淺談鎂鋁鍶合金的應用及發(fā)展方向

冀 娜，王 蕊

（金川集團有限公司采購供應中心，甘肅 金昌 624100）

1 鎂鋁合金的應用及發(fā)展方向

鎂鋁合金是一種在鋁合金中添加鎂的合金。由鎂錠和鋁錠在保護氣體中經高溫熔融而成，它的基本特點是硬度高、比重小、耐蝕、可焊。與塑料相比而言，鎂鋁合金單位質量的彈性率和強度相對更高，在相同強度的要求下，與塑料相比，鎂鋁合金的零部件較薄,較輕。此外,鎂鋁合金比鋁、鐵的強度高,在不減少降低零部件的強度下，鋁或鐵制件的質量可以降低,具有良好的導熱性,因此應用前景較為廣泛。鎂鋁合金根據(jù)其使用性能的不同主要分為以下四個系列：Mg-Al-Mn(AM系列)、Mg-Al-Zn-Mn(AZ系列)、Mg-Al-Si(AS系列)、Mg-Al-稀土元素(AE系列)，目前鋁合金應用最為廣泛的美鋁系合金是AZ（Mg-Al-Zn）系合金。因為AZ系合金的屈服點很高，可以廣泛用于制造形狀復雜的零件，如傳動系統(tǒng)的殼體、發(fā)動機和電子設備、手動工具等。鎂合金具有極低的電位負性,與鐵的有效電位有很大的不同,因此保護半徑比較大,可適用于電阻率較高的水或土壤介質，目前主要用于高電阻率土壤介質的金屬儲罐管道、海上鉆井平臺、淡水介質中的冷凝器和電熱水器的防腐保護。另外鎂鋁合金具有優(yōu)異的減震性能，其阻尼性能高于很多其他合金，因此也廣泛應用于軍事事物等高端領域。

鎂是最輕的結構金屬材料之一,它具有更高的比剛度和比強度，阻尼強、切削性能好、易于回收等優(yōu)點。鎂在40世紀以來,在國內外得到了應用。鋁合金應用于汽車工業(yè),充分發(fā)揮其節(jié)能減重、減污、改善環(huán)境等方面的作用。通過采用新工藝、新技術和先進合理的技術手段,開發(fā)高強度耐腐蝕性能。新型鑄造鎂合金同時降低了成本,從而極大地促進了鎂合金在汽車中的應用。目前全球鎂鋁合金消費量最大的是汽車行業(yè)，為減輕汽車總重，鎂鋁合金壓鑄件在汽車使用的用途越來越多，包括儀表盤、方向盤、變箱、油底殻、氣缸罩葢、座椅架及輪轂等多個關鍵零部件。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù),2003年美國鎂鋁合金每車平均使用量已經達到約60千克,美國汽車材料協(xié)會(USAMP)預計到2020年,在北美生產每輛車鎂鋁合金用量將達到160千克左右。據(jù)有關數(shù)據(jù)顯示，全球鎂合金在汽車壓鑄件方面的增長率連續(xù)多年保持在15%的水平，是當下和未來新產業(yè)的亮點。在我國不少品牌汽車開始使用鎂鋁合金，重慶、成都等地將成為我國汽車用鎂鋁合金研究與開發(fā)應用的生產基地。因此,全面推進鎂鋁合金產品在汽車上的使用將成為新物質產業(yè)的重要發(fā)展方向。

壓鑄成型是應用最為廣泛的鎂鋁合金成形方法，近年來發(fā)展起來的鎂鋁合金模具新型鑄造技術包括真空壓鑄和充氧壓鑄，前者已成功生產出AM60B鎂鋁合金汽車輪毅和方向盤，后者也被用來生產汽車上的鎂鋁合金零件。

