镁合金材料的特性与应用

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1、镁合金材料的特性与应用早在17世纪，人们就怀疑在某些未知成分的矿石中存在某些金属元素。英国人普 拉克（D.Black） 1755年正式确立了镁的存在。由于该金属与氧的结合力太高，无法 采用当时的还原剂或炭将其还原出来。1808年，英国化学家戴维（H.Davy）利用电解 汞和氯化镁的混合物制得了镁汞剂。1828年，法国科学家布塞（A.Bussy）采用钾还原 无水氧化镁制得了纯镁，由此诞生了金属镁从此，历史掀起了新的一页。世界各国 的科学家们都在努力寻找提炼镁的方法以及解决镁应的用问题。然而由于技术水平以及 其它方面的影响，镁的应用一直受到限制。在能源紧缺及环境污染日益突出的当今时代，随着汽车工业

2、对低排放、高效率、轻 量化要求的H益苛刻，高性能轻金属材料的开发和应用越来越引起汽车制造业的关注 可。有数据表明：当汽车减轻自重10%,燃油经济性可提高5.5%佝。由于镁合金具有 重量轻（镁的比重为1.74,是铝的2/3,钢的1/4）、高比强度、高比刚度、高阻尼性 能、抗震动、降噪音、高导热性、电磁屏蔽性能好、铸造、加工和尺寸稳定性能优异、 易回收（有利于实现循环经济）等特点，被誉为“21世纪绿色结构材料气目前汽车工业 实用轻金属材料上要是铝合金和镁合金，其中铝合金的应用范围比较广泛；但镁合金轻 金属材料凭借自身所具有的一系列优点，代替铝合金材料已成为近年来轻金属材料研究 的热点之一，并日益成

3、为现代工业产品的理想材料（8-,0L现代科技和相关产业技术的发 展，使其各项独将优点日蔑完善，应用范围迅速扩展，20世纪90年代至今，其市场需 求一直呈稳定增长的趋势。我国拥有极其丰富的镁资源，主要分布在山西、河南、青海、宁夏和辽宁。在我国， 镁的矿藏量占世界第一，占全球的40%,原镁产量占世界第一，原镁出口量亦是世界第 一，其中80%的原镁作为工业原料出口到发达的国家和地区。作为产能第一的我国，在 镁工业发展方面还存在着：原镁生产虽厂家多、但规模小而且分散、技术比较落后、 产品质昂不榆定；出口产品大多是初级原料，价格低、利润低、效益差；高性能镁 合金及高质量镁合金产品的研制水平远远落后于国外

4、的许多工业发达国家，在很多领域 仍存在空白，难以满足门益增长的社会需求，基础与应用研究发展的比较缓慢等少”圳 等主观与客观问题。因此，国家科技部于2001年8月正式论证通过“镁合金开发应用 及产业化”的前期战略研究项目，并将该项目列为“十五国家科技攻关重大项目，其蝮 终目标是充分发挥我国镁资源优势，通过源头创新、技术集成创新和机制与体制创新的 道路，加强镁合金的基础研究与应用开发，建立具有国际竞争力的镁合金高新技术产业 群，将我国镁的资源优势转化为经济增长优势，为实现新一轮的经济增长奠定坚实的基 础。镁的原子序数为12,相对原子量为24.305,原子半径0.16nm,原子体枳 14.0cm3/

5、moL具有密排六方晶格（如图11所示），无同素异构转变。在25C时的晶格 常数为：a=0.3209nm c=0.5210nm, a/c=1.633。镁的密度在 20C时为 1.73g/cm 为 Al 的2/3, Fe的1/4,在熔点附近，固体状态密度约为1.65g/cm液体状态密度约为 1.58g/cm3o标准电极电位-2.38Vo金属镁呈银白色，是最轻的金属工程材料，具有很大 的热膨胀系数和强的导电、导热性能I纯镁的主要物理性能如表I所示。图1-1镁的密排六方晶格结构|闾Fig. 1-1 A close-packed hexagonal crystalstructure镁是化学性能非常活泼的

6、金属，镁的标准电极电位E=.2.38V，在NaCl溶液和一 股环境介质中，镁与其它工程结构用金属材料相比具有最低的电极电位。因此，镁常作表1-1镁的物理性能Table 11 Physical performance of Magnesium名称数值单位密度（20C）1.74g/cmJ密度（固态粉点时）1.64g/cm3密度（液态焰点时）1.57g/cm3焰点650c沸点1090r燃点615r平均比热（o-i（xrc）1038J/(kgK)席化热8.71kJ/mol汽化热134.0kJ/mol热导率（0-I00C）155.5W/mK电阻率（20C）44.5Qm为工程构件阴极保护系统的牺牲阳极使用

