镁合金

镁合金
Magnesium alloy
                        李金星  车辆C043  学号：043365
关键词：镁合金（Magnesium alloy）
热点聚焦 近几年，全球镁的用量以每年20％的幅度快速增长，这在现代工程金属材料应用中是前所未有的。有专家预测---镁合金时代正向我们走来
如果每辆汽车上使用70公斤镁合金，二氧化碳的年排放量就能减少30%以上。这是因为镁合金比相同体积的铝合金轻36%、锌合金轻73%、钢轻77%，而汽车自重每减轻100公斤，百公里油耗就可减少0.7升左右，二氧化碳排放相应减少。因此，在现代汽车不断高涨的减重节能要求下，镁合金成为汽车轻量化无可争辩的首选材料。而这只是镁合金应用的冰山一角。
    在日益严重的资源和环境双重压力下，镁及镁合金作为目前工程应用中最轻和尚未被全面开发的金属材料，正受到前所未有的关注，大规模开发和利用镁合金的时代正向我们走来。
发展机遇  天然储备得天独厚
    实际上，发达国家对镁合金的重视已有10年之久。随着全球工业化进程的推进和资源大规模开发，以铁、铝为代表的许多传统金属矿产资源日益紧缺，各工业发达国家纷纷出台具有战略高度的大型研究计划，推动镁合金在交通、计算机、通讯、消费类电子、国防军工等诸多领域的应用。
    对于我国来说，镁合金产业的发展意义更是不同一般。我国镁资源的蕴藏丰富，镁资源占全球总储量的22.5%。储量巨大的白云石矿和青海的盐湖，也含有十分丰富的镁资源。    1999年，我国原镁产量达到12万吨，首次超过美国，成为是世界上第一大镁生产国。至今已连续六年位居产量第一位，出口第一位。年总产量占全世界年总产量的70%以上，几乎左右着世界原镁的价格。
    上海交大副校长丁文江认为，镁合金产业的发展将是提升我国制造业水平的重要契机。
    他说："随着'创新-设计-制造'产业链在世界范围内形成分工，美国和日本等发达国家占领了产业链的前端。传统加工制造业处于整个产业链的最末端，利润空间被压缩得十分有限，而且消耗了大量资源。发展镁合金产业有可能变革这种局面，在我国金属矿产资源当中，镁是为数不多的几种具有资源、生产和市场优势的资源之一。在与镁相关的产业链中，我们已经占据了十分有利的地位"。
技术创新
    汽车里面的方向盘、仪表板和变速箱，手机、电脑、DVD，乃至彩电、冰箱和自行车......这些我们再熟悉不过的物件将会因为镁合金材料的使用给人一种崭新的感觉。
    这种悄然发生的变化和让人激动的未来憧憬正是缘自国家科技攻关项目"镁合金开发应用及产业化"项目的实施以及镁合金关键技术、工艺与装备的突破。
    2004年12月11日，青海察尔汗盐湖的绵延盐桥，见证了我国镁资源利用技术一项具有历史意义的成就，年产1500吨无水氯化镁工业装置现场调试成功。我国成为继挪威、澳大利亚之后第三个建有水氯镁石脱水工业装置的国家。这一困扰我国镁资源利用长达30年之久的世界性技术难题"水氯镁石脱水"的破解，为富藏镁资源的青海盐湖地区建成为原镁及镁合金生产基地扫清了一大障碍
    也就是在这一年，"镁制品成型关键装备研究开发"取得突破：开发出具有自主知识产权的10种规格镁合金热、冷室压铸机及熔炉系统等辅助装备，填补了国内镁压铸成型装备的空白，实现了镁合金熔炉系统等关键辅助设备的国产化，占国内市场近50%的份额。此项创新，打破了引进国外镁合金成套生产设备，导致生产成本过高、企业国际竞争乏力，制约镁合金产业应用与发展的局面。使更多的国内企业因为行业门槛的降低而获得巨大发展空间，使更多的国内消费者用上了镁制品。
    镁合金制品应用生产基地建立，围绕汽车、摩托车及通讯产品等几大领域，成功开发出25种镁合金摩托车零件和52种镁合金汽车零件。同时开发了14类镁合金3C(计算机、通讯、消费类电子)产品零件和8种列车制动器零件，极大推动了镁合金应用市场的开发和培育。
    截至2006年4月，"镁合金开发应用及产业化"项目中，镁制品高效率低成本微弧氧化处理技术与装备取得进展；激光-氩弧复合热源焊接设备和工艺达到国际较高水平；皮江法炼镁工艺技术不断提高，节约了资源，减少了污染；高品质镁合金短流程工艺成功应用，大大降低了生产成本......
