镁合金：21世纪绿色工程新材料

霍丽娜

【摘 要】当前，镁合金以其轻量优势在汽车和电子产品中的应用日趋增加，事实上，作为一种具有多种性能优势的绿色合金新材料，镁合金在耐热、耐腐蚀、生物医疗、能源储存等领域也有着广阔的应用前景。本文结合中国有色金属工业协会镁业分会孟树昆教授在2012年有色金属新材料产业发展峰会上的报告，重点介绍镁合金新材料当前在热点领域的应用进展及前景。 【期刊名称】《世界有色金属》 【年(卷),期】2012(000)012 【总页数】2页(P54-55)

【关键词】新材料产业;镁合金;绿色工程;有色金属工业;性能优势;电子产品;生物医疗;能源储存 【作 者】霍丽娜

【作者单位】《世界有色金属》编辑部 【正文语种】中 文 【中图分类】TG146.22

当前，镁合金以其轻量优势在汽车和电子产品中的应用日趋增加，事实上，作为一种具有多种性能优势的绿色合金新材料，镁合金在耐热、耐腐蚀、生物医疗、能源储存等领域也有着广阔的应用前景。本文结合中国有色金属工业协会镁业分会孟树

昆教授在2012年有色金属新材料产业发展峰会上的报告，重点介绍镁合金新材料当前在热点领域的应用进展及前景。

镁合金具有多方面的性能优势，是一种节能减排的金属材料。镁合金质轻（1.75-1.90g/cm3），密度是铝的64%，钢的23%。比弹性模量与高强度铝合金、合金钢大致相同，用镁合金制造刚性好的整体构件不易产生变形；镁合金减震性好，在弹性范围内，当受冲击载荷时，能吸收的能量比铝大一半，尤其适宜制造经常承受冲击的部件，采用阻尼良好的镁合金既减轻了汽车自重，节省了能源，又提高了汽车行驶的平稳性和安全性。用铝合金与镁合金制造的汽车轮毂的实测平均油耗比较见表1。另外，镁合金具有散热快，抗电磁干扰能力强等特点，可用作制造计算机、电子通信产品的外壳。NEC公司2012年8月上市的新款笔记本在13英寸产品中应用了其自主研发的镁-锂合金作为电脑底板，实现了全球最轻重量。微软公司今年6月发布的新款平板电脑“surface”，其机壳也是由镁合金制成的。与塑料相比，镁金属材料可100%回收，其能耗仅为新材料价格的4%。随着很多金属矿产资源的日益枯竭，镁合金被誉为“21世纪的绿色工程新材料”。除了在汽车和电子产品中的应用在不断加强外，镁合金在耐热、耐腐蚀、生物医疗、能源储存等领域也有着广阔的应用前景。 高强耐热镁合金材料

表1 铝与镁合金轮毂实测平均油耗比较

耐热性指在高温和外加载荷作用下抵抗蠕变及破坏的能力。普通镁合金高温性能差，限制了其应用。目前，WE54是商业化镁合金中耐热性最好的，长期使用温度为300℃，该合金具有显著的时效硬化效果。室温、高温拉伸性能和抗蠕变性能都非常优越，而且具有优良的抗腐蚀性能。可与普通铸造合金媲美，高温强度甚至优于高温铝合金RR350。WE4合金适于250℃应用，广泛应用于赛车及航空飞行器变速箱壳体上。

稀土镁合金（Mg-RE）是耐热镁合金中开发和应用较为成功的一类合金。含RE的析出相通常具有高的热稳定性，同时RE元素在镁基体中的扩散速率慢，使得Mg-RE合金具有较高的高温强度和优良的抗蠕变性能。根据稀土含量不同可将稀土镁合金分为三类：低稀土耐热镁合金（RE总量＜2wt%），代表性合金有AE41、ZE41、QE21、ZE10A等；中等稀土耐热镁合金（2wt%≤RE总量≤6wt%），代表性合金 有AE42、AE44、ACM522、ZE63、 EQ21等；高稀土耐热镁合金(RE总 量 ≥6wt%)，代 表 性 合 金 有WE33、WE43、WE54等，以及目前开发的Mg-6Sc-1Mn、Mg-15Sc-1Mn 和Mg-9Gd-4Y-Zr等Mg-Gd系合金。这些合金高温性能优异，可以在250℃-300℃长期使用。

