鎂合金特性
背景資料：
鎂是地殼中含量最豐富的元素之一，其豐度居第8位，約占地殼組成的2.5％，主要以白云石(碳酸鎂鈣)、菱鎂礦存在，此外，海水中含鎂約0.13％，可謂取之不盡，但人類認識鎂卻較晚，1828年法國科學家A．A．Bussy用金屬鉀將鎂從熔融的氧化鎂中置換出來，1852年R．Bunsen建立了一個小型實驗電解槽用電解法生產鎂，1886年以Bunsen的電解槽為基礎，在德國建立了首個商業性電解鎂廠。1910年世界鎂產量約10t／a，到1930年增長到1200t／a以上。二戰期間鎂工業獲得了飛速發展，從1935年開始，德、法、蘇、奧、意等國分別建立了鎂廠，美國的鎂產能擴大了10倍，1943年世界鎂產量約為235kt／a。此期間鎂主要用來制造燃燒彈、照明彈、曳光彈、信號彈以及軍事和飛機等軍用設備的零部件。二戰結束后，1946年世界鎂產量降低到25kt／a，世界各國開始考慮鎂合金在民用工業的開發和應用，在以后的20年中，美國Dow化學公司在開發鎂合金及其生產技術方面取得了突出的成就，為鎂及其合金在冶金、航空、電子、兵器、汽車、化學及防腐、印刷、紡織等民用工業部門的應用開辟了道路，使鎂工業出現了連續增長的勢頭，實際上從二戰結束以來年均增長率在7％左右，現在世界上鎂產能已達到550kt／a，2000年實際產量為430kt。
一、鎂及其合金的特性：
關鍵詞：電磁屏蔽性強、減震性能強、加工性能好、尺寸穩定性、比重輕、化學活性強、可回收
1．幾種常用鎂合金的物理機械性能及與其它幾種常用結構材料的對比如表1所示
幾種常用結構材料的物理機械性能對比表1
|
＼ 材群 項目 ＼ |
鎂鑄件 |
鎂鍛件 |
鋁鑄件 |
鋁鍛件 |
鑄鐵 |
鋼 |
塑膠ABS |
||||
|
合金牌號 |
AZ91 |
AM50 |
AZ80-T5 |
Z31-H24 |
A380 |
A356-T6 |
6061-T6 |
5182*-H24 |
HT350 |
鍍鋅板 |
|
|
制取方法 |
壓鑄
|
壓鑄
|
擠壓
|
板材
|
壓鑄
|
永久模
|
擠壓
|
板材
|
砂模
|
板材
|
|
|
密度(g／cm3) |
1.81
|
1.77
|
1.80
|
1.77
|
2.68
|
2.76
|
2.70
|
2.70
|
7.15
|
7.8
|
1.07
|
|
熔點(℃) |
598
|
620
|
610
|
630
|
595
|
615
|
652
|
638
|
1175
|
1515
|
260
|
|
傳熱系數 (w／m.c) |
51
|
65
|
78
|
77
|
96
|
159
|
167
|
123
|
41
|
46
|
0.28
|
|
熱膨脹系數 (10-6／C) |
26
|
26
|
26
|
26
|
22
|
21.5
|
23.6
|
24.1
|
10.5
|
10.7
|
76.5
|
|
彈性模量 (Gpa) |
45
|
45
|
45
|
45
|
71
|
72
|
69
|
70
|
100
|
210
|
2.1
|
|
抗拉強度 (Mpa) |
240
|
210
|
380
|
290
|
324
|
262
|
310
|
310
|
293
|
390
|
43
|
|
屈服強度 (Mpa) |
160
|
125
|
275
|
220
|
159
|
186
|
275
|
235
|
|
320
|
39
|
|
疲勞強度(Mpa) |
85
|
85
|
|
|
138
|
90
|
95
|
|
128
|
|
|
|
