或摩擦时，表面不产生火花，利于生产安全。

（7）与塑料类材料相比，镁合金可回收利用，回收成本低，回收利用率高，这对降低制品成本、节约资源、改善环境相当有益。

（8）液态镁容易剧烈氧化、燃烧，故镁合金的熔炼必须在熔剂覆盖下或者在保护气氛中进行。镁合金铸件需要在SO2、C02 或SF6 气体保护，或者在真空条件下进行固溶处理，并且固溶处理和时效处理时间均较长。

2. 镁合金的发展

镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料，但与铝合金相比，镁合金的研究和发展还很不充分，镁合金的应用也还很有限。目前，镁合金的产量只有铝合金的1％。镁合金作为结构应用的最大用途是铸件，其中90％以上是压铸件。限制镁合金广泛应用的主要问题是：

由于镁元素极为活泼，镁合金在熔炼和加工过程中极容易氧化燃烧，因此，镁合金的生产难度很大；镁合金的生产技术还不成熟和完善，特别是镁合金成形技术有待进一步发展；镁合金的耐蚀性较差；现有工业镁合金的高温强度、蠕变性能较低，限制了镁合金在高温（150 ～ 350℃）场合的应用；镁合金的常温力学性能，特别是强度和塑韧性有待进一步提高；镁合金的合金系列相对很少，变形镁合金的研究开发严重滞后，不能适应不同应用场合的要求。

2.1镁合金研究的新进展

（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；加入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。

3. 镁合金的应用

3.1 镁合金材料在汽车工业中的应用和发展

环境污染与资源紧张的日益加剧要求汽车满足轻量化与环保的要求，因此使用密度较小的镁合金已成为汽车材料未来发展的主要方向之一。汽车用镁正以年均20% 的增长速度迅速发展，世界各大汽车公司都把已采用镁合金零件的数量作为自身产品技术领先的标志。

目前，汽车工业中镁合金用量较多的地区和国家主要是北美、欧洲、日本和韩国。综合部分厂家的使用情况，目前镁合金材料主要用来制造的汽车零部件，见表1 所示。

随着材料加工技术与材料性能的不断优化，镁合金在汽车上的应用范围也将逐渐扩大：比如，虽然镁制底盘系统结构件刚刚开始应用，但北美汽车业界估计未来2 年内镁合金在底盘结构方面的应用将增加10 倍以上，而第42 届大众公司股东年会上，大众展出了世界上最经济的小车1L 车，车身空间框架均采用镁合金，比铝车身轻13kg，燃油泵壳、变速器壳、座椅框架等也是用镁合金制成，代表了未来汽车用镁合金的发展方向。

表1 镁合金在汽车零部件上的应用
部件系统	零部件名称
车内构件	仪表盘、座椅架、座位升降器、操纵台架、气囊外罩、转向盘、锁合装置罩、转向柱、转向柱支架、收音机壳、小工具箱门、车窗马达罩、刹车与离合器踏板托架、气动托架踏板等
车体构件	门框、尾板、车顶框、车顶板、IP横梁等
发动机及传动系统	阀盖、凸轮盖、四轮驱动变速箱体、手动换挡变速器、离合器外壳活塞、进气管、机油盘、交流电机支架、变速器壳体、齿轮箱壳体、油过滤器接头、马达罩盖、汽缸头盖、分配盘支架、油泵壳、油箱、滤油气支架、左侧半曲轴箱、右侧半曲轴箱、空机罩、左抽气管、右抽气管等
底盘	轮毂、引擎托架、前后吊杆、尾盘支架

3.2 镁合金材料在航空航天工业中的应用和发展

航空材料减重带来的经济效益和性能的改善十分显著，商用飞机与汽车减重相同质量带来的燃油费用节省，前者是后者的近100 倍。而战斗机的燃油费用节省又是商用飞机的近10 倍，更重要的是其机动性能改善可以极大提高其战斗力和生存能力。表2 给出了镁合金材料在航天飞机零部件上的应用情况。随着镁合金制备技术的发展，材料的性能如比强度、比刚度、耐热强度、蠕变等性能不断提高，其应用范围也不断扩大。目前其应用领域包括各民用、军用飞机的发动机零部件、螺旋桨、齿轮箱、支架结构以及火箭、导弹、卫星的一些零部件。如用ZM2 制造WP7各型发动机的前支撑壳体和壳体盖；用ZM3 镁合金制造J6 飞机的WP6 发动机的前舱铸件和WP11 的离心机匣；用ZM4 镁合金制造飞机液压恒速装置壳体、战机座舱骨架和镁合金机轮；以稀土金属钕为主要添加元素的ZM6 铸造镁合金已扩大用于直升机WZ6 发动机后减速机匣、歼击机翼助等重要零件；研制的稀土高强镁合金MB25、MB26 已代替部分中强铝合金，在歼击机上获得应用。

