高性能材料——镁合金

镁合金的优势在哪？镁材料的应用在哪？镁合金的优势在哪？镁材料的应用在哪呢？什么是镁合金？镁合金的优势在哪？镁材料的应用在哪？接下来，就带你了解一下吧！镁合金由于其比强度高、弹性模量大、散热好、消震性好、承受冲击载荷能力比铝合金大、耐有机物和碱的腐蚀性能好等特点，现已广泛应用于航空、航天、运输、化工、火箭等领域。

除此之外，镁合金在医疗器械上的应用潜力很大；如果金属镁企业能在加工性能和产品价格上取得突破，那么镁合金也将在LED产业得到广泛应用。

院士说左铁镛院士在今年新材料发展趋势高层论坛中说到：“就镁材料来说，近20年来，我国的镁材料已取得了三个“第一”的好成绩，分别是镁产量第一，镁储量第一和镁出口量第一。

现在我国在上海交通大学和重庆大学分别建立了镁材料研究中心，在山西、陕西等省份形成产业一体化的布局，大大促进了我国镁合金的研究应用。

目前，镁金属与铝金属相比，价格只高出20%，相较之前有大幅度降低，这也能极大的促进镁合金的研究发展和应用。

”那么，镁合金的优势在哪？镁材料的应用在哪呢？1镁是地球上储量最丰富的轻金属元素之一，镁的比重是1.74g/cm3，只有铝的2/3、钛的2/5、钢的1/4；镁合金比铝合金轻36%、比锌合金轻73%、比钢轻77%。

镁具有比强度、比刚度高，导热导电性能好,并具有很好的电磁屏蔽、阻尼性、减振性、切削加工性以及加工成本低、加工能量仅为铝合金的70%和易于回收等优点。

镁合金是以镁为基加入其他元素组成的合金。

镁合金的比强度高于铝合金和钢，略低于比强度最高的纤维增强塑料；比刚度与铝合金和钢相当,远高于纤维增强塑料；耐磨性能比低碳钢好得多,已超过压铸铝合金A380；减振性能、磁屏蔽性能远优于铝合金。

镁合金是制造工业中可使用的最轻金属结构材料之一，其性能特点决定了众多的应用优势：一是减轻资源压力，镁合金产品的应用可以缓解铁矿和铝矿资源短缺的压力；二是减轻能源和环境压力，以汽车为例，镁合金大规模应用可降低10%—15%的油耗和排放；三是镁合金产品减震性能优越；四是镁合金能源特性好，在某种程度上可以说有镁就有电；五是镁合金产品可屏蔽电子辐射，可广泛用于手机和电脑外壳……中国有丰富的镁资源（占世界70%以上）和巨大的应用市场，为制造业减重的同时必将提升中国制造业的竞争力。

镁合金研究现状及发展趋势摘要：镁合金作为21世纪的绿色环保工程材料之一，近年来已成为学术界的一个研究热点。

本文主要综述了镁合金的研究进展和应用，介绍了耐热、耐蚀、阻燃和高强高韧等高性能镁合金材料的最新发展。

还介绍了镁合金成型技术的研究成果，最后展望了高性能镁合金的发展前景。

关键词：镁合金；高强高韧；成型技术；应用1.引言镁（Mg）是地球上储量最为丰富的元素之一，在陆地、湖泊和海洋中都广为分布，例如，其在地壳表层金属矿资源中的含量达2.3%，仅次于占8.1%的铝和5%的铁，居第三位；海水中的镁含量达到2.1×1015吨，可以认为是取之不尽、用之不竭的元素[1]。

