镁合金材料的应用现状及发展趋势研究

李昀昊

（哈尔滨市第六中学，黑龙江 哈尔滨 150000）

随着能源及环境问题的日趋严峻，在制造业领域，“轻量化”的意义显得更加重大。镁作为最轻的可使用的金属材料的应用也越来越广泛。由于金属镁较为活泼，自然界中没有纯镁的存在，常常以镁的化合物形式存在。纯镁的得到过程较为曲折，最早是由英国化学家一次意外的发现开始的。Joseph Black一次在对自然界中存在的菱镁矿进行加热实验时，发现了白色颗粒状的物质，这种物质是氧化镁。化学反应如下：后来法国科学家Antoine Alexander Bussy考虑是否能够在氧化镁的基础上得到纯镁，于是他根据置换原理，将更为活泼的金属钾投入到熔融的氧化镁中，稀释出了银白色的金属镁。当时极为兴奋，质地银白的镁，色彩明丽，因此命名为镁。镁最开始由于其性质活泼，容易燃烧烧，经常用于照相机的闪光灯，也称为镁光灯，但是由于其强度低，耐蚀性能差，在工业领域应用较少。

1 电子领域

近年来，镁合金在电子领域得到了较为广泛的应用，镁合金的优势在于可以遮蔽电磁波、并且具有高分子材料不具有的良好的导热性、导电性，另外镁合金具有良好的减震性。镁合金的刚度是塑料的10倍，强度和抗老化性能明显高于塑料。镁合金减震性能是铝合金的10倍以上，可以大大地减少外界噪声和振动的影响，从而减少外界振动对电子设备的影响。拿在笔记本电脑上广泛应用的塑料相比，镁合金在强度、刚度、可回收及散热性具有独特优势；以个人笔记本电脑外壳为例，塑料壁厚一般为2.2mm，而用镁合金代替壁厚只有0.82mm左右，尽管镁合金比塑料略重，但仍然可以减重接近50%，疲劳强度和散热性也都将明显提高。下图为使用镁合金壳体的笔记本电脑。镁合金导热率是塑料的数百倍，因此用于电子产品外壳或零部件时，在应用上优势较为突出。为了追求更加轻薄，逐步将镁合金应用其中，比如：DELL曾推出Latitude C400电脑就已经在固定显示屏顶盖和基座采用镁合金材料，还准备在处理器、主板、硬盘等器件上适用镁合金。从镁合金在汽车及通讯电子领域的应用看其发展趋势。另外，在数码相机壳及手机壳，镁合金也得到了广泛应用。

2 汽车领域

表1列出了几种新型汽车和卡车上的镁合金使用情况。

表1 新型汽车和卡车的镁合金部件

另外，镁合金在汽车轮毂上应用也受到了广泛的重视，如福特汽车公司于1998年推出的轻质概念车P2000采用了3.1kg的压铸镁合金轮毅，比钢板冲压轮毅轻5kg；日本轻金属株式会用充氧压铸法成批生产了AM60镁合金汽车轮毅和摩托车轮毅，重量减少了15%；意大利的菲亚特(Fiat)和美国的道屋(DOw)公司合作，选用AM60A合金生产出了压铸镁合金车轮，可满足使用要求；美国通用汽车公司研制的AM60B压铸车轮。

3 航空航天

镁合金的诸多优势性能，如：高的强度，刚度，良好的导热性和导电性，良好的减震性和电磁屏蔽性（抗短波和高能粒子轰击），使其在航空航天领域有着独特的优势，特别是重量减轻会大大提高经济效益，表2列出降低1磅带来的经济效益。铸造镁合金在航空工业上的应用，主要是划分为不同的零件，承受各类荷载，在轰炸机上，镁合金用量为8600Kg，其中一半是作为结构材料。不同镁合金应用的零部件不同，美国麦道夫公司，采用Tagnite也显著提高耐蚀性能，辅以新型低压铸造工艺，涡桨发动机的附件传动机匣和减速器机匣采用ZM5制造。近年来，为了进一步使用镁合金材料代替铝合金材料应用于飞机并降低风险，欧盟把工程进程分为两步：①替代中等强度的5×××系铝合金；②替代中等强度和高强度的2×××系铝合金，并认为：Mg-Al-Zn、Mg-Zn-Zr-RE、Mg-Y-RE（包括WE43、WE54）系列镁合金在此方面具有前景。

表2 每减少1磅重量带来的经济效益

在我国航天事业高速发展的背景下，航天器镁合金也得到了广泛应用，其结构逐步朝着大型化方向发展。航天铝合金应用，一般是铸造大型金属结构件。通过控制铸造生产环节，注重质量把控，可生产高品质的构件。

4 航空用镁合金的特性

航空镁合金由于其特殊的服役条件和工作环境，对其性能提出了许多特殊的要求，对于一些受力航空件，要求镁合金的力学性能、特别是疲劳性能要好，对于在较高温度使用的航空镁合金件，要求其具有较高的耐热性能，对于油箱、或带有油路的航空件，则要求其良好的耐腐蚀性、另外还要求良好的电磁屏蔽性，因此航空用镁合金性能的提高具有重要意义。对于力学性能的提高，组织的优化和细化具有重要的作用，因此，镁合金组织的细化对航空领域应用，具有较为重要的意义。

5 医用材料领域

在医学内的应用主要包括：骨折内固定材料，骨组织工程多孔支架材料。

6 海洋装备领域

镁合金是一类拥有多种优异特性的金属材料，在多功能材料领域有着巨大的开发前景。早在20世纪80年代，便开始利用原电池原理开发镁合金在海洋领域的应用，比如，用于阴极保护的镁合金牺牲阳极，海上重要仪器回收装置或定时触发装置、氢气浮力装置等等。然而，以往对镁合金溶解性的探宄不够深入，缺乏系统的理论和试验研究来指导应用。

7 石油领域暂时在低渗透油气藏的开发中，压裂改造是提高单

井产量的重要措施。投球滑套分段压裂工艺是应用较为广泛的压裂改造技术，其原理是在需要改造的位置处下嵌入封隔器与投球滑套，对储层进行有选择性地封隔，通过投送尺寸由小到大的压裂球，依次打开压裂滑套，从而实现分段压裂。待各段储层压裂完成后，压裂球需返排至地面以打通井道实现油气的开采。然而，压裂球有时会由于变形或者地层压力不足等原因而导致其而卡在球座中不能排出，将会影响油气井的正常生产。采用可溶压裂球能够有效解决该问题，即压裂球在压裂完成后可在井下环境中自行分解，从而免去返排或钻磨等工序，提高了生产效率。