镁合金成型及其应用研究
摘要文中综述了镁合金的种类、特点及性能，全面介绍了包括塑性成形、半固态成形、RSP等在内的镁合金成形方法，并对镁合金在航空航天、汽车、3C 等工业的应用历史及现状进行了概述，分析了镁合金目前存在的问题，指出了下一步研究的重点，并展望了镁合金的发展前景。
关键词镁合金，成型工艺，应用
1、前言
镁合金是以镁为基加入其他元素组成的合金。加入AJ、Zn、Mn、Zr和稀土等元素形成的镁合金具有较高的强度。由于环保、节能方面的压力，在许多领域，传统钢铁材料已逐渐被各种综合性能更为优良的新型材料所替代。近年来，随着航空航天、交通运输、信息产业的发展，新型轻合金材料的研发日益受到各国的高度重视，镁合金凭借其优异的性能以及低迷的原镁价格，促使包括中国在内的世界各国相继设立相关研究课题，并投入大量人力物力。镁合金的研究开发与应用已成为材料研究的一大热门，其研究成果也在各个领域得到应用。
目前，镁合金在各领域的应用不断拓宽．市场对镁的需求大幅增长。作为21世纪令人瞩目的绿色工程材料．汽车轻量化将成为镁应用的主要领域。镁取代铝是汽车材料应用发展的必然趋势。关键应用技术的突破是唯一的短期障碍。全球镁资源量巨大，而且可完全回收再利用，随着其他金属矿产资源的日渐枯竭，金属镁必将成为继铁、铝之后的第三大金属材料。
镁合金以其低密度、比强度和比刚度高、阻尼减震性好、电磁屏蔽性好等优点；同时也是最轻的金属结构材料，被认为是汽车轻量化的首选材料，已成为制造汽车的重要材料；而且已广泛应用在航空航天、汽车、计算机、电子、通讯和家电等行业。90年代以来．世界各国高度重视镁合金的开发与研究，在美国、日本、德国等国的镁合金研究计划当中都把镁做为21世纪最重要的战略物资，并重点加强镁合金在汽车、计算机、家用电器与航空航天等领域的开发和应用研
究。同时，国际上主要金属材料的应用和发展发生了较为明显的变化，钢铁、铜、铅等传统金属材料的应用增长趋势趋于缓慢，而以镁合金为代表的轻金属结构材料则以每年20％的速度持续迅速增长。事实证明，镁合金产业已进入飞速发展的阶段。
2、镁合金的优点
镁合金的优越性主要表现在以下几方面口：①密度小，只及钢铁的1/4，铝合金的2/3，是最轻的结构合金，能有效降低部件重量，节省能源；②比强度很大，略低于比强度最高的纤维增强材料；③比刚度与铝合金、钢铁的基本持平，远高于工程塑料；④阻尼性很好，吸收能量能力强，具有极佳的减震性，可用于震动剧烈的场合，用在汽车上可增强汽车的安全性和舒适性；⑤导热性好，稍逊于一般铝合金，是工程塑料的300倍，且温度依赖性低，可用于制造要求散热性能好的电子产品；⑥镁合金是非磁性材料，电磁屏蔽性能好，抗电磁波干扰能力强，可用于手机等通讯产品；⑦镁合金加工成形性好，外观质感好，可制做笔记本电脑、照相机等的外壳；⑧镁合金线收缩率很小，尺寸稳定，不易因环境改变而改变(相对于工程塑料)；⑨镁合金可全部回收利用，是有利于环保的一种绿色金属。
3、常用镁合金
工业镁合金主要有主添加元素分别为Mn，A1，Zn，Zr和稀土的5个基本合金系：Mg-Mn，Mg-A1-Mn，Mg-A1-Zn-Mn，Mg-Zr，Mg-Zn—Zr，Mg-稀土-Zr，Mg-Ag-稀土-Zr和Mg-Y-稀土-Zr等。此外，在某些镁合金中Th也是添加元素之一。尽管含Th镁合金可用于军事和航空工业，但从环境因素考虑(具有放射性)，现已基本不用。
镁合金一般可分为含Al和不含Al镁合金，又由于不含Al镁合金一般都用Zr作为晶粒细化剂(Mg-Mn除外)，故也可分为含zr和不含zr镁合金。按产品形态，也可分为铸造和变形合金，后者又可分为锻压合金、挤压合金和轧制合金。除
以上常用镁合金外，还有其它一些新系镁合金，如Mg-Zn-Cu系，典型合金有砂铸合金ZC63和变形合金ZC71；Mg-Li系合金，其中LA141A和LS141A 已在航空航天工业得以应用。
近来，结合新工艺方法，一些新型镁合金体系得以开发和应用：快凝(RSP)合金，如EA55RS；非晶镁合金，如著名的三元合金Mg-M-Ln，其中M 为Cu 或Ni，Ln为La系元素，如Y；金属基复合材料(MMC)，如以SiC、玻璃、Al 0。和石墨等作为纤维强化添加剂的AZ91，AZ31及Mg—Li系合金等。这些合金的强度比一般镁合金的高得多，甚至高于一般铝合金的强度。
4、镁合金的成型工艺
由于金属镁的hcp晶体结构，致使除部分Mg-Li合金外的多数镁合金塑变能力比铝合金差得多，因此，其成形方法的研究显得十分重要。
4.1 铸造
铸造(即液态成形)是镁合金的主要成形方法，包括砂型铸造、金属型铸造、重力铸造、熔模铸造、消失模铸造、永久模铸造和压铸等在内的多数铸造方法均可用于镁合金成形口]，其中压铸是最成熟、应用最广的方法。目前在欧美、日本和我国台湾地区已有相当规模。压铸可分为热室压铸和冷室压铸。前者是镁合金较为常用的方法，但压铸件不宜太大，通常用于生产重量不大的薄壁件，如英国Kirk Precision公司用热室压铸生产AZ91HP镁合金自行车架_2]，美国芝加哥White MetalCasting公司用镁合金生产计算机外壳I3 和雷达探测器_4 等；冷室压铸通常用来生产厚壁件和大铸件，如德国Audi汽车公司和美国GM 汽车公司用冷室压铸生产汽车仪表板。
镁合金压铸时，合金液充填压型时的高速湍流运动，使腔内气体无法排出，导致组织疏松，甚至铸件表面鼓包或变形。近年来出现的许多新压铸方法，包括真空压铸、充氧压铸和挤压铸造等一定程度上克服了以上缺点，减少了铸件组织疏松和气孔等缺陷，提高了铸件致密度。
4.2 塑性成形
金属镁室温塑性成形能力差；高温时，由于产生孪晶滑移，塑性变形能力提高，但温度升高，也导致晶粒长大，塑性变形能力降低。因此，变形温度是重要参数，同时变形速率和应力状态也是重要的考虑因素。目前镁合金的塑性成形过程主要为锻造和挤压，少量为轧制成形。
(1)锻压成形
镁合金的可锻性取决于固相线、变形速率和晶粒度三个因素。锻造所用原料一般采用可锻性良好的AZ和ZK系，这两系合金可通过添加晶粒细化剂和合金