目前，含稀土镁合金牌号已占镁合金牌号总数的50%以上。不过因含有RE和Zr元素，成本增加，目前仅用于航空航天和军事等高、精、尖领域。虽然加入稀土后成本较高，但稀土元素在镁合金中的作用目前尚无法被替代。当前，在高强耐热稀土镁合金研究与应用方面，美国始终领先，欧洲和日本也非常活跃，许多应用性稀土镁合金都问世于欧洲。中国实用镁稀土合金的研究仍处于起步阶段。近期，韩国现代汽车公司和日本Ube公司分别开 发 出Mg-Al-Zn-Si-Ga和Mg-Al-Zn-Si-Sr专利合金，通过Ga和Sr元素对Mg-Si增强相的“改性”作用，从而获得高强、高蠕变抗力的合金。 阻燃、难燃镁合金材料

镁的熔点较低，镁合金在550℃左右的温度下就开始熔化了。一熔化就会燃烧，危害很大，导致其用途受到了限制。美国联邦航空局禁止在飞机上使用镁。如果不易燃烧，镁的用途就能大大扩大。当前，镁工业界扩大镁用途研究的课题之一是克服镁的易燃缺点。

稀土耐热镁合金已广泛应用在航空飞行器和军事兵器领域

日本熊本大学河村能人教授近期开发出一种“KUMADAI难燃镁合金”，其燃点

温度为1105℃，远远高于传统阻燃镁合金的燃点温度（650℃-850℃）。弹性极限强度高达460Mpa，超过了普通AZ31的两倍，可与超硬铝媲美。由于同时实现了难燃性和高强度，有望用于飞机制造领域。据了解，目前该研究团队正与全球最大的飞机制造企业波音公司商谈联合开发事宜。

韩国也发明了一种新型的阻燃镁合金，在合金基体上有一层致密坚固的氧化钙膜和氧化铝、氧化镧、氧化钕、氧化钇之一组成的膜。最外层厚且坚固的氧化钙膜有阻燃作用。

生物医用镁合金材料

镁合金具有与人体骨头接近的密度和弹性模量、高比强度和比刚度、生物可降解性及生物相容性，是一种潜在市场需求巨大的生物医用材料。最近几年，生物医用镁合金的研究得到了广泛的重视。

目前大多数研究均以现有商用镁合金为对象，如含Al元素的AZ31、AZ91以及含重稀土元素的WE43（Mg-4.0%Y-3.3%Nd-0.5%Zr）等 ，并 未 考 虑到作为生物材料的安全性等问题。镁合金用于生物医用植入材料的主要问题是耐蚀性差，提高耐蚀性能的方法主要有调整合金成分和采用适当的表面处理技术。上海交通大学镁基生物材料实验室从生物安全性、相容性、高强韧性和降解行为可控性三方面研究，开发了Mg-Nd-Zn-Zr合金系列（简称JDBM）。测试表明，采用JDBM加工的心血管支架，其径向支撑力超过血管最大收缩压的4倍，满足临床要求，比WE43合金支架有更好的强度、塑性和更低的降解速度。同钛合金、不锈钢比，在相容性、可降解性和成本方面更有优势。中科院金属所和中国医科大学第一附属医院合作研制的可降解镁合金心血管支架经植入动物体内实验发现，镁合金支架随着血管结构重塑的完成，可通过缓慢有序降解无毒害作用的方式在体内完全降解，避免了目前临床使用的不锈钢支架和钛合金支架因需二次手术或长期存留于血管壁内而导致的内膜增生及再狭窄发生。这对意外事故致伤残及先天性心血管疾病的婴儿、

