镁及镁合金的发展历程

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1、镁及镁合金的发展历程镁是地球上储量最丰富的元索之一，其储藏量为2.71% 0海洋里有大屋的镁，湖泊里有 盐湖，陆地上有白云石。现已知的镁矿多达60多种，这些镁矿中有工业价值的有白云石(MgCO 丁 CaCO*、菱镁矿(MgCCh)、光卤石(KCLMgCL2-6H2O)等。但最主要的还足海水资源，海水 中的镁元素非常丰富，含疑为0.13%,即每立方米海水中大 约有1.3Kg镁，为我们提供了非常 丰富的镁资源.人类文明的飞速发展促进了金属材料的消耗，多种金属的矿产资源日趋枯竭， 此时就让资源丰富的镂越来越彼重视，特别是结构轻量化及环保的需求更促进了镂在工业方 面的应用及发展。镁合金是在钢铁和铝合金

2、之后发展起来的第三大金屈结构材料.并且现在己 成为世界研究的热点“。1659年，英国的物理学家葛留在埃蒲茹的矿泉中首次发现了镁的化合物即硫酸镁，1808年英国化学家Humphrey Davy从镁和汞的混合氧化物中提炼出了镁汞齐，制备出少景含 有杂质的金属镁；在1828年，法国科学家A.Bussy用钾还原无水氯化镁得到了金属镁Michael Faraday在1883耶首次由电解还原氯化谀的方法制备出了纯镂；德国 化学家Robert Bunsen在 1852年建立了世界上第一座用于电解无水氯化镁的电解池：1886年徐合金在德国开始工业化 生产,德国在1930年首次在汽车上运用73.8Kg镁合金，苏

3、联首次矜镁合金用于飞机生产是在 1935年，德国大众在1936年用压铸镁合金生产“甲壳虫汽车发动机传动系统零部件，单车 镁合金用毫在1946年达到了 18Kg,英国伯明 翰在1938年首次将镁合金运用于摩托车变速箱 壳。20世纪40年代，皮江炼镁法发明，这种炼镁的方法工艺简单，大幅度地降低了生产成本， 促使全世界的原镁产量有了很大的埴幅，但应用此法会造成大量能源消耗，并且环境严重污 染。在此之前所使用的电解法炼镁，相比皮江法炼镁来说对环境污染要轻的多，但是其生产成 本却很高件久】99()年开始，世界对镁的需求重迅猛增加，原镁的产量及其消费量也因此而大幅度的增 扶，各个国家都非常重视镂合佥产品的

4、研发，先后制定和出台了镁的研究计划，同时还开展了 很多大型的“产、学、研相联合的项目和计划。德国为丁研究压铸合金工艺、半固态成型工艺、快速原型化与工具制造技术，制订了一个投资金额达2500万马克的铁合金 研究与开发计划，H的是为了提高德国在铁合金生产和应用方曲的能力；欧洲汽 车制造商在 1993年提出了 “公升汽油轿车”的新理念，美国提出新一代交通工具的合作计划，这都是为 了生产出大多数消费者能够承受的新型的每一百公里消耗3公升汽油的轿车，而且轿车的所 有部件至少80%以上可以回收再利用，以上这些要求都将促使制造 商更多地应用高新技术来 完成重量轻、耗油少、同时还环保的新一代汽车的生产；日本

5、为了限制工程塑料的使用，通 过丁“家电回收法，领先在笔记本电脑、数码相机、摄像机、移动电话上应用镁合金，并有 进一步推广到家电和通讯器材等领域的计划。21世纪 时，世界原镁的生产能力超过60万吨， 据有关报道,2002年的原镁牛产如下：中国27000()吨，加拿大117000吨，美国45000吨，挪 威42000吨，俄罗斯40000吨，以色列27500吨，法国17000吨，乌克兰15000吨，巴西12000 吨，哈萨克斯坦10000吨，塞尔维亚5000吨，印度900吨。目前西方发达国家己经重点研究 与开发性能忧良的新型镁合金，不再生产对环境影响较大的原镁。我国是世界上镁资源最丰舄的国家，目前占

6、有三项“世界冠军”，第一，我国是镁资源 大国，己发现的菱镁矿石有30.09亿吨，约占世界已知储量的25%,储量位居世界首位：第二， 我国是原镁生产大国，原镁的产量占全球总产量的三分之二，在我国能用于练镁的I、II级矿 石约占78%；第三，我国足出口大国，近些年的出口量为总产量的80%到85%。但是我国在 镁工业方面并不是强国，我国的镁工业还是起步阶段，原钱的生产不仅规模小而且很散、技 术比较落后、品质不很稳定，而且在出口的产品中廉价的初级原斜占绝大部分。我国相关的 政府部门现已投入大量资金进行镁合金相关问题的研 究与开发。随着国际与国内镁及镁合金 的市场开发，镁及镁合金将会发挥更为克要的作用，