伸長率(％)
|
7
|
15
|
7
|
15
|
|
5
|
12
|
8
|
O
|
26
|
16.5
|
|
屈強重量比(以AZ91為100) |
100 |
80 |
172.8 |
140.6 |
67.1 |
76.2 |
115 |
98.5 |
|
32.6 |
41 |
*美國ASTM標準：其成份是Mg4.5％，Mn0.35％，Fe0.35％，Zn0.25％，Si0.20％，其余Al。
由上表可見，與其它結構材料相比，鎂合金具有以下幾個特點：
1) 鎂合金的密度是鋼的23％，鋁的67％，塑料的170％，是金屬結構材料中最輕的金屬，鎂合金的屈服強度與鋁合金大體相當，只稍低于碳鋼，是塑料的4-5倍，其彈性模量更遠遠高于塑料，是它的二十多倍，因此在相同的強度和剛度情況下，用鎂合金做結構件可以大大減輕零件重量，這點對航空工業，汽車工業，手提電子器材均有很重要的意義。
2) 鎂合金與鋁合金、鋼、鐵相比具有較低的彈性模量，在同樣受力條件下，可消耗更大的變形功，具有降噪、減振功能，可承受較大的沖擊震動負荷。
2．鎂合金具有較好的鑄造性和加工性能：
鎂與鐵的反應低，熔煉時可用鐵坩堝，熔融鎂對坩堝的侵蝕小，壓鑄時對壓鑄模的侵蝕小，與鋁合金壓鑄相比，壓鑄模使用壽命可提高2-3倍，通�？删S持20萬次以上。鑄造鎂合金的鑄造性能良好，鎂合金壓鑄件的最小壁厚可達0.6mm，而鋁合金為1.2-1.5mm。鎂的結晶潛熱比鋁小，在模具內凝固快，生產率比壓鑄鋁件高出40-50％，最高可達兩倍，鎂合金有相當好的切削加工性能，切削時對刀具的消耗很低，切削功率很小。鎂合金、鋁合金、鑄鐵、低合金鋼切削同樣零件消耗的功率比值為：1：1.8：3.5：6.3。
3．鎂合金電磁屏蔽性能和導熱性均較好，適合于作發出電磁干擾的電子產品的殼、罩，尤其是緊靠人體的手機。鎂合金與鋁、銅等有色金屬一樣具有非火花性，適合做礦山設備和粉粒操作設備。鎂合金表面具有非粘附性，適合于做在冰、雪、沙塵中運動的產品。鎂合金有較好的耐磨性，適宜做纏繞滑動設備。
4．鎂合金有較高的尺寸穩定性，穩定的收縮率，鑄件和加工件尺寸精度高，除鎂-鋁-鋅合金外，大多數鎂合金在熱處理過程及長期使用中由于相變而引起的尺寸變化接近于零，適于做樣板，夾具和電子產品外罩。
5．鎂合金對缺口的敏感性比較大，易造成應力集中。在125℃以上的高溫條件下，多數合金的抗蠕變性能較差，這在選用它和設計零件時應考慮。
6．可回收。與塑料類材料相比，鎂合金具有可回收性。這對降低制品成本、節約資源、改善環境都是有益的。
二、鎂合金制品的應用：
關鍵詞：電子行業、汽車……
由于鎂合金一系列優越的性能，使它在手機、筆記本電腦、數碼相機、攝像機、飛機、汽車、摩托車、自行車及軍工產品、紡織、印刷、冶金化工、防腐等行業均獲得了應用�，F就電子，汽車兩個行業分別介紹如下：
1． 電子行業：
鎂合金在電子工業中的應用也具有很大的潛力。眾所周知，電子工業是當今發展最為迅速的行業，數字化技術的發展導致各類數字化電子產品的不斷涌現。電子元器件越來越趨于高度集成化和小型化，便攜式電腦、數碼攝錄象機、數碼照相機、手機等日新月異，更新速度之快令人瞠目結舌。鎂合金由于具有比強度高、導熱導電性好、電磁屏蔽性能好以及環境兼容性能，可代替塑料殼體滿足3C（計算機、通訊、消費類電子）產品輕、薄、小型化、高集成以及嚴格的環保要求，在信息產業中得到了廣泛的應用。目前在日本已經有大量電子產品采用鎂合金作為外殼材料。
鎂合金在電子行業中的應用以3C產品(手機、筆記本電腦、數碼相機)為主導，用鎂合金制造的殼罩與傳統塑膠殼罩相比，其優缺點對比如表2
