德國日立光譜儀對鎂及鎂合金的解讀分析！

鎂合金作為“21世紀(jì)綠色工程材料”，鎂合金是以鎂為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金。其特點(diǎn)是：密度?。ㄦV合金1.8g/cm3左右），強(qiáng)度高，彈性模量大，散熱好，消震性好，承受沖擊載荷能力比鋁合金大，耐有機(jī)物和堿的腐蝕性能好。主要合金元素有鋁、鋅、錳、鈰、釷以及少量鋯或鎘等。目前使用最廣的是鎂鋁合金，其次是鎂錳合金和鎂鋅鋯合金。主要用于航空、航天、運(yùn)輸、化工等工業(yè)部門，達(dá)到輕量化的目的。在實(shí)用金屬中是最輕的金屬，鎂的比重大約是鋁的2/3，是鐵的1/4，具有高強(qiáng)度、高剛性等特點(diǎn)。

鎂合金產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋了從原材料開采到最終產(chǎn)品制造和應(yīng)用的全過程，涉及多個環(huán)節(jié)和行業(yè)。這里對主要環(huán)節(jié)進(jìn)行說明：

1）原材料開采和初級加工

• 鎂礦開采：鎂的主要礦石是白云石（碳酸鎂鈣）和菱鎂礦（碳酸鎂），還有海水和鹽湖提鎂。

• 原鎂生產(chǎn)：通過電解法或熱還原法將鎂礦石轉(zhuǎn)化為金屬鎂。電解法主要用于海水和鹵水提鎂，熱還原法（如皮欽法）主要用于白云石。

2）鎂合金生產(chǎn)

• 合金制備：將原鎂與鋁、鋅、錳、鈦等其他金屬按特定比例熔煉，制成各種鎂合金，如AZ91（鋁、鋅鎂合金）、WE43（稀土鎂合金）。

• 熔煉和鑄造：包括重力鑄造、高壓鑄造和連續(xù)鑄造等工藝，用于制造鎂合金錠和初級制品。

3）材料加工

• 擠壓和軋制：將鑄造后的鎂合金錠進(jìn)行擠壓和軋制，制成板材、棒材、管材等半成品。

• 鍛造和沖壓：通過鍛造和沖壓工藝制造復(fù)雜形狀和高強(qiáng)度的鎂合金零部件。

4）深加工與制造

• 機(jī)械加工：對鎂合金半成品進(jìn)行車削、銑削、鉆孔等機(jī)械加工，生產(chǎn)出最終零部件。

• 表面處理：對鎂合金零部件進(jìn)行表面處理，如氧化、涂層、鍍膜等，以提高其耐腐蝕性和表面性能。

5）下游應(yīng)用領(lǐng)域

• 汽車工業(yè)：鎂合金用于制造車身結(jié)構(gòu)件、發(fā)動機(jī)部件和輪轂等，減輕車重，提高燃油效率。

• 航空航天：用于制造飛機(jī)和航天器的結(jié)構(gòu)件和機(jī)身部件，降低飛行器重量，提高性能。

• 電子產(chǎn)品：用于制造手機(jī)、筆記本電腦、相機(jī)等電子設(shè)備外殼，利用其輕質(zhì)和良好的散熱性能。

• 生物醫(yī)學(xué)：開發(fā)用于醫(yī)療器械和植入物，如骨內(nèi)固定器材，利用其生物降解性和生物相容性。

6）回收與再利用

• 廢料回收：工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的鎂合金廢料和報廢產(chǎn)品的回收。

• 再生利用：將回收的鎂合金廢料進(jìn)行再生處理，重新熔煉和鑄造成新合金制品，形成循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

中國是世界上**的鎂生產(chǎn)國和消費(fèi)國。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，中國的鎂產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的70%以上。鎂合金市場規(guī)模在近年來保持穩(wěn)定增長，主要受益于下游應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展和技術(shù)進(jìn)步。

鎂加工制品和鋁合金是主要的消費(fèi)領(lǐng)域，兩者之和超過鎂消費(fèi)的60%以上；由于我國的汽車工業(yè)和3C等行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，鎂合金應(yīng)用將十分廣闊，鎂合金行業(yè)市場前景看好。汽車行業(yè)的輕量化、環(huán)?；枨螅绕涫切履茉雌嚨陌l(fā)展，以及鎂合金研發(fā)技術(shù)和回收利用技術(shù) 的不斷進(jìn)步，將促使鎂合金使用更加廣泛。未來鎂將成為繼鐵、鋁之后第三大應(yīng)用更廣泛的金屬結(jié)構(gòu)材料，這也給鎂的產(chǎn)業(yè)化帶來機(jī)遇。

