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鎂合金的應用前景

鎂是地球上儲量最豐富的輕金屬元素之一，其比重是1.74g/cm3，只有鋁的2/3、鋼的1/4；鎂合金比鋁合金輕36%、比鋼輕77%。鎂具有強度高、剛度高，導熱導電性能好，并具有很好的電磁屏蔽、阻尼性、減振性、切削加工性以及加工成本低、加工能量僅為鋁合金的70%和易于回收等優點。除了比重低，鎂還有很多良好的物理特性，使之在汽車結構材料應用中有時比鋁和塑料更有應用價值。鎂的物理性能的優點主要在于比鋁高30倍的減振性能；比塑料高200倍的導熱性能以及熱膨脹性能只有塑料的1/2。 不過，在目前汽車使用的材料中，金屬鎂僅占2.5%，而且還有相當一部分是以合成材料的形式應用于汽車中。據預測，未來的發展趨勢是鎂的用量將進一步提高，在將來的特殊車輛中，例如F1賽車中，鎂將會占到整車材料的10%左右。 目前，金屬鎂的原材料生產廠都在擴大生產能力，例如，在中國，金屬鎂的年生產能力已經從0.5萬噸猛增到15萬噸；在德國，鎂合金鑄件的年產量達到了3萬噸，創造了有史以來的最高記錄。另外，許多汽車零部件供應商和汽車生產廠家也都有著自己的鎂合金材料開發項目和計劃，例如，北美地區就有許多這樣的設想，然而，計劃最多、增長幅度最大的仍然是歐洲。表1為美國、歐洲、日本三大市場的鎂合金需求量。 在汽車制造領域中，鎂合金材料有60多種不同的用途。這些鎂合金材料的汽車零部件既可以在高檔轎車中看到，也可以在普通轎車中看到。在賽車、轎車和SUV中，價格昂貴的鎂合金材料可以加工成合格的汽車零部件，而且也可以制造成汽車的承重部件。所有的汽車生產廠家都在他們的產品中采用了鎂合金零件，只不過是用這些鎂合金材料制作的零部件不同。 制造薄壁工件 鎂合金材料制造的汽車零部件品種繁多，從汽車的運動部件（如車輪），到汽車的結構部件（如汽車座椅框架），再到承受高溫的耐高溫部件（如缸體），這些零部件的共同特點是承受的機械和化學負載較低。鎂合金材料經常用來制造“支架”、“殼體”、“端蓋”或“堵蓋”類零件等。由于鎂合金材料具有極好的鑄造流動性能，因此，非常適合于制造橫拉桿之類的薄壁結構件和大面積的車輛內部結構件，如車門和前、后艙蓋等。金屬鎂的物理化學特性使其比鋁更適合壓鑄大型部件，最常采用鎂合金材料的零部件有：  轉向軸，全球50%的轉向軸采用了鎂合金材料； 橫梁，歐洲產轎車中使用了約6000t的鎂合金材料； 變速器殼體，大眾公司B型車架的轎車中每天使用約600個鎂合金材料制造的變速器殼體。 原則上講，鎂合金材料主要用于汽車的內部結構的驅動系統中，大批量、由汽車零部件供應商提供的鎂合金零部件有望在今后的5年內大量進入汽車制造業，那時，戴姆勒-克萊斯勒公司生產的汽車將采用鎂合金自動變速器；BMW公司生產的轎車將采用鎂-鋁復合材料的發動機缸體。從長遠來看，鎂合金材料在車架制造和底盤制造中以及耐高溫零部件的制造中也會進一步增加。 除了可以比鋼和鋁減輕40%～70%的重量這一優點之外，鎂合金材料在減振、降噪和環保等方面也具有很大優勢。地球上鎂元素的含量豐富，便于對鎂合金材料廢舊零部件進行回收再利用；與鋁合金材料相比，鎂合金材料熔化、鑄造時的能源消耗少，切削加工時機械磨損少，因此，整個生產費用可比鋁合金材料減少20%左右。鎂合金材料良好的焊接性能可能會給汽車的結構設計帶來一場新的革命，它可以用來制造大量的結構件，特別是可以制造出一些薄壁件和大面積結構件，進而降低汽車的總裝費用。 盡管每公斤鎂錠的價格要比鋁和鐵貴一些，這一價格上的劣勢因鎂合金材料生產加工過程中的費用低廉而得以彌補，單位體積的鎂熔化潛熱只有鋁的2/3，比熱只有鋁的3/4，并且有非常低的溶鐵性，因此，總價格比鋁合金材料僅高出20%左右。此外，鎂合金材料還有一些不足之處就是耐腐蝕性差、抗蠕變性能差、剛性較差。在鎂合金零部件的生產制造過程中，有許多問題需要解決，例如，在澆鑄時，要克服不良的（冷）變形問題；另外，鎂合金材料在實際應用中還有外部裸露件的銹蝕問題，還有在不同材質零件混和運輸過程中都要注意提高鎂合金的抗接觸腐蝕能力，防止金屬鎂的自燃等問題。 新的發展機遇 與鋼、鋁材料零部件相比，鎂合金材料零部件的競爭力在不斷增強，鎂合金材料的可回收利用性能在這方面也發揮了重要作用。當人們充分利用了金屬鎂的特性，按照金屬鎂特性合理地設計了汽車的零部件之后，鎂合金零部件大有取代鋼、鋁零部件的趨勢，而且不致引起價格的提高。表2為未來幾年金屬鎂用量的增長趨勢預測。 汽車工業中鎂合金零部件數量不斷增加的這一趨勢為零部件供應商、系統供應商提供了一個新的商機，而在生產加工鎂合金汽車零部件過程中，首先應解決好金屬鎂的燒蝕問題。德國大眾公司采用了適當的安全防護措施后，可以在鎂合金材料零件的澆鑄、熔煉和切削加工中有效防止自燃。這是一種按照陽極表面處理原理對鎂合金零件進行防腐處理的工藝技術。 隨著科技水平的不斷提高，鎂合金材料的弱點也在不斷被改進，鎂合金材料將具有非常廣闊的市場前景。