電子產品用鎂合金殼罩與塑膠殼罩的優缺點對比表2
|
強度剛度高 |
散熱性好 |
防電磁干擾 |
|
|
優點 |
鎂合金強度比塑膠大4-5倍，剛度大20倍，用作外殼，可以做得更薄、更輕 |
鎂合金的散熱性是塑膠的二、三百倍，比熱也比塑膠大，電子零件不易過熱，手感不燙 |
鎂合金導電性能佳、有電磁屏蔽作用，可防止電磁干擾及對人體的傷害，不必另作導電處理 |
|
制造周期長 |
生產成本低 |
色彩變化少 |
|
|
缺點 |
鎂合金制品制造工序冗長、開模耗時，成型后還需二次加工與后處理，應付生命周期短的電子產品較不易 |
原料成本貴，制造工序多，產品的良品率又低，使鎂合金制品成本偏高 |
鎂合金本身為銀灰色，變色只能用涂裝印刷，無法如塑料殼混色出多種色彩與紋路 |
由上表可見，鎂合金與塑膠各有所長，但隨著鎂合金制件加工方式的改進，鎂合金具有越來越強的競爭力，表3為1997-2000年間全球筆記本電腦及鎂合金機殼的使用情況
全球筆記本電腦及鎂合金機殼使用情況表3
|
\ 年份 項目 ＼ |
1997 |
1998 |
1999 |
2000 |
|
電腦市場規模(千臺) |
14,189 |
15,543 |
19,706 |
22,809 |
|
市場增長(％) |
20.17 |
9.54 |
26.78 |
15.75 |
|
塑膠殼使用量(噸) |
17,651 |
20,245 |
21,813 |
21,237 |
|
鎂合金殼使用量(噸) |
462 |
1,245 |
2,488 |
3,610 |
|
鎂合金使用比率(％) |
2.55 |
5.79 |
10.24 |
14.53 |
原注資料來源ID(1999／12)MIC(2000／6)
由上表可見，筆記本電腦鎂合金外殼的使用比率幾年來直線上升。
國內目前在鎂合金的應用上雖在起步階段，但整個電子、電氣行業市場廣闊，發展速度極快，加之已普遍認識到鎂合金材料的優點，并著手開發研究。預計到2005年本行業用鎂量將達到14，520噸，如表4所示
國內家電市場鎂合金使用量統計及預測表4
|
產品 |
1999年 (萬件) |
2005F (萬件) |
產品用鎂合 金比例(％) |
單件鎂合金 (千克) |
2005年鎂合金 |
|
筆記本電腦 |
86 |
1,800 |
70 |
0.70 |
8,820 |
|
手機 |
1,736 |
6,000 |
50 |
0.02 |
600 |
|
相機 |
5,037 |
8,500 |
30 |
0.10 |
2,550 |
|
攝錄機及其它 |
430 |
8,500 |
30 |
0.10 |
2,550 |
2．汽車及摩托車行業：
自1970年中東石油危機后，各國對節約能源、降低油耗普遍關注。汽車行業是油耗大戶，降低汽車油耗影響巨大。據測，汽車重量每降低10％，可節油5％，油耗減少，尾氣排放量也減少，從而也減少了對環境的污染。汽車是用金屬材料堆砌而成的，要降低汽車重量，首先就要在材料上打主意。鋁合金的比重大約是鋼的1／3，以鋁代鋼，這個進程已在進行中。要進一步減輕汽車重量，人們想到了鎂，它的比重是鋁的2／3，而性能與鋁合金相近，以鎂代鋁、以鎂代鋅，是近年來的一大趨勢。據統計，北美消費的壓鑄鎂合金，在1982-1992年的10年間，以每年20％的速度增長，在1996-2000年的4年間以每年30％的速度增長，歐洲則超出60％，其中汽車工業消費占80％以上，可以說鎂合金壓鑄件在汽車行業的推廣應用，使過去用量不大的鎂合金突成新寵。
