鎂及其合金的性能、缺陷、應(yīng)用及前景

【摘要】在科技術(shù)飛速發(fā)展的今天，金屬材料被廣泛應(yīng)用到人們的日常生活中，由此引發(fā)的是人們對(duì)金屬材料的需求量大量增加，鎂由于其獨(dú)特的性能備受矚目。鎂在宇宙中的豐度位于前列，在地殼中的含量達(dá)到百分之二點(diǎn)多，蘊(yùn)藏量大。相比歐美工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)鎂材料技術(shù)的成熟應(yīng)用，我國(guó)雖在鎂產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)量與出口量方面有很大提升，但是在新材料新技術(shù)的研發(fā)、核心技術(shù)的創(chuàng)新、節(jié)能環(huán)保等方面仍需提高。本文將簡(jiǎn)單介紹鎂及合金的性能、發(fā)展、應(yīng)用市場(chǎng)及前景。

【關(guān)鍵詞】化學(xué)性質(zhì)活潑；密度輕；電偶腐蝕；應(yīng)力腐蝕；用于照明；電器；汽車(chē)；軍事等領(lǐng)域

鎂在地殼、海水、鹽湖中都有一定是儲(chǔ)藏量，其中鎂的最主要資源在海水中，海水中的Mg元素含量為1300mg/L。主要以MgCl2的形式存在。我國(guó)的鎂儲(chǔ)量居世界第一位，有工業(yè)價(jià)值的有菱鎂礦、白云石、橄欖石、光鹵石等。此外，作為人體必需的營(yíng)養(yǎng)元素它在細(xì)胞內(nèi)液中的含量極高，幫助人體進(jìn)行新陳代謝，維持人體正常的生命活動(dòng)。

一、鎂的概述

Mg位于元素周期表中ⅡA，是堿土金屬，具有銀白色金屬光澤，晶體結(jié)構(gòu)為密排六方結(jié)構(gòu)，屬于輕金屬，且化學(xué)性質(zhì)十分活潑，在自然界中以化合態(tài)存在，在干燥常溫的空氣中相對(duì)穩(wěn)定，在熔融條件下易生成鎂的氧化物。以鎂為基體添加不同的元素，會(huì)形成具有不同功能性質(zhì)的鎂合金，滿(mǎn)足人們的不同用途。相比其他材料，鎂及合金有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，它的密度低，對(duì)電磁的屏蔽性好，摩擦?xí)r不起火花，易于切削加工。近年來(lái)常被用于照明、計(jì)算機(jī)等電器產(chǎn)業(yè)，自行車(chē)、摩托車(chē)、汽車(chē)等交通工具，乃至國(guó)防軍事等國(guó)家重器，為國(guó)防科技和國(guó)民經(jīng)濟(jì)做出突出貢獻(xiàn)。

二、鎂的發(fā)展史

美國(guó)和德國(guó)鎂合金的發(fā)展歷史悠久技術(shù)成熟，而我國(guó)由于歷史原因，在該領(lǐng)域相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)處于落后空白地位。1995-2015年這20年期間，我國(guó)的年均鎂產(chǎn)量從6.35萬(wàn)噸已經(jīng)變?yōu)?5.21萬(wàn)噸，雖然短短的二十年里有時(shí)鎂產(chǎn)量下降，但總體成上升趨勢(shì)。2010年我國(guó)的鎂出口總量為38.40萬(wàn)噸，主要出口給歐盟、美國(guó)等市場(chǎng)。雖然市場(chǎng)廣闊，相比工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家仍有很大差距，特別是在基礎(chǔ)研究和新材料研發(fā)方面。只有進(jìn)行技術(shù)革新，才能走出鎂應(yīng)用的瓶頸期，擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域范圍，早日成為鎂的工業(yè)強(qiáng)國(guó)。

