简介概要

镁合金及其在工业中的应用

来源期刊：稀有金属2004年第1期

论文作者：王辉訾炳涛

关键词：材料学; 镁合金; 应用;

摘要：镁在自然界中是大量存在的, 是一种存储量十分丰富的元素. 镁及其合金均具有很多优点, 例如重量轻、比强度和比刚度高、消震性能好、优良的机械加工性能和抛光性能、无毒性、无磁性、高热导率、可回收利用等, 已在汽车、计算机、移动电话、精密仪器、国防和航空航天等很多领域得到了广泛的应用, 具有广阔的应用前景. 详细介绍了镁合金的特点及其在工业中的应用情况.

稀有金属 2004,(01),229-232 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.01.057

镁合金及其在工业中的应用

王辉

北京矿冶研究总院金属材料研究所,北京矿冶研究总院矿产资源研究所北京100044 ,北京100044

摘要：

镁在自然界中是大量存在的 , 是一种存储量十分丰富的元素。镁及其合金均具有很多优点 , 例如重量轻、比强度和比刚度高、消震性能好、优良的机械加工性能和抛光性能、无毒性、无磁性、高热导率、可回收利用等 , 已在汽车、计算机、移动电话、精密仪器、国防和航空航天等很多领域得到了广泛的应用 , 具有广阔的应用前景。详细介绍了镁合金的特点及其在工业中的应用情况。

关键词：

材料学;镁合金;应用;

中图分类号： TG146.22

收稿日期：2003-09-28

基金：北京矿冶研究总院科研基金资助项目 (YJ 2 0 0 3 12 );

Magnesium Alloy and Its Applications in Industry

Abstract：

Mg is a profuse element in the earth. Mg and its alloy are of many good characters such as light weight, high specific strength and good specific rigidity, good oscillation damping, better mechanical processing property and better polishing property, innocuous, nonmagnetic, good heat exchange, good recycle, etc., and are widely used in such industries as automobile, computer, mobile telephone, precision instrument, national defence, aeronautic and astronautic, etc. Characters and its applications of Mg and its alloy was introduced in detail.

Keyword：

material science; magnesium alloy; application;

Received： 2003-09-28

镁在自然界中是大量存在的, 是一种存储量十分丰富的元素, 其在地壳中的丰富程度排名第八 ^[1] , 约占地壳质量组成的2.5% ^[2] , 镁的原子量为24.31, 熔点为651 ℃, 沸点为1107 ℃, 密度为1.78 g·cm^-3, 镁合金的密度为1.75~1.90 g·cm^-3 ^[1,3] 。镁及其合金熔点低, 易于氧化和燃烧 ^[3,4] 。

镁是1808年由Humphrey Davy提取得到的, 但是直到20世纪初, 它仍然是稀缺的珍品。比空气重的飞行工具的出现, 引起了人们对一切轻的结构材料的注意, 镁及其合金因而得到了广泛重视 ^[4] 。但纯镁的力学性能很低, 而镁和铝、锌、锆、稀土等元素构成的合金及热处理后, 其强度可大大提高。由于镁合金的重量轻、比强度和比刚度高、消震性能好、优良的机械加工性能和抛光性能、无毒性、无磁性、高的热导率、可回收利用等特点, 镁合金在当今的汽车、通讯电子、计算机、家电、国防、航空、航天等工业中正在得到日益广泛地应用。因此, 镁合金有“20世纪90年代以后的新型金属材料”的美誉。所以, 世界各大工业国都十分重视镁合金及其应用的研究开发, 制定了许多相应的开发攻关计划 ^[6] 。镁合金包括铸造镁合金和变形镁合金两大类 ^[3,7] 。

镁合金的发展大概经历了以下几个时期 ^[7] :

(1) 20世纪20年代——二次世界大战结束是镁合金发展最为迅速的时期。由于飞行器及赛车的兴起以及对减轻重量的要求, 镁合金在汽车和航空器上的应用已达到相当规模, 相继开发了AM91及Mg-Zn-Zr合金, 直到现在, 这些合金仍在广泛使用。

(2) 20世纪70年代初以来, 由于世界范围的石油危机, 汽车制造商们开始转向寻求采用镁合金制造汽车零部件, 以减轻车重, 降低油耗。此间开发了耐热的AS41和AS21镁合金。

(3) 20世纪90年代以后, 由于世界各国环保部门对汽车尾气排放的限制, 则镁合金在汽车上的应用急剧增加; 同时, AVCC (Audio Video Computer Communication) 产业的发展要求零部件具有减震、导热、耐冲击性, 则镁合金有作为AVCC的外壳部件材料取代工程塑料的发展趋势。