目前汽車工業中鎂合金用量較多的地區和國家主要是北美、歐洲、日本和韓國。這三部分地區1991年的用量為24kt，到1997年增至67kt，預計到2006年將達到200kt。表5為這三個地區1991—2005年轎車用鎂合金鑄件和壓鑄件需求情況。
北美、歐洲、日韓等地1991—2005年轎車用鎂合金鑄件和壓鑄件需求情況(kt)表5
|
\ 年份 地區＼ |
1991 |
1992 |
1993 |
1994 |
1995 |
1996 |
1997 |
1998 |
1999 |
2000 |
2005F |
|
北美 |
10 |
12 |
14 |
18 |
23 |
31 |
38 |
41 |
47 |
45 |
80 |
|
歐洲 |
8 |
7 |
6 |
9 |
10 |
20 |
17 |
23 |
29 |
33 |
58 |
|
日、韓 |
1 |
1 |
2 |
2 |
2 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
22 |
|
其它 |
5 |
5 |
7 |
8 |
7 |
7 |
9 |
9 |
10 |
11 |
22 |
|
共計 |
24 |
25 |
29 |
37 |
42 |
50 |
67 |
77 |
91 |
95 |
182 |
由上表可見，國外從1991年至2000年，10年間轎車用鎂合金件的數量增加了4倍，使用鎂合金零部件的數目已超過60種，各個廠家各種車型使用數目各不相同，綜合部分廠家的使用情況如下：
(1)車內構件：
儀表盤、坐椅架、坐位升降器、坐椅底架、操縱臺架、氣囊外罩、轉向盤、鎖合裝置罩、轉向柱、轉向柱支架、收音機殼、小工具箱門、車窗馬達罩、剎車與離合器踏板托架、氣動踏板托架
(2)車體構件：
門框、尾板、車頂框、車頂板、IP橫梁
(3)傳動系統：
閥蓋、凸輪蓋、四輪驅動變速箱體、手動換檔變速器、離合器外殼與活塞、進氣管、機油盤、交流電機支架、變速器殼體、齒輪箱殼體、油過濾器接頭、馬達罩、前蓋、氣缸頭蓋、分配盤支架、油泵殼、油箱、濾油器支架、左側半曲軸箱、右側半曲軸箱、空壓機罩、左抽氣管、右抽氣管
(4)底盤：
輪轂、引擎托架、前后吊桿、尾盤支架
美國福特、通用、克萊斯勒三家公司在每輛汽車上采用的鎂合金鑄件分別達到30個，45個和20個。瑞典最新推出的沃爾沃CP2000車型，全重700千克，所用鎂合金件達50千克，包括輪轂、離合器箱、轉向齒輪箱、后懸臂、發動機架、進氣歧管、氣缸體等重要部件。本田轎車部分零件在使用鎂合金后相對其原來材料的重量減輕百分比如表6所示。
本田轎車部分零件在使用鎂合金后相對其原來材料的重量減輕百分比表6
|
改用鎂合金的零部件 |
原先所用材料 |
相對減輕(％) |
|
轉向柱上支架 |
鋁合金 |
65 |
|
轉向軸 |
鋼材 |
45 |
|
氣缸蓋 |
鋁合金 |
30 |
|
制動踏板托架(整體壓鑄成) |
鋼板沖壓后焊接 |
40 |
|
輪盤 |
鋁合金 |
15 |
|
4輪驅動器變速箱體 |
鋁合金 |
25 |
根據1997年NorskHydr0公司對于汽車用鎂合金壓鑄件消耗量的統計與預測[10]，1996年為51kt／a，2000年增加到100kt／a，2006年則增加到200kt／a。福特公司人士預測[2]，2020年全世界每輛汽車平均用鎂合金100千克，世界汽車產量為6000萬輛／a，則需鎂材6Mt／a，市場無限。
我國汽車廠鎂合金件的使用還剛剛開始，目前一汽、東風和上海大眾等廠家已在使用，上海桑塔納轎車的變速箱殼體，殼蓋，及離合器外殼等使用鎂合金量約8.5千克，總的來說還遠遠落后于西方工業發達國家，這方面的潛力還很大。