表2 镁合金材料在航天飞机零部件上的应用
年代	零部件名称
20世纪 20年代	发动机曲柄箱、发动机零件(铸件)、气球吊蓝(薄板)、客机座椅、起落轮（薄板、挤压件）
20世纪 40年代	JU88起落架支持框(铸件)、Hel77&Ju90 部件(铸件)、BMW801发动机部件(铸件)、机枪支架环(铸件)、无线电设备底座(压铸件)、定向仪(压铸件)、尾轮(压铸件)、B-36 轰炸机部件
20世纪 50年代	RRDarr发动机部件(铸件)、S55直升机发动机基座、蛤壳式门、尾锥(铸件)、蒙皮(薄板),火箭和导弹零部件(薄板)、直升机齿轮箱(砂型铸造件)、直升机车轮及发动机部件(砂型铸造件)、涡轮喷气发动机机罩(砂型铸造件)、主起落架 (砂型铸造件、锻造件)、B-471 轮及发动机部件(砂型铸造件)、机轮外壳(离心铸造薄板)、C-121和C-124运输机地板横梁(挤压件)
20世纪 60年代	B-47和B-52主起落架(锻件)、卫星零部件、HC-18直升机地板(挤压件)、飞机座舱顶棚框架(砂型铸造件)、Apollo振动检测设备(砂型铸造件)、S-64B起落架齿轮箱(砂型铸造件)
20世纪 70年代	F-20减速装置有直升机传动系(砂型铸造件)和GH-53E直升机传送箱(砂型铸造件)
20世纪 90年代	直升机传动系(砂型铸造件)、PW100涡轮发动机部件(砂型铸造件)、Garrett T PE331-14&-15主涡轮发动机部件(砂型铸造件)、恒速传动、辅助动力设备进气管、喷气发动机传动齿轮箱

3.3 镁合金在现代兵器零部件上的应用和发展

从兵器零件的使用特点和性能要求分析，枪械武器、装甲车辆、导弹、火炮、弹药、光电仪器、武器用计算机及军用器材中有较大数量的铝合金零件和工程塑料件，根据目前镁合金材料的性能和使用特点，应用镁合金材料制造相关零件，技术上是可行的，并有如下发展趋向。

（1）采用镁合金及镁基复合材料替代武器装备的中、低强度要求的铝合金零件和部分黑色金属零件，实现武器装备轻量化。表3 给出了镁合金材料在武器装备零部件中的应用情况。

表3 镁合金材料在武器装备零部件中的应用
装备名称	零部件名称
枪械武器	机匣、弹匣、枪托体、下机匣、提把、前护手、弹托板、瞄准座等
装甲车辆	坦克座椅骨架、机长镜、炮长镜、变速箱箱体、发动机滤座、进出水管、空气分配器座、机油泵壳体、水泵壳体、机油热交换器、机油滤清器壳体、气门室罩、呼吸器等
导弹	导弹舱体、舵机本体、仪表舱体、舵架、飞机翼片
火炮及弹药	供弹箱、牵引器、脚踏板、炮长镜、轮毂、引信体、风帽、火药筒等
光电产品	镜头壳体、红外成像仪壳体、底座等
计算机及通信器材	军用计算机、通讯器材箱体、壳体、板类等零件

（2）解决零件老化、变形和变色的问题。目前，轻武器、光电及通讯器材产品、战车仪表盘等采用工程塑料制造。工程塑料尤其是纤维增强塑料的比强度最高，但弹性模量、比刚度远小于镁合金，且难以回收，环境适应性差，易磨损和老化变形、变色，还影响武器战术性能。镁合金替代工程塑料能从根本上克服工程塑料的这些缺陷。表4 给出了镁合金替代工程塑料在武器装备零部件上的应用情况。

表4 镁合金替代工程塑料在武器装备零部件上的应用
装备名称	零部件名称
枪械武器	弹匣、护盖体、附件筒、前护手等
光电产品	镜头壳体、瞄具壳体、夜视仪壳体等
军用器材	种类仪表盘、通讯器材箱体、壳体零件、军用头盔等

（3）导弹和其他飞行器零部件的镁合金化。过去镁合金在导弹上的应用较少，只在照明弹中使用镁粉。镁合金由于密度小，近年来在导弹、火箭等结构件中应用广泛。主要用于战术防空导弹的支座舱段与副翼蒙皮、壁板、加强框、舵板、隔框等零件，材料为MB2、MB3、MB8 变形镁合金。为满足弹、箭减重及高精度零件（如导弹控制系统）对材料高尺寸稳定性的需要，发展高强度、高刚度、低膨胀系数镁基复合材料是兵器材料的重要技术途径之一。

3.4 镁合金材料在核工业上的应用和发展

镁的热中子吸收截面非常小，大约只有铝的1/4。英国将镁合金作为核燃料的包壳材料在CO2 气体冷却的反应堆中使用。核反应堆用包覆套管要能承受反应堆的恶劣条件：高热、表面热流、强烈的C 射线辐射以套管内表面所受到的某些破碎片的轰击等。大量的试验证明，镁合金套管在出口气体最高温度为400-500℃下的反应堆中充当包覆材料使用是完全胜任的。而对CO2 的相容性的极限温度可达500℃。满足了反应堆工作时的安全要求，不致引起燃烧。

核能发电是一种清洁能源，工业发达国家已把核电作为一种主要能源，一般占整个发电的15% 以上。我国也正在大量开发核电。因此，核反应堆的包覆套管会不断增加。镁合金在核工业上的应用潜力很大。

3.5 镁合金在其他领域的应用和发展

由于镁及其镁合金材料具有能够减轻重量、降低噪音、减小振动等优点，因此在自行车业、摩托车业、电子工业（家用电器和3C 产品）、铁道和其他轨道行业、船舶工业、冶金工业、化学领域、电力工业、家庭消费品、家具、车床设备、办公室设备、光学设备、运动机械和医疗器械等众多领域，也获得了越来越广泛的应用和发展。

4. 结束语

近年来，全球已研制开发出了不少新型的镁合金、新型的加工设备和加工工艺技术、新产品和新材料，并被广泛应用于汽车、摩托车、自行车、家用电器、通讯设备、电子产品等民用产品领域。

随着武器轻量化要求的不断提高，加上镁材价格的降低和高温耐热、高强耐热等新型镁合金的发展，镁合金材料将会在新一代航空航天、武器装备等的研发中发挥重要的作用，成为航空航天、武器装备等国防部门中应用最广的金属结构材料，将会有利地推动我国镁资源对国民经济和国防事业建设健康稳定可持续地发展。

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