绿色轻金属——镁合金

1.镁及其合金概述

镁是银白色金属，密度为1.74g/cm3，约为铝的2/3、铁的1/4。镁的强度和硬度都比较低。

镁的晶体结构和原子核外层电子排列决定了镁及其合金的特殊物理化学性质和力学性能。外层为3S2的价电子结构使镁不具有任何共价键性质，故其具有最低的平均价电子结合能和金属原子间结合力。镁的这种电子结构使其具有较低的弹性模量，即E＝45GPa。镁晶体的空间排位为密排六方结构，如图11.7所示。晶体结构中滑移系越多，滑移过程可能采取的空间取向越多，位错越不易塞积，塑性也就越好。

图11.7　镁的晶胞

镁及其合金是最轻的结构材料之一，由于镁合金具有优良的导电性、导热性、电磁屏蔽性，高的比强度、比刚度、减振性、加工工艺性能，以及易回收、有利于环保等特性。因此，其早已引起航空工业和汽车工业的注意。进入20世纪90年代中期，由于环境和能源问题越来越突出，减轻汽车重量和节约能源是汽车厂家的共同目标。近年来，镁合金及其成型技术的研究和应用获得重大进展，镁合金的材料质量不断提高而其生产成本不断下降，因此镁合金的研究与开发成为近年来金属材料领域的热点。

2.我国镁合金发展概况

我国是镁资源大国，具有储量、产量、出口量及成本最低的4个世界第一。目前我国已拥有全球镁生产能力的3/4、产量的1/2。

20世纪90年代以来，在日益严重的资源和环境的双重压力下，我国政府对镁合金的发展动向给予了高度重视。2000年启动了“镁合金开发应用及产业化”的前期战略研究，与纳米、稀土等并列为我国材料领域4大重点攻关项目。同时也安排了耐热、变形、高强高韧等镁合金新材料、新工艺的研究内容。

3.镁合金在各个领域中的应用

（1）镁合金在军事中的应用

军事装备的轻量化是一项重要的战术技术指标，是提高军事装备作战性能的主要方向，是提高作战部队，尤其是轻型部队和快速反应部队战略和战役战术机动性的主要途径。轻质材料的使用，可以使火炮的体积更小、重量更轻、机动性能更好、弹丸速度更快、威力更大。

1）航空航天方面

材料轻量化对航空航天方面带来的经济效益和性能改善十分显著。对于战斗机来说重要的是其机动性能的改善可以极大地提高其战斗力和生存能力。技术上可采用镁合金材料的零部件有飞机框架、座椅、机匣、轮毂、齿轮箱、水平旋翼附件、飞机起落轮和齿轮箱盖等。

2）坦克装甲车辆方面

轻型装甲车与重型装甲车相比，其运输性和战略机动性更好。发达国家非常重视军事装备轻量化的研究，其中采用轻金属材料是减轻军事装备重量的主要手段之一。

3）各类军事装备中的应用

①军事装备零件对材料的性能要求：高强度、高韧性武器零部件要求材料具有出色的综合力学性能，包括高强度、高韧性。武器的使用环境十分恶劣，要求有高耐蚀性。

②军事枪械类的应用。可采用镁合金材料的零部件有机匣、弹匣、枪托体、提把、扳机、瞄准装置等，图11.8为步枪上可采用镁合金材料的零部件。

图11.8　步枪上可采用镁合金材料的零部件

③其他类军事装备中的应用有导弹，如舱体、舵机本体、仪表舱体、舵架、飞行翼片等；军用光电产品，如镜头壳体、红外成像壳体、夜视仪的壳体、底座等。

典型应用实例如下。

a.我国的歼击机、轰炸机、运载火箭、人造卫星、飞船上均选用了镁合金构件，一架飞机上最多选用了300～400项镁合金构件。

b.“德热来奈”飞船的启动火箭“大力神”（见图11.9）曾使用了600kg的变形镁合金；“季斯卡维列尔”卫星中使用了675kg的变形镁合金；直径约1m的“维热尔”火箭壳体是用镁合金挤压管材制造的。

c.美国的B-36轰炸机上共使用了5555kg镁板，700kg镁合金锻造件及300kg镁合金铸造件，一半是用作结构材料，如图11.10所示。

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图11-9　“大力神”火箭

d.西科斯基公司的S-92、贝尔的BA-609倾斜旋翼飞机、欧洲的NH90等直升机应用高温镁合金WE43、WE54于新型航空发动机齿轮箱和直升机的变速系统中。

图11.10　B-36轰炸机（左图阴影部分为镁合金材料）

e.军用计算机和通信器材：箱体、壳体、各类仪表盘、军用头盔等。例如，海尔C3军用笔记本电脑就用镁铝合金材料作为外壳，比一般笔记本电脑的金属外壳抗震能力增强数倍，比塑料壳坚硬20倍。