3．鎂合金在其它行業的應用：
鎂具有豐富的資源,鎂合金的應用研究和開發符合當今各種工業的發展要求，因而受到了各國政府、企業和科技界的高度重視。
在航空航天方面用作飛機的起落架，艙門，連桿機構，壁板，加強框，隔框，艙面，副翼蒙皮，戰術航空導彈艙段等，尤其是密度最小的Mg-Li合金，兼有強度，韌性和可塑性，倍受航空航天業的青昧。
發達國家非常重視兵器裝備的輕量化，采用輕金屬是其主要手段之一。如英國“蝎”式坦克用輕金屬作平衡肘連桿底座、剎車盤、負重輪、炮塔座圈、油箱、坐椅等多種零部件。美國的M102式105mm榴彈炮的大架、搖架、前座板、左右耳軸托架等采用了輕金屬，火炮重量從原先(M101式炮)的3.7t降到1.4t，射程還提高了30-40％，美國研制中的新式單兵作戰系統，功能齊全，很多零件采用了輕金屬，重量僅8.172kg，但軍方仍希望再減重1.8kg。
我國也將"鎂合金應用與開發"列為國家計委和科技部聯合下發的"十五"國家科技發展規劃中材料領域的重點任務，同時"鎂合金應用開發與產業化"作為十五計劃的第一批項目已在2001年8月正式啟動。最終目標是充分發揮我國的鎂資源優勢，通過建立鎂合金技術創新體系，加強鎂合金應用開發，建立具有國際競爭力的鎂合金高新技術產業群，將鎂資源優勢轉化為經濟優勢。
我國也將"鎂合金應用與開發"列為國家計委和科技部聯合下發的"十五"國家科技發展規劃中材料領域的重點任務，同時"鎂合金應用開發與產業化"作為十五計劃的第一批項目已在2001年8月正式啟動。最終目標是充分發揮我國的鎂資源優勢，通過建立鎂合金技術創新體系，加強鎂合金應用開發，建立具有國際競爭力的鎂合金高新技術產業群，將鎂資源優勢轉化為經濟優勢。
其它如紡織、印刷、體育和家庭用品方面均有應用。隨著鎂合金研究的深入，材料性能提高，制造技術改進，鎂合金的應用會越來越廣泛。
三、我國鎂產業現狀――從鎂資源大國到鎂產業強國
我國是世界上著名的產鎂大國，原鎂產能、產量和出口均居世界首位，菱鎂礦資源總量達31.45億噸，位居全球首位，2001年出口量已達到200kt，占世界鎂市場總需求量的40％以上。但是我國的原鎂質量差，鎂合金錠的質量也不盡如人意，出口缺乏競爭力，作為結構材料應用的鎂在國內的消耗量又很少，只能作為初級原料低價出口，屬典型的源出口型工業。目前，國內的鎂冶金企業大都處于虧損或面臨倒閉；另一方面，我國對鎂合金的研究和應用尚處于起步階段。鎂合金在汽車工業上的使用僅僅是開始，遠遠落后于工業發達國家，。因此，如何利用我國的鎂資源優勢，將鎂的資源優勢轉變為技術、經濟優勢，促進國民經濟發展、增強我國鎂衍業的國際競爭力，是擺在我們面前的迫切任務。我國的鎂工業與鎂及其合金的加工、應用技術應加大開發研究以趕上世界先進水平
隨著我國西部大開發戰略的實施和加入WTO，以及國際產業結構的調整，全球制造業中心正在向中國大陸轉移，中國鎂業正面臨重大的歷史機遇與挑戰。我們應該實施科技公關，盡快形成具有獨立知識產權的鎂合金深加工技術體系，開發我國自己的鎂合金加工產業。政府要有計劃的引導和扶持先進的大型骨干企業走兼并和重組的道路，使企業做大做強，這樣才能在國際市場上與跨國公司展開競爭。
雖然我國在傳統的鋼鐵、鋁等基礎材料方面長期落后于世界，但我們有理由相信，在各方面的共同努力下，在新的世紀里，我國必將在新一代綠色輕質工程材料--鎂合金的開發應用及產業化上實現跨越式發展，成為世界最強。
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