镁合金的应用于发展前景

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镁合金的应用于发展前景

在各种压铸用的合金材料中,金属镁密度小、极高的比强度、高抗震性、防电流干扰性、高散热性、薄制件成型有良性等特点，在通讯、计算机电子产业,汽车工业,武器装备，航空航天等领域发展前景极为可观。

一、镁合金产品特性及应用

1．镁合金产品特性镁合金是一种能够满足各种行业需求、发展前景极为可观的轻质合金材料。与目前的主流材料相比，镁合金具有如下几个突出的优点。

(1)重量轻镁合金作为一种轻质金属结构材料，其密度为铝的2／3、钢的1／4；比重只相当于铝的2／3左右、锌的1／4左右、铁的1／4。在同等刚性条件下， 1Kg镁合金的坚固度等于18Kg铝和2．1Kg钢，而同样复杂的零部件，镁合金制品重量比锡轻1／3、比钢制轻1／2。这一特性对于现代手提类产品减轻重量及车辆减少能耗有重要意义。

(2) 吸震性能高镁有极好的滞弹吸震性能，可吸收震动与噪音，对于用作设备机壳减少噪音传递、提高防冲击与防凹陷损坏十分有利。其抗冲击性是塑料的20倍。

(3) 良好的铸造性能在保持良好结构的条件下，镁制品壁厚可小于0．6mm，这是塑胶制相同强度下无法达到的。至于铝也只能在1．2～1．5mm 范围内才可与镁相比。

(4)模铸生产率高与铝相比，镁合金的单位体积热含量更低，这意味着它在模具内能更快凝固。一般来说，其生产率比铝压铸高出40％～50％，最高可达到压铸铝的两倍。

(5)良好的切削性能镁的良好切削性能表现在：允许较高的切削速度，减少切削加工时间；比其它金属有高出几倍的刀具寿命(极少停机换刀并节省了操作时间与刀具成本)；有优良的表面光洁度，并可一次切削获得，极少出现积屑瘤；有良好的断屑特性及温度传导性，可免于使用冷却液或润滑液。

(6)再生性废旧镁合金铸件可再熔化，并作为AZ91D、AM50或AM60的二次材料进行铸造。由于压铸件的需求不断增长，呵回收再用的能力是非常重要的。这种符合环保要求的特点，使得镁合金比许多塑胶材料更具吸引力。

(7) 高散热性镁合金有高散热性能，适合现今设计元件密集的电子产品。

(8)高电磁扰屏障镁合金有良好的阻隔电磁波功能，适合于发出电磁干扰的电子产品。除上述特性外，镁合金还具有抗疲劳、无毒、无磁性和较低的裂纹倾向等特点。 ’

二、镁合金产品应用

镁合金目前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已经比较广泛。

(1)汽车一般用于车上的座椅骨架、仪表盘、转向盘和转向柱、轮圈、发动机气缸盖、变速器壳、离合器壳等零件，其中，转向盘和转向柱、轮圈是应用镁合金较多的零件。随着技术的发展将有更多的零件用镁合金制造。镁合金铸件的急剧增加是由于汽车工业需要车辆减重、降低尾气排放量及提高燃烧效率所致；根据经验,减小 10%车体重量相当于节约 5.5%

的工业燃料.另外,减小重量也可以提高汽车的机动性和驾驶性能.例如,减小车体前面的重量,可以使车易于驾驶;减小顶部的重量,由于降低了重心从而使车更为稳定。未来战争要求机动性和快速反应,减轻武器装备重量是未来武器装备发展方向之一,如坦克作战系统未来乘员在 2~3 人,重量(15~20) t,为现役坦克的三分之一, 能行驶 30 d 或 1 500 km 不加油,是现役坦克的三倍,便于运输.减轻重量的途径除结构设计外,就是部分采用轻合金。此外,镁及其合金由于质量轻而被广泛地应用于国防、航空航天产品中.如法国塞德航空公司 (Sud-Aviation)超级弗雷隆(Frelon)直升机的镁合金齿轮箱,铸件由 Mg-Zn-RE-Zr 合金 ZE41 制成, 铸件重 133 kg,加工后 111 kg。加银的镁合金可以使时效强化的 Mg-RE-Zr 合金的较低的拉伸性能得到显著提高,在航空和宇航方面已有一系列应用,例如飞机着落轮,齿轮箱盖和直升机水平旋翼附件.在轻兵器方面法国早期生产的 MK50 反坦克枪榴弹部分零件采用镁合金及铝合金.法国 AMX-13 轻型坦克, AMX-13 装甲救护车,采用轻合金缸体、缸盖.美国 M551 谢里登轻型坦克/侦察车,变速箱体为铝-镁合金材料制成.随着镁及轻合金熔炼及制造技术的不断提高,在坦克和装甲车部分结构件、导弹壳体和尾翼等方面将得到广泛使用.另外由于镁合金具有良好的电信号抗干扰性,在军事的无线电通讯领域也将得到广泛应用.

