国外镁及镁合金的应用研究现状与前景 2005-12-28

国外镁及镁合金的应用研究现状与前景

https://www.360docs.net/doc/629480506.html, 2005-12-28

国外对于镁及其合金的研究开发较早，到目前镁及其合金材料的开发及应用已进入相对比较成熟的阶段，并已达到产业化的工业规模，其中北美是目前镁及其合金材料用量最多的地区。近年来随着油价的不断上升，作为镁合金的主要应用产业的汽车工业，对镁合金应用需求也在增长，导致世界范围内的镁合金应用竞争更趋激烈，并有对中国进行合围趋势。

参加前不久在重庆召开的"中英先进材料研讨会"的中外专家介绍，无论镁金属的供应基础怎样变化，传统的最终用户市场仍然是汽车工业，汽车工业仍然是可以依靠的推动世界镁工业产量增长的主要工业。为减轻汽车自重，利用镁合金高强度重量比的固有优势，镁及镁合金将在汽车上用作结构和非结构件。镁在汽车非结构件上的应用包括变速箱外壳、传动箱外壳、阀和凸轮轴外壳、离合器罩、电机罩、发电机外壳、进气支管和油盘。在汽车结构件上的应用包括方向盘、仪表盘横梁、离合器支架、方向盘轴结构和气袋外壳。

在过去１０年里，欧洲汽车用镁合金压铸件年平均增长率为１５％，在未来５年里欧洲每辆汽车平均用镁量为２．５公斤／辆。在未来１０年里，该数字将达到５公斤。欧洲汽车的方向盘，目前有８５％采用镁合金制造，各种类型汽车用的镁部件达到３００个。目前北美国家生产的汽车上平均每辆汽车用镁量为３．５公斤，２０１０年前每辆汽车用镁量会以每年１５％速度增长，到２０１０年达到每辆汽车用镁量超过１０公斤。

美国通用汽车公司开发的抗蠕变镁合金使抗拉伸蠕变性能提高４０％；美国福特公司已经成功将挪威海德鲁集团下属Ｍｅｒｉｄｉａｎ技术公司开发研制的整体压铸ＡＭ５０镁合金梁用于新型福特Ｆ－１５０载重汽车上。这个过去由２１个部件组成的总成，现在为一体化的镁合金整件，减轻重量２２磅。德国宝马汽车公司已经在宝马７系列和５系列车型上的某些部件采用了镁合金；德国大众汽车公司在奥迪Ｖ８Ｑｕａｔｔｒｏ轿车的发动机上采用了镁合金部件，和其他奥迪Ａ８八缸发动机相比重量减轻４．９９公斤；德国奔驰汽车公司新开发的７速自动变速系统也采用了镁合金部件，用来取代５速自动变速系统，可以比原来５速自动变速系统每１００公里节省燃料０．６升。

世界汽车工业镁的消费量还在迅速增长，在汽车工业应用的新型镁合金的研究开发和汽车用镁合金部件及其生产技术方面的科学研究都在进行之中，世界上各大汽车公司都在不断减轻汽车自重，提高汽车性能方面下工夫。镁及镁合金材料是汽车工业的最佳选择。此外，由于镁合金在手动工具上具有突出的轻质、减震效果，因此目前镁合金在国外电动工具的应用也如火如荼，包括各种射钉枪、打磨机、电钻、割草机、电动剪刀等众多品种。国外许多电动工具制造商都把镁合金部件作为一大卖点，并在显著位置标注"Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ"字样。

美国福特公司前高级研究科学家Ｇ．Ｓ．柯尔博士介绍，目前福特公司每生产一辆汽车平均应用镁合金５公斤，而随着技术工艺的改进和成本的降低，到２０２０年这一数字有望达到１５０公斤，届时汽车自重将减轻１５％。他说，之所以选择镁合金，因为它有助于降低油耗，减少二氧化碳排放，并且能够提高汽车的性能、安全性，比如汽车自重减轻１５％，至少节油１０％，其意义之重大在高油价的今天不言而喻。

由于镁合金的发展潜力和应用优势，镁合金的研究和应用受到美、德、澳、日等发达国家和地区的高度重视，均相继出台了各自的镁研究计划，投资数十亿美元，实施大型的综合性攻关：