此外，我国的白云石矿储量、菱镁矿以及原镁的产量位列世界镁资源储量首位[2]。

同时，随着当前钢铁行业中铁矿石等资源的日趋紧张，开发和利用镁作为替代材料是必然的趋势。

被誉为“二十一世纪绿色金属结构工程材料”的镁合金是目前所知金属结构材料中最轻的，与其他同类材料相比，它具有密度小，比强度、比刚度较高，可以回收再利用且机加工性能优异，阻尼减震性好，电磁屏蔽效果佳等一系列优点，因此在交通运输（如汽车、摩托车、自行车等工业）、航空航天、武器装备、计算机通讯和消费电子产品等领域具有广阔的应用前景[3]，但其使用量与铝合金和塑料相比还相当少[4]。

目前，从全球镁合金研发状况看，发展方向如图1所示[5]，我国在镁合金材料的应用研究与产业化方面也己取得重大进展，形成了从高品质镁材料生产到镁合金产品制造的完整产业链，为我国实现由镁资源大国向镁应用强国的跨越奠定了坚实的基础。

图1 镁合金的研发方向[5]Fig. 1 Directions of Mg alloy development2.镁合金的特点及分类通过在纯镁中添加其他化学元素，可显著改善镁的物理、化学和力学性能。

但镁合金同时存在着显著的缺点，下面对镁合金的优缺点进行简要的阐述。

2.1镁合金的优点[6 ~ 8]1）密度小、质量轻。

镁合金材料的制备与应用随着科技和工业的不断发展，材料科学也在不断地发展和进步。

其中，镁合金材料是一种备受瞩目的高强度、轻质、环保的材料，被广泛应用于航空、汽车、电子、医疗等领域。

本文将介绍镁合金材料的制备与应用。

一、镁合金材料的制备镁合金是由镁和其他金属元素合成的合金，具有低密度、高比强度、耐腐蚀性好等特点，常用于制造航空、汽车、电子、医疗等领域的零部件和器件。

镁合金的制备方法多种多样，常见的有以下几种。

1. 真空熔炼法真空熔炼法是一种制备高纯镁合金的方法，主要通过高温真空熔炼将镁和其他金属元素的混合物合成镁合金。

该方法制备的镁合金纯度高、含氧量低、杂质少，但制备过程复杂、成本高。

2. 粉末冶金法粉末冶金法是一种材料制备方法，主要通过高能球磨或化学还原等技术将镁和其他金属元素粉末混合后，在高温高压条件下压制成型。

该方法制备成本低、工艺简单、能够制备出各种形状的材料，但制备周期长、工艺参数难控制。

3. 氮化物反应法氮化物反应法是一种制备高性能镁合金的方法，主要通过将金属镁和氮化物在高温下反应制备成镁氮化物，之后通过还原反应获得镁合金。

该方法制备出的镁合金密度高、强度高、延展性好，但制备过程复杂、成本高，需要使用高温等特殊条件。

二、镁合金材料的应用随着人们对环保和能源消耗的重视，镁合金材料在各个领域中的应用逐步增加。

以下是镁合金材料常见的应用场景。

1. 航空领域航空领域对材料的高强度、轻质、抗疲劳等要求很高，镁合金正是符合这些要求的材料之一。

在飞机、直升机等飞行器的制造过程中，将镁合金用作机身结构材料、发动机外罩、支撑件等，能够大幅度降低整个飞行器的重量，提升飞行器的效率和性能。

2. 汽车领域镁合金也被广泛应用于汽车领域。

在汽车制造过程中，将镁合金用作车身结构材料、发动机散热器、变速器壳体、制动器等部位，能够降低整车重量、提高车辆的燃油效率和动力性能，同时还能减少对环境的污染。

3. 电子领域随着电子设备的不断更新换代，对电子材料的性能要求也在不断提高。

进入21世纪，随着汽车工业、轨道交通、航空航天和电子产品工业的飞速发展，以及人们对高品质生活的追求，对环保型、轻量化、高性能材料的需求越来越高。

我们都知道：镁是地球上储量最丰富的元素之一，金属镁及镁合金也是目前在工程应用中最轻的金属结构材料。

