基本介紹
- 中文名：鎂合金
- 外文名：magnesium alloy;
- 定義：鎂加入其他元素組成的合金
- 套用：航空、航天、運輸等
- 優勢：密度小 強度高
- 重量：鎂的比重大約是鋁的2/3
發展,基本簡介,產品特點,套用場所,在航天的套用,在汽車上的套用,其他套用,防腐方法,化學處理,陽極氧化,金屬塗層,雷射處理,其他處理,
發展
得益於中國汽車工業和3C等行業的轉型升級及其中國經濟地位的顯著提升，鎂合金行業令市場看好。其中，汽車行業的輕量化，環保化需求，尤其是新能源汽車的發展，以及鎂合金研發技術和回收利用技術的不斷進步，對促使鎂合金的廣泛套用將是利好訊息。
2015年，國內汽車用鎂合金將達到68kg/輛，而同期我國汽車銷量將突破2800萬輛，乘用車銷量將達到1960萬輛，自主品牌汽車企業通過產業兼併、技術研發和市場渠道開拓等因素作用，銷量將突破1000萬輛。
與此同時，鎂合金在醫藥化工和航空航天工業領域的套用也將得到成長。由於下游終端汽車消費市場的穩步增長，預計2015年，全球鎂合金市場為600萬噸，年均複合增長率(CAGR)為20%-25%(其中包含了交通工具、3C、航空航天和醫藥化工領域鎂合金的套用)。
此外，作為有色金屬合金行業的子行業，鎂合金行業在中國製造工業的的升級過程中得到實惠。作為資金、材料密集型行業，原材料價格的穩定和較低水平、鑄造件行業的整合集中、技術研發的進步等都將較為有利於鎂合金行業的發展，市場較為看好。
基本簡介
特性
密度低、比性能好、減震性能好、導電導熱性能良好、工藝性能良好、耐蝕性能差、易於氧化燃饒、耐熱性差。
其加工過程及腐蝕和力學性能有許多特點：散熱快、質量輕、剛性好、具有一定的耐蝕性和尺寸穩定性、抗衝擊、耐磨、衰減性能好及易於回收；另外還有高的導熱和導電性能、無磁性、禁止性好和無毒的特點。
套用範圍：鎂合金廣泛用於攜帶式的器械和汽車行業中，達到輕量化的目的。
產品特點
加工過程及腐蝕和力學性能有許多特點：散熱快、質量輕、剛性好、具有一定的耐蝕性和尺寸穩定性、抗衝擊、耐磨、衰減性能好及易於回收；另外還有高的導熱和導電性能、無磁性、禁止性好和無毒的特點。
套用範圍：鎂合金廣泛用於攜帶式的器械和汽車行業中，達到輕量化的目的。
鎂合金鑄件1
鎂合金鑄件1鎂合金的比重雖然比塑膠重，但是，單位重量的強度和彈性率比塑膠高，所以，在同樣的強度零部件的情況下，鎂合金的零部件能做得比塑膠的薄而且輕。另外，由於鎂合金的比強度也比鋁合金和鐵高，因此，在不減少零部件的強度下，可減輕鋁或鐵的零部件的重量。
鎂合金相對比強度（強度與質量之比）最高。比剛度（剛度與質量之比）接近鋁合金和鋼，遠高於工程塑膠。
在彈性範圍內，鎂合金受到衝擊載荷時，吸收的能量比鋁合金件大一半，所以鎂合金具有良好的抗震減噪性能。
鎂合金還個有良好的耐腐蝕性能，電磁禁止性能，防輻射性能，可做到100%回收再利用。
鎂合金鑄件2
鎂合金鑄件2鎂合金件穩定性較高壓鑄件的鑄造行加工尺寸精度高，可進行高精度機械加工。
鎂合金具有良好的壓鑄成型性能，壓鑄件壁厚最小可達0.5mm。適應製造汽車各類壓鑄件。
