镁合金综述

镁合金的研究进展与发展前景

摘要：

简要介绍了镁及镁合金的优越性能，概述了镁合金的成型工艺性能及各种成型方法，并涉及当前的新型镁合金。阐述了镁合金的防腐与净化技术。探讨了镁合金材料的应用状况和发展前景。

关键词：镁合金成型工艺相图研究发展前景

前言：

镁合金的力学性能与一般铝合金基本相当，而其密度仅为铝合金的2／3，故其比强度、比刚度均优于铝合金；同时镁合金还具有弹性模量较低，能吸收较大的冲击功，滞振性较好等特点。在便携产品风行和节能已成为世界性主题的今天，镁合金越来越受到人们的重视。随着电子产业及汽车工业的突飞猛进，人类的生存与资源和环境之间的矛盾日益突出，因此降低产品的自重以减少能源消耗和受污染程度，成为至关重要的问题，镁合金被公认为是当今世界最有前途的轻质材料之一，被誉为2l世纪的绿色功能材料。

正文：

1、镁合金的优势与缺点

镁合金的优越性主要表现在：密度小，只及钢铁的1／4，铝合金的2／3，是最轻的结构合金，能有效降低部件重量，节省能源。比强度很大，略低于比强度最高的纤维增强材料。比刚度与铝合金、钢铁基本持平，远高于工程塑料。阻尼性能好，吸收能量能力强，具有极佳的减震性，可用于震动剧烈的场合，用在汽车上可增强汽车的安全性和舒适性。导热性好，稍逊色于一般铝合金，是工程塑料的300倍，且温度依赖性低，可用于制造要求散热性能好的电子产品。镁合金是非磁性材料，电磁屏蔽性能好，抗电磁波干扰能力强，可用于手机等通讯产品。镁合金加工成型性好，外观质感好，可制作笔记本电脑、照相机等外壳。镁合金线收缩率很小，尺寸稳定，不易因环境改变而改变（相对于工程材料）。镁合金可全部回收利用，是有利于环保的一种绿色金属。

尽管镁具有其独特的优势，但与传统金属(钢铁、铝等)相比，到现在对镁基材料的研究还远远不够，没有形成很丰富的合金系，在结构材料方面的应用很有限;在功能材料方面的研究与应用也处于起步阶段。这是由于镁合金也存在着自身的缺点。

（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，就很容易与空气中的氧气发生反应，放出大量热，且生成的氧化镁导热性能不好，热量不能及时散发，继而促进了氧化反应的进一步进行，形成了恶性循环，而且氧化镁疏松多孔，不能有效阻隔空气中氧的侵入。

（2）室温塑性差，因为镁具有密排六方晶体结构，在室温下只有1个滑移面和3个滑移系，因此它的塑性变形主要依赖于滑移与孪生的协调动作。但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。在温度超过250℃时，镁晶体中的附加滑移面开始起作用，塑性变形能力变强。

（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。在室温下，镁表面与空气中的氧发生反应，形成氧化镁薄膜，但由于氧化镁薄膜比较疏松，其致密系数仅为0.79，即镁氧化后生成氧化镁的体积缩小，因此耐蚀性很差。

对于金属材料来说，合金化总是改善其力学性能、物理性能、工艺性能等的一个重要手段。所以镁合金化一直是镁的重要研究领域。

2、镁合金的种类

目前，主要有三种镁的合金系，镁一铝合金、镁一锌合金以及镁一稀土合金。然而，镁的合金系远不及铝或锌丰富，对合金开发还需迸一步新的尝试。最近的研究主要是用微合金化重新设计现有的镁合金，即加入微量表面活性元素，如钙、锶、钡或锑、锡、铅和铋，高温镁合金，已开发了加有稀土的新型镁合金。

２．１Mg-Al系合金

Mg-AI系合金是应用最为广泛的一类合金，压铸合金主要是Mg—Al系合金。为改善合金的性能如韧性、耐高温性、耐腐蚀性，以Mg、AI系为基础添加了一系列合金元素形成了AZ(Mg —Al—Zn)、AM(Mg—Al—Mn)、AS(Mg—Al—Si)、AE(Mg—Al—RE)系列合金。