    围绕镁及镁合金产业所取得的技术成就与产业化示范，国家镁合金开发应用及产业化办公室负责人介绍："该项目克服了以发展单项技术为主、材料研究与应用产品脱节的传统项目管理模式，按照'一条产业链'的总体布局，集中组织了原镁及高品质镁合金、镁合金关键装备、交通和3C等领域应用产品开发、镁合金回收等高度关联的关键技术攻关。"
    目前，在北到黑龙江，南到广东、珠江三角洲，西到宁夏、青海，东到胶东半岛、长江三角洲以及西南的重庆、四川等，我国已经初步形成一条相对完整的镁合金技术创新产业链。这条产业链贯穿东西南北，体现了从原料生产、装备制造、产品开发到产业化示范基地的镁合金高技术产业格局。
镁合金在工业上的用途已经在逐渐改变着人们的生活，推动着社会的发展
 在2004年3月14日至18日，美国北加州汽车行业与镁行业联合召开镁技术国际研讨会。主要议题是：镁及镁合金焊接技术在汽车上的应用；变形镁合金、强韧化技术、抗蚀性及表面处理技术；镁的回收及环境；铸造技术；汽车零部件主题技术；新合金的开发及高强韧、高疲劳、高温和耐蚀。20多个国家的代表参加了本次盛会，其中有美国通用、福特汽车两大公司和世界上最大的两个镁企业。
 在镁合金上电镀耐蚀金属一般要经过电镀铜的过渡层以提高后镀金属的均镀性能和结合力．焦磷酸盐电镀铜是一种环保型电镀工艺，通过电镀锌后再电镀铜能获得结合力和致密性较高的镀层．镀锌液以硫酸锌为主盐，焦磷酸钾为配合剂，柠檬酸铵作辅助配合剂兼导电盐，电流密度2～3A·dm^-2，温度在40℃时得到的锌镀层耐蚀性能较好，镀铜电流密度在0．5～2A·dm^-2之间得出的镀层耐蚀性能较好．用研究的焦磷酸盐镀铜工艺代替氰化镀铜工艺作为过渡铜镀层的无氰镀工艺．
 采用电压-时间曲线、全浸腐蚀实验、极化曲线法、X射线衍射法（XRD）、扫描电镜（SEM）和能量色散谱仪（EDS）等方法研究了AZ91D镁合金在含不同浓度氢氧化钠溶液中的阳极氧化行为和膜层的成分、结构。结果表明，在本研究给定工艺中，AZ91D镁合金的阳极氧化过程可分为三个阶段：电火花出现之前的致密层生成阶段，少量小电火花出现的多孔层生成阶段，出现较大电火花的多孔膜层稳定生长阶段。阳极氧化过程中，随着NaOH浓度的升高，出现电火花的时间缩短，出现电火花的电压值降低，阳极氧化膜表面的颗粒变小、孔隙率减小，膜层厚度减小；阳极氧化膜的主要组成是MgO，并含有少量的Mg3B2O6；NaOH浓度对阳极氧化膜耐蚀性影响较大，当NaOH浓度为40g/L时，膜层的耐蚀性能最好。
 利用平行板触变压缩仪研究了电磁搅拌的半固态AZ91D合金试样的压缩变形和组织．结果表明：随着半固态压缩变形温度的升高，AZ91D镁合金试样变形的速度加快，即变形应变速度增大，但压缩应力不断下降；在某一载荷下，AZ91D镁合金试样压缩变形应力和应变呈明显的线性关系，与压缩温度的高低无关．随着半固态压缩载荷的提高，AZ91D镁合金试样变形的速度增加，应变速度增大，应力下降速度加快；在不同的压缩载荷下，AZ91D镁合金试样的压缩变形应力和应变都呈明显的线性关系．在实验中的各种半固态压缩变形条件下，初生α-Mg在压缩后AZ91D镁合金试样组织中的分布很均匀，几乎不存在组织偏析，当初牛固相的形态呈球状结构，在相同的变形条件下，不同种类合金的半固态压缩变形规律非常相似。
 利用模内直接抽真空的方法可以解决镁合金薄壁壳形件流程长、填充型腔困难的问题，同时可减少镁合金的氧化和内部气孔、提高压铸件致密度、减小变形和达到高的表面质量要求。分析了薄壁壳形件镁合金真空压铸模设计的要点，指出了模具浇注系统、排溢系统、冷却系统和推出机构等的设计与常规压铸模具设计之间存在的差别，确保真空压铸成型工艺能够顺利实现。
