1.2　鎂合金的應(yīng)用及發(fā)展

1.2.1　鎂合金的應(yīng)用

20世紀(jì)90年代以后，國(guó)際上主要金屬材料發(fā)展趨勢(shì)表明，鋼鐵、銅、鋁的應(yīng)用呈下降或緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，而鎂則以每年大于20％的速度連續(xù)保持快速增長(zhǎng)。近年來世界各國(guó)高度重視鎂合金的研究與開發(fā)，將鎂資源作為21世紀(jì)的重要戰(zhàn)略物資，加強(qiáng)了鎂合金在汽車、計(jì)算機(jī)、通信及航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)研究。如鎂-鋁系合金已廣泛用于制造飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和附件的結(jié)構(gòu)件及一般用途的鑄件。在民用工業(yè)方面，鎂-鋁系合金可用于制造手機(jī)及便攜式電腦外殼、數(shù)碼相機(jī)等便攜式電子產(chǎn)品鑄件，掛壁式大屏幕電視機(jī)轂體、框架；汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸箱、氣缸蓋、液壓泵和過濾器殼體以及汽車離合器殼體、駕駛盤、坐椅框架、車門框架和輪轂等；摩托車的曲軸箱、變速箱、軸承座、液壓泵座等。在手工工具方面，可以制造如電鉆、伐木油鋸、電刨、剪草機(jī)等的殼體零件；安裝高壓線用的工具如線盤、止推環(huán)和棘輪式扳子等。在電機(jī)制造業(yè)方面，可用于制造端蓋、法蘭盤、底座、外殼、出線盒蓋和風(fēng)扇等。紡織機(jī)中的主經(jīng)軸和法蘭盤等。其他方面，如可制造印刷機(jī)和卷煙機(jī)中的零件。在日用品方面，如可制造吸塵器外殼和保護(hù)罩、打字機(jī)、計(jì)算機(jī)、手機(jī)、望遠(yuǎn)鏡、電影放映機(jī)、照相機(jī)、復(fù)印機(jī)等的零件。另外，用這類合金制造防護(hù)海水中使用（如船舶）和埋藏在土壤中的設(shè)施（如煤氣管道、石油管道）等金屬結(jié)構(gòu)用的犧牲陽極，也可得到滿意的結(jié)果。鎂及鎂合金的應(yīng)用主要有以下幾方面。

（1）生產(chǎn)難熔金屬的還原劑　如生產(chǎn)稀有金屬Ti、Zr、Hf等，也可作為生產(chǎn)鈹、硼的還原劑（，）。

（2）鋁合金的添加元素　鋁合金中加入金屬鎂，可使合金更輕，強(qiáng)度更大，抗腐蝕能力更好。它作為鋁合金中的主要合金元素，世界年需求量在16萬噸左右。

（3）球墨鑄鐵的球化劑　鎂在球墨鑄鐵中起著球化作用，使鑄件強(qiáng)度、延展性更高，據(jù)《現(xiàn)代鑄造》報(bào)道，20世紀(jì)90年代后，球墨鑄鐵在輕型卡車、客車中用量增加，每輛車均達(dá)175lb（約79kg），為此鎂在球墨鑄鐵中的應(yīng)用量將逐年增大。

（4）鋼鐵脫硫劑　整個(gè)北美、歐洲鋼鐵生產(chǎn)中用鎂粉作為鋼鐵脫硫劑。中國(guó)用鎂作為鋼鐵脫硫劑的用量也在不斷增長(zhǎng)，市場(chǎng)前景廣闊。用鎂粉作為鋼鐵脫硫劑不僅工藝簡(jiǎn)單，而且鎂具有對(duì)硫的親和力好這種獨(dú)特性質(zhì)，這使鋼鐵市場(chǎng)在較低的成本下達(dá)到高產(chǎn)量、高質(zhì)量，并能生產(chǎn)出如HSLA級(jí)低硫鋼，這種優(yōu)質(zhì)鋼可用于汽車、設(shè)備及結(jié)構(gòu)體中。用鎂脫硫不僅改善了鋼的可鑄性、延展性、焊接性和沖擊韌性，而且降低了結(jié)構(gòu)件的重量，這就進(jìn)一步增加了鎂在鋼鐵工業(yè)中的需求量。

