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，黑龍江 哈爾濱 150000）

隨著能源及環(huán)境問題的日趨嚴峻，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反應(yīng)如下：后來法國科學家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)常用于照相機的閃光燈，也稱為鎂光燈，但是由于其強度低，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熱性、導電性，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)碼相機殼及手機殼，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：高的強度，剛度，良好的導熱性和導電性，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)濟效益，表2列出降低1磅帶來的經(jīng)濟效益。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)動機的附件傳動機匣和減速器機匣采用ZM5制造。近年來，為了進一步使用鎂合金材料代替鋁合金材料應(yīng)用于飛機并降低風險，歐盟把工程進程分為兩步：①替代中等強度的5×××系鋁合金；②替代中等強度和高強度的2×××系鋁合金，并認為：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。對于力學性能的提高，組織的優(yōu)化和細化具有重要的作用，因此，鎂合金組織的細化對航空領(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。