中國擁有豐富的鎂資源，主要集中在陜西、山西、遼寧等地。中國鎂合金產(chǎn)業(yè)布局合理，資源優(yōu)勢明顯，近年來隨著環(huán)保政策的趨嚴(yán)和生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，鎂合金的生產(chǎn)逐步向綠色和**方向發(fā)展。

汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、提高燃油效率和改善車輛性能的重要途徑。

車身結(jié)構(gòu)件

• 儀表板支架：鎂合金儀表板支架重量輕，能夠有效降低車輛的整體重量，提高燃油效率。

• 座椅框架：鎂合金用于制造座椅框架，具有良好的強(qiáng)度和耐久性，同時顯著減輕了座椅的重量。

動力系統(tǒng)部件

• 發(fā)動機(jī)部件：鎂合金廣泛用于制造發(fā)動機(jī)蓋、進(jìn)氣歧管和油底殼等部件。其優(yōu)異的鑄造性能和減震性能有助于提升發(fā)動機(jī)的整體性能和可靠性。

• 變速箱外殼：鎂合金變速箱外殼重量輕、散熱性能好，有助于提高變速箱的工作效率和耐用性。

底盤系統(tǒng)部件

• 輪轂：鎂合金輪轂因其輕量化和高強(qiáng)度特點(diǎn)，有助于減輕整車重量，提升燃油經(jīng)濟(jì)性和駕駛性能。

• 懸掛系統(tǒng)：鎂合金懸掛系統(tǒng)部件，如控制臂和轉(zhuǎn)向節(jié)，具有高強(qiáng)度和減震性能，有助于提升車輛的操控性能和舒適性。

內(nèi)外飾件

• 車門內(nèi)板和行李箱蓋：鎂合金內(nèi)板和行李箱蓋不僅重量輕，而且具有良好的抗沖擊性能和耐腐蝕性能。

• 座椅骨架和車頂骨架：利用鎂合金制造的座椅骨架和車頂骨架，能夠顯著減輕車身重量，提高車輛的安全性和燃油效率。

幾乎所有的企業(yè)在針對汽車輕量化的難題時，首先都會從車身框架的角度去試圖找到解決方案。因為車身框架所占的總量與面積比重**，而且比較方便主機(jī)廠進(jìn)行車型賣點(diǎn)傳播。

目前鎂、鋁合金是汽車進(jìn)行輕量化的兩大理想材料。據(jù)美國鋁學(xué)會報告，如果汽車每使用0.45Kg鋁，可使車身減重1Kg。以白車身為例，如果將鋁合金代替鋼和高強(qiáng)度鋼，其車身重量為230kg，**可減重40%。不過鎂合金在減重上性能更優(yōu)，由于其重量約為鋁合金的2/3，僅為153kg，其減重比例可超50%。

不僅體現(xiàn)在重量上，鎂合金還具備密度小，比強(qiáng)度、比剛度高，抗震、易回收和易加工等優(yōu)勢。對比等質(zhì)量且具有近似界面構(gòu)件的各金屬比剛度，鎂合金是鋼的18.9倍，鋁合金的兩倍有余，位列三大輕量化金屬的首位。

鎂合金材料或許是汽車輕量化最為直接的有效解決方式。但是目前世界鎂產(chǎn)量整體下降（我國產(chǎn)量**，但受制于環(huán)保限產(chǎn)），用全鎂合金替代整個白車身不現(xiàn)實(shí)，但部分、逐步替代的思路仍然可行。

當(dāng)前鎂合金制造成本的逐步下降，而加工工藝也有所突破，使其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，需求也有增加，不過目前汽車市場仍是其保持增長的主要推動力。據(jù)2016年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國的汽車平均用鎂量約3kg左右，相較于北美的汽車平均用鎂量在10kg相距甚遠(yuǎn)。目前我國汽車用鎂還主要停留在汽車方向盤領(lǐng)域，未來儀表盤支架、汽車輪轂、汽車大燈支架等潛在的滲透空間巨大。

現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，對電子器件用結(jié)構(gòu)材料及部件的性能提出了越來越高的要求。為了適應(yīng)電子器件輕、薄、小型化的發(fā)展方向，要求作為電子器件的殼體材料具有密度小、強(qiáng)度和剛度高、抗沖擊和減振性好、電磁屏蔽能力強(qiáng)、散熱性能好、容易成型加工、表面美觀、耐用、成本低、易于回收和符合環(huán)保要求等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的塑料和鋁材已逐漸難以滿足所有要求，鎂及其合金是制造電子器件殼體的理想材料，在電子及家用電器產(chǎn)品上具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，近來來鎂合金在電子器材中的應(yīng)用正以25%的年增長率得到快速的發(fā)展，呈現(xiàn)了良好的發(fā)展前景。