三、鎂的應(yīng)用

（一）在汽車(chē)制造方面

德國(guó)首次在汽車(chē)上應(yīng)用鎂合金，且一直領(lǐng)先世界。上世紀(jì)七十年代，發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)汽車(chē)尾氣排放有嚴(yán)格限制，節(jié)能減排迫在眉睫，因此汽車(chē)輕量呼聲強(qiáng)烈，鎂合金在此優(yōu)勢(shì)突出。2002年大眾汽車(chē)推出每一百公里消耗柴油1升的雙座微型概念車(chē)，鎂合金質(zhì)量占車(chē)凈重0.135%；2004年寶馬采用的鎂合金直列六缸引擎，排量3升；奧迪A6轎車(chē)單車(chē)的鎂合金壓鑄件總用量已達(dá)14.2千克；鎂合金在減少汽車(chē)質(zhì)量，保護(hù)環(huán)境，提高安全性和駕駛性，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力方面效果顯著。相比國(guó)外車(chē)在鎂合金的應(yīng)用，我們國(guó)內(nèi)汽車(chē)領(lǐng)域近年來(lái)也有開(kāi)拓進(jìn)展。雖然鎂合金在我國(guó)汽車(chē)制造業(yè)的使用起步晚，但是相關(guān)企業(yè)取得的進(jìn)展也令人振奮。其中第一汽車(chē)集團(tuán)公司、第二汽車(chē)集團(tuán)公司、上海汽車(chē)集團(tuán)公司和長(zhǎng)安汽車(chē)公司對(duì)鎂合金在汽車(chē)工業(yè)的應(yīng)用發(fā)揮重要作用。開(kāi)發(fā)了在高溫負(fù)載下汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的抗蠕變鎂合金，并研究了鎂合金冷室壓鑄工藝生產(chǎn)汽車(chē)零件的全套技術(shù)；而桑塔納轎車(chē)鎂合金變速箱外殼年用鎂量2000噸以上；“長(zhǎng)安之星”微型車(chē)實(shí)現(xiàn)了單車(chē)用鎂合金8kg，達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。在各汽車(chē)廠的共同努力下，在眾多汽車(chē)零部件均應(yīng)用鎂合金技術(shù)并在不同車(chē)型投入使用。

（二）在電子工業(yè)的應(yīng)用

現(xiàn)代電子器件朝輕、薄、小的趨勢(shì)發(fā)展，對(duì)結(jié)構(gòu)和性能的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的塑料及鋁合金在強(qiáng)度、剛度、散熱情、屏蔽性、易加工等方面難以滿(mǎn)足大眾需求。從安全性的角度說(shuō)，鎂合金相比較聚碳酸酯、玻璃纖維等有較高的撓度和抗拉強(qiáng)度，有作為導(dǎo)體優(yōu)越的導(dǎo)熱性，能較好地將元器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量散去，使溫度維持在一個(gè)安全范圍，保證元器件的安全，延長(zhǎng)使用壽命；并且從人體健康的角度說(shuō)，手機(jī)、電腦等輻射較強(qiáng)的電子產(chǎn)品對(duì)人體產(chǎn)生危害，電磁波會(huì)穿透一般性能的材料，而鎂合金材料的屏蔽效果良好，在該領(lǐng)域前景廣闊；此外，從環(huán)境角度說(shuō)，對(duì)于報(bào)廢的電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，鎂合金的回收再利用價(jià)值高于其他塑料等零件殼。

（三）在航空航天業(yè)的應(yīng)用

飛行器的質(zhì)量會(huì)影響其性能和費(fèi)用，對(duì)衛(wèi)星、飛船等材料的要求極為苛刻。比如每減少0.45千克質(zhì)量，航天器會(huì)帶來(lái)30000美元的經(jīng)濟(jì)效益，這要求材料要輕，密度要小。還要求飛越大氣層時(shí)克服熔化產(chǎn)生的危害，要求其高溫性能良好，抗腐蝕性能好，部分鎂合金如AZ91E、AZ92、ZE41等有不同的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)的合金分別適用于制作不同性能要求的部件。

