劉智超，李堯，楊俊杰

（江漢大學(xué)機(jī)電與建筑工程學(xué)院，湖北武漢430056）

鎂合金相關(guān)技術(shù)研究及應(yīng)用

劉智超，李堯，楊俊杰

（江漢大學(xué)機(jī)電與建筑工程學(xué)院，湖北武漢430056）

列舉了常用鎂合金牌號(hào)及其對(duì)應(yīng)成分，從其性能入手介紹了各系列合金應(yīng)用特性。針對(duì)目前常用鎂合金性能不足的情況，以表面技術(shù)強(qiáng)化和稀土添加強(qiáng)化為主，概述了鎂合金強(qiáng)化的最新進(jìn)展。鎂合金按加工方式可分為鑄造及變形兩類(lèi)，從鑄造、焊接以及變形成型3個(gè)方面介紹了鎂合金加工領(lǐng)域的最新技術(shù)，并概述了目前汽車(chē)、3C、醫(yī)療行業(yè)中鎂合金的應(yīng)用。

鎂合金；稀土強(qiáng)化；表面技術(shù)強(qiáng)化；加工技術(shù)

0 引言

鎂為銀白色金屬，密排六方晶格，無(wú)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。鎂合金是以鎂為基礎(chǔ)，加入其他元素形成的合金，密度較低（1.8 g/cm3），約為鋁合金的2/3、鋼的1/4，而其比重僅為鋅的1/4左右［1］。鎂合金具有良好的切削性能，允用較高的切削速度且對(duì)刀具的損傷很低。鎂合金的鑄造成型性能較好，與鋁合金相比單位體積熱含量較低，鑄造時(shí)更易脫模。同時(shí)，生產(chǎn)廢料經(jīng)重熔后可用作鑄造原料，回收性較好。另一方面，鎂合金具有較高的散熱性、良好的磁屏蔽性以及吸震性。

1 鎂合金的種類(lèi)及用途

鎂合金從工藝上分為變形鎂合金和鑄造鎂合金。目前，國(guó)內(nèi)鎂合金主要分為以下幾個(gè)系列［2］，見(jiàn)表1。

AZ系列分為變形鎂合金和鑄造鎂合金。鑄造鎂合金有較低的凝固潛熱，鑄造時(shí)有較高的凝固速率及生產(chǎn)效率，同時(shí)不易損傷模具，不粘模，多用于航空、汽車(chē)等領(lǐng)域結(jié)構(gòu)件鑄造。AZ系列變形鎂合金可熱處理強(qiáng)化，且焊接性較好，多用于板材成型。AM系列合金具有較好的延伸性、韌性以及抗彎性能，多使用壓鑄工藝制造各類(lèi)受沖擊載荷要求較高的零部件。MM系列屬于變形鎂合金，強(qiáng)度一般，耐腐蝕性比AZ系列好，高溫時(shí)有較好塑性利于加工，常用于管材、棒材、板料的制造。MZZ系列也屬于變形鎂合金，在鎂合金中具有較好強(qiáng)度和良好韌性，但焊接性能較差，常用于擠壓生產(chǎn)［3］。

表1 鎂合金的分類(lèi)Tab.1Classification of magnesium alloy

2 鎂合金相關(guān)技術(shù)

2.1 稀土強(qiáng)化

稀土元素具有獨(dú)特的核外電子結(jié)構(gòu)，位于元素周期表三副族，易與O、S等元素相結(jié)合。稀土元素由于其獨(dú)特的性質(zhì)，作為一種重要的合金化元素，在冶金、材料等領(lǐng)域起著重要作用，例如細(xì)化合金組織、凈化合金熔體、增強(qiáng)耐腐蝕性能和提高合金力學(xué)性能等［4］。目前，稀土鎂合金的研究主要分為以下4個(gè)方向：耐腐蝕稀土鎂合金、耐熱稀土鎂合金、阻燃稀土鎂合金和高強(qiáng)稀土鎂合金［5-6］。英國(guó)研制出含Y、Nd的鎂合金，其正常使用溫度可達(dá)250℃［7-8］。ARRABAL等［9］對(duì)潮濕環(huán)境下含Nd、Gd鎂合金的腐蝕行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)稀土提升了AM50合金高達(dá)43%的耐腐蝕性，但對(duì)同樣情況下的AZ91D合金無(wú)明顯影響。ZAFARI等［10-11］對(duì)AZ91D合金的高溫耐磨性能進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)添加3 wt%稀土后在150和200℃時(shí)有較好力學(xué)表現(xiàn)。楊明波等［12-14］對(duì)Ca對(duì)稀土合金的影響進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)Ca的加入提升了其拉伸及蠕變特性，而當(dāng)添加稀土為Y時(shí)，其熱穩(wěn)定性也得到提高。