主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：

筆記本電腦

• 外殼和底盤：鎂合金常用于筆記本電腦的外殼和底盤部分，不僅減輕了整機(jī)重量，還提高了設(shè)備的強(qiáng)度和散熱性能。例如，許多高端筆記本電腦使用鎂合金外殼，以實(shí)現(xiàn)輕薄和堅固的設(shè)計。據(jù)權(quán)威預(yù)測，今后33mm以上的筆記本型電腦顯示器外殼都將采用鎂合金制作。但一個鋼模生產(chǎn)一定數(shù)量后會被磨損，成本又高，無法滿足大批量要求。后來中國臺灣地區(qū)的Watter科技公司和Catcher科技公司等模具制造商，將每個鋼模的鑄造產(chǎn)量提高到5萬件，擴(kuò)大了規(guī)模，節(jié)約了成本，使全球筆記本電腦制造商再次考慮用鎂合金取代塑料的問題。

平板電腦

• 外殼：鎂合金用于平板電腦的外殼，使其具備輕量化和高強(qiáng)度的特點(diǎn)，同時提高了設(shè)備的手感和散熱性能。許多知名品牌的平板電腦采用鎂合金材質(zhì)，以提升用戶體驗。

智能手機(jī)

• 中框和后蓋：鎂合金在智能手機(jī)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在中框和后蓋部分。鎂合金中框可以提供良好的結(jié)構(gòu)支撐，同時減輕手機(jī)重量。后蓋采用鎂合金材料則有助于提高散熱效率和設(shè)備的整體強(qiáng)度。

攝像設(shè)備

• 相機(jī)機(jī)身：高端數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)的機(jī)身常采用鎂合金材料，以減輕重量并提供堅固的保護(hù)。鎂合金的高強(qiáng)度和良好加工性使其適合制造高精度的相機(jī)機(jī)身。壓鑄鎂合金薄壁復(fù)雜形狀鑄件已經(jīng)用于制造索尼便攜式數(shù)字?jǐn)z像機(jī)DCR -VX1000殼體。該殼體是一種大梁的結(jié)構(gòu)，有5個壓鑄件，包括主框架、機(jī)械室和磁帶室等這些鑄件用AZ91D鎂合金壓鑄后涂上一層丙烯酸樹脂仿皮溶層。

通信設(shè)備

• 基站和路由器外殼：通信設(shè)備如基站和路由器的外殼也采用鎂合金材料。其優(yōu)異的散熱性能和強(qiáng)度特性有助于設(shè)備在高負(fù)荷工作環(huán)境下保持穩(wěn)定運(yùn)行。在移動通信方面，采用鎂合金制造移動電話外殼后，電磁相容性大大改善，通信過程中的電磁波是通過無線接收和發(fā)送，減少了電磁波的散失，提高了移動電話的通信質(zhì)量，并減少了電磁波對人體的傷害。此外，還提高了外殼的強(qiáng)度和剛度，不易損壞，滿足了輕巧、美觀、實(shí)用的要求。

在世界范圍內(nèi)，采用鎂合金材料制備零件中，有90％以上的3C電子產(chǎn)品是用壓鑄方法加工而成的。AZ91D是最常用的一種壓鑄鎂合金，但是，AZ91D合金的耐高溫性能差，限制了其使用范圍。有關(guān)學(xué)者研究結(jié)果表明，AZ91D的抗拉強(qiáng)度隨著溫度的上升而下降，150℃的抗拉強(qiáng)度對比25℃時，下降約為30%。因此，為了提高AZ91D高溫性能，人們嘗試在AZ91D合金中添加鈰、鑭、釔等稀土元素，使合金的室溫及高溫力學(xué)性能均有明顯的提高。稀土在提高高溫性能的同時，也會影響合金的流動性能。

表1 不同便攜式電器產(chǎn)品對鎂合金性能的要求

歐美率先使用鎂合金汽車零部件以減輕質(zhì)量， 隨后向電子、電氣行業(yè)發(fā)展。在亞洲，中國臺灣直至目前均以鎂合金為主體制作筆記本電腦殼體。日本通常在數(shù)碼相機(jī)、CD機(jī)外殼、電腦零部件等方面逐漸普及，家用換氣扇的葉片也用鎂合金材料取代塑料，即使普通商品也使用鎂，并考慮增加其用量。