但鎂合金線膨脹係數很大，達到25～26 μm/m℃，而鋁合金則為23 μm/m℃，黃銅約20 μm/m℃，結構鋼12 μm/m℃，鑄鐵約10μm/m℃，岩石（花崗岩、大理石等）僅為5～9 μm/m℃，玻璃5～11 μm/m℃。
鎂合金是以鎂為基礎加入其他元素組成的合金。其特點是：密度小，比強度高，彈性模量大，消震性好，承受衝擊載荷能力比鋁合金大，耐腐蝕性能好。主要合金元素有鋁、鋅、錳、鈰、釷以及少量鋯或鎘等。目前使用最廣的是鎂鋁合金，其次是鎂錳合金和鎂鋅鋯合金。
鎂合金比重在所有結構用合金中屬於最輕者，因此，在不減少零部件的強度下，可減輕鋁或鐵的零部件的重量。鎂合金的比強度明顯高於鋁合金和鋼，比剛度與鋁合金和鋼相當。在彈性範圍內，鎂合金受到衝擊載荷時，吸收的能量比鋁合金件大，所以鎂合金具有良好的抗震減噪性能。在相同載荷下，減振性是鋁的100倍，鈦合金的300～500倍。電磁禁止性佳，3C產品的外殼（手機及電腦）要能夠提供優越的抗電磁保護作用，而鎂合金外殼能夠完全吸收頻率超過100db的電磁干擾。質感佳，鎂合金的外觀及觸摸質感極佳，使產品更具豪華感，而且，在空氣中更不容易腐蝕。
鎂合金的散熱相對與合金來說有絕對的優勢，對於相同體積與形狀的鎂合金與鋁合金材料的散熱器，某熱源生產的熱量（溫度）鎂合金比鋁合金更容易由散熱片根部傳遞到頂部的速度，頂部更容易達到高溫。即鋁合金材料的散熱器根部與頂部的溫度差，比鎂合金材料的散熱器小。這意味著由鎂合金材料製作的散熱片根部的空氣溫度與頂部的空氣溫度溫度差，比鋁合金材料製作的散熱片大，因此加速散熱器內部空氣的擴散對流，使散熱效率提高。因此，相同溫度，鎂合金的散熱時間還不用鋁合金的一半。
所以，鎂合金是套用於LED及其他燈飾，汽車套用零部件，及其他要求高質量，高強度，高韌性配件的理想材料。
套用場所
在航天的套用
鎂合金是航空器、太空飛行器和火箭飛彈製造工業中使用的最輕金屬結構材料。鎂的重量比鋁輕，比重為1.8，強度也較低，只有200～300兆帕（20～30公斤/平方毫米），主要用於製造低承力的零件。鎂合金在潮濕空氣中容易氧化和腐蝕，因此零件使用前，表面需要經過化學處理或塗漆。德國首先生產並在飛機上使用含鋁的鎂合金。鎂合金具有較高的抗振能力，在受衝擊載荷時能吸收較大的能量，還有良好的吸熱性能，因而是製造飛機輪轂的理想材料。鎂合金在汽油、煤油和潤滑油中很穩定，適於製造發動機齒輪機匣、油泵和油管，又因在旋轉和往復運動中產生的慣性力較小而被用來製造搖臂、襟翼、艙門和舵面等活動零件。民用機和軍用飛機、尤其是轟炸機廣泛使用鎂合金製品。例如，B-52轟炸機的機身部分就使用了鎂合金板材635公斤，擠壓件90公斤，鑄件超過200公斤。鎂合金也用於飛彈和衛星上的一些部件，如中國“紅旗”地空飛彈的儀表艙、尾艙和發動機支架等都使用了鎂合金。中國稀土資源豐富，已於70年代研製出加釔鎂合金，提高了室溫強度，能在300°C下長期使用，已在航空航天工業中推廣套用。
鎂合金鑄件3
鎂合金鑄件4
鎂合金鑄件3鎂合金鑄件4在汽車上的套用
