鎂合金的發展及應用
1 引言
鎂合金的密度很小,是鋼的四分之一、鋁的三分之二,但鎂合金的比強度卻大于鋼和鋁,是最輕的金屬結構材料。因此,鎂合金在電子產品、汽車、航空航天等需要高比強度金屬材料的領域具備廣闊的發展前景。但是鎂合金的化學活性高,在有機酸、無機酸和含鹽的溶液中均會被腐蝕,且腐蝕速率較高,使得鎂合金的應用受到了很大的限制。
2 鎂合金的特點
(1)重量輕:鎂合金的比強度要高于鋁合金和鋼/鐵、但略低于比強度最高的纖維增強塑料;其比剛度與鋁合金和鋼/鐵相當,但卻遠遠高于纖維增強塑料。(2)高的阻尼和吸震、減震性能:鎂合金具有極好的吸收能量的能力,可吸收震動和噪音,保證設備能安靜工作。(3)良好的抗沖擊和抗壓縮能力:其抗沖擊能力是塑料的20倍;當鎂合金鑄件受到沖擊時,在其表面產生的疤痕比鐵和鋁都要小的多。(4)良好的鑄造性能:在保持良好的部件結構條件下,鎂合金鑄造制品的壁厚可以小于0.6 mm,這是塑膠制品在相同強度條件下無法達到的,就是鋁合金制品也只能在1.2~1.5 mm范圍內才可與鎂制品相媲美。(5)尺寸穩定性:在100℃以下,鎂合金可以長時間保持其尺寸的穩定性。(6)鑄模生產率高:與鋁合金相比,鎂合金的單位熱含量更低,這意味著它可在模具內能更快速地凝固。(7)良好的機械加工性能。(8)良好的耐蝕性。(9)高散熱性:鎂合金具有高的散熱性,很適合現今利用其設計制作元件密集的電子產品。(10)低熱容量:鎂合金的熱容量比鋁合金小,因此不容易粘燒在模具上,延長模具壽命。(11)再生性:廢舊鎂合金鑄件具有可回收再熔化利用的特性。
3 鎂合金的分類
一般來說鎂合金的分類已具有3種:根據合金化學成分、成型工藝或者合金中是否含有鋁或者是否含鋯來分類。
按化學成分,鎂合金主要劃分為Mg-Al、Mg-Mn、Mg-Zn、Mg-RE等二元系,以及Mg-Al-Zn、Mg-Al-Mn、Mg-RE-Zr等三元系及其他多組元系鎂合金。
按成型工藝,鎂合金可以分為鑄造鎂合金和變形鎂合金。
4 鎂合金的應用
4.1在交通工具領域的應用
相較于鋼和鋁合金,將鎂合金應用于交通工具上,顯示了很多的功能和性能優勢:如,比強度高于鋼,比剛度接近鋼和鋁合金,單位質量能夠承受更多的載荷;在一定程度上可以減輕交通工具的質量,減少油耗,節省能源的同時可以保護環境;鎂合金作為鑄件,具有良好的鑄造性和尺寸穩定性,易加工,廢品率低,降低了生產成本;鎂合金具有良好的阻尼系數,減震量大于鋼和鋁合金,用作殼體可以降低噪聲,用作座椅和輪圈可以降低振動,提高安全性和舒適性。
4.2在航空航天領域的應用
輕量化是決定航空航天器飛得快、飛得高、飛得遠的重要因素,是航空航天領域所追求的永恒目標。航空航天輕量化的最主要途徑就是采用輕量化的材料。
具體應用:飛機:機身、發動機;導彈、宇宙探查;火箭、發射臺、衛星及探查、噴氣發動機;儀器:陀螺儀、罩、雷達零件及波導管、電氣裝置、地面控制裝置。
4.3在共享單車應用
結合我們行業鎂合金以更輕的重量和鑄造方面的優勢在共享單車零部件使用上也有非常好的表現,例如鎂合金前后輪轂大量使用,已經占到了新生產車型的三分之二,生產裝配簡單,維護費用低是絕對的優勢,現在共享企業和我們作為生產量最大的企業也在研究其他壓鑄零件,還有最復雜的車架也在評估可能性。
4.4在武器裝備方面的應用