美国汽车联盟（ＵＳＣＡＲ）与能源部（ＣＯＥ）共同合作提出了"ＰＮＧＶ"（新一代交通工具）"的研究计划，斥巨资用于镁合金在汽车上应用的研究开发。

德国联邦科技教育部实施了"ＭＡＤＩＣＡ"（镁压铸）联合攻关计划。该计划联合了德国６０余家企业、６所大学及研究所，已累计投资上亿欧元进行镁合金在汽车上的应用研究。另外，由德国科学技术协会牵头，德国还启动了由德国克劳斯塔大学和汉诺威大学负责组织实施的、欧洲最大的镁合金与镁合金压铸的项目"ＳＦＢ３９０"项目，项目金额超过５３００万欧元，主要目标是研究镁合金在结构件中的应用。

日本则由教育、科学、运动和文化厅联合资助国内知名高校组织了９个镁合金研究组，并在汽车和３Ｃ产品等应用领域取得了重大进展。

加拿大联邦政府及魁北克省与海德鲁公司共同投资１１４０万加元成立了一个新的镁研究中心，其宗旨在于通过优化设计、工艺及材质，获得具有优良性能的镁合金压铸零部件，从而进一步拓宽镁合金的应用。在政府的参与下，加拿大镁合金的开发应用得到了突飞猛进的发展。

除以上几国外，挪威、以色列、乌克兰、意大利、瑞士、澳大利亚、瑞典等也在镁及合金的开发应用方面作了大量的工作，并取得了不少的成果。

世界镁工业的发展虽然迅速，但镁金属的生产却出现了不平衡趋势。中国的镁金属生产不断扩大，产量及出口量快速增长，已经对全世界镁金属供应链造成了巨大冲击和严重影响。面对中国金属镁的竞争优势，加拿大诺兰达采用先进技术新建的金属镁厂难以正常投产，澳大利拟建的新厂由于大股东撤资而无法建设，法国普基公司的金属镁厂也被迫关闭。而俄罗斯、乌克兰、以色列、挪威的金属镁生产企业为了自身生存，也企图通过种种手段对中国金属镁产品实施反倾销制裁，以寻求在国际市场占有一定份额。西方世界的冶炼厂已从几年前的１１家缩减至目前仅有的３家镁冶炼厂在维持生产。这三家镁冶炼厂是：美国犹他州的美国镁业公司，产能４．３万吨／年；以色列死海镁业公司，产能３．３万吨／年；挪威海德鲁公司在加拿大Ｂｅｃａｎｖｏｕｒ的镁厂，产能４．８万吨／年。（朱彬、刘谨、李宝杰）

1.1 压铸镁合金

自1927年推出高强度MgAl9Znl以来，镁合金的工业应用获得了实质性进展。1936年车公开始用压铸镁合金生产“甲壳虫”汽车的发动机传动系统零件，至1980年，镁合金压铸件用达38万吨。德国政府制订了一个投资2500万德国马克的镁合金研究开发计划，主要研究压合金工艺，快速原型化与工具制造技术和半固态成型工艺，以提高德国在镁合金应用方面的能力。镁合金具有良好的充型能力，充型后凝固速度较快，对压铸型的热冲击较小，可用于压铸薄壁件而不会出现热裂和欠铸等缺陷。镁合金减轻压铸型的热疲劳现象，延长压铸型的使用寿命，缩短压铸件的留型时间，压铸生产速率比铝合金快约75%。镁合金与铁基本不发生反应，不侵蚀钢坩埚和压铸型，既避免了坩埚对镁合金液的污染，又延长了钢坩埚和压铸型的寿命，使得镁合金不但象铝合金一样可用于冷室压铸机压铸，而且可以用效率更高的热室压铸机压铸。镁合金的收缩率均匀一致，脱型力比铝合金低20%-30%因而，镁合金压铸件不但具有较高的尺寸精度，而且其压铸件的清理能耗不到铝合金压铸件60%。压铸镁合金一般以Al为主要合金元素，常用的主要有3个系列：

AZ(Mg-Al-Zn-Mn),AM(Mg-Al-Mn),AS(Mg-Al-Si-Mn)系。影响镁合金压铸发展的主要问题是合金液易氧化燃烧，这给熔炼带来一系列困难，并造成对环境和合金本身的污染，对熔炼设备的侵蚀及压铸生产成本的增加。目前，一些研究者正在从事性能接近现有镁合金的阻燃性镁合金的研究。