 针对不同晶粒尺寸的镁合金AZ31及添加稀土Ce或Nd的AZ31Ce／AZ31Nd的轧制变形行为，探讨了滑移、孪生和晶界滑动三种变形机制在镁合金塑性变形过程中的作用。结果表明：多种变形机制共同作用可提高镁合金在热变形时的塑性变形能力；合金热变形及再结晶退火后，在平均晶粒尺寸为50μm以上的大晶粒中，变形机制以滑移和孪生为主，位错运动和增殖会使位错在变形过程中互相缠结、钉扎以及受晶界的阻碍而终止运动；孪生容易发生在不利于滑移的晶粒中促进塑性变形；在5～20μm的小晶粒中，晶界滑动机制发挥了重要作用，它可以协调大尺寸晶粒的变形而对提高镁合金变形能力起有益的补充作用。
 对镁合金轮毂低压铸造模具关键部位的冷却性能进行模拟研究，对比了采用不同冷却方式所产生的凝固缩孔缺陷．研究发现，单独设置侧模冷却管道是一种有效的冷却方式，能够很好地减小镁合金轮毂低压铸造凝固过程中在轮辐与轮辋连接处所产生的合金液体孤岛体积，使其位置向轮心方向移动，进而降低这些区域的缩孔缺陷．通过对改进冷却性能后的轮毂实施静力学强度分析，对比改善前后轮毂应力应变分布情况，表明了模具冷却性能改善的有效性．
 研究了电磁搅拌强度和搅拌时间对镁合金AZ91D半固态组织的影响。结果表明：提高搅拌强度和延长搅拌时间均有利于非枝晶组织的形成。电磁搅拌使初生a-Mg由枝晶状变为球状，是由于搅动引起熔体内热量和物质的快速混合，使熔体内各处的温度和成分均匀，不仅使已生成的树枝晶沿根部熔断分离，而且消除了枝晶生长的条件，无论是熔断的枝晶碎块还是新生成的晶核均生长成球状或近球状。
 目前世界范围内变形镁合金研究领域的前沿热门课题--变形镁合金连续铸轧成型技术．近日在洛阳铜加工集团有限责任公司取得突破性进展：笔者获悉，6mm×600mm的AZ31B变形镁合金带坯试制成功，标志着洛铜集团在变形镁合金生产技术领域已经站在了世界前沿，在国内国际处于领先地位，对我国及世界镁产业的发展具有深远的影响。
由大变强
面向未来任重道远
    有关专家提醒，作为镁资源大国、镁生产大国和出口大国，我们要成为镁产业强国还有很长的路要走。
    "镁产业是一个技术含量很高的新兴产业，已经建立的镁合金产业链还存在许多薄弱环节，一些制约镁产业快速发展的技术瓶颈仍未突破。"科技部有关负责人表示。"这些技术瓶颈包括制约镁合金发展的三大技术难题(低强度、低塑性、不耐蚀)尚未突破；现有镁合金的强度、抗蠕变性能较低，制约了镁合金在更大范围的应用；针对镁合金零部件的工程设计开发还停留在替代利用阶段等等。"
    "10多年来，中国镁工业以年均37%的增长率迅速发展，给中国经济发展带来无限生机。但是，快速发展的同时，带来一些问题：如工艺简单，技术装备落后，污染环境，资源、能源浪费比较严重，产品质量不够稳定等。这些问题必将给镁业良性发展带来严重后果。"中国工程院左铁镛院士直言不讳。
    对此，左铁镛院士提出了未来发展我国镁及镁合金产业的一些具体建议，诸如走循环经济之路发展新型镁工业；加强镁的应用基础理论研究，加大镁深加工产品的研发与推广力度。他还希望政府能够出台相关政策，拉动国内镁制品的应用。诸如对交通领域提出减重、尾气排放要求，使国内汽车制造商不得不采用镁合金替代钢、锌合金、铝合金等铸件以减轻汽车自重。
    针对近年来我国原镁产量及出口量快速发展，镁的初级产品应用已经有所突破，但高附加值的镁合金产品开发和应用却显相对不足的现状，左铁镛院士呼吁"我国镁业的发展，应向规模化、专业化、集团化方向发展，提高产业的集中度，形成以镁为中心的产业群，把企业做大做强，做专做特，充分挖掘我国镁资源潜力，以促进我国镁工业全面、协调、可持续发展。"

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