A Z系列合金A Z 9 1具有良好的铸造性能和最高的屈服强度，其压铸件广泛应用于汽车座椅、变速箱外壳等多种形式部件。AM系列合金AM60, AM50具有较高的延伸率和韧性，用于抗冲击载荷、安全性较高的场合如车轮、车门等。A S系列镁合金A S 4 1 , A S 2 1 和A E系列的镁合金A E 42是2 0世纪70年代开发的耐热压铸镁合金。现在，提高Mg—A l 合金的高温抗蠕变性能仍是镁合金研究的一个热点，常用的方法是降低铝含量以减少熔点低且在高温下易软化和粗化的β( M g l 7 A l1 2 )相以及加人可形成较高热稳定性弥散相的合金元素( 如R E , S i , C a 等)。近年来，日本结合加人C a 和R E元素开发了一种新的耐热镁合金A C M 5 2 2 ( Mg—5Al—2Ca—2RE—0.3Mn )，可在150~200℃范围使用。Sb、Sn、Bi 等元素被认识到也是提高Mg—Al合金抗蠕变性能的新的合金元素。

2．2Mg—Zn系合金

二元Mg-Zn合金具有明显的时效硬化特性，有共格GP区。在Mg—Zn二元系基础上发展起来的常用Mg—Zn合金有：Mg—Zn—Zr合金、Mg—Zn—RE合金以及具有良好综合力学性能的新型Mg—Zn—Cu合金。

Mg—Zn合金的最主要缺点是晶粒粗大，易形成显微孔洞。加Zr可以细化晶粒，改善其性能，因此，Mg—Zn合金中一般都要加入一定量的Zr。Zr能细化晶粒的主要原因是Zr 在液态Mg中的溶解度很小，在液态Mg合金结晶时，Zr首先以α—Zr质点析出，而α—Zr 与Mg均为密集六方晶格，且晶格常数非常接近。因此α—Zr将作为异质晶核促进Mg—Zn 合金的晶粒细化。ZK61为典型的Mg—Zn—Zr合金，其T5状态下的抗拉强度可以达到310 MPa，但是较脆，延伸率基本为零。有代表性的Mg—Zn—RE合金是ZE4l和ZE33合金，大致相当于国内标准的ZMl和ZM2合金。其性能一般。Mg—Zn—Cu合金是20世纪70—80年代发展起来的新型合金。在Mg-Zn合金中加入Cu可改善铸件韧性和固溶处理特性，表现出良好的室温和高温力学性能。其铸态下的室温、高温抗拉强度分别为：227MPa、144 MPa，延伸率分别为11％、31％。但是由于铜的大量加入，其抗蚀能力极差。

2．3Mg—RE系合金

稀土金属化学活性较强，具有祛除O、H、S、Cl、Fe及夹杂物的作用，以及改善合金流动性和加工性能。稀土可将合金中呈溶质状态的Fe、Co、Ni、Cu改变为Mg—稀土—Fe(Cu)—Al(或Zn、Mn)金属间化合物的状态，抑制Fe对合金的腐蚀作用。镁合金在含稀土溶液中可形成钝化膜，提高其耐蚀性能。稀土加入镁合金中，可细化合金组织，促进合金表面氧化膜由疏松变为致密，降低合金在液态和固态下的氧化倾向，从而提升传统镁合金强度、塑性、耐蚀性、耐磨性等性能。因而从上世纪70年代就开始了添加稀土元素强化镁合金的广泛研究和应用。由于资源和成本的原因，目前主要以稀土Ce或稀土Y或富Ce混合稀土的形式加入镁合金，Antion等研究表明，在室温条件下，Mg与Y以Mg24Y5高温强化共晶相化合物形式弥散分布于α—Mg晶内和晶界处。所以Mg—Y合金具有很显著的时效硬化特性，时效温度一般在200℃左右，时效过程分为β”→β’→β（Mg24Y5）三个时期。一方面，Mg24Y5分布在α—Mg晶内，可以弥散强化基体；另一方面，Mg24Y5分布于晶界，可以阻止晶界滑