鎂合金材料的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢研究

李昀昊

（哈爾濱市第六中學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150000）

隨著能源及環(huán)境問題的日趨嚴(yán)峻，在制造業(yè)領(lǐng)域，“輕量化”的意義顯得更加重大。鎂作為最輕的可使用的金屬材料的應(yīng)用也越來越廣泛。由于金屬鎂較為活潑，自然界中沒有純鎂的存在，常常以鎂的化合物形式存在。純鎂的得到過程較為曲折，最早是由英國化學(xué)家一次意外的發(fā)現(xiàn)開始的。Joseph Black一次在對自然界中存在的菱鎂礦進(jìn)行加熱實驗時，發(fā)現(xiàn)了白色顆粒狀的物質(zhì)，這種物質(zhì)是氧化鎂?；瘜W(xué)反應(yīng)如下：后來法國科學(xué)家Antoine Alexander Bussy考慮是否能夠在氧化鎂的基礎(chǔ)上得到純鎂，于是他根據(jù)置換原理，將更為活潑的金屬鉀投入到熔融的氧化鎂中，稀釋出了銀白色的金屬鎂。當(dāng)時極為興奮，質(zhì)地銀白的鎂，色彩明麗，因此命名為鎂。鎂最開始由于其性質(zhì)活潑，容易燃燒燒，經(jīng)常用于照相機(jī)的閃光燈，也稱為鎂光燈，但是由于其強(qiáng)度低，耐蝕性能差，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較少。

1 電子領(lǐng)域

近年來，鎂合金在電子領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，鎂合金的優(yōu)勢在于可以遮蔽電磁波、并且具有高分子材料不具有的良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性，另外鎂合金具有良好的減震性。鎂合金的剛度是塑料的10倍，強(qiáng)度和抗老化性能明顯高于塑料。鎂合金減震性能是鋁合金的10倍以上，可以大大地減少外界噪聲和振動的影響，從而減少外界振動對電子設(shè)備的影響。拿在筆記本電腦上廣泛應(yīng)用的塑料相比，鎂合金在強(qiáng)度、剛度、可回收及散熱性具有獨特優(yōu)勢；以個人筆記本電腦外殼為例，塑料壁厚一般為2.2mm，而用鎂合金代替壁厚只有0.82mm左右，盡管鎂合金比塑料略重，但仍然可以減重接近50%，疲勞強(qiáng)度和散熱性也都將明顯提高。下圖為使用鎂合金殼體的筆記本電腦。鎂合金導(dǎo)熱率是塑料的數(shù)百倍，因此用于電子產(chǎn)品外殼或零部件時，在應(yīng)用上優(yōu)勢較為突出。為了追求更加輕薄，逐步將鎂合金應(yīng)用其中，比如：DELL曾推出Latitude C400電腦就已經(jīng)在固定顯示屏頂蓋和基座采用鎂合金材料，還準(zhǔn)備在處理器、主板、硬盤等器件上適用鎂合金。從鎂合金在汽車及通訊電子領(lǐng)域的應(yīng)用看其發(fā)展趨勢。另外，在數(shù)碼相機(jī)殼及手機(jī)殼，鎂合金也得到了廣泛應(yīng)用。

2 汽車領(lǐng)域

表1列出了幾種新型汽車和卡車上的鎂合金使用情況。

表1 新型汽車和卡車的鎂合金部件

另外，鎂合金在汽車輪轂上應(yīng)用也受到了廣泛的重視，如福特汽車公司于1998年推出的輕質(zhì)概念車P2000采用了3.1kg的壓鑄鎂合金輪毅，比鋼板沖壓輪毅輕5kg；日本輕金屬株式會用充氧壓鑄法成批生產(chǎn)了AM60鎂合金汽車輪毅和摩托車輪毅，重量減少了15%；意大利的菲亞特(Fiat)和美國的道屋(DOw)公司合作，選用AM60A合金生產(chǎn)出了壓鑄鎂合金車輪，可滿足使用要求；美國通用汽車公司研制的AM60B壓鑄車輪。