（5）核材料和高儲(chǔ)能材料　核工程的發(fā)展為鎂合金的使用開辟了新的可能。這首先是因?yàn)殒V合金具有可貴的物理性能，鎂和其他的結(jié)構(gòu)相比具有很小的熱中子吸收橫截面。В.Е.Ивaнов等很早就注意到鎂和鎂合金的核工程應(yīng)用。鎂和鎂合金的特點(diǎn)是密度小、力學(xué)性能相當(dāng)高、在氣體介質(zhì)中具有良好的抗蝕性和許多其他的特性，因此可以廣泛地應(yīng)用于航空、火箭、化學(xué)和其他的工程部門。

鎂在常壓下，大約250℃和H₂作用生成MgH₂，在低壓或稍高溫度下又能釋放出氫，鎂具有儲(chǔ)氫的作用。MgH₂較一般金屬氫化物儲(chǔ)能高，所以鎂可以作為高儲(chǔ)能材料。目前正處于發(fā)展中的有鎂基儲(chǔ)氫材料、鎂充電電池等。可以預(yù)見，隨著對(duì)鎂及其合金材料研究的深入，鎂及其合金材料在該應(yīng)用領(lǐng)域和范圍還會(huì)得到更大的延伸。

（6）犧牲陽極　鎂合金犧牲陽極作為有效防止金屬腐蝕的方法之一，廣泛應(yīng)用于地下鐵制管道和石油儲(chǔ)罐等處。一段時(shí)期中，作為犧牲陽極的鎂合金達(dá)3萬～4萬噸/年的市場(chǎng)需求量，且每年以20％的速度增長(zhǎng)。

（7）型材用鎂合金　鎂合金型材、管材以前主要用于航空航天等尖端或國(guó)防領(lǐng)域。近幾年由于鎂合金生產(chǎn)能力和技術(shù)水平的提高，其生產(chǎn)成本已下降到與鋁合金相當(dāng)?shù)某潭龋瑯O大地刺激了其在民用領(lǐng)域的應(yīng)用，如用作自行車、輪椅、康復(fù)和醫(yī)療器械等。

（8）航空航天　在航空航天方面，重量是一個(gè)舉足輕重的因素，減重不僅能減少燃油費(fèi)用，還能提高安全性。鎂合金由于具有密度小的巨大優(yōu)勢(shì)，因此隨著其耐熱耐蝕性能的提高，將來完全可以用來替代耐熱鋁合金、鈦合金零件。特別是密度最小的Mg-Li系合金，具有很高的強(qiáng)度、韌性和可塑性，是航空航天及重要運(yùn)輸工具很有發(fā)展前途的材料。鎂合金由于其輕質(zhì)和比性能高等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域大有可為。主要用于航天飛機(jī)的輕型結(jié)構(gòu)零件、航天機(jī)器人和衛(wèi)星部件的減震系統(tǒng)與導(dǎo)熱系統(tǒng)。鎂合金在航空領(lǐng)域的應(yīng)用早在20世紀(jì)20年代就開始了，目前被用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件、油箱隔板、翼肋、飛機(jī)艙體隔框、戰(zhàn)斗機(jī)座艙艙架、直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)后減速機(jī)匣等部件的制造。在國(guó)外，B-36重型轟炸機(jī)每架用4086kg鎂合金薄板，“德熱來奈”飛船的啟動(dòng)火箭“大力神”使用了600kg的變形鎂合金，“季斯卡維列爾”衛(wèi)星中使用了675kg的變形鎂合金，我國(guó)的運(yùn)載火箭、人造衛(wèi)星、軍用民用飛機(jī)和導(dǎo)彈等均不同程度地選用了鎂合金構(gòu)件。目前，在中國(guó)的航空航天工業(yè)上，除少數(shù)型號(hào)外，幾乎所有在制和新研究的飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)載雷達(dá)、地空導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭、人造衛(wèi)星、飛船上均選用了鎂合金構(gòu)件。如某型號(hào)的飛機(jī)選用了300～400項(xiàng)鎂合金構(gòu)件，鎂合金零件最大尺寸達(dá)2m多，最大質(zhì)量達(dá)300kg。肖旅等針對(duì)航天飛行器結(jié)構(gòu)件輕量化、高比強(qiáng)度、耐高溫以及高效成形等要求，開展了典型結(jié)構(gòu)件的鑄造技術(shù)研究。數(shù)值模擬結(jié)果和工藝試驗(yàn)表明，差壓鑄造結(jié)合縫隙式澆鑄系統(tǒng)可滿足鑄件的充型平穩(wěn)和補(bǔ)縮要求，但容易在退讓性差的部位產(chǎn)生裂紋。通過修改澆鑄系統(tǒng)、提高鑄型退讓性，實(shí)現(xiàn)了艙體的鑄造成形，通過無損檢測(cè)，艙體達(dá)到了Ⅰ類鑄件的要求。