(1）殼體類。如離合器殼體、閥蓋、儀錶板、變速箱體、曲軸箱、發動機前蓋、氣缸蓋、空調機外殼等。
(2）支架類。如方向盤、轉向支架、剎車支架、座椅框架、車鏡支架、分配支架等。
根據有關研究，汽車所用燃料的60%是消耗於汽車自重，汽車自重每減輕10%，其燃油效率可提高5%以上；汽車自重每降低100 kg，每百公里油耗可減少0.7 L左右，每節約1 L燃料可減少CO2排放2.5 g，年排放量減少30%以上。所以減輕汽車重量對環境和能源的影響非常大，汽車的輕量化成必然趨勢。
在數碼單眼相機上的套用
鎂合金由於密度低、強度較高，具有一定的防腐性能，常用來做單眼相機的骨架。一般中高端及專業數碼單眼相機都採取鎂合金做骨架，使其堅固耐用，手感好。
採用了鎂合金機身的數碼單眼相機不僅是準專業級專業的象徵，也具有高昂的價格。
按成型方法分為變形鎂合金和鑄造鎂合金兩類。
其他套用
手機電話，筆記本電腦上的液晶螢幕的尺寸年年增大，在它們的枝撐框架和背面的殼體上使用了鎂合金。
雖然鎂合金的導熱係數不及鋁合金，但是，比塑膠高出數十倍，因此，鎂合金用於電器產品上，可有效地將內部的熱散發到外面。
在內部產生高溫的電腦和投影儀等的外殼和散熱部件上使用鎂合金。電視機的外殼上使用鎂合金可做到無散熱孔。
電磁波禁止性：鎂合金的電磁波禁止性能比在塑膠上電鍍禁止膜的效果好，因此，使用鎂合金可省去電磁波禁止膜的電鍍工序。
在硬碟驅動器的讀出裝置等的振動源附近的零件上使用鎂合金。若在風扇的風葉上使用鎂合金，可減小振動達到低音。此外，為了在汽車受到撞擊後提高吸收衝擊力和輕量化，在方向盤和坐椅上使用鎂合金。
防腐方法
化學處理
鎂合金的化學轉化膜按溶液可分為：鉻酸鹽系、有機酸系、磷酸鹽系、KMnO4系、稀土元素系和錫酸鹽系等。
傳統的鉻酸鹽膜以Cr為骨架的結構很緻密，含結構水的Cr則具有很好的自修復功能，耐蝕性很強。但Cr具有較大的毒性，廢水處理成本較高，開發無鉻轉化處理勢在必行。鎂合金在KMnO4溶液中處理可得到無定型組織的化學轉化膜，耐蝕性與鉻酸鹽膜相當。鹼性錫酸鹽的化學轉化處理可作為鎂合金化學鍍鎳的前處理，取代傳統的含Cr、F或CN等有害離子的工藝。化學轉化膜多孔的結構在鍍前的活化中表現出很好的吸附性，並能改鍍鎳層的結合力與耐蝕性。
有機酸系處理所獲得的轉化膜能同時具備腐蝕保護和光學、電子學等綜合性能，在化學轉化處理的新發展中占有很重要的地位。
化學轉化膜較薄、軟，防護能力弱，一般只用作裝飾或防護層中間層。
陽極氧化
陽極氧化可得到比化學轉化更好的耐磨損、耐腐蝕的塗料基底塗層，併兼有良好的結合力、電絕緣性和耐熱衝擊等性能，是鎂合金常用的表面處理技術之一。
傳統鎂合金陽極氧化的電解液一般都含鉻、氟、磷等元素，不僅污染環境，也損害人類健康。近年來研究開發的環保型工藝所獲得的氧化膜耐腐蝕等性能較經典工藝Dow17和HAE有大程度的提高。優良的耐蝕性來源於陽極氧化後Al、Si等元素在其表面均勻分布，使形成的氧化膜有很好的緻密性和完整性。