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(2) 移动电话由于镁合金具备耐震、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，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。尽管镁合金成本较高，但由于镁合金质地轻、耐高温、可塑性强且防磁能力强，将赢得手机制造商更多的青睐。

(3)笔记本电脑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。市面上的笔记本电脑外壳材质主要有ABS塑料、碳纤维、铝镁合金及钛合金4种，但总体说来，目前较受市场欢迎的材质是铝镁合金器的壳体、基座等。在传递振动时起阻尼减震作用，可提高仪器的灵敏度和稳定性。此外，镁合金还广泛应用于照相机、点克、耳机、CD机外壳及电视等家电的装饰件。

二．高性能镁合金的研发成果

1．含重稀土的超高强镁合金

在Mg中添加Y和Zn(Y和zn的原予百分比约为2：1)的合金系中，在与Mg固溶体底面半行处形成Y和ZI1的富集层，通过反复在HCP结构(密排六方结构)的C轴方向积层，形成长周期积层结构(LPSO)。例如，用Mg Y zr1 合金快速凝同粉末制成的挤压件的屈服强度达600MPa以上，延仲率达5％左右，不但强度与硬铝相当，且延展性也很好。另外，还开发了用其它重稀士置换Y的具有相同组织结构的镁合金系列。

在Mg中添加Gd、Y等稀土元素，可显示出很强的时效硬化性能，由于其析出物的热稳定性能优异，冈此可通过对铸件进行T6处理，极大提高其室温强度及耐热性能。进而再添加0．5一lat％的Zn，则可在晶界附近形成具有前述LPSO结构的相，且延展性也得到提高。普通变形镁合金的屈服强度一般为150-200MPa，而Mg-i．8Gd一1．8Y一0．7Zn一0．2Zr(at％)合金经挤压加工后，由于抑制了孪品变形，其抗拉强度及压缩强度均超过400MPa。若挤压加：[后再进行T5时效处理，则抗拉强度及压缩强度分别提高至540MPa和490MPa，显示出与超硬销相当的高强度。这些合金有望用于附加值高的活塞等方面。

2．压铸用耐热镁合金

人们希望压铸用耐热镁合金可用于汽车发动机剧零部件，但以前的镁合金在自动变速汽车传动系统的应用方面，其耐热性能及压铸性能均不理想现在丌发的耐热镁合金添加了 Ca、Sr、轻稀二L等，在品界结晶出热稳定性好的化合物，因此可用于工作温度约l75~C的自动变速汽年变速箱。日本还开发了添加5％的Al、2％的ca和RE的AXE522镁合金，已用于部分汽午的油盘及变速箱，其应用今后有望进一步扩大。近来，在重视耐热性的同时还

比较重视爪铸性，含7％一9％销的Mg-AI—Ca—Sr—RE—Mn系合金(MRI一153合金)已用于汽年油盘。

另外，随着纳米级分析技术的进步，使各合金元素的作用更加明确。例如，以前添加、{n是为了改善合金的耐蚀性能，现在发现在Mg—AI-Ca合金中添加Mn后可在品内形成规则的OP区，山于品内强化使蠕变速度减慢了一个数晕级，因此可显著改善材料的耐热性。上述研究成果还有助于不含稀土的高性能耐热镁合金的丌发。

