鎂是繼鋼鐵、鋁之后的第三大金屬工程材料鎂。合金密度為1.35--1.80g/cm³,是目前工程應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,比強(qiáng)度高于鋁合金和鋼,比剛度與鋁合金和鋼的相當(dāng),作為結(jié)構(gòu)材料優(yōu)勢(shì)顯著。鎂合金因其具有良好的工藝性能、尺寸穩(wěn)定性、電磁屏蔽性能和綠色回收性能而被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)、航空航天、3C產(chǎn)品、武器裝備等領(lǐng)域。
鎂是地球上儲(chǔ)量最豐富的元素之一，占地殼表層金屬礦資源的2.3%，鎂資源主要是菱鎂礦和白云石，此外，在海洋及鹽湖中鎂的含量也十分可觀。我國(guó)是世界上鎂資源最豐富的國(guó)家,豐富的鎂資源為我國(guó)鎂產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了最可靠的資源保障。我國(guó)不僅是鎂資源大國(guó)，還是原鎂生產(chǎn)、消費(fèi)和出口大國(guó)。據(jù)中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)鎂業(yè)分會(huì)統(tǒng)計(jì),2013年我國(guó)原鎂產(chǎn)量為76.97萬(wàn)噸，原鎂產(chǎn)能為154.05萬(wàn)噸，原鎂產(chǎn)量占全球原鎂產(chǎn)量的80%以上。2013年國(guó)內(nèi)鎂消費(fèi)量為35.15萬(wàn)噸，創(chuàng)歷史新高，同比增長(zhǎng)13.39%。
目前,我國(guó)形成了陜西榆林、河南鶴壁、山西太原、重慶等鎂及鎂合金產(chǎn)業(yè)集群。1990年以來(lái),世界鎂合金的需求量正以20%的年增長(zhǎng)率快速增長(zhǎng),彰顯了巨大的市場(chǎng)前景。但是,與鋁合金相比,鎂合金的研究與開(kāi)發(fā)還很不充分,鎂合金的工業(yè)應(yīng)用范圍還有待進(jìn)一步拓展。由于鎂合金的綜合優(yōu)勢(shì),美國(guó)、日本、德國(guó)、澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家相繼出臺(tái)了各自的鎂研究計(jì)劃,加大了對(duì)鎂合金的研發(fā)和應(yīng)用研究的投入,在新型鎂合金開(kāi)發(fā)、鎂合金的成形和加工技術(shù)、鎂合金的腐蝕防護(hù)技術(shù)等方面做了大量卓有成效的工作, 在鎂合金深加工和高端鎂合金領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)顯著。 鎂合金應(yīng)用研究的重點(diǎn)已經(jīng)從航空航天、武器裝備等領(lǐng)域向民用高附加值產(chǎn)業(yè)(汽車(chē)工業(yè)、軌道交通、3C產(chǎn)品等 )擴(kuò)展。特別是隨著國(guó)際社會(huì)節(jié)能和環(huán)保意識(shí)的覺(jué)醒, 汽車(chē)工業(yè)將成為鎂合金應(yīng)用的重要領(lǐng)域。
“十一五”期間, 我國(guó)科技部啟動(dòng)了鎂及鎂合金關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用國(guó)家科技支撐計(jì)劃和高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃),開(kāi)展了包括高強(qiáng)高韌鎂合金及其應(yīng)用技術(shù)、耐熱壓鑄鎂合金及其應(yīng)用技術(shù)、高性能變形鎂合金及其應(yīng)用技術(shù)、鎂合金先進(jìn)焊接技術(shù)、鎂合金鍛造輪轂技術(shù)等方面的研究,并取得很大突破, 已初步形成了從原材料生產(chǎn)到汽車(chē)壓鑄件生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)業(yè)集群。