1.2 镁合金半固态铸造

美国DOW Chemical公司开发的半固态熔射成型工艺融合了塑料注射成型与金属压铸工艺的特点。用该工艺生产的压铸件，内在和表面品质明显改善，尺寸精度、力学性能和耐蚀性都获得提高，且不需要配置熔炉，工作环境洁净。但其成形压力较高，约为热室压铸的3倍，且镁合金需预制成屑片，使生产成本提高10%，其设备投资比较昂贵。

1.3 挤压铸造

镁合金挤压铸造技术的发展趋势是与其他铸造成型技术相结合。日本东芝机器公司研究了LEOMACS系统，其特点是将挤压铸造与低压铸造及电磁定量浇注泵结，不但可减少铸件的不均匀凝固，合成一体，具有下列特点：

(1)缩短了从供料到挤压之间金属液的停留时间而且缩短了铸件生产的循环周期；

(2)生产过程中金属液与空气隔绝，有效地防止了镁合金液的氧化燃烧；

(3)镁合金液可在较低温度下保温和浇注。因此该设备可生产形状复杂的薄壁镁合金铸件。但该设备投资很高，限制了其广泛工业化的应用。

该铸造工艺可在同一工作单元内实现对熔体的搅拌、压射及施加挤压压力。安装在压射室外围的电磁搅拌装置用于搅拌降温过程中的熔体，当达到特定固相分数所要求的搅拌时间后，压射冲头将浆料压入型腔并保温。这种工艺充分利用了两种铸造成型方法的长处，克服流变铸造本身的局限，并可提高铸型的寿命。

1.4 其他镁合金铸造成形方法

低压铸造和差压铸造已实际用于生产汽车的镁合金零件。这两种铸造方法用于镁合金的特点是在铸造过程中将加压系统与合金的气体保护有效地结合起来。消失模铸造是目前国际上最先进的铸造工艺之一，镁合金消失模铸造的优点是

(1)采用干砂，避免了普通砂型铸造由于水分引起的镁合金燃烧难题，且消失模气化形成的还原气氛，可抑制镁合金氧化燃烧；

(2)镁合金收缩率是铝合金的1.2倍，热裂倾向大，干砂退让性好，可有效地解决这个问题。镁合金消失模铸造是1种先进材料和先进工艺结合的新技术，在用于生产汽车的复杂零件方面将显示巨大的优越性。目前，镁合金消失模铸造技术的研究和应用刚刚起步，有待于进一步的发展。

二镁合金的熔炼技术

2.1 合金液的阻燃技术

熔剂保护法是利用低熔点的化合物在较低的温度下熔化成液态，在镁合金液面铺开，因阻止镁液与空气接触从而起到保护作用。现在普遍使用的熔剂由无水光卤石(MgCl2-KC)为主，添加一些氟化物、氯化物组成。该剂使用较方便，生产成本低，保护使用效果好，适合于中小企业的生产特点。但是，该剂使用前要重新脱水，使用时会释放出呛人的气味。由于熔剂的密度较大会逐渐下沉，需要不断添加。使用过程中释放出大量有害气体，污染环境、腐蚀厂房严重。因此，研究新型的覆盖、精炼效果好且无公害的镁合金熔剂是1项重要课题。

在发达国家，通常用气体保护法熔炼镁合金且取得了较好的效果。气体保护法是在镁合金液的表面覆盖1层惰性气体或者能与镁反应生成致密氧化膜的气体，从而隔绝空气中的氧，采用的主要保护气体是SF6,SO2,CO2,Ar,N2.等。为了进一步提高保护作用和减少较贵的SF6气体的用量，国外一般在SF6气体中混合空气或其他干燥气体如CO2.混合气体保护效果好，但是存在以下问题：

(1) 污染环境，SF6会产生SO2，SF4 等有毒气体，SF62对全球变的作用是CO2的24900倍；

(2)设备复杂，需要复杂的混气装置和密封装置，(3)腐蚀设备，显著降低坩埚使用寿命。

提高镁合金液阻燃性较为实用的另一方法是采用合金化法。很早以前，人们就采用在镁合金中添加铍元素来提高镁合金的阻燃性能，但铍的毒性较大，且加入量过高会引起晶粒粗化和增加热裂倾向，因此受到添加量的限制。日本学者研究认为，添加一定量的钙能明显提高镁合金的着火点温度，但是存在着加入量过高，且严重恶化镁合金的力学性能。同时加入钙和锆具有阻燃效果。国内研究认为，在镁合金中同时加入稀土和较高含量的铍，可获得能在大气中直接熔炼、并具有较好铸造性能和力学性能的镁合金。我们研究发现了另1种对镁合金起阻燃作用的元素。试验结果显示，加入微量的该元素，并通过与其他元素复合作用可明显提高镁液的着火点温度。该元素对镁合金还具有晶粒细化和强化等有利作用，改善了镁合金的力学等性能。