2.2 表面技術(shù)強(qiáng)化

受限于鎂本身的性質(zhì)，人們常通過(guò)表面技術(shù)來(lái)強(qiáng)化鎂合金性能，特別是耐腐蝕能力。目前，應(yīng)用于鎂合金的表面技術(shù)有化學(xué)處理、陽(yáng)極氧化、離子滲入、金屬鍍層、激光改性以及有機(jī)涂層等。周婉秋等［15］研究發(fā)現(xiàn)，在錳鹽和磷酸鹽組成的無(wú)鉻體系中，AZ31D鎂合金可形成經(jīng)過(guò)5%NaCl腐蝕后具有自愈能力的保護(hù)膜；HAMDY等［16］最近則研發(fā)了可用于AZ31鎂合金的智能自修復(fù)釩轉(zhuǎn)化涂層，其局部耐腐蝕性顯著增加；HARADA等［17］使用溶膠-凝膠法對(duì)AZ80鎂合金覆蓋陶瓷涂層時(shí)發(fā)現(xiàn)，覆蓋過(guò)程中得到細(xì)化的合金組織與涂層一起提升了合金耐腐蝕性；MURILLO-GU?TIéRRE等［18］將轉(zhuǎn)化層及溶膠-凝膠涂層混合研究發(fā)現(xiàn)，合金耐腐蝕性隨著轉(zhuǎn)化層變厚而提升。此外，表面技術(shù)對(duì)鎂合金強(qiáng)度也有促進(jìn)作用。HAJIALI FINI等［19］利用Ni-SiC納米復(fù)合鍍層將AZ91合金耐腐蝕性能提升的同時(shí)，大幅提升了其磨損性能，相同磨損情況下未處理合金磨損量約為其8倍。TALTAVULL等［20-21］首先對(duì)AM60鎂合金的干滑動(dòng)摩擦性能進(jìn)行了研究，此后對(duì)合金進(jìn)行激光表面熔化處理，細(xì)化了金相組織且硬化了合金表面，綜合耐磨性能提升了不少。

2.3 加工技術(shù)

鑄造是加工鎂合金結(jié)構(gòu)件的主要手段之一，鎂合金鑄造性能及工藝一直以來(lái)都是研究者們關(guān)心的話(huà)題［22-25］。BISWAS等［26］研究發(fā)現(xiàn)，高壓壓鑄AZ91鎂合金的屈服強(qiáng)度與平均孔徑相關(guān)，孔徑越小強(qiáng)度越高；ELSAYED等［27］探討了AZ91鎂合金熔融物純凈度對(duì)合金性能影響，發(fā)現(xiàn)在模具內(nèi)添加一個(gè)細(xì)孔過(guò)濾器，其鑄造成品極限抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別增加了9%和41%；KOLTYGIN等［28］對(duì)含鈣鎂合金鑄造工藝進(jìn)行了改良，提高原料利用率的同時(shí)降低了非金屬雜質(zhì)的含量。由于重熔1 kg鎂合金廢料只需大約1～2kWh的能源，其經(jīng)濟(jì)環(huán)保價(jià)值不言而喻［29］。MENDIS等［30］分析了目前鎂的幾種有效回收方式；EHRENBERGER等［31］則針對(duì)目前廣泛應(yīng)用鑄造鎂合金的汽車(chē)領(lǐng)域零部件回收問(wèn)題進(jìn)行了探討，分析了其元素分離利用及其他回收方式的可行性。