（9）地面交通　在環(huán)境問題日益嚴(yán)重的今天，汽車尾氣排放備受關(guān)注，鎂合金的應(yīng)用雖然沒有像航空、航天領(lǐng)域中應(yīng)用那么成熟，但在過去的10余年中，鎂合金壓鑄件在汽車上的使用量上升了許多（15％以上）。目前，汽車尾氣排放量約占大氣污染的65％，同時(shí)，人們還面臨著能源危機(jī)，因此，全世界的汽車制造商都面臨著降低CO₂排放量和節(jié)約能源的壓力。實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，擴(kuò)大輕質(zhì)材料用量、降低自重是目前最為經(jīng)濟(jì)有效的方法之一。研究表明，汽車75％的油耗直接與其自重相關(guān)，車重若減少10％，則其燃油經(jīng)濟(jì)性可提高3％～8％。鎂合金輕質(zhì)，比強(qiáng)度、比剛度高，成為汽車輕量化的首選材料之一，鎂合金應(yīng)用于汽車零部件上，對(duì)鋼、鐵件的減重率為40％～50％，對(duì)鋁合金件的減重率為14％～40％，減重效果非常明顯。鎂合金除了在輕量化、節(jié)能降耗方面的優(yōu)勢(shì)外，還可以提高汽車使用性能：阻尼系數(shù)大、減震性能好，用于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和座椅等部件上有利于降低振動(dòng)、提高駕駛舒適性；沖擊性好、耐凹陷性高，在轎車儀表盤等受到?jīng)_擊后可能危害駕駛者的部件上使用，可以降低其危害程度、提高安全性。早在1934年，德國(guó)大眾公司就將鎂合金壓鑄件用于制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和駕駛系統(tǒng)部件。現(xiàn)在，國(guó)外在汽車上應(yīng)用的鎂合金零部件已經(jīng)超過60種。近年來，大批量生產(chǎn)的鎂合金汽車零件如儀表盤、輪轂、座椅框架、變速箱殼、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、氣缸蓋和進(jìn)氣歧管等逐漸入市，門框、大的車體外部件、發(fā)動(dòng)機(jī)箱體在汽車上也已出現(xiàn)。一段時(shí)間，北美每輛汽車用鎂量達(dá)到3.5kg，歐洲達(dá)到每輛汽車用鎂量2.5kg。北美汽車用鎂數(shù)量年增長(zhǎng)率為15％左右。2010年每輛汽車用鎂量達(dá)到10kg，2015年每輛汽車平均用鎂量達(dá)到68kg，2020年美國(guó)每輛汽車平均用鎂量預(yù)計(jì)達(dá)到159kg。此外，高速列車、磁懸浮列車等軌道交通工具使用鎂合金零部件同樣具有良好的減重、節(jié)能和降噪的效果，應(yīng)用前景看好。中國(guó)鎂合金汽車零部件的使用也已開始，如一汽、東風(fēng)和上海大眾等廠家在桑塔納轎車的變速箱殼體、殼蓋和離合器外殼等使用鎂合金達(dá)8.5kg，總體正在追趕一些國(guó)家的指標(biāo)，市場(chǎng)前景良好。

利用鎂合金的重量輕、比強(qiáng)度高和耐沖擊的優(yōu)點(diǎn)，鎂合金在自行車上得到應(yīng)用。用鎂合金制造的折疊式自行車車架重量?jī)H1.4kg，總重量?jī)H為4kg。此外，鎂合金還可被用于制造弓箭把手、壘球球棒、網(wǎng)球及乒乓球拍等。