3．时效析出型通用镁合金的开发动向

为扩大镁合金用途，大幅减轻各种运输设备的重量，非常希望丌发出能像铝合金那样，通过轧制、挤压成型后的热处理析出的微小颗粒的弥散作用，使材料强度大幅提高的新型热处理型变形镁合金，同时开发出基于镁合金特有的高温变形时组织形成机理的加工技术。虽然己开发出使用高价稀土的高时效硬化镁合金，但不一定适合汽车等运输设备的通用结构件。因此需要开发结构件所需的价格便宜、加工性能优异的时效硬化镁合金，并确立微观组织控制技术。

例如，在Mg-6％Zn系镁合金中添加微量的Ag和Ca，然后在低速下进行挤压，含Zr的合金在350~C进行挤压时，含zr和Zn的相成为核，动态地析出有助于时效硬化的准稳定相，这种晶界的止钉效应使得结晶颗粒变小并有微细物析出，这使材料仅通过挤压就可获得 300MPa和250MPa的抗拉及抗压屈服强度，350MPa的抗拉强度，l7％的延伸率。这说明即使不添加稀土元素，在最佳工艺条件下也可制得高强度及高延展性的镁合金。另外，还发现 Mg—Zn—Ca及Mg：A1-Ca合金，通过时效，可形成合金元素富集的规则GP区。例如，TEM组织及三维原子探针解析结果显示，Mg一3．6A1—3．3Ca一0．2Mn合金在350℃高温挤压后，可观察到纳米尺寸的Al-Ca系板状析出物和A1-Ca-Mn系球状析出物，仅通过挤压，材料的抗拉强度就可达420MPa，屈服强度达410MPa，这是不添加稀土元素的镁合金中最高的。而且，150℃时的疲劳强度也超过了耐热铝合金。

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上述添加的合金元素是由原予半径比镁大或比镁小的元素构成，而且合金元素问的混合焓比与作为溶剂原子镁的混合焓具有更大的负值。上述研究结果有助于今后高强、耐热镁合金的开发。

三．制造技术的开发

1．熔融、铸造用阻燃气体

压铸是一种可一体化成形薄壁复杂零件的低成本加工方法，适用于汽车、两轮车等的零部件制造。以前，镁合金熔融、压铸用的阻燃气体采用的是地球暖化系数高达22200的SF。气体，但最近开发出了很多替代气体。其中包括曰本开发的阻燃效果好、使用方便、地球暖化系数仅为9的OHFC-1234ze气体。日本已有10家以上的镁合金公司采用这种气体。从而减少了镁合金熔融、铸造工艺对环境的影响。

2．连铸技术

为扩大变形镁合金的应用范围，需要建立稳定的优质原料供应体系。因此，必须开发镁合金的连续铸造技术。最近已经可以像铝合金那样，利用绝热铸模的半连续铸造技术，开发出表面质量优异的镁合金坯料和板坯。

3．加工技术

随着镁合金半连续铸造技术的确立，确保质量稳定的挤压技术也在逐步形成。镁合金挤压材在挤压方向进行拉伸和压缩时，不同方向由材料结构导致的变形机理的差异，使材料强度，特别是屈服强度呈现各向异性。今后希望能够确立使各向异性得到改善的最佳挤压条件。另外，由于半连续铸造使材料的组织得到细化，使得铸件可不经过挤压而直接用伺服压力机进行锻造。锻造初始阶段加工速度比较低，促进动态再结晶，然后再进行高速锻造，这样可生产出形状复杂的锻件，并获得良好的机械性能。随着镁合金轧制技术的提高，现在己

可生产质量稳定的薄板及50Bm左右的箔材。

四．应用新动向

l_压铸件的应用

镁合金压铸件已应用于汽车零部件，包括方向盘、薄板车架、仪表盘及有耐热性能要求的油盘、传动箱等。但目前主要用于高级车，今后随着成本降低有望被普通汽车采用。已有的铝合金超高真空压铸技术最近应用于镁合金的压铸，批量生产出了两轮车用后车架。使用的是高韧性AM60B镁合金，为防．1卜出现结晶裂缝，采取板厚一致、角部加筋等措施，从而降低凝固收缩的集中度。制成产品的比疲劳强度是以前使用的经T5处理的A357铝合金的1．2倍，且重量减轻。这是镁合金首次用于自动两轮车后车架等重要安全零部件。