鎂合金焊接技術(shù)對(duì)于其加工性能的提升具有重大意義［32］。HOSSEINI等［33-34］利用合金間半固態(tài)相溶的理論，研發(fā)了AZ91合金半固態(tài)混合焊接法；PATEL等［35］研究了AZ31合金的超聲波點(diǎn)焊技術(shù)，觀察分析了焊接能量對(duì)組織結(jié)構(gòu)的影響，搭接剪切強(qiáng)度隨能量增加而增大，2000 J達(dá)到最大，其后降低。

鎂合金的變形成型相關(guān)技術(shù)近年來(lái)也有不少研究。電致塑性加工是指利用電流或電場(chǎng)在金屬塑性變形時(shí)提升其塑性的工藝［36］。利用該現(xiàn)象，閻峰云等［37］自主研發(fā)了AZ91D合金板材的電脈沖軋制設(shè)備及相關(guān)工藝；田昊洋等［38-39］探討了鎂合金絲材電塑性的特性，使用電拉絲工藝后材料塑性及成型性能有大幅提升。此外，鎂合金一直是材料超塑性研究中不可缺少的部分。吳立鴻等［40-41］探討了鎂合金超塑性的機(jī)制，指出了晶界滑動(dòng)、晶內(nèi)滑移以及孿生在變形過(guò)程中的作用；郭俊卿等［42］介紹了鎂合金的強(qiáng)化方式，利用AZ91D合金的超塑性改進(jìn)了管材生產(chǎn)工藝；權(quán)高峰等［43］介紹了一種超塑性模鍛的鎂合金輪轂，其噪聲、節(jié)油比等均有較好改善。

3 鎂合金相關(guān)應(yīng)用

3.1 汽車(chē)行業(yè)應(yīng)用

為了滿(mǎn)足汽車(chē)輕量化的需求，達(dá)到降低能耗、促進(jìn)環(huán)保的目標(biāo)，汽車(chē)行業(yè)越來(lái)越廣泛地使用比重較低的鎂合金材料。汽車(chē)用鎂合金的主要成型手段是普通壓鑄，通過(guò)普通壓鑄生產(chǎn)的鎂合金約占車(chē)用鎂合金總量的80%。早在幾十年前，大眾Bettle汽車(chē)就開(kāi)始生產(chǎn)使用鎂合金部件，其曲軸箱、齒輪傳動(dòng)箱殼體重量約20 kg。帕薩特、奧的A4和奧迪A6等汽車(chē)的齒輪箱殼體使用AZ91D鎂合金，比鋁合金部件減重25%［44］。隨著鎂合金研究的逐漸深入以及性能的不斷提升，越來(lái)越多的汽車(chē)廠商加入到使用鎂合金的行列。美國(guó)福特、美國(guó)通用、德國(guó)大眾、日本三菱等汽車(chē)公司已采用鎂合金零部件替代原有的鋁合金汽車(chē)零部件和塑料零部件，包括：發(fā)動(dòng)機(jī)殼體和蓋、變速箱殼體和蓋、離合器殼體、液力變扭器殼體、發(fā)電機(jī)托架、剎車(chē)踏板支架、車(chē)身殼體框架、車(chē)門(mén)、車(chē)輪、方向盤(pán)、儀表盤(pán)、后橋驅(qū)動(dòng)器、轉(zhuǎn)向節(jié)、座椅支架、把手等100多種零部件［45］。

3.2 3C行業(yè)應(yīng)用

鎂合金因其散熱性強(qiáng)、吸震性佳、密度小、薄壁鑄造性好等優(yōu)點(diǎn)，一直吸引著近幾年市場(chǎng)消費(fèi)熱點(diǎn)的3C（通訊、電腦、消費(fèi)電子產(chǎn)品）產(chǎn)業(yè)的關(guān)注。日本尼康公司使用鎂合金作為其單反相機(jī)框架，大大減輕了其產(chǎn)品重量；東芝公司使用鎂合金制造的筆記本電腦框架可有效減輕摔碰對(duì)核心部件的影響；美國(guó)蘋(píng)果公司利用鎂合金制造的各類(lèi)電子產(chǎn)品因其質(zhì)量輕，金屬外形時(shí)尚，一直引領(lǐng)著行業(yè)潮流。無(wú)論是作為產(chǎn)品框架的結(jié)構(gòu)件，還是作為散熱部件或者是外殼，鎂合金都已成為未來(lái)電子產(chǎn)品中不可缺少的一部分。