镁合金具有高的比强度、比刚度，尺寸稳定性高，阻尼减震性能好，机械加工方便，尤其易于回收利用，具有环保特性，被誉为“21 世纪绿色工程金属结构材料”。

因此，在很多传统金属矿产趋于枯竭的今天，加速开发镁合金材料，尤其是稀土镁合金对保持社会可持续发展具有重要的战略意义。

一、镁合金浅析 1.国内镁合金现状 我国是镁资源最丰富的国家，可利用的镁资源占世界贮量的70%，是世界上原镁生产和出口量最大的国家，中国虽然是镁生产大国和出口大国，镁合金材料品种、质量应用及生产装备和环保安全等有了一定的进步，但从整体来看，我国镁及镁合金材料产业的发展水平与工业发达国家相比还有很大镁合金及稀土镁合金浅析文/冀丽安稀土信息·34·2020年第5期·35·Rare Earth Information的差距，特别是基础研究、新合金新材料的研制开发与应用、结构材料的铸造生产和塑性加工技术与装备等方面的工作还比较弱，处于起步阶段。

自2000年以来，我国对镁及镁合金行业的支持力度开始加大。

2001年，科技部正式启动“十五”科技攻关重大专项“镁合金应用开发及产业化”，这是我国在国家层面上首次针对镁材料研发开展的专项支持。

各种形式的产学研用合作联盟和项目得以推进。

国家镁合金材料工程技术研究中心、上海交大轻合金精密成型国家工程研究中心、中科院金属所等镁科研国家队陆续组建并实现实力和能力提升。

目前，中国已经成为全球最主要的镁合金加工产品的生产基地。

2 .国外镁合金现状 国外对于镁及其合金的研究开发较早，到目前镁及其合金材料的开发应用已进入相对比较成熟的阶段，并已达到产业化的工业规模。

镁合金分类依据镁合金是以镁为基础加入其他元素组成的合金。

其特点是：密度小（1.8g/cm3镁合金左右），比强度高，比弹性模量大，散热好，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐有机物和碱的腐蚀性能好。

主要合金元素有铝、锌、锰、铈、钍以及少量锆或镉等。

在实用金属中是最轻的金属，镁的比重大约是铝的2/3，是铁的1/4。

它是实用金属中的最轻的金属，高强度、高刚性。

一般来说，镁合金的分类依据主要有三种，分别为合金化学成分、成型工艺和是否含锆。

工业用镁的纯度可达到99.99%以上，但是纯镁不能用作结构材料。

在纯镁中加入铝、锌、锂、锰、锆和稀土等合金元素可以达到强化纯镁的目的，形成的镁合金具有较高的强度，可以作为结构材料而得到广泛的应用。

常见的镁合金体系一般都含有不止一种合金元素。

但在实际中，为了分析方便，简化和突出合金中主合金元素的作用，可以把镁合金分为Mg-Mn、Mg-Al、Mg-RE、Mg-Th、Mg-Li 和Mg-Ag 等合金系列。

镁的合金元素最常见的合金元素为铝（Al）、锌（Zn）、锰（Mn）。

合金的基本原理如下：铝（Al）添加3-10%时其硬度与强度随添加比例增加。

镁铸件含5～10%Al时对热处理有较佳之响应。

铝元素在镁中的极限固溶度为12.7%，并且随着温度的降低显著减少，室温下的固溶度为2.0%左右，利用其固溶度的明显变化可以对其进行热处理。

铝元素的含量对合金性能影响极大，随着铝元素含量的增加，合金的结晶温度范围变小、流动性变好、晶粒变细、热裂及缩松倾向明显得到改善。

而且随着铝含量的增加，抗拉强度和疲劳强度得到提高。

锰（Mn）添加少量可改善腐蚀抗，对机械性质效应极少。

在镁合金中添加锰可以提高屈服强度，锰通过除去镁合金液中的铁及其他重金属元素，避免产生有害的金属间化合物来提高Mg-Al合金和Mg-Al-Zn合金的抗海水腐蚀能力，在熔炼过程中部分有害的金属间化合物会分离出来。

