浅谈镁铝锶合金的应用及发展方向

冀 娜，王 蕊

（金川集团有限公司采购供应中心，甘肃 金昌 624100）

1 镁铝合金的应用及发展方向

镁铝合金是一种在铝合金中添加镁的合金。由镁锭和铝锭在保护气体中经高温熔融而成，它的基本特点是硬度高、比重小、耐蚀、可焊。与塑料相比而言，镁铝合金单位质量的弹性率和强度相对更高，在相同强度的要求下，与塑料相比，镁铝合金的零部件较薄,较轻。此外,镁铝合金比铝、铁的强度高,在不减少降低零部件的强度下，铝或铁制件的质量可以降低,具有良好的导热性,因此应用前景较为广泛。镁铝合金根据其使用性能的不同主要分为以下四个系列：Mg-Al-Mn(AM系列)、Mg-Al-Zn-Mn(AZ系列)、Mg-Al-Si(AS系列)、Mg-Al-稀土元素(AE系列)，目前铝合金应用最为广泛的美铝系合金是AZ（Mg-Al-Zn）系合金。因为AZ系合金的屈服点很高，可以广泛用于制造形状复杂的零件，如传动系统的壳体、发动机和电子设备、手动工具等。镁合金具有极低的电位负性,与铁的有效电位有很大的不同,因此保护半径比较大,可适用于电阻率较高的水或土壤介质，目前主要用于高电阻率土壤介质的金属储罐管道、海上钻井平台、淡水介质中的冷凝器和电热水器的防腐保护。另外镁铝合金具有优异的减震性能，其阻尼性能高于很多其他合金，因此也广泛应用于军事事物等高端领域。

镁是最轻的结构金属材料之一,它具有更高的比刚度和比强度，阻尼强、切削性能好、易于回收等优点。镁在40世纪以来,在国内外得到了应用。铝合金应用于汽车工业,充分发挥其节能减重、减污、改善环境等方面的作用。通过采用新工艺、新技术和先进合理的技术手段,开发高强度耐腐蚀性能。新型铸造镁合金同时降低了成本,从而极大地促进了镁合金在汽车中的应用。目前全球镁铝合金消费量最大的是汽车行业，为减轻汽车总重，镁铝合金压铸件在汽车使用的用途越来越多，包括仪表盘、方向盘、变箱、油底殻、气缸罩葢、座椅架及轮毂等多个关键零部件。根据统计数据,2003年美国镁铝合金每车平均使用量已经达到约60千克,美国汽车材料协会(USAMP)预计到2020年,在北美生产每辆车镁铝合金用量将达到160千克左右。据有关数据显示，全球镁合金在汽车压铸件方面的增长率连续多年保持在15%的水平，是当下和未来新产业的亮点。在我国不少品牌汽车开始使用镁铝合金，重庆、成都等地将成为我国汽车用镁铝合金研究与开发应用的生产基地。因此,全面推进镁铝合金产品在汽车上的使用将成为新物质产业的重要发展方向。

压铸成型是应用最为广泛的镁铝合金成形方法，近年来发展起来的镁铝合金模具新型铸造技术包括真空压铸和充氧压铸，前者已成功生产出AM60B镁铝合金汽车轮毅和方向盘，后者也被用来生产汽车上的镁铝合金零件。

2 铝锶合金的应用及发展方向

在金属材料中，由于铝及其合金由于密度小、塑性高、导电导热性能好、具有良好的导电导热性和耐腐蚀性。良好、丰富的资源输出、易加工等特点在汽车、摩托车、电池车等方面得到了广泛的应用。在行业铝合金零件铸造生产领域,生产铸件的金属模具的地位将直接影响铝合金铸件的质量和产量。为了提高改善铝合金的机械性能，常常会对其进行变质处理，这样可以有效地提高铝合金铸件质量。改性处理就是在铝合金铸造生产中加入微量元素，使铝合金组织进行细化，以使铸件的质量和合金的强度、硬度以及延伸率都综合改善,提高合金的冲击韧性和热稳定性。而铝锶合金就是新一代高效变质细化剂，可以改变锶铝合金铸态和热处理态的力学性能(延性和抗冲击性)，较之传统的变质剂有回收率高、再现性好、变质有效时间长、没有有害的过变质现象、挥发性小、设备腐蚀小等优点。美、日、英等国从80年代初就开始推广应用锶，如英国伦敦斯堪的那维亚冶金公司等。到目前铝锶合金主要应用在汽车轮毂、活塞、泵体的生产。

锶是一种化学性质非常活泼的金属,在空气中极易被氧化,直接加入会有较大的烧损且不易储存。目前国内外多采用真空铝热还原法制备锶金属(如江苏镇江的华龙锶业有限公司)，但是生产设备复杂、工艺条件严格、产量小、成本高，另外这种昂贵的金属在铝中重熔时，还将损失20%～35%。目前主要以熔盐电解法生产的铝基合金为主，但是研究熔盐电解法生产的铝锶合金基本都是在实验室中进行，虽然也有几家企业进行过工业试验，但总的来说规模较小，电解槽在800A以下。通过调查发现，我国锶的储量位居世界第一，主要分布在南京、四川等地，长期以来主要是以初级产品如碳酸锶等出口到香港、日本、美国等多个地区和国家，产量较小，也几乎全部出口到国外，而目前国内锶的使用厂家都靠进口。开发铝锶合金可以充分发挥我国的资源优势，发展高科技含量的产品，占领国内外市场。熔盐电解法生产铝锶合金技术成熟、工艺简单、成本低，只要能够进一步开发，不难生产出满足市场需要的产品，经济效益将十分可观。