（10）電子類產(chǎn)品　汽車行業(yè)對(duì)鎂合金的大量需求，推動(dòng)了鎂合金生產(chǎn)技術(shù)的多項(xiàng)突破，使用成本也大幅度下降，從而促進(jìn)了鎂合金在計(jì)算機(jī)、通信、醫(yī)療、輕工等行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展。其中，鎂合金應(yīng)用發(fā)展最快的是電子信息和儀器儀表行業(yè)。電子工業(yè)是當(dāng)今發(fā)展最為迅速的行業(yè)，也是新興的鎂合金應(yīng)用領(lǐng)域。目前鎂合金在電子行業(yè)中的應(yīng)用場(chǎng)合主要有電視、電腦、攝錄像器材及通信器材等，產(chǎn)品有便攜式電腦外殼、手機(jī)外殼、攝像機(jī)外殼等。3C產(chǎn)品（computer，communication，consumer electronics products）即電腦產(chǎn)品、通信產(chǎn)品、消費(fèi)類電子產(chǎn)品。近年來，3C電子行業(yè)發(fā)展極為迅速。鎂合金用于3C產(chǎn)品上，性能優(yōu)于工程塑料。其比強(qiáng)度和比剛度高，散熱性好，電磁屏蔽性好，可回收。目前，鎂合金已經(jīng)在3C產(chǎn)品上得到規(guī)模應(yīng)用，并成為產(chǎn)品技術(shù)含量的標(biāo)志和賣點(diǎn)之一，如DELL公司早在2003年生產(chǎn)的帶鎂合金外殼的筆記本電腦就已經(jīng)突破400萬臺(tái)，占該公司總產(chǎn)量的80％；2003年全球筆記本電腦、手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)的出貨量分別為3000萬、4.15億和4790萬，其中使用鎂合金外殼的比例依次為25％、10％～11％和4％～5％。電子信息行業(yè)由于數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)電子及通信產(chǎn)品的集成化、輕薄化、微型化和環(huán)保要求越來越高。工程塑料曾作為主要材料，但其強(qiáng)度終究無法與金屬相比。鎂合金具有優(yōu)異的薄壁鑄造性能，其壓鑄件的壁厚可達(dá)0.6～1.0mm，并保持一定的強(qiáng)度、剛度和抗撞能力，這非常有利于產(chǎn)品超薄、超輕和微型化的要求。這是工程塑料，甚至鋁合金無法達(dá)到的。在超薄、微型、抗摔撞的要求之下，加上電磁屏蔽、散熱和環(huán)保方面的考慮，超薄、超輕、微型成了廠家的最佳選擇。另外，鎂合金外殼可使產(chǎn)品更豪華、美觀，也是工程塑料所無法比擬的。電子信息和儀器儀表行業(yè)的鎂合金制品的單位重量和尺寸不如汽車零部件，但它的數(shù)量大、覆蓋面大，其用量也是巨大的。

