镁是继钢铁、铝之后的第三大金属工程材料镁。合金密度为1.35--1.80g/cm³,是目前工程应用中最轻的金属结构材料,比强度高于铝合金和钢,比刚度与铝合金和钢的相当,作为结构材料优势显著。镁合金因其具有良好的工艺性能、尺寸稳定性、电磁屏蔽性能和绿色回收性能而被广泛应用于汽车工业、航空航天、3C产品、武器装备等领域。
镁是地球上储量最丰富的元素之一，占地壳表层金属矿资源的2.3%，镁资源主要是菱镁矿和白云石，此外，在海洋及盐湖中镁的含量也十分可观。我国是世界上镁资源最丰富的国家,丰富的镁资源为我国镁产业的可持续发展提供了最可靠的资源保障。我国不仅是镁资源大国，还是原镁生产、消费和出口大国。据中国有色金属工业协会镁业分会统计,2013年我国原镁产量为76.97万吨，原镁产能为154.05万吨，原镁产量占全球原镁产量的80%以上。2013年国内镁消费量为35.15万吨，创历史新高，同比增长13.39%。
目前,我国形成了陕西榆林、河南鹤壁、山西太原、重庆等镁及镁合金产业集群。1990年以来,世界镁合金的需求量正以20%的年增长率快速增长,彰显了巨大的市场前景。但是,与铝合金相比,镁合金的研究与开发还很不充分,镁合金的工业应用范围还有待进一步拓展。由于镁合金的综合优势,美国、日本、德国、澳大利亚等发达国家相继出台了各自的镁研究计划,加大了对镁合金的研发和应用研究的投入,在新型镁合金开发、镁合金的成形和加工技术、镁合金的腐蚀防护技术等方面做了大量卓有成效的工作, 在镁合金深加工和高端镁合金领域优势显著。 镁合金应用研究的重点已经从航空航天、武器装备等领域向民用高附加值产业(汽车工业、轨道交通、3C产品等 )扩展。特别是随着国际社会节能和环保意识的觉醒, 汽车工业将成为镁合金应用的重要领域。
“十一五”期间, 我国科技部启动了镁及镁合金关键技术开发与应用国家科技支撑计划和高技术研究发展计划(863计划),开展了包括高强高韧镁合金及其应用技术、耐热压铸镁合金及其应用技术、高性能变形镁合金及其应用技术、镁合金先进焊接技术、镁合金锻造轮毂技术等方面的研究,并取得很大突破, 已初步形成了从原材料生产到汽车压铸件生产的产业链和产业集群。
“十二五”期间，我国明确提出镁工业要以轻质、高强、大规格、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳为发展方向，加快镁合金制备及深加工技术开发，重点满足飞机、高铁、轨道列车等交通运输装备需求，实现我国资源优势且具有独立自主知识产权的高性能镁合金及其加工、深加工产品系列。规划中还列出了需要重点开发的镁合金产品，包括低成本AZ、AM系列镁合金压铸，低成本AZ系列镁合金挤压型材和板材，镁合金轮毂、大截面型材、宽幅1500mm以上板材、高性能铸锻件。
“十三五”期间，将会是镁工业加快转变发展方式，实现由大变强的关键时期，将大力推进镁产品结构向高附加值深加工产品转变，重点满足汽车、轨道列车、高铁等交通运输用大型、多孔、异型、空心镁合金型材，高品质镁合金车身板，变截面轧制板，大型镁合金压铸件及宽幅超过1500mm镁合金板材；重点满足航空航天、国防军工用高强、高韧、高温、耐腐蚀、耐疲劳的镁合金板，大规模锻件、型材，大型复杂结构镁合金焊接件；重点发展特种性能的镁合金功能材料。
现在小编给各位看官简单介绍一下镁合金在高强镁合金、耐蚀镁合金、耐热镁合金、阻燃镁合金、 稀土镁合金等方面的情况, 以期让更多的朋友了解镁合金，认识镁合金。
合金化是提高镁合金强度的一种简单而又普遍使用的方法,稀土元素是提高镁合金性能的重要合金元素,目前,大多是通过添加少量稀土元素从而达到镁合金强韧化之目的。
