镁及镁合金

镁合金的发展现状及应用

摘要

镁及镁合金具有比强度、比刚度高，减震性、电磁屏蔽和抗辐射能力强，易切削加工，易回收等一系列优点，在汽车、电子、电器、交通、航空、航天和国防军事工业领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景，是继钢铁和铝合金之后发展起来的第三类金属结构材料，并被称之为21世纪的绿色工程材料。本文根据近年来国内外发表和公布的有关镁合金的文章和信息，介绍了镁合金的发展现状和应用。

关键词：镁，镁合金，发展现状，应用

1镁及镁合金的发展简介

镁是地球上排位第八的富有元素，其含量约占地壳重量的2％，镁同时也是海水中的第三富有元素，约占海水重量的0.13％。镁有60多种矿产品，其中白

云石(CaCO3·MgCO3)，菱镁矿(MgCO3)，氨氧镁石(Mg(0H)或MgO·H2O)，光

卤石(MgC12·KCl·H2O)，橄榄石(Mg2Fe2SiO4)和蛇纹石(3MgO·2SiO2·2H2O)最具商业开采价值。

1808年英国的Sir Humphry Davy首先发明了用金属钾蒸汽还原氧化镁而制

得金属镁的方法。1863年法国的Deville和Caron发明了用钠还原无水氯化镁及氟

化钙的混合物制镁，由此揭开了工业上大规模制造金属镁的序幕，并随着电解

无水氯化镁制镁工艺的产生而得到了迅速发展。1986年。德国首先将镁合金用

于飞机制造业。美国的第一家镁生产厂由美国通用电器公司于1914年建立，并

在二次世界大战期间由于镁燃烧弹的大量需求而得到迅速发展。1944年世界镁

合金的消耗量达到228,000吨，但战后又降低到每年10,000吨的水平。直到1998年，随着镁的研究和应用水平的提高，其年消耗量才提高到360,000吨，此后以每年7％～9％的速度递增[1]。我国自20世纪90年代初开始出口原金属镁，2001

年出口量达到20万吨，占世界镁市场总需求量的40％以上[2]。

镁合金产品的优势

（1）轻量化：密度1.8g/cm3左右，是铁的1/4，铝的2/3，与塑料相近。

（2）比强度高、刚性佳，优于钢、铝。

（3）极佳的防震性，耐冲击、耐磨性良好。

（4）优良的热传导性，改善电子产品散热问题。

（5）非磁性金属，抗电磁波干扰，电磁屏蔽性佳。

（6）加工成型性能好，产品外观美丽，质感佳，无可燃性（相对于塑料）。

（7）材料可100%回收，回收率高，符合环保法。

（8）尺寸稳定，收缩率小，不易因环境温度变化而改变（相对于塑料）[3]。

2 镁合金发展现状

到目前为止，金属镁最大的用量之一还是作为合金元素加入到铝中以提高

其硬度和抗腐蚀能力。5000和7000系列的铝合金分别含有5.5％和3.5％的镁，单产品镁用量最大的是铝镁合金易拉罐(顶盖约4.5％Mg，罐体约1.1％Mg)。1980年以来，尽管铝镁合金易拉罐的回收利用率达到60％以上，金属镁在铝合金中的消耗量仍以3.2％的速度逐年增加。

金属镁及其合金目前越来越多地通过压力铸造，重力铸造(砂模或金属模)，锻造，轧制和挤压等方法制造结构材料，如汽车上的发动机外壳，变速箱外壳，离合器机架和车灯罩，机动工具(如剪草机)的机架以及家用和通讯电器的外壳等。[4]

镁合金质轻的特点使其在军事，交通和航空航天工业上获得了越来越广泛

的应用。典型的铸造镁合金零件有直升飞机的变速箱，飞机天蓬的框架，飞机

进出气口，发动机箱体，变速闸及其他辅助部件的外壳。[5]

镁合金也可进行挤压，锻造，冲压和轧制加工，其产品包括面包烤架，网

球拍，打印机滚筒，核燃料零件箱以及众多的航空航天零部件。

在钢铁工业中，镁也被用作脱硫剂和制造球墨铸铁。在钢铁的冶炼过程中，镁可以和硫结合形成硫化镁浮在铁水表面而被清除。这些镁通常来自低品质的

废金属，并与石灰结合后加入到熔融金属中去的。镁加入到铸铁中能使石墨球

化而显著提高其韧性，从而大大扩大了铸铁的应用范围。

镁也常用作生产非铁合金如钛，锆，铪，铍和铀的还原剂。地下的管道和

容器，热水器以及在海水中工作的钢铁件，常用镁合金作为阴极保护电极。

金属镁的总用量以每5年大约20％的速度增长，其中金属模压铸的镁产品

不仅数量大且增长速度最快，其用量几乎每5年翻一番。其余各种用途的镁用

量无明显增长。镁压铸产品的迅速增长主要是因为汽车工业上镁合金零件的大

量使用。

20世纪90年代镁合金在汽车上的应用得到迅速发展，用量增加了一倍。很多过去用钢铁或铝合金制造的汽车零件都被镁合金取而代之，其中主要有：刹车和离合器的踏板及支架，仪表盘，汽缸盖，变速箱体，各种排气通风和座椅用零件。

