镁合金及其应用前景

材料科学与化学工程学院

《材料科学与工程学科导论》

镁合金及其应用前景

学 号：S*********

专 业：材料科学与工程

学生姓名：***

任课教师：巫瑞智 教授

2015年4月

镁合金及其应用前景

材料是社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。近 40 年来，科学技术迅速发展，特别是尖端科学技术的突飞猛进，对材料性能提出越来越高、越来越严和越来越多的要求。

但同时随着人类文明的快速进步，金属材料的消耗与日俱增，某些金属矿产资源趋于枯竭。据某些文献报道，有些金属（如铜、铅、锌）矿藏的开采只能维持几十年。有些金属（如铝、铁）也只能维持100-300年。镁是地球上储量最丰富的元素之一，陆地上有白云石，湖泊有盐湖，海洋里也存在大量的镁，可谓取之不尽，用之不竭。而我国的镁工业现在有以下几个优势，第一是镁资源大国，储量居世界首位；第二是 镁生产大国，产量占全球的2/3；第三是出口大国，近年的出口量约占产量的80％-85％。但我国并非镁工业强国，镁工业还处于起步阶段，原镁生产规模小而散，技术与比较落后，品质不够稳定，出口产品绝大多数是廉价的初级原料。

随着各行业特别是航空航天对量轻、性能优异材料的大量需求，镁合金作为其中的一类主要代表，将会得到越来越多的重视。

一．镁

镁在地壳中储量及其丰富，其储量为2.77％，在地壳表层储量居第六位。已知的镁矿石多达60余种，其中有工业价值的有菱镁矿、白云石、光卤石等。然而，最主要的资源还是海水。海水中含有丰富的镁，含量为0.13％，也就是说每立方米海水中含有镁1.3Kg，因而海水为人们提供了取之不尽的镁资源。

在大气压下纯镁的晶体结构是密排六方形。室温时镁的密度为1.738g/cm3，在熔化温度（650℃）固态金属镁的密度为1.65g/cm3，液态金属镁的密度为1.58g/cm3。

镁冶金同其它金属冶炼相比是一个比较新的工业门类。它的发展大体经历了金属还原镁的化合物、熔盐电解和热还原三个阶段。

镁的化合物是17世纪末发现的。1695年美国的物理学家葛留在埃蒲荪的矿泉中发现硫酸镁，后来又发现碳酸镁。1755年英国人布拉克正式确定镁元素的存在，1808年英国化学家戴维电解汞和MgO的混合物，通过加热驱走了汞，分离出单体镁。1828年法国科学家布赛等人开始尝试用钾蒸汽还原氧化镁和还原氯化镁制取金属镁的方法。由于钠和钾还原镁的化合物的方法很不经济，后来很快就被点解法所代替。1830年法拉第第一次用电化学的方法电解熔融氯化镁获得了金属镁。电解熔融氯化物制取金属镁的方法在19世纪末已出具规模金属镁成了工业金属。直到目前为止，点解法仍然是生产金属镁主要工艺方法之一。

我国镁工业起步较晚，1957年抚顺铝厂镁分厂投产，采用菱镁矿氯化制取的MgCl为原料，电解生产金属镁。以后又进行了热法练镁实验研究。近年来，硅热法练镁有了较快发展。

镁冶金的现代方法主要分为两种：一是电解法；二是硅热法。

电解法练镁可分为电解熔融氯化镁和点解溶于熔盐中的氯化镁。主要有道乌法、阿码克斯法、诺斯克法和氧化镁氯化法。

硅热还原法又分为皮江法、波尔扎诺法和码格尼特法三种。我国目前大都采用皮江法。其原料为白云石，还原剂为硅铁，矿化剂为萤石。将原料粉碎至200目左右，制成球团，装入还原罐，在1200℃的高温和小于13.3Pa的真空下热还原制得结晶镁，经精炼后制成镁锭，也成为外热法。

纯镁的力学性能低，不能直接作为结构材料使用。在工业上，纯镁除了少部分用于化学工业、仪表制造及军事工业外，主要用于制造镁合金以及生产铝合金的添加元素。镁合金质量轻，密度仅为1.8g/cm3 左右，比铝合金轻36％，比锌合金轻73％，比钢轻77％，是目前工程应用中质量最轻的金属材料。镁合金具有极好的切削加工性能，且具有比强度和比刚度高、导热性好、屏蔽电磁干扰能力强及减振、降噪性能好、回收再生性良好等一系列优点。

二．镁合金

镁合金因其自身的诸多优点，受到了越来越多的关注。全球范围掀起的镁合金的开发应用热潮始于20世纪90年代。镁由于性能独特，正成为继钢铁、铝之后的第三大金属工程材料，被誉为“21世纪绿色工程材料”，世界镁产量以15％-25％的幅度增长。

镁合金具有优异的性能（低密度、比刚度和比强度高）因而广泛应用在航空、航天、交通工具、3C产品、纺织和印刷行业等。镁合金零部件运动惯性低，应用到高速运动零部件上时效果尤为明显。另外，由于镁合金密度低，适合应用到需要运动和搬运的零部件上，同时制备同一零件时壁厚可以增大，从而满足零件对刚度的需求，简化了常规零件增加刚度的复杂结构制造工艺。