3 航空航天

鎂合金的諸多優(yōu)勢性能，如：高的強(qiáng)度，剛度，良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，良好的減震性和電磁屏蔽性（抗短波和高能粒子轟擊），使其在航空航天領(lǐng)域有著獨特的優(yōu)勢，特別是重量減輕會大大提高經(jīng)濟(jì)效益，表2列出降低1磅帶來的經(jīng)濟(jì)效益。鑄造鎂合金在航空工業(yè)上的應(yīng)用，主要是劃分為不同的零件，承受各類荷載，在轟炸機(jī)上，鎂合金用量為8600Kg，其中一半是作為結(jié)構(gòu)材料。不同鎂合金應(yīng)用的零部件不同，美國麥道夫公司，采用Tagnite也顯著提高耐蝕性能，輔以新型低壓鑄造工藝，渦槳發(fā)動機(jī)的附件傳動機(jī)匣和減速器機(jī)匣采用ZM5制造。近年來，為了進(jìn)一步使用鎂合金材料代替鋁合金材料應(yīng)用于飛機(jī)并降低風(fēng)險，歐盟把工程進(jìn)程分為兩步：①替代中等強(qiáng)度的5×××系鋁合金；②替代中等強(qiáng)度和高強(qiáng)度的2×××系鋁合金，并認(rèn)為：Mg-Al-Zn、Mg-Zn-Zr-RE、Mg-Y-RE（包括WE43、WE54）系列鎂合金在此方面具有前景。

表2 每減少1磅重量帶來的經(jīng)濟(jì)效益

在我國航天事業(yè)高速發(fā)展的背景下，航天器鎂合金也得到了廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)逐步朝著大型化方向發(fā)展。航天鋁合金應(yīng)用，一般是鑄造大型金屬結(jié)構(gòu)件。通過控制鑄造生產(chǎn)環(huán)節(jié)，注重質(zhì)量把控，可生產(chǎn)高品質(zhì)的構(gòu)件。

4 航空用鎂合金的特性

航空鎂合金由于其特殊的服役條件和工作環(huán)境，對其性能提出了許多特殊的要求，對于一些受力航空件，要求鎂合金的力學(xué)性能、特別是疲勞性能要好，對于在較高溫度使用的航空鎂合金件，要求其具有較高的耐熱性能，對于油箱、或帶有油路的航空件，則要求其良好的耐腐蝕性、另外還要求良好的電磁屏蔽性，因此航空用鎂合金性能的提高具有重要意義。對于力學(xué)性能的提高，組織的優(yōu)化和細(xì)化具有重要的作用，因此，鎂合金組織的細(xì)化對航空領(lǐng)域應(yīng)用，具有較為重要的意義。

5 醫(yī)用材料領(lǐng)域

在醫(yī)學(xué)內(nèi)的應(yīng)用主要包括：骨折內(nèi)固定材料，骨組織工程多孔支架材料。

6 海洋裝備領(lǐng)域

鎂合金是一類擁有多種優(yōu)異特性的金屬材料，在多功能材料領(lǐng)域有著巨大的開發(fā)前景。早在20世紀(jì)80年代，便開始利用原電池原理開發(fā)鎂合金在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用，比如，用于陰極保護(hù)的鎂合金犧牲陽極，海上重要儀器回收裝置或定時觸發(fā)裝置、氫氣浮力裝置等等。然而，以往對鎂合金溶解性的探宄不夠深入，缺乏系統(tǒng)的理論和試驗研究來指導(dǎo)應(yīng)用。

7 石油領(lǐng)域暫時在低滲透油氣藏的開發(fā)中，壓裂改造是提高單

井產(chǎn)量的重要措施。投球滑套分段壓裂工藝是應(yīng)用較為廣泛的壓裂改造技術(shù)，其原理是在需要改造的位置處下嵌入封隔器與投球滑套，對儲層進(jìn)行有選擇性地封隔，通過投送尺寸由小到大的壓裂球，依次打開壓裂滑套，從而實現(xiàn)分段壓裂。待各段儲層壓裂完成后，壓裂球需返排至地面以打通井道實現(xiàn)油氣的開采。然而，壓裂球有時會由于變形或者地層壓力不足等原因而導(dǎo)致其而卡在球座中不能排出，將會影響油氣井的正常生產(chǎn)。采用可溶壓裂球能夠有效解決該問題，即壓裂球在壓裂完成后可在井下環(huán)境中自行分解，從而免去返排或鉆磨等工序，提高了生產(chǎn)效率。