7、。一般来说，镁是耐碱的。室温下，镁在NaOH等碱溶液中几乎不起作用，但加热时, 会发生反应。镁不耐酸，除氢叙酸、铭酸等无机酸和除脂肪酸以外的有机酸，都会与镁迅速产生 反应并将镁溶解于其中。在加热时，镁容易还原碱金属和碱土金属的无水氧化物、氢化物、重金属氧化物、 碳酸盐，乃至徒、硼、铝、被等的氧化物。镁对大多数有机化合物稳定。不会被脂肪炷、芳香炷、甲醇、乙二醇、汽油、煤油 等浸蚀，与甲醉反应强烈。纯卤代有机化合物在常温下不会与镁发生反应，但在高温或 有水出现时，会与镁发生剧烈的反应。镁与氯代甲烷、四氯化碳、三氯甲烷之间不会发 生反应，其至在加热、加压条件下也未观察到有明显的反应发生。低卤代烷（一

8、宜到戊 基衍生物）只有在-定压力下和温度（270-C时）下才会与镁发生反应。水的出现会极 大地促进卤代化合物与镁在高温下发生反应。氟代炷在干燥环境中般也不会与镁发生反应.1.2.2镁的应用镁的密排六方结构以及1.633的晶轴比，使得镁的力学性能较差，但镁的比重小， 合金化能力强，可与其他金属构成优异力学性能，是化学稳定性高，抗腐蚀能力强的轻 合金镁在现代工业中应用较广，主要有如下几方面9列：(1) 作为生产球墨铸铁的球化剂生铁中加镁，可使铁中鳞片状石墨体球化，生铁的强度增加13倍，液体流动性 增加近一倍。(2) 作为生产优质钢的脱硫剂用颗粒镁脱除生铁中的硫，不仅工艺简单，而且效果好。改善了钢的

9、可铸性、延展 性、焊接性和冲击韧性，能够降低钢结构件的质量，提高钢铁制品的附加价值。(3) 作为生产难熔金属的还原剂，以及铅、粽的脱挞剂。(4) 作为生产铝合金的工业原料使用。Al-Mg合金不仅耐腐蚀性好，强度高，重量轻，而且易于焊接，应用于汽车、兵器、 航空航天、电子产品等产业中。(5) 合金化制备镁合金(6) 制造照明器件由于镁含量超过30%的镁一铝合金细粉在燃烧时能发出极明亮的白光，故镁的又一 个工业用途就是用于制造照明器件、烟花和燃烧弹。(7) 作为原料制取化工产品在著名的Grignard法生产金属有机化合物中，就必须使用镁；在润滑油中做中和 剂用：制气时用于提纯氮气和氧气；用于生产狙

10、化硼、氢化锂和氢化钙等。(8) 作为高储能材料镁在常压下大约250C和H2作用生成MgH2,它在低压或者稍高温度下又能程放翅, 因此镁可以作为高储能材料的原料。1.2.3镁合金材料的优异性能(1) 良好的抗腐蚀性当严格控制镁合金中杂质元素（如：Fe、Cu和Ni）时，镁合金在空气中以及许多 腐蚀性气氛中都有良好的抗腐蚀性。高纯镁合金在盐浴中的抗腐蚀性要优于A380铝合 金和低碳钢。但是由于镁的电极电位很低，很容易发生电化学腐蚀，所以镁合金产品在使用时要 采取保护措施，如阳极氧化处理、涂漆保护等。（2）良好的铸造性能除砂型铸造外，根据各类镁合金的特性和零件的要求，可以采用金属型、压力、壳 型、石膏

11、型、低压、半固态以及冷凝树脂砂型等铸造工艺成型为各种形状的零部件。此 外，镁合金流动性好，充型能力强，具有优异的薄壁铸造性能。（3）减震性强由于镁合金弹性模量约为铝的60%,钢的20%,当受外力作用时，容易产生较大的 变形，使受力构件的应力分布更为均匀。在弹性范围内，当受冲击载荷时，所吸收的能 量也是铝合金的两倍，是可承受较大冲击振动载荷的轻金属材料。因此，镁合金适宜制 造受猛烈碰撞的零件，如轮毂和传送带轮等。（4）切削加工性优异镁合金具有优良的切削加工性能，其切削速度显著地高于其它金属构件材料。切削 掉一定量的镁合金所需的功率低于加工其它任何金属材料；若加工一定量的镁合金所需 功率为1.0,