2．2 熔体的变质处理技术

镁合金熔炼变质的目的是改变镁合金的组织形态，该工艺对合金的晶粒大小和力学性能有较大的影响，且对镁液中的氧化夹杂亦有一定影响。研究表明，对于不含Al的镁合金，采用锆进行变质处理具有很好的晶粒细化效果，作用原理是Zr发生包晶反应，促进晶粒细化。在Mg-Al类合金中加入合适的碳素材料后，使其与合金液起化学反应生成AlC4，该化合物可以起到外来晶核的作用，促使镁合金的晶粒细化，采用CcCl6是工艺措施之一。最近，日本采用氩气混合加入高纯碳粉的工艺方法加入碳，获得了较好的变质效果，并考察了加入温度、处理时间等因素对变质效果的影响。我们的试验研究表明，在含Mg,Al等合金元素的条件下，对工业用镁合金液采用过热高温处理具有明显的晶粒细化作用。将高温镁合金熔体快速降至低温进行浇注，铸件仍能保留晶粒细化的效果，显示镁合金组织结构具有遗传性。我们另外的研究还显示，用碳酸盐对镁合金液进行处理也具有较好的变质作用。

三新型高性能镁合金的研究和开发

为了提高镁合金的耐热性能，国内、国外的研究者还研已经开发出一系列含稀土的镁合金，开发了含Zr高温镁合金，Mg-Al-Si基合金，Mg-Zn-Cu基合金等。究了颗粒增强和石墨纤维增强镁基复合材料。镁合金的另一用途是制备非晶合金材料。研究表明，镁基合金具有很强的非晶形成能力。通过快速凝固方式，可以制成具有很高强度和韧性的非晶材料，目前，已制出9mm直径的杆状镁基非晶。镁基合金是块体非晶未来发展方向之一。另据报导，镁基合金作为储氢功能材料具有储氢能力强、原材料便宜等一系列优点，镁可以储存7.7%的氢，用机械合金化方法已经生产出实用的镁基储氢功能材料，目前，正在实验室进一步的试验研究。我们采用快速凝固的方法开展了镁基非晶材料的研究，认为Mg-Ni-RE合金、Mg-Al-Ca合金具有较强的非晶形成能力，非晶的形成与诸多因素有关，尤其是合金成分对非晶形成能力有重要的影响，非晶形成能力还与熔体的粘滞性有联系。性能测试显示，基非晶材料的耐蚀性能、韧性和硬度明显地提高。随着对电器、管道使用寿命的不断提高，研究更有效的阳极牺牲材料具有重要的实际意义。最常用的镁阳极材料为AZ63A(Mg-Al-Zn)合金，目前，已研究开发了含锰镁合金阳极材料，该类材料具有更高的电负性和电流效率，国外应用较广。我们正在研究更高电流效率的镁基腐蚀控制材料。

四展望

未来世界，镁合金铸件将大量被应用是不容质疑的。我国丰富的镁矿资源为发展镁合金提供了物质基础。仅举一例说明镁合金的应用前景：专家预测，2005 年轿车耗油量一般要降到3L/100Km，要求二氧化碳排放量减低至120mg/Kg。当汽车自重减少100k、每行驶100km，可减少油耗0.4ml，因此汽车采用更多的镁合金铸件是理所当然的。预计2030年全世界将拥有汽车10亿辆，镁合金铸件的用量也是可想而知。我国在镁合金方面的研究与应用开发才刚刚起步，与国外相比有较大的差距。可以确信，镁合金作为最有发展前途的金属材料将被广泛应用于汽车工业及其他各种产品中。在认识到国际的发展趋势和我国研究应用现状后，我们应该有所作为，迎头赶上时代的潮流，赶超世界先进水平，为迎接镁合金应用高潮的到来作好理论和技术上的准备，为镁合金材料科学的发展做出贡献。(