青少年等具有十分重要的治疗意义。

目前，国际上已经有了Φ6mm以下的镁合金管，主要采用挤压工艺，成本高、变形力大、模具寿命短。国内西北有色金属研究院和重庆大学合作，采用冷轧工艺，成功加工出最小规格为Φ6×0.5mm的晶粒缩小、综合性能优良的精密管材样品，利用激光刻蚀技术成功雕刻出镁合金血管支架样品。心血管支架用生物镁合金细径薄壁管材（≤Ф3mm）的研制，国内目前尚未突破关键技术，国内外市场上也还未见相关产品销售。 镁基能源材料 1.镁电池材料

由于镁的电极电位低，具有非常优秀的电化学性能，可以作为一次电池和二次电池应用，可用于制作各种高容量电池。镁电池无毒，对环境无污染，安全性高。且镁资源丰富，作为电池材料具有极大的优势。

镁系列电池的应用市场前景广阔，镁锰纸板电池可代替锌锰干电池，中国锌锰干电池年产量近270多亿只，平均世界上每人每年用4只中国制造的电池，如能将其更新换代，每年镁合金降耗消耗20多万吨。镁贮备电池是预防自然灾害、突发事件、各种重要救灾场所、重要设施最好的贮备电源。镁贮备电池在不加电解液的情况下可保存5-10年，因此可大大降低成本。镁空气电池可代替锌空气电池用于信号灯、无线电通讯，镁海水电池可广泛用于海上作业。目前，镁蓄电池的研发已有突破性进展。美国、以色列、南开大学等单位已有报道或实验室产品，一旦成功，将是铅酸蓄电池、镉镍蓄电池理想的替代产品。以上镁系列电池国内外几乎是空白，至今仍无正式厂家产业化生产。

中科院沈阳金属所设计开发的可降解镁合金骨板和骨钉

目前，上海交通大学开展了可充镁电池、镁空气电池和高性能镍氢电池（含镁）的研究开发。在可充镁电池中，目前有MgCoMoS体系正极材料和有机电解液体系，

比容量可以达到130mAh/g以上，与目前商用锂离子电池比容量相当，并且循环稳定性和衰减性能都非常优秀。在金属空气电池中，通过在LaNi5材料中加入少量镁，其比容量提高到400mAh/g并显示了良好的循环稳定性，目前已进入中试工作阶段。

然而目前，由于国内镁合金板材的生产还处于起步阶段，在工艺上和产品质量的稳定性上存在诸多问题。虽然镁合金板坯或镁合金锭材的合金成分已能达到电池需要的标准，但由于镁极活泼的化学性质，在生产过程中很容易出现问题。因此在产业化生产过程中保持镁合金在冶炼时控制好合金成分的准确、均匀、稳定，镁合金板材的挤压和轧制过程中避免夹渣和氧化是极为关键的。这些致命的问题解决不好，镁合金在电池制造领域的应用就很难有所突破。另外，虽然镁电池理论上性能优越，但由于制造成本太高，其性价比还比不上其他电池。镁合金板材的高价格致使镁电池感兴趣的投资者望而却步。 2.纳米镁基储氢材料

镁有储氢的作用，是非常优秀的金属储氢材料。纯镁的质量储氢高达7.6%。专家认为，用镁合金来储存氢的技术，未来可以推广到汽车领域，成为汽车新动力。上海交大开展了纳米尺度镁储氢材料研究，实现低温快速充放氢。纳米镁粉的尺度在50-500纳米之间，具有非常高的表面活性，储氢容量达到6.2%以上，接近理论储氢容量。通过制备纳米尺度的金属及其氢化物颗粒，应用于能源和军事领域，目前进展显著。