（2）镁合金在交通运输中的应用

从20世纪20年代开始，镁制零件就在赛车上应用。石油危机的爆发对轿车工业节省能耗提出了更高要求，通过降低轿车自重可达到减少对汽油的消耗。同时，使用镁合金零部件降低了汽车起动和行驶重量，使汽车驾驶起来更加灵活舒适，具有更好地加速和减速性能。因此，大量的镁合金零部件被生产出来替代钢和铝合金零部件。大众汽车公司开始用压铸镁合金生产“甲壳虫”汽车的曲轴箱、传动箱壳体等发动机系统零部件。

进入21世纪以来，西方各大公司争相开发镁合金零部件，通过用轻合金铸件使整车轻量化以满足当今日益严格的环保和节能要求。图11.11为1991年至2007年全球各地区汽车中镁合金用量的发展趋势。

图11.11　1991年至2007年全球各地区汽车中镁合金用量的发展趋势

福特汽车公司在每台轿车上使用103kg镁合金，使轿车重量降低了45%，这是一个十分可观的数量。例如，大众公司推出的一种整体车框架采用了镁合金的超级经济型轿车，其燃油效率达到了100km，耗油少于1L。

我国镁资源极为丰富，各汽车企业及科研单位都在积极进行镁合金的研究开发。例如，桑塔纳轿车压铸生产出变速箱壳体和壳盖。

（3）镁合金在电子器材中的应用

随着声像计算机通信业的飞速发展和数字化技术的进步，各类数字化电子产品不断出现。电子器件正朝着高度集成化和轻薄化方向发展。镁合金具有密度比强度和比刚度高、薄壁铸造性能良好、导热性好、电磁屏蔽能力强、减振、易回收利用等优点，显示出了广阔的发展前景。

1）镁合金应用在电子器材的优越性

其要求材料重量刚度好、耐冲击性能、电磁相容性符合标准、散热能力好、加工性能好、成本低、易回收、环保等。镁合金与传统材料相比，其优越性主要表现在以下几个方面。

①轻量化。工程塑料虽然质量轻，但是在刚度、耐冲击性、抗挠曲变形性方面达不到要求。金属材料中，在满足性能要求的情况下，使用镁合金的产品可达到最低的质量。并且，镁合金的比阻尼容量高，可以减少外景的振动对内部精密电子和光学元件的干扰。

②辅助散热快。与其他材料相比，镁合金的热导率略低于铝合金和铜合金，但远高于钛合金，其比热容与水接近，是常用合金中最高的。镁合金外壳散热快，本身又不容易升温，无疑是制作电子器材壳体的绝佳选择。

③电磁相容性好。个人电脑、移动电话等发出的高频电磁波如果穿透器材外壳就会产生干扰信号，同时对人有害。镁合金壳体不需要经过导电处理就能获得很好的屏蔽效果。

④成本低。电子器材的成本占比最高的是模具和二次加工的费用，镁合金良好的加工性能可以降低大部分费用。

⑤环境保护。镁合金在回收利用方面的有利条件使其成为环保材料的优先选择，并且镁合金没有毒性，基本不会造成环境污染。

2）镁合金应用在其他方面的优越性

镁合金在减振性、耐蚀性、质感方面也具有很大的优越性。

例如，便携式电脑壳上原先的ABS塑料件改为镁合金压铸件后，其尺寸精度、附度和散热性都获得了改善。日本推出的电脑便携机，由于采用了镁合金材料，从而大大降低了质量，整机仅770g，年销售量达10万台。又如，便携式数字摄像机适用于户外摄像，其外壳采用镁合金压铸，结构紧凑、强度高、重量轻，并且手感好。

4.镁合金的展望

未来镁合金铸件大量被应用是不容置疑的，虽然镁合金具有优良的性能，但是其价格和产品的成本还较高，大规模的应用还有一定的困难。随着镁合金加工技术的发展，镁合金的应用仍将具有巨大的潜力。