2．变形镁合金的应用

最近变形镁合金轧制板材已应用于笔记本电脑的壳体，使用的是具有适当强度及优异冲压成型性的AZ31和AZ41镁合金。从熔融、铸造到轧制、冲压全部在日本国内进行。温冲成型使用的是仅经轧制的材料。镁合金具有较高的振动衰减能，利用这一特点将镁合金用于扬声器振动板，现已实现批量生产。用厚度为50Dm左右的箔材进行温冲成型，材料使用纯镁或AZ31。

三、镁合金及其制品发展的依存条件分析

1．国内资源供给状况

我国是镁资源生产大国，镁资源储量占世界总储量的22．5％。我国生产的镁产品大量向国外出口，其中有3／4销往欧盟、美国与日本。近年来，发往台湾、非洲、东盟等分散地区的镁产品也有了较大的增长。但也应看到，由于长期忽视镁产品应用研究，我国镁的国内应用一直处于较低水平，绝大部分镁产品以廉价的初级产品原镁锭出口。是典型的出口资源型工业。如果在国内兴建镁合金的加工厂家，不但原材料可以就近解决，也可以带动国家整个行业的发展，完成我国由出口资源向出口精加工产品的转变。

2．核心技术难关攻克

应用技术发展近年来，镁合金材料领域大量新技术的应用已基本克服了历史上制约镁合金广泛应用的困难(制造过程中高成本，镁的高腐蚀性、高易燃性等)，使熔化镁合金所消耗的能量大大减少，使镁的应用成本大为下降，并提高了产品的加工纯度，降低了镁合金制品的腐蚀性。此外，由于高刚性、高精密和设计合理的先进模具的配合，镁合金已具有满足高档电子产品及汽车零件薄壁件、高精密性等方面要求的能力。其大规模压铸生产已变成易于操作的事情。

镁合金在汽车材料上的应用及发展前景2017-04-07 09:56 | #2楼

1、镁及镁合金的特性

镁是银白色的金属元素,常温下镁的密度为1.74 g/cm ,约为钢的1/4,铝的2/3。在金属镁中添加其他元素可以形成各种镁合金。镁合金是现在大量使用的工程结构材料中最轻的,其比强度明显高于铝合金和钢,比刚度与铝合金和钢相当。同时,镁合金还具有良好的减振性,在相同载荷下,减振性是铝的100倍、钛合金的

300~500倍。镁合金还具有良好的切削加工性及尺寸稳定性,其耐凹陷性、铸造成型性及表面装饰性俱佳,加之具有易回收利用、导热优良性、抗电磁干扰及屏蔽性能等特点,镁及镁合金广泛应用于冶金、汽车、摩托车、航空航天、光学仪器、计算机、电子与通讯、电动及风动工具和医疗器械等领域。金属镁主要用于:铝基合金的重要添加元素,用量约占镁的总消耗量的43%左右;制造各种零部件的用量已达到镁消耗量的35%左右;炼钢脱硫约占13%;阴极保护材料、金属还原剂和化工行业等。

当今，钢铁、铝合金和塑料是汽车上使用最多的三大类材料，按重量计算，三类材料占整车比例合计约为80%，其中钢铁约占62%，铝合金和塑料大体相当，均占8%-10%。镁合金在汽车上的应用比例为0.3%，平均重量约5kg，但近几年的增幅却较大。镁的比重为http://www.oh100.com是铝的2/3，钢的2/9，和塑料相当，是最实用的减重轻金属材料。镁合金也具有比强度、比刚度高等优良性能。正因为如此，镁合金有利于汽车轻量化、有利于节能和减排。据资料介绍：轿车质量每减轻100kg，油耗可降低5%。如果每辆汽车使用70kg镁合金，CO2年排放量能减少30%以上。汽车减重可以提高其加速性能；顶部和车门减重，可以降低汽车重心，增强稳定性；前部减重，可以使汽车重心后移，改善操纵性能。