质量轻是结构应用领域选择镁合金的最主要因素之一，但镁合金的一些其他特性在不同的应用领域也显得特别中要。例如，镁合金的中温性能使得它能够在飞机和导弹上替代工程塑料和树脂基复合材料；其高减震性能使其能够在飞机和导弹的电子仓结构上获得应用；其对X射线和低中子的低透射阻力使得镁合金特别适合应用于X射线机框和核燃料盒等。今年来，随着资源的不断枯竭以及环保和安全所需，镁合金在汽车、电子产品等方面的开发应用收到了全世界极大的关注。

2.1镁合金的分类及其热处理

镁合金的分类有三种方式：化学成分、成型工艺和是否含锆。根据化学成分，以五个主要合金元素Mn、Al、Zn和稀土为基础，组成基本的合金系：Mg-Mn，Mg-Al-Mn，Mg-Al-Zn-Mn，Mg-Zr，Mg-Zn-Zr,Mg-RE-Zr，Mg-Ag-RE-Zr,Mg-Y-RE-Zr。按有无Zr，可分为Zr合金和不含Zr合金。根据加工工艺划分，可分为铸造镁合金和变形镁合金两大类。

镁合金常用的热处理有：T4-固溶处理，T5-人工时效，T6-固溶处理后人工时效。

2.2镁合金中主要合金元素

镁合金的主要合金元素有Al、Zn、Mn等，有害元素有Fe、Ni、Cu等。

（1） 铝 在固态镁中具有较大的固溶度，其极限固溶度为12.7％，而且随温度的降低显著减少，在室温时固溶度为2.0％左右。铝可以改善压铸造件的可铸造性，提高铸件强度。但是，Mg17Al12在晶界上析出会降低其抗蠕变性能。铝含量越高，耐蚀性越好。但是，应力腐蚀敏感性会随着铝的增加而增加。

（2） 锌 在镁合金中的固溶度约为6.2％，其固溶度随温度的降低而显著减少。锌可以提高铸件的抗蠕变性能。锌能提高应力腐蚀的敏感性，明显的提高镁合金的疲劳极限。

（3） 锰 在镁中的溶解度大约是3.4％.在镁中加入锰对合金的力学性能影响不大，但降低塑性，在镁合金中加入1％-2.5％锰的主要目的是提高合金的抗应力腐蚀倾向，从而提高耐蚀性和改善合金的焊接性能。

（4） 硅 可改善压铸件的热稳定性能与抗蠕变性能。

（5） 锆 Zr是高熔点金属，有较强的固溶强化作用。

（6） 钙 可细化组织，Ca与Mg行成具有六方MgZn2型结构的高熔点Mg2Ca相，使蠕变抗力有所提高并进一步降低成本。但其含量超过1％时，容易产生热裂倾向。

（7） 稀土元素 显著提高镁合金的耐热性，细化晶粒，减少显微疏松和热裂倾向，改善铸造性能和焊接性能一般无应力腐蚀倾向，其耐蚀性能优异。

Fe、Ni、Cu、Co四种元素在镁合金中的固溶度很小，在其浓度小于0.2％就对镁产生非常有害的影响，加速镁的腐蚀。因此在镁合金中应严格控制它们的含量。

三．镁合金应用前景举例

3.1．镁合金在汽车工业上的应用

镁合金用作汽车零部件通常具有以下的优点：

1. 提高燃油经济性综合标准，降低废弃排放和燃油成本，据推测，汽车所用燃料的60％消耗于汽车自重，汽车每减重10％，耗油将减少8％-10％；

2. 质量减轻可以增加车辆的装载能力和有效载荷，同时还可以改善刹车和加速性能；

3. 可以极大改善车辆的噪声、震动现象。

此外，镁合金具有优异的变形及能量吸收能力，大大提高汽车的安全性能；镁合金铸件具有一次成型优势，可以将原来多种部件组合一次成型，提高生产效率。

3.2．镁合金在航空工业上的应用

就航空材料而言，结构减和结构承载与功能一体化是飞机机体结构材料发展的重要方向。镁合金由于其低密度，高比强度的特性使其很早就在航空工业上得到应用。

航空材料减重带来的经济效益和性能的改善十分显著，商用飞机与汽车减重相同的质量带来的燃油费用节省，前者是后者的近100倍。而战机的燃油费用节省又是商用飞机的近10倍，更重要的是其机动性能的改善可以极大提高其战斗力和生存力。

镁合金已经在国防、军事及国民经济战线中发挥了巨大的作用，随着原镁生产方法的不断改进和加工成本的不断降低，以及由于其他资源的日渐枯竭，镁合金产品的开发会越来越深入，在各行各业中的应用也将越来越广泛。而且由于我国是钢铁需求大国，需要从国外进口大量的铁矿石，这对我国的发展会产生特别不利因素，发展镁合金，也能很好的改变这一现状。