“十二五”期間，我國(guó)明確提出鎂工業(yè)要以輕質(zhì)、高強(qiáng)、大規(guī)格、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞為發(fā)展方向，加快鎂合金制備及深加工技術(shù)開(kāi)發(fā)，重點(diǎn)滿足飛機(jī)、高鐵、軌道列車(chē)等交通運(yùn)輸裝備需求，實(shí)現(xiàn)我國(guó)資源優(yōu)勢(shì)且具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能鎂合金及其加工、深加工產(chǎn)品系列。規(guī)劃中還列出了需要重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的鎂合金產(chǎn)品，包括低成本AZ、AM系列鎂合金壓鑄，低成本AZ系列鎂合金擠壓型材和板材，鎂合金輪轂、大截面型材、寬幅1500mm以上板材、高性能鑄鍛件。
“十三五”期間，將會(huì)是鎂工業(yè)加快轉(zhuǎn)變發(fā)展方式，實(shí)現(xiàn)由大變強(qiáng)的關(guān)鍵時(shí)期，將大力推進(jìn)鎂產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向高附加值深加工產(chǎn)品轉(zhuǎn)變，重點(diǎn)滿足汽車(chē)、軌道列車(chē)、高鐵等交通運(yùn)輸用大型、多孔、異型、空心鎂合金型材，高品質(zhì)鎂合金車(chē)身板，變截面軋制板，大型鎂合金壓鑄件及寬幅超過(guò)1500mm鎂合金板材；重點(diǎn)滿足航空航天、國(guó)防軍工用高強(qiáng)、高韌、高溫、耐腐蝕、耐疲勞的鎂合金板，大規(guī)模鍛件、型材，大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)鎂合金焊接件；重點(diǎn)發(fā)展特種性能的鎂合金功能材料。
現(xiàn)在小編給各位看官簡(jiǎn)單介紹一下鎂合金在高強(qiáng)鎂合金、耐蝕鎂合金、耐熱鎂合金、阻燃鎂合金、 稀土鎂合金等方面的情況, 以期讓更多的朋友了解鎂合金，認(rèn)識(shí)鎂合金。
合金化是提高鎂合金強(qiáng)度的一種簡(jiǎn)單而又普遍使用的方法,稀土元素是提高鎂合金性能的重要合金元素,目前,大多是通過(guò)添加少量稀土元素從而達(dá)到鎂合金強(qiáng)韌化之目的。
張俊遠(yuǎn)等的研究表明: 加入稀土元素釹(Nd)能有效細(xì)化AM60鎂合金的顯微組織, 使Mg17Al12相減少、變細(xì)；適量的Nd優(yōu)先與合金中的鋁元素反應(yīng)生成顆粒狀(小針狀)的Al11Nd3相,能有效提高合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率；過(guò)量的Nd則會(huì)消耗合金中更多的鋁元素并導(dǎo)致針狀A(yù)l11Nd3相粗化,使合金的力學(xué)性能下降；試驗(yàn)條件下,添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%Nd的合金力學(xué)性能最佳,其抗拉強(qiáng)度為230MPa,屈服強(qiáng)度為127MPa,伸長(zhǎng)率為14%,分別比AM60合金提高了28% , 48%和18倍。樊昱等研究了La對(duì)AZ91D 鎂合金力學(xué)性能的影響,張德平等研究了重稀土元素鐿(Yb)對(duì)AZ91D鎂合金顯微組織和力學(xué)性能的影響, 吳國(guó)華等研究了稀土元素釔(Y)對(duì)AZ91D鎂合金組織和力學(xué)性能的影響。研究表明:加入少量稀土元素, 能夠大幅度地提高AZ91D鎂合金的強(qiáng)度。主要原因是:稀土元素與Al反應(yīng)生成Al-RE化合物,起彌散強(qiáng)化作用；稀土元素能強(qiáng)烈地細(xì)化合金組織,起細(xì)晶強(qiáng)化作用。趙源華等通過(guò)復(fù)合加入釹和鈰(Ce),從而明顯改善AZ91鎂合金的力學(xué)性能。復(fù)合加入多種稀土成分的鎂合金能在鎂合金基體中形成多種稀土化合物, 起彌散強(qiáng)化作用,再加上多種成分的細(xì)晶強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化和固溶作用,從而使得復(fù)合加入多種稀土成分的鎂合金的強(qiáng)度高于加入單一稀土成分的鎂合金。