7、并且可能会成为铜和铝后的又一亮点同。镁在门捷列夫元素周期表中属H A族屉土金属，原子序数为12,相对原子虽为243050，块 状金属镁在室温下呈银白色.标准大气压下纯铁的熔点为(6501) C；沸 点为11079；在空气 炉中加热时纯钱的燃烧点为615-C；密度在20 C时为1.738g/cm是最轻的工程结构材料：铁 及镁合金具有高的比强度和比刚度、良好的尺寸稳定ft和切肖页工性、阻尼减震性能和电磁 屏蔽性能良好、导热性、导电性以及散热性好、其热传导性比铝合金和铜合金略低，却远高于钛合金、比热与水接近、可以回收再利用并且具有环 保特性。纯镁不能直接作为结构材料使用的原因是它的力学性能较差，为了

8、捉高纯铁的力学性能， 可以在纯镁中添加合金元索，以使镁合金能够作为结构材料广泛被应用V镁可以 与铝、锌、 铜、错、牡、猛等多种金囤形成合金，但不能和铁、钠、钾、彼等金属形成合金。添加合金元 素后的镁合金具有良好的力学性能，可以作为结构材料使用。务数镁合金是来排六方的晶体结构，其塑性变形在低于225C时只有基面(0001)( 120)滑 移与锥面1012X1120)$生，故镁合金在变形时仅有3个几何滑移系与2个独立滑移系，与铝 合金的12个几何滑移系与5个独立滑移系相比可明显看出常 温下镁合金塑性很差，故铁合金 室温塑性变形时非常容易在晶界处产生大的应力集中。在钱合金产生较犬的变形帚时，沿着大

9、晶粒的基面0001或者沿李生区域(特别是在 压缩时)会产生局部穿晶断裂，故铁合金的冷变 形最多只能是中等变形，故镁合金在室温下的冷变形最-般介于10%20%之间。当温度高？ 225*C时，随着温度升高，原子振动的振幅增加，最密排面与次密排面的差别逐。新减小，此时 潜在的滑移方向与滑移而被激活，附加角锥滑移面1011. 】刃开始启动，此时钱会发生很 明显的延性转变，塑性有非常大的提高；与此同时因为回复和再结晶的发生而造成的软化，同 样也在很大程度上提高了镁及镁合金的塑性.但是铁合金在高温已尤其是40(TC以上很容易被 氧化 和导致晶粒粗大，所以镁合金的压力加工通常在225eCMOO-C之间进行，

10、在这个温度区 间可以保证镁合金不被氧化和产生粗大晶粒，此时还会在角锥面1011土产生滑移并抑制学晶 形成Z叫1.1.3镁及镁合金的应用金属镁主要用于以下几个方面，8-201 ：(1) 镁是一种重要的添加元秦，至今为止，镁的最大用途是作为铝暴合金的重要添加元 素，用量达到铁的总消耗量的43%左右，(2) 用于制造各种零部件的镁合金用量也占据很大的比例，现已达到镁总消耗量的35% 左右。镁及镁合金在电子、电卷、汽车、航空航天和国防军事等领域都具有潜在的巨大应用价 值和非常广阔的应用前景。在航空航天上应用低密度、高比强度的镁合金作为航空材料会使航空工具的性能有很大 的改善.并且航空工具的减吏也带来了

11、非常显著的经济效益在减重相同重量的前提下，节省 的商用飞机燃池费用是节省的汽车燃油费用的近100倍，而节省的战斗机的燃油费用接近商 用飞机节省的费用的10倍，最重要的是战斗机机动性能得到很大改善，其战斗力和生存能力 得到极大提高；镁合金在火箭、导弹等结构件中也得到了广泛应用，主要是用于生产战术防空 导弹的支座舱段与副翼蒙皮、舵面、壁板、加强框、隔框等：卫星上的井字梁、相机架、各种 仪器支架等都使用了 ZM5镂合金。镁合金也在交通运输业上的应用也有重要意文.根拯相关测算得知，汽车自事泊耗了汽车 所用燃料的60%，汽车自重每减轻10%,汽车所用燃料就会减少8%八0%,其燃油效率可提高 5.5%i2