2 鋁鍶合金的應用及發(fā)展方向

在金屬材料中，由于鋁及其合金由于密度小、塑性高、導電導熱性能好、具有良好的導電導熱性和耐腐蝕性。良好、豐富的資源輸出、易加工等特點在汽車、摩托車、電池車等方面得到了廣泛的應用。在行業(yè)鋁合金零件鑄造生產領域,生產鑄件的金屬模具的地位將直接影響鋁合金鑄件的質量和產量。為了提高改善鋁合金的機械性能，常常會對其進行變質處理，這樣可以有效地提高鋁合金鑄件質量。改性處理就是在鋁合金鑄造生產中加入微量元素，使鋁合金組織進行細化，以使鑄件的質量和合金的強度、硬度以及延伸率都綜合改善,提高合金的沖擊韌性和熱穩(wěn)定性。而鋁鍶合金就是新一代高效變質細化劑，可以改變鍶鋁合金鑄態(tài)和熱處理態(tài)的力學性能(延性和抗沖擊性)，較之傳統(tǒng)的變質劑有回收率高、再現(xiàn)性好、變質有效時間長、沒有有害的過變質現(xiàn)象、揮發(fā)性小、設備腐蝕小等優(yōu)點。美、日、英等國從80年代初就開始推廣應用鍶，如英國倫敦斯堪的那維亞冶金公司等。到目前鋁鍶合金主要應用在汽車輪轂、活塞、泵體的生產。

鍶是一種化學性質非常活潑的金屬,在空氣中極易被氧化,直接加入會有較大的燒損且不易儲存。目前國內外多采用真空鋁熱還原法制備鍶金屬(如江蘇鎮(zhèn)江的華龍鍶業(yè)有限公司)，但是生產設備復雜、工藝條件嚴格、產量小、成本高，另外這種昂貴的金屬在鋁中重熔時，還將損失20%～35%。目前主要以熔鹽電解法生產的鋁基合金為主，但是研究熔鹽電解法生產的鋁鍶合金基本都是在實驗室中進行，雖然也有幾家企業(yè)進行過工業(yè)試驗，但總的來說規(guī)模較小，電解槽在800A以下。通過調查發(fā)現(xiàn)，我國鍶的儲量位居世界第一，主要分布在南京、四川等地，長期以來主要是以初級產品如碳酸鍶等出口到香港、日本、美國等多個地區(qū)和國家，產量較小，也幾乎全部出口到國外，而目前國內鍶的使用廠家都靠進口。開發(fā)鋁鍶合金可以充分發(fā)揮我國的資源優(yōu)勢，發(fā)展高科技含量的產品，占領國內外市場。熔鹽電解法生產鋁鍶合金技術成熟、工藝簡單、成本低，只要能夠進一步開發(fā)，不難生產出滿足市場需要的產品，經濟效益將十分可觀。

3 鎂鍶合金的應用及發(fā)展方向

普通鎂合金具有密度小、比剛度好、比強度良好、導電及導熱性好、易回收等優(yōu)點，是繼鋼鐵及鋁合金后的新一代材料，在航空航天、汽車等領域應用廣泛。但當工作溫度高于120℃時，其力學性能尤其是抗蠕變性明顯降低，所以普通鎂合金不能作為高溫長時間工作部件的材料。但是汽車自動變速箱和發(fā)動機缸體的使用溫度一般在200℃左右，而普通合金只能在120℃以下使用。而金屬鍶是一種較強的還原劑，可以用作煉鋼的脫氧劑、脫硫劑、脫磷劑、除氣劑、除雜劑以及難熔金屬的還原劑，還可以作煉銅的脫氧劑，其效果遠遠比Al好，但由于鍶熔點高，且易氧化燃燒，若單純的向鎂合金熔體中添加金屬鍶則其效果較差，通常會通過含鍶的中間合金的形式加入。由于鍶元素的引入，鎂鍶中間合金可運用于以下領域：第一，作為鎂合金的主要元素成分，提高合金的綜合性能；第二，作為鎂合金的除氣添加劑，改善其氣密性及綜合性能；第三作為鎂、鋁等合金的變質劑，細化合金晶粒。鎂鍶合金的形成改善了鎂合金的組織結構，力學性能提高，特別是鎂鍶合金的高溫力學性能得到了改善，擴寬了鎂合金的應用領域。由加拿大Noranda公司開發(fā)的AJ51X、AJ52X、AJ62X、AJ62LX鎂鍶合金已經用于制造汽車變速箱、發(fā)動機殼體、油盤和發(fā)動機機架等部件，而鎂鍶中間合金在國外研究較少，國內還沒有相關的報道，研制Mg-Sr中間合金有著極為特殊的意義。一方面可避免單獨加鍶所帶來的困難，另一方面可避免添加Al-Sr合金所造成的Al含量超標，降低合金的耐熱性能的問題。開發(fā)和研究鎂合金已成為一種時代趨勢，在鎂合金熔煉技術和價格等瓶頸因素突破后，為充分發(fā)揮鎂合金作為“21世紀綠色工程材料”的優(yōu)勢，應繼續(xù)努力擴大其應用范圍，提高其使用溫度。隨著鎂鍶合金耐熱性能的迅速推進和提高，在保證追求低成本、高性能的前提下，鎂鍶合金將廣泛應用在汽車、航空航天等工業(yè)領域。