张俊远等的研究表明: 加入稀土元素钕(Nd)能有效细化AM60镁合金的显微组织, 使Mg17Al12相减少、变细；适量的Nd优先与合金中的铝元素反应生成颗粒状(小针状)的Al11Nd3相,能有效提高合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率；过量的Nd则会消耗合金中更多的铝元素并导致针状Al11Nd3相粗化,使合金的力学性能下降；试验条件下,添加质量分数为0.9%Nd的合金力学性能最佳,其抗拉强度为230MPa,屈服强度为127MPa,伸长率为14%,分别比AM60合金提高了28% , 48%和18倍。樊昱等研究了La对AZ91D 镁合金力学性能的影响,张德平等研究了重稀土元素镱(Yb)对AZ91D镁合金显微组织和力学性能的影响, 吴国华等研究了稀土元素钇(Y)对AZ91D镁合金组织和力学性能的影响。研究表明:加入少量稀土元素, 能够大幅度地提高AZ91D镁合金的强度。主要原因是:稀土元素与Al反应生成Al-RE化合物,起弥散强化作用；稀土元素能强烈地细化合金组织,起细晶强化作用。赵源华等通过复合加入钕和铈(Ce),从而明显改善AZ91镁合金的力学性能。复合加入多种稀土成分的镁合金能在镁合金基体中形成多种稀土化合物, 起弥散强化作用,再加上多种成分的细晶强化、晶界强化和固溶作用,从而使得复合加入多种稀土成分的镁合金的强度高于加入单一稀土成分的镁合金。
抗腐蚀性和有效防护是镁合金应用中需要解决的重大课题。影响镁合金耐腐 蚀性的重要因素是Fe、Cu、Ni等金属杂质,因此,降低杂质含量,提高镁合金纯度能显著提高镁合金耐腐蚀性能。如美国利用优良的白云石,采用新电解法制备出 含 Fe-0.001wt%、Cu-0.001wt%、Ni-0.0005wt%、Si-0.006wt%的高纯镁锭,再用这种高纯镁锭生产AZ91D等压铸镁合金。高纯压铸镁合金AZ91D在盐雾试验中的耐蚀性远好于低碳钢,也超过压铸铝合金A380。添加稀土元素除了能提高镁合金的强度外,也能够有效改善其耐腐蚀性能,从而有望成为镁合金的有效防腐手段。樊昱等研究表明:在AZ91D中加入少量稀土La可以明显减小腐蚀速率。当 La的质量分数达到1%时,腐蚀速率下降为AZ91D的47.2%。耐蚀性的提高是由于La的加入形成了具有类网状结构的β相,这种类网状结构的β相能有效地抑制腐蚀过程的进行,从而提高了镁合金的耐蚀性。但是,当La的加入量> 1%时,基体会形成贫 A1区,使得AZ91D的腐蚀速率又明显增大,过量的添加La反而会恶化镁合金的耐蚀性。
通过表面改性,即有效防护,也是提高镁合金的耐腐蚀性能的有效途径。上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心开发了一种镁合金超声阳极氧化表面处理技术,通过施加超声场形成薄而致密的氧化膜结构,提高了涂层致密性与生长效率,从而提高了耐蚀性,且电解液配方不含六价铬离子,绿色环保。