使用镁合金最基本的理由是因为其重量轻，汽车制造商们都希望通过减重来降低其燃油消耗量。而一旦投入使用以后，镁合金其他方面的优越性也同时显现出来了。比如过去由若干块钢铁零件组成的一个部件现在可以用一块镁合金来制造，这样，这些零部件的选材和制造就可以随整车设计的完成而完成。在整车设计过程中包括材料的设计将使我们有更多的机会引入各种新型材料。

美国科学家正在研制开发新型抗蠕变镁合金，与一般镁合金比较，在抗蠕变能力、抗拉强度及屈服极限等方面大约要高出十倍。预测镁合金和铝合金今后可用化学纤维或陶瓷材料进行强化，进一步提高其性能，以扩大材料的应用范围。

日本东北大学科学家井上明久开发成功具有极高强度和延展性的镁合金，可为航空航天、通信和机械等工业提供优质材料。新的镁合金是采用急速凝固法制成的，具有100～200nm的微细结构。按原子量计算，它的成分97%是镁，钇和锌分别占2%和1%。这种新型镁合金强度大约是超级铝合金的3倍，是目前世界上强度最高的镁合金。此外它还具有超塑性、高耐热性和高耐腐蚀性。由于这种合金重量轻、容易循环利用，并且合金成分在世界上有丰富的储量，因此有望成为金属材料中的“新宠”。

美国所创造的粉状镁粒的半固态挤压成型成为一项综合技术应用的先例，为镁合金的加工成型技术和广泛使用提供了新的思路。[3]

我国的原镁产量占全球产量的40％，是世界上第一大镁生产国和出口国。2001年全国原镁产量约20万吨，出口16.5万吨。中国目前共有镁生产企业100余家，其中年生产能力在10000吨以上的有3家，3000吨以上的有22家，1000～3000吨的有50余家。

得益于中国汽车工业和3C等行业的转型升级及其中国经济地位的显著提升，镁合金行业令市场看好。其中，汽车行业的轻量化，环保化需求，尤其是新能

源汽车的发展，以及镁合金研发技术和回收利用技术的不断进步，对促使镁合

金的广泛应用将是利好消息。

《2013-2017年中国镁合金行业市场前瞻与投资预测分析报告》预计，

2015年，国内汽车用镁合金将达到68kg/辆，而同期我国汽车销量将突破2800

万辆，乘用车销量将达到1960万辆，自主品牌汽车企业通过产业兼并、技术研

发和市场渠道开拓等因素作用，销量将突破1000万辆。

与此同时，镁合金在医药化工和航空航天工业领域的应用也将得到成长。

由于下游终端汽车消费市场的稳步增长，预计2015年，全球镁合金市场为600

万吨，年均复合增长率(CAGR)为20%-25%(其中包含了交通工具、3C、航空航天和医药化工领域镁合金的应用)。

此外，作为有色金属合金行业的子行业，镁合金行业在中国制造工业的的

升级过程中得到实惠。作为资金、材料密集型行业，原材料价格的稳定和较低

水平、铸造件行业的整合集中、技术研发的进步等都将较为有利于镁合金行业

的发展，市场较为看好。

3镁合金的应用

无论是在国内还是在国外。镁的应用主要集中在铝合金生产、压铸生产、

炼钢脱硫三大领域，还用在稀土合金、金属还原及其他领域。由于镁的密度小，比强度高，并能与铝、铜、锌等金属构成高强度合金，因此，镁是重要的合金

元素。世界上镁的最大消费领域是作铝合金添加元素。2002年世界主要地区原

镁消费中，共用了14.56万吨镁生产铝合金，占原镁消费总量的40％；我国2003年共用2.1万吨镁作为铝合金添加元素，占消费总量的41％。一般来说，镁与原铝的消费比率约为0.4％。2002年世界主要地区原镁消费中，压铸占35％。在镁压铸生产行业中，北美、拉美、西欧用量最多，因为汽车制造业促进了市场对

镁需求量的增长。有关统计数字表明，在过去10年里，镁合金压铸件在汽车上

的使用量上升了15％左右。而且这种发展趋势还会继续。欧美、俄罗斯等地区

和国家的不少钢厂都采用镁脱硫。2002年世界主要地区原镁消费中。5.73万t用于炼钢脱硫，占总量的15.70％。我国2003年钢铁脱硫用镁8000t，占总消费量

的15.62％。一般来说，每lt钢消耗镁粒0.4～0.5 kg，脱硫后含硫0.001％～

0.005％。使用镁牺牲阳极进行阴极保护，是一种有效的防止金属腐蚀的方法，镁牺牲阳极具有以下特点：防腐性能好、不需外加直流电源、安装后自动运行、不需维护、占地面积少、工程费用低、与外界环境不发生任何干扰。镁牺牲阳