鍶作為堿土族金屬元素，化學性能比較活潑，容易氧化，在制備合金時純鍶的加入容易發(fā)生氧化燒損，且操作也不方便，故制備時可采用鎂鍶中間合金的方式加入。在一定溫度下，鍶含量添加的多少會直接影響到保溫時間，即添加鍶含量越多，所需保溫的時間越長，鎂和鍶的氧化燒損也越嚴重，但鍶的加入量太少又會導致變質劑的作用不能充分發(fā)揮。所以為了減少鎂鍶氧化燒損和熔煉時間，同時為彌補鍶氧化燒損、揮發(fā)及熔失，保證實際成分與設計成分相一致，配料時鍶應增加一定比例的加入量。最終添加鍶在鎂合金中所占比例應控制在3%-10%之間。

目前制取鎂鍶合金的方法主要分為對摻法、熱還原法和熔鹽電解法，對摻法是將兩種或是兩種以上的金屬在熔融狀態(tài)下，在電弧爐或其他高溫爐內對摻而成，但是此方法中鍶的回收率低，生產成本非常高。熱還原法是指將礦物粉體與作為還原劑與浸取液的金屬熔體發(fā)生還原反應，該方法一般在標壓下進行，但所需設備復雜，工藝條件嚴格，產量小，生產成本也較高。熔鹽電解法是指以熔融的鍶的氯化物或氟化物和氟化物絡合物等為電解質，以固態(tài)或液態(tài)金屬或液態(tài)金屬合金作為陰極進行電解反應，從而制備得到鍶合金，該方法較之以上兩種方法成本較低，鍶在合金中分布均勻，但總的來說仍停留在實驗室里進行研究及生產，實驗所用電解槽為石墨坩堝，電流強度通常只有幾十安培，最大也就200安培，對其大規(guī)模應用仍有困難。隨著鎂合金產業(yè)的迅速發(fā)展，熔鹽電解法制備鎂合金在應用基礎研究和技術創(chuàng)新方面皆取得了顯著的進步，但是仍離產業(yè)化有一定的距離。鎂合金的熔鹽電解制備有很強的應用背景且很明確，與產業(yè)化研發(fā)相關的工作如電解槽的大型化、成本和能耗的降低、自動化水平的提高等值得關注。

4 結語

鎂鋁鍶合金作為一種更輕、更節(jié)能、更環(huán)保的材料，它的研究及應用技術已經逐步形成產業(yè)化，并在一些領域得到廣泛和成功的運用。未來鎂鋁鍶合金將更加廣泛地應用于航空、航天、汽車等領域。研究開發(fā)新型鎂鋁鍶合金材料既有巨大的經濟效益，也有良好的社會和環(huán)境效益。隨著世界各國對鎂鋁鍶合金研究開發(fā)不斷加大投入，除傳統(tǒng)的性能要求以外，研究開發(fā)高強、耐高溫、耐腐蝕以及穩(wěn)定力學性能的鎂鋁鍶合金是今后發(fā)展的主要方向。