鎂是地球上儲量最豐富的輕金屬元素之一,鎂的比重是1.74g/cm3,只有鋁的2/3、鈦的2/5、鋼的1/4;鎂合金比鋁合金輕36%、比鋅合金輕73%、比鋼輕77%。
鎂具有比強度、比剛度高,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(yōu)點。
鎂合金的比強度高于鋁合金和鋼,略低于比強度最高的纖維增強塑料;比剛度與鋁合金和鋼相當,遠高于纖維增強塑料;耐磨性能比低碳鋼好得多,已超過壓鑄鋁合金A380;減振性能、磁屏蔽性能遠優(yōu)于鋁合金。
鎂物理性能
除了比重低,鎂還有很多其它的良好的物理特性,使之在汽車結(jié)構(gòu)材料應用中,有時比鋁和塑料更有應用價值。鎂物理性能的主要優(yōu)點是:比鋁高30倍的減振性能; 比塑料高200倍的導熱性能; 其熱膨脹性能只有塑料的1/2。
鎂機械性能的優(yōu)點
和壓鑄鋁合金相比,鎂除了上述物理性能等優(yōu)點,還具有較高的機械性能。鎂的強度和剛度要明顯好于塑料,延伸率和沖擊抗力則明顯好于壓鑄鋁合金。
鎂機械性能的缺點
鎂的強度和硬度比鋼低很多。它的拉斷強度和疲勞強度也比鋁低,見下表3。但是,它的性能重量比(性能/比重)要明顯好于所比較的其它材料。從絕對值講,鋼的性能是所有汽車材料中最好的。但鎂的屈服強度比是鋼的二倍,模量比幾乎相同。更有利的是,鎂部件在設(shè)計和鑄造時,可通過變化截面,布置加強筋和改善表面特性,來減輕材料性能低的不利因素,以保證鎂部件的質(zhì)量和耐用性。
鎂加工性能的優(yōu)點
鎂有很好的加工性能,也就是說有很好的鑄造性能。和其它材料比,它的制造成本很低,見表4,值得重視的是,盡管每公斤鎂錠的價格要比鋁和鐵貴一些,但它單位體積的成品價格幾乎是一樣的。
鎂的物理化學特性使其比鋁更適合壓鑄大型部件。鎂單位體積的熔化潛熱只有鋁的2/3,比熱只有鋁的3/4,并且有非常低的溶鐵性。這些特性使鎂壓鑄件達到和鋁幾乎相同的生產(chǎn)成本/每公斤。如果再應用生產(chǎn)效率很高的 HOT RUNNER 技術(shù)(例如 THIXOMAT的最新成果),鎂壓鑄部件的生產(chǎn)成本比鋁還要低很多。
鎂合金在汽車工業(yè)的應用
近二十年來,世界汽車產(chǎn)量持續(xù)增長,年均增長率為2.5%。汽車工業(yè)發(fā)展程度是一個國家發(fā)達程度的重要標志之一,而金屬材料是汽車工業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。出于節(jié)能與環(huán)保的要求,汽車設(shè)計專家們想方設(shè)法減輕汽車體重,以達到減少汽油消耗和廢氣排放量的雙重效果。鎂合金作為最輕的結(jié)構(gòu)材料,能滿足日益嚴格的節(jié)能的尾氣排放的要求;可生產(chǎn)出重量輕、耗油少、環(huán)保型的新型汽車。鎂合金汽車零件的好處可簡單歸納為:
密度小,可減輕整車重量,間接減少燃油消耗量;
鎂的比強度高于鋁合金和鋼,比剛度接近鋁合金和鋼,能夠承受一定的負荷;
鎂具有良好的鑄造性和尺寸穩(wěn)定性,容易加工,廢品率低;
鎂具有良好的阻尼系數(shù),減振量大于鋁合金和鑄鐵,用于殼體可降低噪聲,用于座椅、輪圈可以減少振動,提高汽車的安全性和舒適性。