一般認為氧化膜中存在的孔隙是影響鎂合金耐蝕性能的主要因素。研究發現通過向陽極氧化溶液中加入適量的矽-鋁溶膠成分，一定程度上能改善氧化膜層厚度、緻密度，降低孔隙率。而且溶膠成分會使成膜速度出現階段性快速和緩慢增長，但基本上不影響膜層的X射線衍射相結構。
但陽極氧化膜的脆性較大、多孔，在複雜工件上難以得到均勻的氧化膜層。
金屬塗層
鎂及鎂合金是最難鍍的金屬，其原因如下：
（1）鎂合金表面極易形成的氧化鎂，不易清除乾淨，嚴重影響鍍層結合力；
（2）鎂的電化學活性太高，所有酸性鍍液都會造成鎂基體的迅速腐蝕，或與其它金屬離子的置換反應十分強烈，置換後的鍍層結合十分鬆散；
（3）第二相（如稀土相、γ相等）具有不同的電化學特性，可能導致沉積不均勻；
（4）鍍層標準電位遠高於鎂合金基體，任何一處通孔都會增大腐蝕電流，引起嚴重的電化學腐蝕，而鎂的電極電位很負，施鍍時造成針孔的析氫很難避免；
（5）鎂合金鑄件的緻密性都不是很高，表面存在雜質，可能成為鍍層孔隙的來源。
因此，一般採用化學轉化膜法先浸鋅或錳等，再鍍銅，然後再進行其它電鍍或化學鍍處理，以增加鍍層的結合力。鎂合金電鍍層有Zn、Ni、Cu-Ni-Cr、Zn-Ni等塗層，化學鍍層主要是Ni-P、Ni-W-P等鍍層。
單一化學鍍鎳層有時不足以很好地保護鎂合金。有研究通過將化學鍍Ni層與鹼性電鍍Zn-Ni鍍層組合，約35μm厚的鍍層經鈍化後可承受800-1000h的中性鹽霧腐蝕。也有人採用化學鍍鎳作為底層，再用直流電鍍鎳能得到微晶鎳鍍層，平均結晶顆粒大小為40nm，因晶粒的細化而使鍍層孔隙率大大降低，結構更緻密。
電鍍或化學鍍是同時獲得優越耐蝕性和電學、電磁學和裝飾性能的表面處理方法。缺點是前處理中的Cr、F及鍍液對環境污染嚴重；鍍層中多數含有重金屬元素，增加了回收的難度與成本。由於鎂基體的特性，對結合力還需要改善。
雷射處理
雷射處理主要有雷射表面熱處理和雷射表面合金化兩種。
雷射表面熱處理又稱為雷射退火，實際上是一種表面快速凝固處理方式。而雷射表面合金化是一種基於雷射表面熱處理的新技術。雷射表面合金化能獲得不同硬度的合金層，具有冶金結合的界面。利用雷射輻照源的熔覆作用在高純鎂合金上還可製得單層和多層合金化層。
採用寬頻雷射在鎂合金表面製備Cu-Zr-Al合金熔覆塗層時，由於塗層中形成的多種金屬間化合物的增強作用，使合金塗層具有高的硬度、彈性模量、耐磨性和耐蝕性。而由於稀土元素Nd的存在，在經過雷射快速熔凝處理之後得到的雷射多層塗敷，晶粒得到明顯細化，能提高熔覆層的緻密性和完整性。
雷射處理能處理複雜幾何形狀的表面，但鎂合金在雷射處理時易發生氧化、蒸發和產生汽化、氣孔以及熱應力等問題，設計正確的處理工藝至關重要。
其他處理
離子注入是在高真空狀態下，在十至數百KV電壓的靜電場作用下，經加速的高能離子（Al、Cr、Cu等）以高速衝擊要處理的表面而注入樣品內部的方法。注入的離子被中和並留在樣品固溶體的空位或間隙位置，形成非平衡表面層。
有研究認為耐蝕性能的提高是由於自然氧化物的緻密化、注入離子的輻射和形成鎂的氮化物的結果。所得改性層的性能與所注入離子的量和改性層的厚度有關，而基體表面的MgO對改性層的耐蝕性能的提高也有一定的促進作用。