极广泛用于石油管道、天燃气、煤气管道和储罐；港口、船舶、海底管线、钻

井平台；机场、停车场、桥梁、发电厂、市政建设、水处理厂、石化工厂、冶

炼厂、加油站的腐蚀防护以及热水器、换热器、蒸发器、锅炉等设备。在人体

细胞内，镁是第二重要的阳离子，它能激活体内多种酶抑制神经异常兴奋性，

维持核酸结构的稳定性，参与体内蛋白质的合成、肌肉收缩及体温调节。近代

研究证实，动脉硬化、心脑血管病、高血压、糖尿病、白内障、妇女痛经、骨

质疏松、抑郁症均与缺镁有关。镁在医药领域的应用越来越受重视。镁合金应

用可分为以下几个主要方面。

3.1 镁合金在汽车领域的应用

在汽车工业中，镁合金可用来制成车身零件。用热锻、热冲压成形工艺生

产汽车底盘等承载件。在汽车上使用镁合金零件能降低汽车启动和行驶惯性，

提高加速和减速性能，减少行驶过程中的振动以及减少油耗等。据统计，汽车

尾气排放占大气污染总量的65％，而汽车自重每减轻100kg。燃油效率会提高5％，所以各大汽车公司纷纷寻求使汽车轻量化的办法，镁合金自然是理想的选择。目前，已有很多汽车开始采用镁合金制造的部件。镁合金发展的巨大动力

来自汽车制造商，因为用镁合金生产的零件可以大大减轻汽车的自重。从而降

低能耗．减轻有害气体的排放，以适应日益严格的环保要求。除了重量外。镁

合金铸件还易于集成化，可将原设计的30～60个零件集成为一个零件，大大降

低加工费用和零件组装费：减少震动和噪音；提高汽车零件的刚性；同时镁合金零部件的回收性也好。因此，世界知名汽车制造商纷纷采用镁合金零件改进汽车性能．其中以福特公司与通用汽车公司的镁合金使用量最多。德国大众汽车公司称，目前每辆汽车用镁量约为25kg(亦有报道国外汽车镁合金平均用量已达40kg)，在未来5年内，每辆汽车用镁量可以达到60～80kg．这必将对未来用镁的需求产生巨大影响。

3.2 镁合金在3C产品中的应用

3C产品属于镁合金的高端应用领域，指电脑、通讯、家用电子产品。[6、7]电子工业的硬件部分的发展与新技术和新产品的开发紧密相连。目前日本和台湾在这个领域保持领先地位，除生产笔记本电脑、MD随身听和数码相机三大采用镁合金最多的产品外，带有镁合金部件的手机、摄像机、电视机外壳、CD 播放机、掌上电脑等发展也相当迅速。随着消费者对轻、薄、短、小以及时尚新潮的要求越来越多，在3C产品的外壳应用上，镁合金已有逐渐取代ABS、PC 等材料的趋势。

3.3 镁合金在航空航天工业中的应用

在飞速发展的航空航天领域，镁合金由于密度小、刚性好、强韧性好，且能够有效减轻重量。很早就应用于航空航天工业，特别是Mg-Li合金。具有很高的强度、韧性和塑性，是航空航天领域最有前途的材料，如座舱架、座椅、轮毂、吸气管、导弹舱段、避板、副蒙皮、直升机上机匣等都用Mg-Li合金制作。近些年来，镁合金在直升机中的应用日益扩大。例如EUROCOPTER公司某些机型中的各齿轮箱壳体和盖子均使用镁合金制造。我国自行研制了10多种稀土镁合金，很多已在航空业得到应用．如添加Nd的ZM6铸造镁合金已经用于歼击机翼肋等。MB8是我国最常用的航空镁合金。[8]

4 结语

镁合金因其优良的性能，在汽车、3C和航空航天等相关领域有着良好的应

用和长远的发展。尽管人们对镁合金材料进行了大量的理论和实用性研究，但

随着先进加工成型技术的出现和制造成本的降低，镁合金还具有广阔的应用前

景和开发潜力。

参考文献

[1]张丁非,彭建.镁及镁合金的资源、应用及其发展现状[J].材料导报,2004，

18(4):72-76

[2]黄士坚.国内镁舍金产业现况与发展[J].工程,2001,(6):106

[3]王文生,张金山.镁合金材料的应用及其加工成型技术[J].2001,32(6):599-602

[4]李晓敏.压铸镁合金在汽车中的应用及其发展前景[J].世界有色金属，2001，(9):16

[5]翟春泉,曾小勤.镁合金的开发与应用[J].机械工程材料,2001,25(1):6

[6]张士宏.镁合金成形加工技术[J].世界科技研究与发展,2003,23(6):18-21

[7]刘静安.镁合金加工技术发展趋势与开发应用前景[J].稀有金属快报,2003，(1):6-9

[8]杨媛,李加强.镁合金的应用及其成型技术研究现状[J].热加工工艺,2013，

42(8):24-27