綜上所述,稀土鎂合金技術(shù)正成為助推鎂合金應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。
抗腐蝕性和有效防護(hù)是鎂合金應(yīng)用中需要解決的重大課題。影響鎂合金耐腐 蝕性的重要因素是Fe、Cu、Ni等金屬雜質(zhì),因此,降低雜質(zhì)含量,提高鎂合金純度能顯著提高鎂合金耐腐蝕性能。如美國(guó)利用優(yōu)良的白云石,采用新電解法制備出 含 Fe-0.001wt%、Cu-0.001wt%、Ni-0.0005wt%、Si-0.006wt%的高純鎂錠,再用這種高純鎂錠生產(chǎn)AZ91D等壓鑄鎂合金。高純壓鑄鎂合金AZ91D在鹽霧試驗(yàn)中的耐蝕性遠(yuǎn)好于低碳鋼,也超過(guò)壓鑄鋁合金A380。添加稀土元素除了能提高鎂合金的強(qiáng)度外,也能夠有效改善其耐腐蝕性能,從而有望成為鎂合金的有效防腐手段。樊昱等研究表明:在AZ91D中加入少量稀土La可以明顯減小腐蝕速率。當(dāng) La的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1%時(shí),腐蝕速率下降為AZ91D的47.2%。耐蝕性的提高是由于La的加入形成了具有類(lèi)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的β相,這種類(lèi)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的β相能有效地抑制腐蝕過(guò)程的進(jìn)行,從而提高了鎂合金的耐蝕性。但是,當(dāng)La的加入量> 1%時(shí),基體會(huì)形成貧 A1區(qū),使得AZ91D的腐蝕速率又明顯增大,過(guò)量的添加La反而會(huì)惡化鎂合金的耐蝕性。
通過(guò)表面改性,即有效防護(hù),也是提高鎂合金的耐腐蝕性能的有效途徑。上海交通大學(xué)輕合金精密成型國(guó)家工程研究中心開(kāi)發(fā)了一種鎂合金超聲陽(yáng)極氧化表面處理技術(shù),通過(guò)施加超聲場(chǎng)形成薄而致密的氧化膜結(jié)構(gòu),提高了涂層致密性與生長(zhǎng)效率,從而提高了耐蝕性,且電解液配方不含六價(jià)鉻離子,綠色環(huán)保。
鎂合金高溫性能差,一般鎂合金在使用溫度超過(guò)120時(shí)蠕變強(qiáng)度隨溫度升高會(huì)大幅度下降,制約了其在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、航空航天領(lǐng)域應(yīng)用。通過(guò)合金化可以提高鎂合金的耐熱性能。合金元素主要分為三類(lèi):一是稀土元素；二是Ca、Sr等堿土金屬；三是第Ⅳ、Ⅴ族元素,如 Si、Sn、Sb等。在Mg-Al合金中加入1%混合稀土可提高鎂合金的抗蠕變性能,特別是當(dāng)Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)<4%時(shí)效果更佳。稀土強(qiáng)化機(jī)制是:一方面在于RE與合金中的Al結(jié)合生成Al11RE3等Al-RE化合物,從而減少了Mg17Al12相的數(shù)量,有利于提高鎂合金的高溫性能；另一方面在于生成的 Al11RE3等Al-RE化合物具有較高的熔點(diǎn)(Al11RE3的熔點(diǎn)為1200℃), 而且這些化合物在鎂基體中的擴(kuò)散速度慢,表現(xiàn)出很高的熱穩(wěn)定性,可有效釘扎住晶界而阻礙晶界滑動(dòng),從而使鎂合金的高溫性能得到提高。呂宜振等研究了富Ce混合稀土對(duì)AZ91和AM60鎂合金的組織和性能的影響,研究表明,隨富Ce稀土的加入,組織中出現(xiàn)了棒狀的Al11Ce3、Al11La3、Al11Pr3、Al11Nd3等析出相。同時(shí)Mg17Al12相減少并細(xì)化。