3.3 醫(yī)療材料應(yīng)用

現(xiàn)代醫(yī)療水平隨著生物及檢測(cè)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展而不斷進(jìn)步，其對(duì)醫(yī)療材料的要求也越來(lái)越高。植入材料除了要考慮強(qiáng)度、韌性等，更要注重與生物環(huán)境的相容及腐蝕性。鎂作為人體不可缺少的礦物元素之一，在生命活動(dòng)中扮演著重要角色。醫(yī)用鎂合金常被用作人體植入材料，其特點(diǎn)是可在人體內(nèi)降解，且強(qiáng)度韌性等較其他金屬更接近骨骼［46-48］。一直以來(lái)，人們將研究的目光主要放在生物降解及耐腐蝕性上。WILLBOLD等［49］研究了快速凝固合金的生物相容及降解性。DZIUBA等［50］著重探討了鎂合金長(zhǎng)期處于生物體中的降解行為，發(fā)現(xiàn)其雖有不錯(cuò)的生物相容性，但完全溶解后對(duì)生物組織病理有影響。CHOUD?HARY等［51］探究了無(wú)鋁鎂合金生物環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂行為。此外，移植用合金材料涂層對(duì)于其性能的影響也十分巨大。RAZAVI等［52］將納米透輝石通過(guò)電泳沉積和微弧氧化法涂覆于鎂合金上，提高了耐腐蝕性及體外生活活性。

4 結(jié)語(yǔ)

伴隨可持續(xù)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，鎂合金材料在各領(lǐng)域的應(yīng)用將越來(lái)越受到重視?？v觀目前鎂合金發(fā)展及應(yīng)用，其未來(lái)研究方向及趨勢(shì)可概括為以下幾點(diǎn)：

1）材料性能提升上不再局限于單種稀土或其他元素對(duì)結(jié)構(gòu)或性能的影響，而是復(fù)合添加多種元素，并研究各元素間的相互作用及其關(guān)系。

2）鎂合金較差的耐腐蝕性一直是困擾其發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，目前通過(guò)表面處理，改善微觀結(jié)構(gòu)或增加合金純度可以解決這個(gè)問(wèn)題，但針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域及使用環(huán)境要求，其防腐方法應(yīng)更加細(xì)化。

3）鎂合金的回收利用將由同牌號(hào)鎂合金的重熔向多元合金分離回收的方向發(fā)展，同時(shí)回收重熔工藝將更加節(jié)能環(huán)保。

4）鎂合金的強(qiáng)化雖已有很多研究，但其強(qiáng)度的提升將更加促進(jìn)其輕量化材料的作用。

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（責(zé)任編輯：曾婷）

Research and Application of Magnesium Alloy Technology

LIU Zhichao，LI Yao，YANG Junjie
（School of Electromechanical and Architectural Engineering，Jianghan University，Wuhan 430056，Hubei，China）

Lists the commonly used magnesium alloy brand and its corresponding ingredients，start?ing from its properties，introduces the application feature of different alloys.Towards the insufficient performance of magnesium alloy commonly used at present，mainly based on surface technology strengthening and rare-earth adding strengthening，summarizes the latest progress of magnesium al?loy strengthening.In accordance with the processing method，it can be divided into casting and defor?mation.From three aspects which are casting，jointing，deformation，introduces the new technology in magnesium alloy processing domain，meanwhile，summarizes the application of magnesium alloy in automobile，3C and medicine.

magnesium alloy；rare-earth strengthening；surface technology strengthening；process?ing technology

TG146.22

A

1673-0143（2014）03-0041-06

2014-03-05

湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（2008CDA028）；武漢市科技局項(xiàng)目（201250499145-16，2013071004010467）

劉智超（1989—），男，碩士生，研究方向：金屬材料。