镁合金高温性能差,一般镁合金在使用温度超过120时蠕变强度随温度升高会大幅度下降,制约了其在汽车发动机、航空航天领域应用。通过合金化可以提高镁合金的耐热性能。合金元素主要分为三类:一是稀土元素；二是Ca、Sr等碱土金属；三是第Ⅳ、Ⅴ族元素,如 Si、Sn、Sb等。在Mg-Al合金中加入1%混合稀土可提高镁合金的抗蠕变性能,特别是当Al的质量分数<4%时效果更佳。稀土强化机制是:一方面在于RE与合金中的Al结合生成Al11RE3等Al-RE化合物,从而减少了Mg17Al12相的数量,有利于提高镁合金的高温性能；另一方面在于生成的 Al11RE3等Al-RE化合物具有较高的熔点(Al11RE3的熔点为1200℃), 而且这些化合物在镁基体中的扩散速度慢,表现出很高的热稳定性,可有效钉扎住晶界而阻碍晶界滑动,从而使镁合金的高温性能得到提高。吕宜振等研究了富Ce混合稀土对AZ91和AM60镁合金的组织和性能的影响,研究表明,随富Ce稀土的加入,组织中出现了棒状的Al11Ce3、Al11La3、Al11Pr3、Al11Nd3等析出相。同时Mg17Al12相减少并细化。这些高熔点稀土化合物主要分布在晶界上,在高温下阻止晶界的滑移, 从而提高合金的抗蠕变性能。在Mg-Al基镁合金中加入Ca后细化铸造组织,形成高稳定性Al2Ca相,阻止位错滑移,同时抑制对高温性能有害的Mg17Al12相的析出,因此,Ca的加入提高常温力学性能,有效改善高温蠕变性能。在镁合金中加入第Ⅳ、Ⅴ族元素(Sn、Pb、Bi、Sb)可以提高合金的室温和高温强度。Bi、Sb合金元素可与Mg形成高熔点的Mg3Bi2、Mg3Sb2等强化相,这些强化相主要分布在晶界,熔点较高,在固溶处理过程中很难溶解,因而在高温蠕变过程中可以有效地抑制晶界滑移和位错运动,从而使合金的室温和高温性能得到改善。稀土合金的成本高,Ca合金成本低廉,并且能显著提高镁合金的高温性能,因此含Ca的耐热镁合金成为研究热点。
金属镁性质活泼,镁合金在熔炼浇注过程中容易发生氧化、燃烧甚至爆炸。长期以来镁合金在熔炼浇注过程中一直采用的阻燃方法是熔剂保护和SF6等气氛保护,该生产工艺会严重污染环境,降低镁合金力学性能,并增加设备投资成本。如果能通过成分设计研制出燃点高于熔点的阻燃镁合金,就可以采用一般的熔炼方法来熔炼镁合金。樊建锋等研究表明: Mg-3.5%Y-0.8%Ca合金能在1173K温度 在大气中保温0.5h而不燃烧,表现出优异的阻燃效果。高温下Mg-3.5%Y-0.8%Ca合金表面生成了一层以Y2O3为主的氧化膜。在综合考虑阻燃能力和力学性能的基础上,按照致密氧化膜的形成条件,得到Mg-4%Zn-3.5%Y-0.8%Ca为新型阻燃镁合金。该合金能够在无保护条件下进行熔炼及浇注,且具有良好的力学性能。韩福银等研究了铍(Be)对镁合金AZ91D的阻燃性能的影响,结果表明,Be可以有效地提高镁合金的起燃温度,含0.3wt%Be的镁合金的起燃温度提高近300℃,可直接暴露在大气中熔炼。上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心在镁合金中添加多种对镁合金表面持续氧化具有强烈抑制作用的合金元素,通过将原先镁熔体表面疏松多孔的单层表面氧化膜转化成具有致密结构和自愈合保护功能的多层复合氧化膜,在镁合金熔炼浇注过程中,这种多层复合氧化膜可以有效阻止镁合金的氧化,使镁合金的燃点温度从熔点以下(520℃)提高到高于熔炼温度 (720℃)。所开发的阻燃镁合金的力学性能不低于压铸镁合金AZ91D, 成本不高于AZ91D。
高强高韧镁合金的开发、耐热镁合金在汽车发动机、航空航天领域的应用、抗腐蚀性和有效防护技术将会是镁合金近期的持续研究热点。随着镁合金的技术进步,镁合金的应用领域必将进一步拓展。我国已经形成有一定影响力的镁合金产业集群,镁合金的生产、出口和消费均居世界首位,但提供的大多是低附加值的镁及镁合金的初级产品,国内对于高端镁合金产品还没有足够的规模制造能力。追踪国际发展前沿,开发综合性能优异、成本低廉的产品正是未来镁合金的发展方向。