這些高熔點(diǎn)稀土化合物主要分布在晶界上,在高溫下阻止晶界的滑移, 從而提高合金的抗蠕變性能。在Mg-Al基鎂合金中加入Ca后細(xì)化鑄造組織,形成高穩(wěn)定性Al2Ca相,阻止位錯(cuò)滑移,同時(shí)抑制對(duì)高溫性能有害的Mg17Al12相的析出,因此,Ca的加入提高常溫力學(xué)性能,有效改善高溫蠕變性能。在鎂合金中加入第Ⅳ、Ⅴ族元素(Sn、Pb、Bi、Sb)可以提高合金的室溫和高溫強(qiáng)度。Bi、Sb合金元素可與Mg形成高熔點(diǎn)的Mg3Bi2、Mg3Sb2等強(qiáng)化相,這些強(qiáng)化相主要分布在晶界,熔點(diǎn)較高,在固溶處理過(guò)程中很難溶解,因而在高溫蠕變過(guò)程中可以有效地抑制晶界滑移和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),從而使合金的室溫和高溫性能得到改善。稀土合金的成本高,Ca合金成本低廉,并且能顯著提高鎂合金的高溫性能,因此含Ca的耐熱鎂合金成為研究熱點(diǎn)。
金屬鎂性質(zhì)活潑,鎂合金在熔煉澆注過(guò)程中容易發(fā)生氧化、燃燒甚至爆炸。長(zhǎng)期以來(lái)鎂合金在熔煉澆注過(guò)程中一直采用的阻燃方法是熔劑保護(hù)和SF6等氣氛保護(hù),該生產(chǎn)工藝會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境,降低鎂合金力學(xué)性能,并增加設(shè)備投資成本。如果能通過(guò)成分設(shè)計(jì)研制出燃點(diǎn)高于熔點(diǎn)的阻燃鎂合金,就可以采用一般的熔煉方法來(lái)熔煉鎂合金。樊建鋒等研究表明: Mg-3.5%Y-0.8%Ca合金能在1173K溫度 在大氣中保溫0.5h而不燃燒,表現(xiàn)出優(yōu)異的阻燃效果。高溫下Mg-3.5%Y-0.8%Ca合金表面生成了一層以Y2O3為主的氧化膜。在綜合考慮阻燃能力和力學(xué)性能的基礎(chǔ)上,按照致密氧化膜的形成條件,得到Mg-4%Zn-3.5%Y-0.8%Ca為新型阻燃鎂合金。該合金能夠在無(wú)保護(hù)條件下進(jìn)行熔煉及澆注,且具有良好的力學(xué)性能。韓福銀等研究了鈹(Be)對(duì)鎂合金AZ91D的阻燃性能的影響,結(jié)果表明,Be可以有效地提高鎂合金的起燃溫度,含0.3wt%Be的鎂合金的起燃溫度提高近300℃,可直接暴露在大氣中熔煉。上海交通大學(xué)輕合金精密成型國(guó)家工程研究中心在鎂合金中添加多種對(duì)鎂合金表面持續(xù)氧化具有強(qiáng)烈抑制作用的合金元素,通過(guò)將原先鎂熔體表面疏松多孔的單層表面氧化膜轉(zhuǎn)化成具有致密結(jié)構(gòu)和自愈合保護(hù)功能的多層復(fù)合氧化膜,在鎂合金熔煉澆注過(guò)程中,這種多層復(fù)合氧化膜可以有效阻止鎂合金的氧化,使鎂合金的燃點(diǎn)溫度從熔點(diǎn)以下(520℃)提高到高于熔煉溫度 (720℃)。所開(kāi)發(fā)的阻燃鎂合金的力學(xué)性能不低于壓鑄鎂合金AZ91D, 成本不高于AZ91D。
高強(qiáng)高韌鎂合金的開(kāi)發(fā)、耐熱鎂合金在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用、抗腐蝕性和有效防護(hù)技術(shù)將會(huì)是鎂合金近期的持續(xù)研究熱點(diǎn)。隨著鎂合金的技術(shù)進(jìn)步,鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域必將進(jìn)一步拓展。我國(guó)已經(jīng)形成有一定影響力的鎂合金產(chǎn)業(yè)集群,鎂合金的生產(chǎn)、出口和消費(fèi)均居世界首位,但提供的大多是低附加值的鎂及鎂合金的初級(jí)產(chǎn)品,國(guó)內(nèi)對(duì)于高端鎂合金產(chǎn)品還沒(méi)有足夠的規(guī)模制造能力。追蹤國(guó)際發(fā)展前沿,開(kāi)發(fā)綜合性能優(yōu)異、成本低廉的產(chǎn)品正是未來(lái)鎂合金的發(fā)展方向。