1 镁合金的特点

与目前的主流材料相比, 镁合金产品的优点大概体现在以下几个方面 ^{[1,3,4,5,6,7,8]} :

(1) 重量轻:

镁合金的比强度要高于铝合金和钢/铁、但略低于比强度最高的纤维增强塑料; 其比刚度与铝合金和钢/铁相当, 但却远院高于纤维增强塑料。比强度 (强度/密度之比值) 、比耐力 (耐力/密度之比值) 则比铝、铁都要高 ^[1] (几种镁合金的强度与合金种类的关系 ^[9] 如图1所示) 。在实用金属结构材料中其比重最小 (密度为铝的2/3, 钢

图1 镁合金的强度与合金种类的关系 Fig.1 Relationship between strength and categories of Mg alloys

的1/4) 。

在同样的刚性条件下, 1kg镁合金的坚固程度相当于18 kg的铝或2.1kg的钢, 同样复杂的零部件, 采用镁合金时, 则其重量比锡轻1/3, 比钢轻1/2。这一特性对于现代社会的手提类产品减轻重量、车辆减少能耗具有非常重要的意义。

(2) 高的阻尼和吸震、减震性能:

镁合金具有极好的吸收能量的能力, 可吸收震动和噪音, 保证设备能安静工作, 这个特性对于用作设备机壳以减少噪音传递、提高防冲击、预防凹陷性的损坏十分有利; 采用镁合金材料作为汽车的结构件非常有利于减轻汽车在运动中的噪音和震动。另外, 镁合金的阻尼性比铝合金大数十倍, 减震效果很显著, 采用镁合金取代铝合金制作计算机硬盘的底座, 可以大幅度减轻重量 (约降低70%) , 大大增加硬盘的稳定性, 非常有利于计算机的硬盘向高速、大容量的方向发展。

(3) 良好的抗冲击和抗压缩能力:

其抗冲击能力是塑料的20倍; 当镁合金铸件受到冲击时, 在其表面产生的疤痕比铁和铝都要小的多。镁合金具有吸收弹性性能的特性, 能产生良好的冲击强度与压缩强度的组合, 这是旋转草坪切割机机盖采用镁合金压铸件的原因之一。

(4) 良好的铸造性能:

在保持良好的部件结构条件下, 镁合金铸造制品的壁厚可以<0.6 mm, 这是塑胶制品在相同强度条件下无法达到的, 就是铝合金制品也只能在1.2~1.5 mm范围内才可与镁制品相媲美。

(5) 尺寸稳定性:

在100 ℃以下, 镁合金可以长时间保持其尺寸的稳定性 (事实上几乎观察不到工件尺寸的变化) ; 不需要退火和消除应力就具有尺寸稳定性是镁合金的一个很突出的特性, 其体积收缩仅为6%, 是铸造金属中收缩量最低的一种, 冷却至室温的线收缩为2%左右; 在负载情况下, 还具有良好的蠕变强度, 这种性能对制作发动机零件和小型发动机压铸件具有重要意义。

(6) 铸模生产率高:

与铝合金相比, 镁合金的单位热含量更低, 这意味着它可在模具内能更快速地凝固。一般地, 镁合金的生产率比铝压铸高出40%~50%, 最高可达压铸铝的2倍。

(7) 良好的机械加工性能:

镁合金的切削阻力小, 约为钢铁的1/10, 铝合金的 1/3, 其切削速度大大高于其他金属, 切削加工时间短; 工具使用寿命长, 比其他金属有高出几倍的刀具寿命 (极少停机换刀, 节省了操作时间和刀具成本) ; 易进行切削加工而且加工成本低, 加工能量仅为铝合金的70%。不需要机械磨削和抛光, 不使用切削液也能得到优良的表面光洁度, 在一次切削后即可获得, 并极少出现积屑瘤; 良好的断屑特性及温度传导性, 可免去使用冷却液或润滑液。

图2 盐雾试验中压铸镁合金、铝合金与碳钢的相对腐蚀率 Fig.2 Relative corrosive rate of carbon steel, Al alloys and die-cast Mg alloys in salt-fog experiments

图3 几种镁合金与A380的盐雾试验耐蚀性比较 Fig.3 Corrosion-resistance comparison between some Mg alloys and A380

(8) 良好的耐蚀性:

在大气中, 镁具有很好的耐蚀性, 比铁的耐蚀性好 ^[1] 。如高纯镁合金AZ91D的耐蚀性比低碳钢要好得多, 已超过压铸铝合金A380 ^[10,11] , 如图2, 3所示; 另外, 镁合金中的铍和钙可提高其耐蚀性, 而镁合金中的铁、钴、镍、铜、硅的存在却大幅度降低了其耐蚀性 ^[12,13] 。