12、则铝合金、黄铜、铸铁、低碳钢、锲合金所需的加工功率分别为1.8、2.3、 3.5、6.3和lO.L另外镁合金不需要磨削和抛光，不需要切削液即可达到O.lgm的 表面光洁度。（5）导热性好镁在201时的体积热容为1781 J/（dm3K）,而铝、钛、镣、铁、铜分别为2430、 2394、4192、3521、3459J/（dn?K）。镁的比热容小于其他所有金属，且合金元素对镁的 热容量影响亦小。因此镁及镁合金的加热升温与散热降温都比其它金属快，具有良好的 导热性能。（6）电磁屏蔽性强镁合金具有高的抗屏蔽电磁干扰的能力。应用于电子产品上，能够有效地隔绝电磁 干扰和辐射，使电子产品工作更稳定，也能保护

13、使用者的健康。此外，还具有可回收性、零件尺寸稳定性高及耐磨性好等优点.因此，镁合金的优异性能，决定了其作为新-代绿色的结构材料在航空航天、国防、 电子3C产业以及汽车制造产业领域广泛的应用前景。1.2.4镁及镁合金的应用122必】电子工业尤其是通讯业的飞速发展，对电子器材的薄壁轻员化提出了更高的要求， 这给镁合金的发展带来了巨大契机。近年来，镁合金在航空工业、汽车工业和电子通讯 工业中的应用日益广泛。下面主要介绍镁合金在汽车、电子和国防等工业中的应用情况。（1）镁合金在汽车工业中的应用近10年来，随着汽车工业的发展，镁合金的应用最得到了很大的发展。由于环境 保护和节省燃料的要求，通常以降低汽车

14、重量来衡量节省能耗的程度，其中一项重要措 施就是采用镁合金零部件来取代原先的铝合金与钢制零部件。采用大量的镁合金汽车零 部件可显著减轻车体自重，从而降低燃耗。而燃耗的降低将宜接减少了车辆尾气排放污 染物，为保护生态环境提供了有力的保证。目前，镁合金在轿车上的主要应用形式是铸件和压铸件。随着人们节约能源与环保 意识的增强，现代汽车工业正朝看燃料效率型和轻量型的方向发展.从而引起使汽车制 造商竞相开发镁合金汽车零部件以减轻车体自重的热潮；镁合金在降低轿车重fit,无 论从短期，还是长期来看它都具备了开发潜力和竞争潜力的轻金属材料。面对降低汽车 白重以降低能源消耗和减少污染（包括汽车尾气和废旧塑料）

15、这一迫切的社会需求，使镁 合金的基础与开发应用研究取得了相当的成果；同时，大泉的镁合金零部件被生产出来， 以代替塑料、铝合金、甚至钢制零件，有人预言，全世界对汽车用镁合金的需求景每年 将递增20 %以上。汽车生产大国美国、欧盟和日本等在过去几年中，压铸消耗镁量猛增，其中汽车工 业的增长量就占到了 90%：镁合金在汽车中主要作为壳类和架类零部件使用。现在欧美 各国及日本的各汽车公司生产的汽车中，镁合金件壳类有汽缸盖、离合器壳、变速器壳、 滤油器壳、空气滤清器壳、分动器壳、增压器壳、灯罩等零部件；架类部件有方向盘、 仪表盘、风扇架、挡泥板架、路板托架、转向支架、刹车支架、大灯托架、座椅架、轮 毅等零部件。用镁合金制造壳体类零件，不仅可以减重量，而且因镁合金的阻尼衰减能 力强，可降低汽车运行时的噪音。用镁合金制造方向盘，在使重量减轻的同时，当汽车 发生意外时，还可吸收更多能量，保证驾驶员安全。转向轴、座椅架和轮毂采用阻尼性 良好的镁合金后，不仅收到了极好的减重效果，而且提高了汽车行驶过程中的平稳性和 安全性。世界性的汽车轻量化发展非常迅速，而在中国，汽车上使用镁合金压铸件只限 于桑塔纳轿车的变速箱壳体、壳盖及离合器外壳等零部件。中国虽然镁资源丰富，原镁 年产量达50万吨左右，但国内供大于求，80%的原镁作为原材料出口，用于镁合金生 产的原镁却很少，这都与中国的产业政策