鎂合金在汽車上用作零部件的歷史約有70年。早在1930年就用于一輛賽車上的活塞和歐寶汽車上的油泵箱,之后用量和應用部位逐漸增加。六十年代在有的車種上用量達到23千克,主要用作閥門殼、空氣清潔箱、制動器、離合器、踏板架等。八十年代初,由于采用新工藝,嚴格限制了鐵、銅、鎳等雜質(zhì)元素的含量,鎂合金的耐蝕性得到了解決,同時,成本下降又大大促進了鎂合金在汽車上的應用。從九十年代開始,歐美、日本、韓國的汽車商都逐漸開始把鎂合金用于許多汽車零件上。
鎂合金壓鑄件在汽車上的應用已經(jīng)顯示出長期的增長態(tài)勢。在過去十年里,其年增長速度超過15%。在歐洲,已經(jīng)有300種不同的鎂制部件用于組裝汽車,每輛歐洲生產(chǎn)的汽車上平均使用2.5kg鎂。樂觀的估計認為,出于減重的需求,每輛汽車對鎂的需求將提高至70—120kg。
目前,汽車儀表、座位架、方向操縱系統(tǒng)部件、引擎蓋、變速箱、進氣歧管、輪轂、發(fā)動機和安全部件上都有鎂合金壓鑄產(chǎn)品的應用。
無論是在國內(nèi)還是在國外,鎂的應用主要集中在鋁合金生產(chǎn)、壓鑄生產(chǎn)、煉鋼脫硫三大領(lǐng)域,還用在稀土合金、金屬還原及其他領(lǐng)域。
由于鎂的密度小,比強度高,并能與鋁、銅、鋅等金屬構(gòu)成高強度合金,因此,鎂是重要的合金元素。世界上鎂的最大消費領(lǐng)域是作鋁合金添加元素。2002年世界主要地區(qū)原鎂消費中,共用了14.56萬噸鎂生產(chǎn)鋁合金,占原鎂消費總量的40%;我國2003年共用2.1萬噸鎂作為鋁合金添加元素,占消費總量的41%。一般來說,鎂與原鋁的消費比率約為0.4%。
2002年世界主要地區(qū)原鎂消費中,壓鑄占35%。在鎂壓鑄生產(chǎn)行業(yè)中,北美、拉美、西歐用量最多,因為汽車制造業(yè)促進了市場對鎂需求量的增長。有關(guān)統(tǒng)計數(shù)字表明,在過去10年里,鎂合金壓鑄件在汽車上的使用量上升了15%左右,而且這種發(fā)展趨勢還會繼續(xù)。
歐美、俄羅斯等地區(qū)和國家的不少鋼廠都采用鎂脫硫。2002年世界主要地區(qū)原鎂消費中,5.73萬噸用于煉鋼脫硫,占總量的15.70%。我國2003年鋼鐵脫硫用鎂8000噸,占總消費量的15.62%。使用鎂粒的脫硫效果比碳化鈣好,雖然鎂的價格比碳化鈣高,但其用量僅為碳化鈣的1/6—1/7,鎂脫硫總費用較碳化鈣經(jīng)濟。一般來說,噸鋼消耗鎂粒0.4—0.5公斤,脫硫后含硫量0.001—0.005%。
使用鎂犧牲陽極進行陰極保護,是一種有效的防止金屬腐蝕的方法,鎂犧牲陽極具有以下特點:防腐性能好、不需外加直流電源、安裝后自動運行、不需維護、占地面積少、工程費用低、與外界環(huán)境不發(fā)生任何干擾。鎂犧牲陽極廣泛用于石油管道、天燃氣、煤氣管道和儲罐;港口、船舶、海底管線、鉆井平臺;機場、停車場、橋梁、發(fā)電廠、市政建設(shè)、水處理廠、石化工廠、冶煉廠、加油站的腐蝕防護以及熱水器、換熱器、蒸發(fā)器、鍋爐等設(shè)備。
在人體細胞內(nèi),鎂是第二重要的陽離子,它能激活體內(nèi)多種酶抑制神經(jīng)異常興奮性,維持核酸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,參與體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成、肌肉收縮及體溫調(diào)節(jié)。近代研究證實,動脈硬化、心腦血管病、高血壓、糖尿病、白內(nèi)障、婦女痛經(jīng)、骨質(zhì)疏松、抑郁癥均與缺鎂有關(guān)。鎂在醫(yī)藥領(lǐng)域的應用越來越受重視。