航空航天領(lǐng)域?qū)Σ牧系妮p量化要求極高，減輕飛行器的重量有助于提高燃油效率、增加載重和提升航程。鎂合金的密度約為鋁的2/3，使其成為實(shí)現(xiàn)飛行器輕量化設(shè)計的理想材料。隨著科技水平的不斷進(jìn)步，航空航天領(lǐng)域的發(fā)展越來越離不開鎂合金的參與。

機(jī)身結(jié)構(gòu)件

• 機(jī)身框架和蒙皮：鎂合金用于制造機(jī)身框架和蒙皮，減輕了結(jié)構(gòu)重量，同時保持了足夠的強(qiáng)度和剛性。特別是在一些非承重部位，鎂合金的應(yīng)用可以顯著降低飛行器的總重量。

發(fā)動機(jī)部件

• 發(fā)動機(jī)罩：鎂合金發(fā)動機(jī)罩重量輕、散熱性能好，能夠有效保護(hù)發(fā)動機(jī)并提高其運(yùn)行效率。

• 壓縮機(jī)和渦輪組件：鎂合金用于制造壓縮機(jī)和渦輪組件，具有良好的高溫性能和疲勞強(qiáng)度，有助于提升發(fā)動機(jī)的性能和可靠性。

艙內(nèi)設(shè)備

• 座椅框架：鎂合金座椅框架具有高強(qiáng)度和輕量化特點(diǎn)，有助于減輕機(jī)艙內(nèi)設(shè)備的重量，提高乘客的舒適性和安全性。

• 行李架和艙門：鎂合金行李架和艙門能夠在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，顯著減輕重量，提高飛機(jī)的載客和貨運(yùn)能力。

飛控和導(dǎo)彈系統(tǒng)

• 電子設(shè)備外殼：鎂合金用于制造飛控系統(tǒng)和導(dǎo)彈系統(tǒng)的電子設(shè)備外殼，具有優(yōu)良的電磁屏蔽效果和散熱性能，確保設(shè)備在高強(qiáng)度工作環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行。

• 導(dǎo)彈外殼：鎂合金導(dǎo)彈外殼輕量化、高強(qiáng)度，有助于提高導(dǎo)彈的機(jī)動性和射程。

航空航天產(chǎn)品工作的極端條件。由于航空航天產(chǎn)品工作的特殊性，因此對材料提出了如下苛刻的性能要求：

①低密度。

由于飛行器的質(zhì)量直接影響到它的機(jī)動性能，而空間站和衛(wèi)星的質(zhì)量決定了對運(yùn)送工具的要求和費(fèi)用，所以航空航天要求材料盡可能的輕質(zhì)，也就是盡可能的低密度。表1為航空航天材料每減少0.45kg質(zhì)量所帶來的經(jīng)濟(jì)效益。商用飛機(jī)與汽車減重相同質(zhì)量帶來的燃油費(fèi)用節(jié)省，前者是后者的近100倍，而戰(zhàn)斗機(jī)的燃油費(fèi)用節(jié)省又是商用飛機(jī)的近10倍。更重要的是其機(jī)動性能改善可以極大提高戰(zhàn)斗力和生存能力。所以鎂合金的低密度，為它在航空航天中的應(yīng)用提供了較好的條件。

表3 航空航天材料每減少0.45kg質(zhì)量所帶來的經(jīng)濟(jì)效益

②剛度和熱導(dǎo)率。

材料的比剛度和熱導(dǎo)率是非常關(guān)鍵的參數(shù)。鎂合金具有比剛度高和高的熱導(dǎo)率。可使某些部位的振動（飛機(jī)的機(jī)翼）以及在低重力、高真空的太空環(huán)境中，可避免太陽照射使得電子設(shè)備過熱而燒毀。

③減振能力。

鎂合金具有良好的減振能力，可以保證航空航天產(chǎn)品承受較大的振動載荷；鎂合金還具有高比強(qiáng)度、防輻射、良好的尺寸穩(wěn)定性、電磁屏蔽性，可以抵御短波輻射和高能粒子的“轟擊”。

航空航天工業(yè)對材料性能的要求：

結(jié)構(gòu)減重和結(jié)構(gòu)承載與功能一體化是飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的重要方向。航空、航天領(lǐng)域要求鎂合金力學(xué)性能和高溫性能優(yōu)異，抗蝕性好，有良好的綜合性能。適合的合金包括AZ91E、QE22(MSR)，ZE41(RZ5)、EQ21、(ZRE1)、WE43等，其性能比較見圖1。從圖中可知，飛機(jī)的各種機(jī)箱體、傳送箱和電源裝置，直升機(jī)主要傳送系統(tǒng)的零部件，螺旋槳系統(tǒng)可以采用ZE41和QE22合金制造；而在高溫下服役的零部件可采用WE43或EQ21合金制造。另外，WE43合金還具有極好的耐蝕性能，可用作飛機(jī)螺旋槳罩殼。Mc Donnell Dougles MD50直升飛機(jī)采用了WE43合金的變速箱殼體。