12、ii.所以采用镁合金制造汽车上的零部件就能在很大程度上减轻车身重量、明显降低油耗、 减少尾气排放量，还可以在零部件的加工和装配成本减少的同时使汽车设计的灵活性、汽车零 部件的集成度、整车加速与制动性能等都得以提高，此外行驶振动、噪声等也得到降低。再者， 应用高塑性的谍合金可以使汽车的乘动和耐碰撞性能、汽车的安全性和可操作性、以及废I日零 部件的回收率等都可以得到很人程度上地提高。假设每辆汽车都能应用70公斤的镁合金，那 么每年CO；的排放量就会减少至 少30% （呻。3C产品（通讯类、计算机类、消费类电子产品）是目前世界上发展最快的产业，电了技 术的迅猛发展耍求电子器件壳体的材料应具有重量轻、

13、强度及刚度高、抗冲击和减蕊性能好、 电碗屏蔽能力强、散热性良好、并且还要容易加工、美观耐用、质感佳、成本低、可以回收利 用、符合环保等特点。因此传统的塑料和铝材很难满足电子器件材料的选择要求，故逐渐被满 足以上要求的镁合金取代，铁合金是制造电子器件壳体的理想材料，在电子、家电产品上的应 用前景很广阔伴随镁合金生产能力和技术水平的提高和在3C产品朝着轻、薄、短、小等方 向发展的趋势的拆动下，楼合金的应用增长迅速。随着镁合金生产能力和技术水平的进步，其生产成本已经降低到与铝合金的生产成 本接 近，故在狠大程度上促进了其在民用产品方面的应用，例如镁在健身器材、运动机械、医疗设 备、光学器件、办公设备

14、、家庭消费甜等方面都有应用。（3）用于炼钢脱就的钱大约为13%,钱是铁水预处理时的主要脱硫剂之一，球墨铸诙制 备过程中加入镁可以在去硫的同时将石墨球化，得到高强度和良好的压延性；镁还可以用做冶 炼钛、铀、错、彼等的还原剂；铜合金制各过程中铁还能充当脱氧剂或净化剂。（4）镁也能用于化工行业、阴极保护材料、金属还原剂等。（5）镁在核工业上可以用作天然铀燃料的包壳材料，在C02气体冷却的反应堆中使用。（6）镁粉可以用作烟火、各种礼花、摄彩闪光灯、照明弹、燃烧弹和军用信号弹 等。（7）镁合金可以用来储氢。镁合金具有资源丰富、价格便宜、储氢量大、质量轻 等一系列的优点，故镁合金在储氢介质、燃料电池方面具

15、育很大的潜力和应用前景。镁合金是最轻的金属结构材料，但相对于铝合金来说镁合金的研究和发展祁还很不充 分，而11目前镁合金的应用也还很有限，镁合金的产量只有铝合金的1 %，故镁合金 发展 前景和发展潜力不可估量。镁合金的广泛应用也便其面临了连接技术的问题，因此焊接逐渐成为优选的连接方 法 z一。焊接是制造镂合金的塑性变形零件和铸造零件的必需手段，同时铸件缺陷的修补也需要 焊接。大部分镁合金可以采用鹄极气体保护电弧焊、熔化极气体保护电弧焊、钎焊、电阻 焊、超声波焊、摩擦焊、扩散焊等。镁的比热容和熔化潜热较低，故在焊接时焊接速度要 高，并输入的热量要低。镁合金通常采用熔化焊（例如电弧焊、激光焊、气焊

16、、和电子束焊 等方法）进行焊接。但是由于镁合金具有热膨胀系数大、熔点低、密度低、易氧化且生成的 氧化物熔点又很高、热导率和电导率大零特点，因此采用熔化焊焊接镁合金时会产生以下缺 陷：（1）粗晶；由于镁的热导率蔑、熔点低，镁合金焊接时需采用大功率的热源，故容 易导致焊缝和近缝区金属过热、晶粒长大和结晶偏析等，导致接头的力学性能降低。如 AZ31镁合金焊接线能童为5.363kJ/cm时，无论是基体金属还是焊缝熔合线区都是沿晶界分 布的含有金属相化合物的细晶显微结构；随着线能量增大，熔合线区的晶粒也越来越粗大， 直至14.07kJ/cm的线能量时，晶间出现粗大的金属间夹杂物。（2）热应力；由于镁合金的热膨胀系数大，故在焊接时镁合金会产生较大的应力变 形。（3）氧化与蒸发：由于镁的化学性质活泼、氧化性很强，所以在焊接时镁与空气中的氧 发生&应很容易形成MgO,这种氧化膜具有很高的熔点（2500C）目密高（3l2g/