锌（Zn）最多达3%，可改善强度与盐水腐蚀。

镁合金的特点1.重量轻——镁合金比重在所有结构用合金中属于轻者，它的比重为铝合金的68%，锌合金的27%，钢铁的23%，它除了做3C产品的外壳，内部结构件外，还是汽车、飞机等零件的优秀材料2.比强度、比刚度高——镁合金的比强度明显高于铝合金和钢，比刚度与铝合金和钢相当，而远远高于工程塑料，为一般塑料的10倍3.耐振动性好——在相同载荷下，减震性是铝的100倍，钛合金的300~500倍4.电磁屏蔽性佳——3C产品的外壳（手机及电脑）要能够提供优越的抗电磁保护作用，而镁合金外壳能够完全吸收频率超过100db的电磁干扰5.散热性好——一般金属的热传导性是塑料的数百倍，镁合金的热传导性略低于铝合金及铜合金，远高于钛合金，比热则与水接近，是常用合金中最高者6.质感佳——镁合金的外观及触摸质感极佳，使产品更具豪华感7.可回收性好——只要花费相当于新料价格的4%，就可将镁合金制品及废料回收利用8.稳定的资源提供——镁元素在地壳中的储量居第八位，大部分的镁原料自海水中提炼，所以它的资源稳定、充分镁及镁合金的焊接性⑴粗晶镁的熔点仅为651℃ ，导热快，焊接时要用大功率热源，所以焊缝及热影响区金属易产生过热和晶粒长大。

⑵氧化和蒸发镁的氧化性极强，在焊接高温下，易形成氧化镁（MgO），MgO 熔点高达2500℃ ，且密度大（ 3.2g /cm3），在熔池中易形成细小片状的固态夹渣。

在高温下，镁还容易和空气中的氮化合成镁的氮化物，使接头性能变坏。

镁的沸点不高，仅为1100℃ ，因此在电弧高温下很易蒸发。

⑶热应力镁及镁合金的线膨胀系数约为钢的2倍（铝的1.2倍），所以焊接时产生较大的热应力，增加产生裂纹的倾向和加大焊件变形。

⑷热裂纹镁容易和一些合金元素如Cu、Al、Ni等形成低熔点共晶（如Mg-Cu 共晶熔点为480℃ ，Mg-Al共晶熔点为430℃ ，Mg-Ni共晶熔点为508℃ ）所以热裂纹倾向较大。

⑸气孔氢在镁中的溶解度随着温度的降低而急剧减少，因此焊缝中易产生气孔。

镁合金的优缺点及应用镁合金是以镁为原料的高性能轻型结构材料，比重与塑料相近，刚度、强度不亚于铝，具有较强的抗震、防电磁、导热、导电等优异性能，并且可以全回收无污染。

镁合金质量轻，其密度只有1.7kg/m3，是铝的2/3，钢的1/4，强度高于铝合金和钢，比刚度接近铝合金和钢，能够承受一定的负荷，具有良好的铸造性和尺寸稳定性，容易加工，废品率低，具有良好的阻尼系数，减振量大于铝合金和铸铁，非常适合用于汽车的生产中，同时在航空航天、便携电脑、手机、电器、运动器材等领域有着广泛的应用空间。