同时，镁的减振系数远高于铝和钢铁，具有优良的抗冲击性能，有利于减振降噪，选用镁合金作为汽车结构材料能有效降低汽车振动和噪声，受冲击时能吸收更多的能量。镁合金的散热性好，抗电磁干扰性高，使汽车更为安全舒适。

2、常用镁合金类型及其性能

由于交通工具轻量化的推动，世界各国都展开了对镁合金的研究，而限制镁合金发展的一个主要原因是镁合金的高性能——抗蠕变能力和高温疲劳性能较差，因此新材料的研发主要是针对这一问题进行，概括的说主要包括两个方面，一是对现有合金的优化，主要是针对现有的商业镁合金，特别是对AZ、ZK系合金进行改性，通过添加合金元素以期改善合金的高温性能；二是新合金系的开发，主要是指新型Mg-RE系的研发。

镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金。镁合金按合金组元不同主要有Mg-Al-Zn-Mn系（Az系列）、Mg-Al- Mn系（AM）和Mg- Al-Si-Mn系（AS）、

Mg-Al-RE系（AE）、Mg-Zn-Zr n(ZK)、Mg-Zn-RE系（ZE）等合金。常用铸造镁合金的牌号及性能见表1。表2为常见变形镁合金的化学成分及基本特性。

3、镁合金在汽车工业应用现状

镁合金材料制造的汽车零部件品种繁多，从汽车的运动部件（如车轮），到汽车的结构部件（如汽车座椅框架），再到承受高温的耐高温部件（如缸体），这些零部件的共同特点是承受的机械和化学负载较低。镁合金材料经常用来制造“支架”、“壳体”、“端盖”或“堵盖”类零件等。由于镁合金材料具有极好的铸造流动性能，因此，非常适合于制造横拉杆之类的薄壁结构件和大面积的车辆内部结构件，如车门和前、后舱盖等。金属镁的物理化学特性使其比铝更适合压铸大型部件，最常采用镁合金材料的零部件有：

向轴，全球50%的转向轴采用了镁合金材料；

横梁，欧洲产轿车中使用了约6000t的镁合金材料；

变速器壳体，大众公司B型车架的轿车中每天使用约600个镁合金材料制造的变速器壳体。

原则上讲，镁合金材料主要用于汽车的内部结构的驱动系统中，大批量、由汽车零部件供应商提供的镁合金零部件有望在今后的5年内大量进入汽车制造业，那时，戴姆勒-克莱斯勒公司生产的汽车将采用镁合金自动变速器；BMW公司生产的轿车将采用镁-铝复合材料的发动机缸体。从长远来看，镁合金材料在车架制造和底盘制造中以及耐高温零部件的制造中也会进一步增加。

除了可以比钢和铝减轻40%～70%的重量这一优点之外，镁合金材料在减振、降噪和环保等方面也具有很大优势。地球上镁元素的含量丰富，便于对镁合金材料废旧零部件进行回收再利用；与铝合金材料相比，镁合金材料熔化、铸造时的能

源消耗少，切削加工时机械磨损少，因此，整个生产费用可比铝合金材料减少20%左右。镁合金材料良好的焊接性能可能会给汽车的结构设计带来一场新的革命，它可以用来制造大量的结构件，特别是可以制造出一些薄壁件和大面积结构件，进而降低汽车的总装费用。

尽管每公斤镁锭的价格要比铝和铁贵一些，这一价格上的劣势因镁合金材料生产加工过程中的费用低廉而得以弥补，单位体积的镁熔化潜热只有铝的2/3，比热只有铝的3/4，并且有非常低的溶铁性，因此，总价格比铝合金材料仅高出20%左右。此外，镁合金材料还有一些不足之处就是耐腐蚀性差、抗蠕变性能差、刚性较差。在镁合金零部件的生产制造过程中，有许多问题需要解决，例如，在浇铸时，要克服不良的（冷）变形问题；另外，镁合金材料在实际应用中还有外部裸露件的锈蚀问题，还有在不同材质零件混和运输过程中都要注意提高镁合金的抗接触腐蚀能力，防止金属镁的自燃等问题。