3 镁锶合金的应用及发展方向

普通镁合金具有密度小、比刚度好、比强度良好、导电及导热性好、易回收等优点，是继钢铁及铝合金后的新一代材料，在航空航天、汽车等领域应用广泛。但当工作温度高于120℃时，其力学性能尤其是抗蠕变性明显降低，所以普通镁合金不能作为高温长时间工作部件的材料。但是汽车自动变速箱和发动机缸体的使用温度一般在200℃左右，而普通合金只能在120℃以下使用。而金属锶是一种较强的还原剂，可以用作炼钢的脱氧剂、脱硫剂、脱磷剂、除气剂、除杂剂以及难熔金属的还原剂，还可以作炼铜的脱氧剂，其效果远远比Al好，但由于锶熔点高，且易氧化燃烧，若单纯的向镁合金熔体中添加金属锶则其效果较差，通常会通过含锶的中间合金的形式加入。由于锶元素的引入，镁锶中间合金可运用于以下领域：第一，作为镁合金的主要元素成分，提高合金的综合性能；第二，作为镁合金的除气添加剂，改善其气密性及综合性能；第三作为镁、铝等合金的变质剂，细化合金晶粒。镁锶合金的形成改善了镁合金的组织结构，力学性能提高，特别是镁锶合金的高温力学性能得到了改善，扩宽了镁合金的应用领域。由加拿大Noranda公司开发的AJ51X、AJ52X、AJ62X、AJ62LX镁锶合金已经用于制造汽车变速箱、发动机壳体、油盘和发动机机架等部件，而镁锶中间合金在国外研究较少，国内还没有相关的报道，研制Mg-Sr中间合金有着极为特殊的意义。一方面可避免单独加锶所带来的困难，另一方面可避免添加Al-Sr合金所造成的Al含量超标，降低合金的耐热性能的问题。开发和研究镁合金已成为一种时代趋势，在镁合金熔炼技术和价格等瓶颈因素突破后，为充分发挥镁合金作为“21世纪绿色工程材料”的优势，应继续努力扩大其应用范围，提高其使用温度。随着镁锶合金耐热性能的迅速推进和提高，在保证追求低成本、高性能的前提下，镁锶合金将广泛应用在汽车、航空航天等工业领域。

锶作为碱土族金属元素，化学性能比较活泼，容易氧化，在制备合金时纯锶的加入容易发生氧化烧损，且操作也不方便，故制备时可采用镁锶中间合金的方式加入。在一定温度下，锶含量添加的多少会直接影响到保温时间，即添加锶含量越多，所需保温的时间越长，镁和锶的氧化烧损也越严重，但锶的加入量太少又会导致变质剂的作用不能充分发挥。所以为了减少镁锶氧化烧损和熔炼时间，同时为弥补锶氧化烧损、挥发及熔失，保证实际成分与设计成分相一致，配料时锶应增加一定比例的加入量。最终添加锶在镁合金中所占比例应控制在3%-10%之间。

目前制取镁锶合金的方法主要分为对掺法、热还原法和熔盐电解法，对掺法是将两种或是两种以上的金属在熔融状态下，在电弧炉或其他高温炉内对掺而成，但是此方法中锶的回收率低，生产成本非常高。热还原法是指将矿物粉体与作为还原剂与浸取液的金属熔体发生还原反应，该方法一般在标压下进行，但所需设备复杂，工艺条件严格，产量小，生产成本也较高。熔盐电解法是指以熔融的锶的氯化物或氟化物和氟化物络合物等为电解质，以固态或液态金属或液态金属合金作为阴极进行电解反应，从而制备得到锶合金，该方法较之以上两种方法成本较低，锶在合金中分布均匀，但总的来说仍停留在实验室里进行研究及生产，实验所用电解槽为石墨坩埚，电流强度通常只有几十安培，最大也就200安培，对其大规模应用仍有困难。随着镁合金产业的迅速发展，熔盐电解法制备镁合金在应用基础研究和技术创新方面皆取得了显著的进步，但是仍离产业化有一定的距离。镁合金的熔盐电解制备有很强的应用背景且很明确，与产业化研发相关的工作如电解槽的大型化、成本和能耗的降低、自动化水平的提高等值得关注。

4 结语

镁铝锶合金作为一种更轻、更节能、更环保的材料，它的研究及应用技术已经逐步形成产业化，并在一些领域得到广泛和成功的运用。未来镁铝锶合金将更加广泛地应用于航空、航天、汽车等领域。研究开发新型镁铝锶合金材料既有巨大的经济效益，也有良好的社会和环境效益。随着世界各国对镁铝锶合金研究开发不断加大投入，除传统的性能要求以外，研究开发高强、耐高温、耐腐蚀以及稳定力学性能的镁铝锶合金是今后发展的主要方向。