一、镁合金的优点1、镁合金密度小但强度高、刚性好。

在现有工程用金属中，镁的密度最小，是钢的1/5，锌的1/4，铝的2/3。

普通铸造镁合金和铸造铝合金的刚度相同，因而其比强度明显高于铝合金。

镁合金的刚度随厚度的增加而成立方比增加，故而镁合金制造刚性好的性能对整体构件的设计十分有利。

2、镁合金的韧性好、减震性强。

镁合金在受外力作用时，易产生较大的变形。

但当受冲击载荷时，吸收的能量是铝的1.5倍，因此，很适合应于受冲击的零件—车轮；镁合金有很高的阻尼容量，是避免由于振动、噪音而引起工人疲劳等场合的理想材料。

3、镁合金的热容量低、凝固速度快、压铸性能好。

镁合金是良好的压铸材料，它具有很好的流动性和快速凝固率，能生产表面精细、棱角清晰的零件，并能防止过量收缩以保证尺寸公差。

由于镁合金热容量低，与生产同样的铝合金铸件相比，其生产效率高40%～50%，且铸件尺寸稳定，精度高，表面光洁度好。

4、镁合金具有优良的切削加工性。

镁合金是所有常用金属中较容易加工的材料。

加工时可采用较高的切削速度和廉价的切削刀具，工具消耗低。

而且不需要磨削和抛光，用切削液就可以得到十分光洁的表面。

5、资源丰富。

中国是镁资源大国，菱镁矿、白云石矿和盐湖镁资源等优质炼镁原料在中国的储量十分丰富，为中国的原镁工业及“下游”产业的蓬勃发展和不断进步提供了物质保证。

进入20世纪90年代以来，随着改革开放和市场经济的不断深入发展，中国镁工业也有了突飞猛进的发展。

摘要镁合金作为目前工业应用中最轻的金属结构材料，因其强度、比刚度高，良好的电磁屏蔽性能及易于加工、回收等优点，被誉为“21世纪绿色金属工程材料”，并广泛用于汽车、通讯、电子、航空航天等领域。

本文着重探讨了新型镁合金的组织性能、耐腐蚀性能以及成型技术。

分析了不同合金元素的添加，对镁合金的物理性能、化学性能的影响。

介绍镁合金的分类，不同牌号的镁合金，含有哪些不同的合金性能，以及该合金材料的优缺点、实用性和应用领域。

在我国，镁合金加工成形技术主要是压铸成型，在压铸成型中，我们要注意到压铸镁合金材料的性能要求，在压铸过程中的技术参数以及该注意到的问题我们都会详细阐述。

最后展望了镁合金发展和应用的前景，作为21世纪的绿色金属材料，在越来越多的领域中逐步得到应用，所以，镁合金材料的开发、应用研究和高要求、高性能的镁合金材料的开发势在必行。

关键词：镁合金；成型技术；性能；耐腐蚀AbstractMagnesium alloys as the lightest metal structural material for current industrial applications, because of its strength, specific stiffness, good electromagnetic shielding performance and ease of processing, recycling, etc., was known as the "21st century green metallic engineering materials," and widely used in the automotive, communications, electronics, aerospace and other fields.This article focuses on the performance of the new magnesium alloy, corrosion resistance, and molding technology. The effects for the physical and chemical properties of magnesium alloys,which coursed by different alloying elements added,is analysised. Describes the classification and different grades of magnesium alloys, different alloys properties, as well as the advantages and disadvantages of the alloy material, practical, and applications. In China, the forming process of magnesium alloy was mainly the die casting, we have to note that the material properties requirements of magnesium alloy in die-casting , the technical parameters of die casting process and some other issues we will be more noticed . Finally, the future development and application of magnesium alloy is prospected, as the 21st century green metallic materials, and gradually more and more applied , the development of magnesium alloy material, applied research and the development of high demanded,high-performance magnesium alloys materials is imperative.Key Words：Mg-Al-Zn alloys；forming technology；property；corrosion目录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论 (1)1.1镁及镁合金简介 (1)1.2镁合金的特点 (1)1.3 镁合金的应用 (3)1.3.1镁合金在车辆上的应用 (3)1.3.2镁合金在航空上的应用 (3)1.3.3镁合金在3C产品上的应用 (3)1.3.4镁合金在武器的应用 (4)1.3.5镁合金在其他领域的应用 (4)1.4新型镁合金的研究 (5)第二章实验部分 (7)2.1概述 (7)2.2压铸镁合金体系 (7)2.3压铸用的浇注系统 (8)2.4压铸设备 (9)2.5镁合金的熔炼 (9)2.5.1熔炼设备 (9)2.5.2冷、热室压铸机 (10)2.6镁合金的压铸工艺 (11)2.6.1压铸工艺装置 (11)2.6.2熔体制备 (12)2.6.3压铸工艺 (13)2.6.4熔体熔炼的阻燃保护 (15)2.6.4.1溶剂保护 (15)2.6.4.2气体保护 (16)2.6.4.3合金化阻燃保护 (17)2.6.5压铸过程中的阻燃保护 (18)第三章结果与讨论 (19)3.1镁合金的成份 (19)3.2镁合金的成份对性能的影响 (20)3.2.1镁合金的合金化特点 (20)3.2.2镁合金的物理冶金特性 (21)3.3合金元素的作用 (22)3.3.1铝对镁合金的性能的影响 (23)3.3.2锌元素的作用 (24)3.3.3其他合金元素的作用 (25)第四章镁合金前景与未来发展 (27)4.1镁合金的未来发展前景 (27)4.1.1耐高温性能的改善 (27)4.1.2抗腐蚀性能的提高 (28)4.1.3塑性变形能力的改善 (28)4.1.4镁基复合材料 (28)第五章结论 (29)参考文献 (30)致谢 (31)第一章绪论1.1镁及镁合金简介1774年人们首次发现镁，并以希腊古城Magnesia命名。