（四）在醫(yī)療方面的應(yīng)用

鎂參與人體細(xì)胞代謝，維持著機(jī)體正常的生理活動(dòng)。鎂促進(jìn)骨骼生長(zhǎng)、調(diào)節(jié)酶類(lèi)代謝，體能消耗過(guò)度往往需要補(bǔ)充鎂，長(zhǎng)期缺乏會(huì)引起很多疾病。將鎂合金植入骨折患者體內(nèi)，合金在細(xì)胞間降解，被巨噬細(xì)胞吞噬，人體不會(huì)發(fā)生免疫排斥，無(wú)明顯的炎癥反應(yīng)，可用于制作假肢。

此外，鎂合金在照明煙火、兵器零部件、車(chē)床壓鑄件等很多不同領(lǐng)域，也廣泛使用。

四、鎂合金的腐蝕及防護(hù)

室溫下鎂暴置在大氣中會(huì)迅速氧化形成灰色的MgO膜，當(dāng)空氣潮濕時(shí)又轉(zhuǎn)化為氫氧化鎂，在高溫時(shí)無(wú)論環(huán)境是否潮濕，鎂都易氧化。鎂合金的腐蝕形式有多種，在此簡(jiǎn)單介紹兩種。

（一）電偶腐蝕

電偶腐蝕是電化學(xué)腐蝕的一種，鎂合金的成分、溶液的PH及環(huán)境等都會(huì)影響電偶腐蝕的強(qiáng)度。電偶腐蝕有陰極、陽(yáng)極、電解液、導(dǎo)體四個(gè)基本環(huán)節(jié)，為防止發(fā)生電偶腐蝕可從這四個(gè)方面考慮。應(yīng)避免金屬與潮濕的環(huán)境直接接觸，要選用吸附性差、無(wú)芯的材料作為與鎂接觸的材料，對(duì)鎂合金的表面進(jìn)行處理保護(hù)，并給異種金屬加上絕緣線圈或填充填料，防止形成回路。

（二）應(yīng)力腐蝕

電化學(xué)腐蝕與力學(xué)共同作用，鎂合金工件表面形成了應(yīng)力開(kāi)裂現(xiàn)象。Al是鋁鎂合金產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕敏感性的重要因素，敏感性與Al含量有關(guān)，Al含量越高敏感性越強(qiáng)。同時(shí)熱處理也會(huì)影響鎂合金應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致的開(kāi)裂現(xiàn)象。為防止這一問(wèn)題需要控制三個(gè)因素即臨界壓力、敏感合金載荷和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂環(huán)境。

五、鎂合金發(fā)展前景趨勢(shì)

我國(guó)要發(fā)展鎂產(chǎn)業(yè)，首先可以將鎂冶煉加工產(chǎn)業(yè)與優(yōu)質(zhì)的高校或研究院相互結(jié)合，使鎂產(chǎn)業(yè)更加的專(zhuān)業(yè)化、科技化；并且不同的領(lǐng)域可以進(jìn)行跨領(lǐng)域合作，將有競(jìng)爭(zhēng)的鎂合金加工企業(yè)與計(jì)算機(jī)，汽車(chē)制造等領(lǐng)域打通，使鎂產(chǎn)業(yè)鏈擴(kuò)展延伸。其次要培養(yǎng)有獨(dú)立創(chuàng)新意識(shí)的高科技人才，為他們創(chuàng)造良好的研究環(huán)境，加強(qiáng)與外國(guó)的交流合作；最后，隨著環(huán)保意識(shí)的提高，鎂產(chǎn)業(yè)并將會(huì)跟隨節(jié)能環(huán)保潮流，加強(qiáng)鎂合金的回收利用，在良好的生態(tài)環(huán)境下謀發(fā)展，實(shí)現(xiàn)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益可持續(xù)發(fā)展。這些都將幫助我國(guó)早日從鎂業(yè)大國(guó)轉(zhuǎn)型成鎂業(yè)強(qiáng)國(guó)。

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作者簡(jiǎn)介：劉思碧（1998.06—），女，漢族，陜西渭南人，本科，研究方向：材料工程。