鎂合金是最輕質的金屬材料,因其具有密度小、比強度高、比剛度好、阻尼系數好、電磁屏蔽特性優越等特點,時間輕武器裝備質量,實現武器裝備輕量化、提高武器裝備各項性能的理想結構材料。
鎂合金在兵器裝備中應用的有關情況:鎂合金在航空、航天較早得到應用, 在兵器上也得到一定應用,最早應用于軍事工業領域是在1916年,被用于制造77mm炮彈引線。國外一些發達國家由于資源原因,對鎂合金在兵器上的應用還持謹慎態度。鎂合金在兵器上應用的有關實例如下所述。
4.4.1 在火炮及彈藥中的應用
法國AMX-30坦克為法國裝甲部隊的主要裝備之一,是二次世界大戰后法國生產數量最多的坦克,AMX-30坦克的CN105F1型105mm線膛炮的身管熱護套采用了鎂合金。
4.4.2在輕武器中的應用
美國制造的一種Racegun(強裝藥,運用了先進技術的戰斗用手槍),其扳機等零件采用鎂、鈦合金,重量減輕45%,擊發時間減少66%。美國研制中的新式單兵作戰系統(OICW),功能齊全,很多零件采用了輕合金,重量僅8.172kg,但軍方仍希望進一步減重1.8kg以上。
4.4.3在戰車中的應用
美軍裝備的M274A1型軍用吉普車采用了鎂合金車身及橋殼,大大減輕了重量,具有良好的機動性及越野性能,4個士兵可以抬起來。有的改型還裝上無后座力炮,成了最袖珍的自行火炮。美國水陸兩棲突擊車AAAV采用WE43A鎂合金制造動力傳送艙。
4.4.4鎂合金在兵器裝備中的應用前景分析
從兵器零件的使用特點和性能要求分析,槍械武器、裝甲車輛、導彈、火炮、彈藥、光電儀器、武器用計算機及軍用器材中有較大數量的鋁合金零件和工程塑料件,根據目前鎂合金材料的性能和使用特點,改用鎂合金材料制造相關零件,在技術上是可行的,并且有如下的發展趨勢。
(1)采用鎂合金及鎂基復合材料替代武器裝備的中、低強度要求的鋁合金零件和部分黑色金屬零件,實現武器裝備輕量化。
(2)替代工程塑料,解決零件老化、變形和變色的問題。目前,輕武器、光電及通訊器材產品、戰車儀表盤等采用工程塑料制造。
(3)導彈及其他飛行器零部件的鎂合金化。
5 鎂合金的發展前景
鎂合金的優異性能和穩定的價格,使得其用量具有著繼續擴大的趨勢,這主要體現在交通工具、航空航天、國防工業、電子通訊工業等對鎂合金用量需求的進一步擴大。此外,為鎂合金的發展帶來巨大契機的還有鎂合金材料本身的一些誘人的潛在性能,使之有可能成為承受高載荷和高溫的結構件,以及儲氫、超導、生物等新型功能材料。
隨著鎂合金研究的不斷深入及各種性能的進一步完善,它必將成為未來金屬材料領域的主力軍,而其相應的表面處理方法也將得到迅速發展。因此,加強鎂合金表面處理技術的發展,提高鎂合金的耐蝕性,對推進鎂合金材料的應用具有十分重要的現實意義和經濟效益。
6 結語
展望未來,鎂合金塑性成形件大量被應用是不容置疑的,并且鎂合金在我國有著豐富的資源,這為發展鎂合金材料提供了良好的物質基礎,但目前我國鎂合金的應用與開發能力遠遠落后于歐美等發達國家,這對我國材料科研工作者提出了極大挑戰。如果我們提高鎂合金的成形技術,克服鎂合金在室溫下難于變形、耐腐蝕性能差、高溫下易蠕變以及鎂合金材料價格高等缺點,合理設計鎂合金成分,提高鎂合金性能,拓寬鎂合金材料的應用潛力,相信我們應該有所作為,會迎頭趕上時代潮流,超越世界先進水平。

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