（11）軍工兵器　鎂合金最早應(yīng)用于軍事工業(yè)領(lǐng)域是在1916年，被用于制造77mm炮彈引線；在20世紀(jì)30年代的應(yīng)用有大炮車輪和小雷投擲器；20世紀(jì)40年代的應(yīng)用有迫擊炮炮座、6000-16型大炮炮車、車輪地面導(dǎo)彈發(fā)射器等；到20世紀(jì)50年代，鎂合金又被用于制造控制系統(tǒng)雷達(dá)、M15lMU竹車輪、M116運(yùn)輸機(jī)艙頂拱部件和底板；在20世紀(jì)60年代，鎂合金被用于生產(chǎn)迫擊炮底座、法國(guó)AMX30坦克的變速箱、法國(guó)AMX10坦克槍槍架、AMIO2105Inln榴彈炮炮架架尾等。由于鎂及鎂合金耐沖擊，如果能夠開發(fā)出與鋁合金耐蝕性能相當(dāng)?shù)逆V合金，則其在兵器等各種軍用領(lǐng)域?qū)⒂兄鴱V闊的應(yīng)用前景。另外，兵器重量也是一項(xiàng)重要的戰(zhàn)技指標(biāo)，減輕兵器重量對(duì)提高兵器機(jī)動(dòng)性及戰(zhàn)場(chǎng)生存能力有重要意義，采用輕金屬是主要手段之一。武器輕量化是現(xiàn)代兵器的發(fā)展趨勢(shì)，利用鎂合金取代現(xiàn)有武器上的一些零部件正成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)。實(shí)際使用及實(shí)戰(zhàn)驗(yàn)證表明，使用包括鎂合金在內(nèi)的輕合金實(shí)現(xiàn)減重后，兵器的操作性、可控性以及部隊(duì)機(jī)動(dòng)性得以改善，對(duì)提高部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力非常有利。如變形鎂合金用于沖鋒槍機(jī)匣、槍尾、提把、前扶手、槍托體、大托彈板、瞄具座、小彈匣座以及軍用鑄造合金發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出水管和發(fā)動(dòng)機(jī)濾座等軍品武器用零部件，其中部分對(duì)耐蝕耐磨有較高要求的軍用鎂合金零部件進(jìn)行了相應(yīng)的表面處理。此外，鎂還用于照明彈用鎂粉、穿甲彈用高比強(qiáng)度鎂合金彈托材料，以及可用變形鎂合金制造戰(zhàn)術(shù)航空導(dǎo)彈艙段、副翼蒙皮、壁板和雷達(dá)、衛(wèi)星上用的鎂合金井字梁、相機(jī)架和外殼等零件。

（12）辦公、家用及體育用品　在辦公、家用及體育用品方面，近年來鎂的應(yīng)用也發(fā)展較快，已成為鎂合金應(yīng)用一個(gè)不容忽視的領(lǐng)域。鎂合金除在以上這些領(lǐng)域得到一定程度應(yīng)用外，其新的應(yīng)用范圍還有待進(jìn)一步探索。

（13）生物醫(yī)學(xué)　鎂是人體必需的多種微量元素之一，對(duì)身體無害，且具有較好的生物相容性。通過適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)處理可在鎂制件表面形成生物相容涂層，這類涂層可以廣泛用于人體移植物和人體骨骼。鎂合金制造的人體骨骼本身可以自發(fā)地與人體內(nèi)液體環(huán)境反應(yīng)生成一層生物相容膜而與周圍組織實(shí)現(xiàn)柔韌結(jié)合。比如用胞狀結(jié)構(gòu)鎂基材料取代鎂合金作為人造骨骼材料，通過優(yōu)化胞結(jié)構(gòu)和孔隙尺寸分布，可以加速上述與活體介質(zhì)的反應(yīng)和生物相容膜的連接，從而使初始的金屬人造骨骼最終轉(zhuǎn)化為類似自然骨的狀態(tài)。

1.2.2　鎂合金的發(fā)展

與其他傳統(tǒng)金屬相比，鎂合金塑性成形方面的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠成熟。到目前為止，鎂合金產(chǎn)品90％以上為壓鑄技術(shù)生產(chǎn)出來的。壓鑄產(chǎn)品有其難以克服的缺陷，如鑄造缺陷難以清除、壁厚不能過薄、性能難以滿足承載零件要求、加工過程需氣體保護(hù)（產(chǎn)生溫室效應(yīng)）等限制了壓鑄鎂合金的進(jìn)一步應(yīng)用發(fā)展。另外，鑄造法生產(chǎn)的鎂合金晶粒不夠小，存在成分偏析，不能從根本上解決脆性和腐蝕問題，難以制備出性能優(yōu)良的鎂合金。而塑性加工技術(shù)則有很大的優(yōu)勢(shì)，實(shí)踐表明，塑性變形能有效改善鑄造鎂合金的力學(xué)性能，變形鎂合金比鑄造鎂合金具有更高的強(qiáng)度和塑性，可以滿足不同場(chǎng)合結(jié)構(gòu)件的使用要求。在汽車板件、自行車、摩托車零件領(lǐng)域，尤其是在3C電子器材領(lǐng)域，完全有可能大量代替鑄造工藝。與壓鑄鎂合金相比，更低成本、更高強(qiáng)度、更多樣化力學(xué)性能的變形鎂合金應(yīng)具有更加廣闊的發(fā)展空間。因此開發(fā)變形合金及其生產(chǎn)工藝，是其未來更長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。