(9) 高散热性:

镁合金具有高的散热性, 很适合现今利用其设计制作元件密集的电子产品。因为镁合金的导热能力是ABS树脂的350~400倍, 因此在制作电子产品外壳或零部件时, 应综合考虑其结构及热传导特性, 使其充分发挥散热功能, 将CPU等电子零部件产生的热量及时排出。若仅从笔记本电脑等产品的散热性角度出发进行考虑, 由于镁合金传热快、自身又不容易发烫, 则采用镁合金作笔记本电脑的外壳就无疑是个最佳选择。

(10) 良好的电磁扰屏障:

镁合金具有优于铝合金的磁屏蔽性能、更良好的阻隔电磁波功能, 更适合于制作发出电磁干扰的电子产品。也可以用作计算机、手机等产品的外壳, 以降低电磁波对人体辐射危害。

(11) 低热容量:

镁合金的热容量比铝合金小, 因此不容易粘烧在模具上, 延长模具寿命。

(12) 再生性:

废旧镁合金铸件具有可回收再熔化利用的特性, 并可作为AZ91D, AM50, AM60的二次材料进行再铸造。由于对压铸件需求的不断增长, 可回收再利用的能力就显得非常重要。这种符合环保要求的特性, 使得镁合金比许多塑胶材料更具有吸引力。在环保意识高涨的大环境下, 比起无法回收的填加碳纤维 (或金属粉末) 塑料, 或者含有毒抗燃剂的抗燃塑料来, 镁合金显然占了极大的优势, 称得上是对环境相当友善的材料, 兼顾了环境协调性和可持续发展的特点。未来环保意识对商业行为的影响会越来越大, 符合环保规定的因素势必会压倒成本、功能等因素, 成为主宰产品存活的关键/首选因素, 因此, 可高度回收的金属产品的重要性将日益得到高度重视。

另外, 镁合金还具有抗疲劳性、无毒性、无磁性和较低的裂纹倾向性、不易破裂性等特点, 可适合于某些特定领域 ^[4] 。

2 镁合金的应用

根据2001年全球镁消费的资料统计来看, 镁的主要用途包括 ^[2] : 铝合金用镁占43%, 镁压铸件占33%, 钢铁脱硫用镁占12.8%。这是镁消费的3个主要部分, 合计占镁总消费市场的88.8%。镁的其他用途还有, 球墨铸铁球化剂用镁占3.1%, 电化学用镁占2.8%等。在镁及其合金的各种消费结构中, 镁压铸件最具增长潜力, 而且, 随着镁合金成形技术的不断发展和推广应用, 镁合金压铸结构件将被越来越广泛地应用汽车、家电、通讯电子、轻便工具、航空航天、军事工业等领域, 其消费比例将会剧增至60%以上。

目前, 镁合金 (压铸件) 主要应用于移动电话、笔记本电脑外壳、饰件等压铸产品, 在汽车、家电制造等行业的应用也很广泛 ^{[1,2,4,5,6,7,8,9]} 。

(1) 汽车:

一般用于制作汽车上的座椅骨架、仪表盘/板、转向盘/方向盘和转向柱、车顶盖、齿轮箱、门框、轮毂、汽车的后轮盖板、汽车发动机的汽缸 (顶) 盖、缸体、托架、变速器壳体、离合器壳体、油箱底壳、灰尘盘、阀门盖、空气吸入阀和空气净化器盖、支架、活塞环、方向盘减震轴、马达、进气歧管、保安件等零部件 (其中, 转向盘、转向柱和轮毂是应用镁合金较多的零件) 。我们相信, 随着相关技术的不断发展, 将会有更多的汽车零部件采用镁合金制造。

(2) 移动电话:

由于镁合金具有耐震动、抗磨损的特性, 尤其是可屏蔽电磁波的特殊功能, 对手机极为重要, 这些特性可有利于消除消费者对手机电磁波是否会影响人体健康的疑虑。尽管镁合金成本还较高, 但是由于镁合金具有质地轻、耐高温、可塑性强和防磁能力强等特点, 将一定赢得手机制造商和消费者更多的青睐。

(3) 笔记本电脑外壳:

现在的笔记本电脑外壳都强调散热性好、重量轻、坚固耐磨以及色彩鲜艳等特性。而市面上的笔记本电脑外壳的材质主要有ABS塑料、碳纤维、铝镁合金和钛合金等4种, 但总体说来, 目前较受市场和消费者欢迎的材质是铝镁合金和钛合金制品。其中镁合金材质 (Magnesium) 制品的单片厚度约为1.0 mm, 重量轻且延展性佳。镁合金以后的发展势头更加看好。