镁合金塑性变形机理研究进展一、本文概述镁合金作为一种轻质、高强度的金属材料，在航空航天、汽车制造、电子通讯等领域具有广泛的应用前景。

然而，镁合金在塑性变形过程中面临着诸多挑战，如室温下塑性较差、易产生应力腐蚀等问题，限制了其在实际应用中的性能发挥。

因此，深入研究镁合金的塑性变形机理，对于提升镁合金的综合性能、推动其在更广泛领域的应用具有重要意义。

本文旨在综述镁合金塑性变形机理的研究进展，从镁合金的塑性变形行为、变形过程中的微观组织演变、变形机制及影响因素等方面进行总结和分析。

文章首先简要介绍了镁合金的基本特性及其应用现状，然后重点回顾了近年来镁合金塑性变形机理的相关研究成果，包括塑性变形的微观机制、变形过程中的应力应变行为、合金元素对塑性变形的影响等。

文章对镁合金塑性变形机理的未来研究方向进行了展望，以期为镁合金的进一步研究和应用提供有益的参考。

二、镁合金的塑性变形行为镁合金作为轻质高强度的金属材料，其塑性变形行为一直是材料科学领域的研究热点。

镁合金的塑性变形主要涉及到滑移、孪生以及晶界滑移等多种机制。

这些机制在镁合金的变形过程中相互作用，共同影响着镁合金的力学性能和微观组织演变。

滑移是镁合金塑性变形中最主要的变形机制。

镁合金中的滑移系主要包括基面滑移、柱面滑移和锥面滑移。

其中，基面滑移是最容易激活的滑移系，但由于其滑移方向的限制，通常不能完全协调镁合金的宏观变形。

柱面滑移和锥面滑移的激活则需要更高的临界剪切应力，但在高温或变形量较大时，这些滑移系也能被有效激活，从而改善镁合金的塑性变形能力。

孪生在镁合金塑性变形中也扮演着重要角色。

特别是在低温和高应变速率下，孪生成为镁合金的主要变形机制。

孪生不仅能够协调镁合金的宏观变形，还能细化晶粒，提高镁合金的强度和韧性。

然而，孪生也会引入新的织构，影响镁合金的后续变形行为。

除了滑移和孪生外，晶界滑移也是镁合金塑性变形中不可忽视的变形机制。

晶界滑移能够协调不同晶粒间的变形，使得镁合金在宏观上表现出良好的塑性。