汽车用镁及镁合金部件包括仪表盘、支架、座位框架、导向轴部件、变速箱、汽缸头外壳、进气岐管等非结构件。镁汽车部件开发包括车蓬板、结构支架、后甲板盖、内车门框架、发动机头、发动机主体等。

表3是汽车上镁合金典型应用类型零件。从该表可以看出采用镁合金制作汽车零件均能达到减重的效果，同时很多部位也能充分利用镁合金的减振性能，提高整车的NVH性能。

4、汽车工业的用镁前景

世界交通世界交通运输车辆总趋势是轻量化，达到节能降耗的目的。与%’年前相比，国外汽车自质量减轻%’HI%/H。未来汽车不管选用何种动力，都必须轻量化，尤以轿车最为突出。轻量化、节能降耗和降低排放污染是发展轿车的三项战略性课题，其中轻量化是关键。因此轻量化是汽车发展趋势。

减轻汽车自质量最有效的途径是采用轻质材料制造汽车，实践证明，选用轻金属（铝、镁）和塑料等轻质材料代替钢铁，能有效的减轻汽车自质量。在铝材和塑料已被广泛应用，汽车排放法规日趋严格，节能降耗更为迫切的新形势下，世界汽车业把目光投向镁合金，认为它是比铝合金和塑料更为优良的轻质材料，对汽车的减重效果更明显、节能降耗更有效、环境保护更有利。镁比铝更轻，是工业实用金属结构材料中最轻的金属。镁具有高的比强度和比弹性模量，良好的刚性及抗电磁干扰屏蔽性，优于铝的切削加工性和尺寸稳定性，高的阻尼性能和减振抗冲击能力。镁合金材料可回收利用，在当今世界环保意识高涨的今天，能高度回收利用的材料和制品将日益受到重用。因此，镁合金是减重节能、吸振降

噪、安全环保型汽车结构材料，在汽车上最有应用潜力，它是汽车工业最有发展前途的轻金属结构材料。

我国镁资源相当丰富，储量居世界首位，而且产镁的地区大都电力充足，熔炼用辅料硅铁丰富，具有发展镁工业得天独厚的条件。目前国内用量很少，尤其是汽车工业用量极少，供大于求，大量低价出口。同时我国镁合金牌号、品种规格较少，无自成体系的压铸镁合金，零件制造成形技术落后，这与我国镁资源优势很不相称，既影响到镁工业的发展，又制约着镁合金材料在汽车上的合理应用。因此，研究开发汽车用镁合金及零件先进制造技术，是结合国情，既现实又有发展前景，并亟待研究的重要课题。中国应重点开发丰富的镁资源，扩大在工业上的应用范围，并应紧跟世界汽车用镁合金的趋势，开创具有中国特色的汽车用镁合金新局面。

据相关报道，大众公司、通用汽车公司、日产公司、马自达公司、三菱公司等美国三大汽车公司联合对新开发的耐热镁合金进行经济和技术评估，对镁合金在汽车上的应用十分看好。变形镁合金及其加工技术正在成为镁合金研究和应用领域的热点，包括镁合金等通道转角挤压技术。镁合金超塑性研究，重要研究方向是：

（1）高应变速率超塑性。对于节约能源、提高生产率、扩大应用都有很重要的意义。

（2）大晶粒工业态镁合金超塑性。研究晶粒较大的工业态镁合金在一定条件下的超塑性，因其不需要预加工可节约能源，故将有更大的应用前景。

（3）镁合金低温超塑性。研究镁合金在较低的温度下进行超塑性变形。镁合金材料的研究和应用前景是非常广阔的，相对于其它金属材料（如铝、钢等）的研究发展水平，我国与世界发达国家的差距较小，可以说几乎处在同一起跑线上，如果集中全国的优势力量针对关键科学问题展开研究，就有可能取得重大突破，达到甚至赶超世界先进水平。我国近年在镁合金技术开发和应用领域取得了长足进步，作为世界第一“镁”大国要造好镁、用好镁，造福于中国和世界，并在镁的研究领域成为世界领头羊，推动镁合金走可持续发展之路，同时还要开展好镁合金的重大基础研究。

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