镁合金研究现状及发展趋势

镁合金研究现状及发展趋势

摘要：镁合金作为21世纪的绿色环保工程材料之一，近年来已成为学术界的一个研究热点。本文主要综述了镁合金的研究进展和应用，介绍了耐热、耐蚀、阻燃和高强高韧等高性能镁合金材料的最新发展。还介绍了镁合金成型技术的研究成果，最后展望了高性能镁合金的发展前景。

关键词：镁合金；高强高韧；成型技术；应用

1.引言

镁（Mg）是地球上储量最为丰富的元素之一，在陆地、湖泊和海洋中都广为分布，例如，其在地壳表层金属矿资源中的含量达2.3%，仅次于占8.1%的铝和5%的铁，居第三位；海水中的镁含量达到2.1×1015吨，可以认为是取之不尽、用之不竭的元素[1]。此外，我国的白云石矿储量、菱镁矿以及原镁的产量位列世界镁资源储量首位[2]。同时，随着当前钢铁行业中铁矿石等资源的日趋紧张，开发和利用镁作为替代材料是必然的趋势。被誉为“二十一世纪绿色金属结构工程材料”的镁合金是目前所知金属结构材料中最轻的，与其他同类材料相比，它具有密度小，比强度、比刚度较高，可以回收再利用且机加工性能优异，阻尼减震性好，电磁屏蔽效果佳等一系列优点，因此在交通运输（如汽车、摩托车、自行车等工业）、航空航天、武器装备、计算机通讯和消费电子产品等领域具有广阔的应用前景[3]，但其使用量与铝合金和塑料相比还相当少[4]。

目前，从全球镁合金研发状况看，发展方向如图1所示[5]，我国在镁合金材料的应用研究与产业化方面也己取得重大进展，形成了从高品质镁材料生产到镁合金产品制造的完整产业链，为我国实现由镁资源大国向镁应用强国的跨越奠定了坚实的基础。

图1 镁合金的研发方向[5]

Fig. 1 Directions of Mg alloy development

2.镁合金的特点及分类

通过在纯镁中添加其他化学元素，可显著改善镁的物理、化学和力学性能。但镁合金同时存在着显著的缺点，下面对镁合金的优缺点进行简要的阐述。

2.1镁合金的优点[6 ~ 8]

1）密度小、质量轻。镁合金是目前工业应用中最轻的金属结构材料，根据合金成分的不同，其密度通常在1.75-2.10g/cm3范围内，约为铝的2/3，钢的1/4。

2）比强度、比刚度高。镁合金的比强度高于铝合金和钢铁，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，但却远高于纤维增强塑料。镁合金材料与其他相关材料的物理性能和力学性能分析比较如表1所示。

表1 镁合金和相关材料的物理和力学性能比较

Tab. 1 The comparison of physical and mechanical properties between magnesium alloy and

other materials [9]

材料抗拉强度/Mpa 屈服强度/Mpa 延伸率/% 弹性模量/Gpa 比强度镁合金AZ31 251 154 13.8 45 141

镁合金AZ91 275 145 13.8 45 151

镁合金AM60 240 140 15 45 134

铝合金380 315 160 3 71 106 碳钢517 140 22 200 80

塑料ABS 35 - 40 2.1 41 塑料PC 104 - 3 6.7 102 3）吸震阻尼性能好。镁合金与铝合金、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。镁合金具有极好的滞弹吸震能力，其抗冲击性是铝合金的10倍，塑料的20倍。

4）良好的铸造性能。镁与铁的反应低，熔炼时可用铁坩埚，熔融镁对坩埚的侵蚀小，压铸时对压铸模的侵蚀小，与铝合金压铸相比，压铸模使用寿命可提高2-3倍，通常可维持20万次以上。镁合金的比热和结晶潜热小，所以流动性

好、凝固快。

5）尺寸稳定性高。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点，其体积收缩率仅为4%，是铸造金属中收缩量最低的一种。

此外，镁合金还具有切削加工性能优良、电磁屏蔽性好、散热性高和再生性等一系列优点。

2.2 镁合金的缺点[10 ~ 12]

1）易燃性。镁元素与氧元素具有极大的亲和力，其在高温下甚至还处于固态的情况下，易与空气中的氧气发生反应。所以镁合金必须在熔剂覆盖下或在SO2、CO2或SF6保护气氛的保护下，或在真空条件下进行熔炼。

2）室温塑性差。镁晶体中的滑移仅发生在滑移面与拉力方向相倾斜的某些晶体内，因而滑移的过程将会受到极大地限制，而且在这种取向下孪生很难发生，所以晶体很快就会出现脆性断裂。

3）耐蚀性差。镁具有很高的化学活泼性，其平衡电位很低，与不同类金属接触时易发生电偶腐蚀，并充当阳极作用。

4）高温强度特别是高温抗蠕变性能较差。现在常用的镁合金的使用温度一般不超过120℃，这一缺点将使它在汽车行业的应用受到限制。因此，研发具有良好高温蠕变性能的新型低成本镁合金成为镁合金研究的一个重点。

2.3 镁合金的分类

按成形工艺，镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金，两者在成分、组织性能上存在很大的差异。铸造镁合金主要用于汽车零件、机电壳罩和电器构件等。镁合金的铸造方法有砂型铸造、金属型铸造、挤压铸造、低压铸造、高压铸造和熔模铸造等。变形镁合金主要用于薄板、挤压件和锻件等。

国内铸造镁合金一般按合金系列分为[13]：镁-铝系：ZM5，ZM10；镁-锌-锆系：ZM1，ZM2，ZM7；镁-稀土-锆系：ZM3，ZM4，ZM6。

镁合金按化学成分可分为二元、三元或多元合金系。国际上大多采用美国ASTM 标准，依据镁合金所含的1~2 种主要合金元素简写命名法，将镁合金分为M 系（Mg-Mn）、AZ 系（Mg-Al-Zn）、AM 系（Mg-Al-Mn），Mg-Al-Ca 系（AX）、Mg-Al-Ca-Sr 系(AXJ)、ZC 系(Mg-Zn-Cu)、ZK 系（Mg-Zn-Zr）、EK 系(Mg-RE-Zr)、HM 系（Mg-Th-Mn）、QE 系(Mg-Ag-RE)、LA 系(Mg-Li-Al)和WE