圖1 鎂合金的主要性能

目前，常用的航空航天鑄造鎂合金及其性能和用途見表4。

表4 航空航天工業(yè)常用鑄造鎂合金的性能和用途

鎂合金減輕武器裝備質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)武器裝備輕量化，是提高武器裝備各項戰(zhàn)術(shù)性能的理想結(jié)構(gòu)材料。鎂合金軍事上的應(yīng)用過去主要是在航空領(lǐng)域，近年來，鎂合金及鎂基復(fù)合材料已逐步在武器和彈藥上得到成功應(yīng)用，發(fā)展十分迅速。

（1）采用鎂合金及鎂基復(fù)合材料替代武器裝備的中、低強(qiáng)度要求的鋁合金零件和部分黑色金屬零件，實(shí)現(xiàn)武器裝備輕量化。

（2）替代工程塑料，解決零件老化、變形和變色的問題。目前，輕武器、光電及通信器材產(chǎn)品、戰(zhàn)車儀表盤等采用工程塑料制造。工程塑料尤其是纖維增強(qiáng)塑料的比強(qiáng)度**，但彈性模量小，比剛度遠(yuǎn)小于鎂合金，且難以回收，環(huán)境適應(yīng)性差，易磨損和老化變形、變色，既影響武器戰(zhàn)術(shù)性能，又影響武器外觀。該類零件采用鎂合金及鎂基復(fù)合材料可以從根本上克服工程塑料的這些缺陷。

（3）導(dǎo)彈及其他飛行器零部件的鎂合金化。過去鎂合金在導(dǎo)彈上的應(yīng)用較少，只在照明彈中使用鎂粉。鎂合金由于密度小，近年來在導(dǎo)彈、火箭等結(jié)構(gòu)件中應(yīng)用廣泛，主要用于戰(zhàn)術(shù)防空導(dǎo)彈的支座艙段與副翼蒙皮、壁板、加強(qiáng)框、舵面、隔框等零件，材料為MB2、MB3、MB8變形鎂合金。衛(wèi)星上采用了ZM5鎂合金制作井字梁與相機(jī)架，以及各種儀器支架和殼體等。

（4）新型鎂合金材料的研發(fā)，促進(jìn)了兵器零部件的鎂化。近年來，新開發(fā)的耐熱、耐磨、超輕(Mg-Li)等新型鎂合金及鎂基復(fù)合材料，由于具有一系列特殊性能，加速了兵器零部件的鎂合金化。

鎂的熱中子吸收截面非常小，大約只有鋁的1/4。英國將鎂合金作為天然鈾燃料的包殼材料，在CO₂氣體冷卻的反應(yīng)堆中使用。由于純鎂在高溫CO₂氣體中發(fā)生氧化并有質(zhì)量遷移問題，在鎂中添加少量的Ca和Be(0.005%~0.01%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))后，在高溫CO₂氣體中具有良好的耐腐蝕性能，稱為Magnox合金。后來發(fā)現(xiàn)該合金焊接后易出現(xiàn)裂紋與含Ca有關(guān)，因此用添加少量Al(0.8%~1.0%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))替代Ca。現(xiàn)在把作為結(jié)構(gòu)材料的Mg-Zr和Mg-Mn (Zr和Mn含量分別為0.55%和0.7%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))也稱為Magnox。

核反應(yīng)堆用包覆套管要能承受反應(yīng)堆的惡劣條件：高熱、表面熱流、強(qiáng)烈的，射線輻射以及套管內(nèi)表面所受到的某些破碎片的轟擊等。大量的試驗證明，鎂合金套管在出口氣體**溫度為400~500℃下工作的反應(yīng)堆中充當(dāng)包覆材料使用是完全勝任的。尤其在改善200~300℃的延性和400~500℃下的蠕變強(qiáng)度方面仍存在著可能。而對CO₂的相容性的極限溫度可達(dá)500℃，保證了反應(yīng)堆工作時的安全要求，不致引起燃燒。

迄今，鎂的**應(yīng)用領(lǐng)域是作為鋁合金提高強(qiáng)度和抗腐蝕能力的合金化元素。鋁鎂合金既輕又硬，抗蝕性能好，可焊，可表面處理，是制造飛機(jī)、火箭、快艇、車輛等的重要材料。另外，鎂被加入鋅的壓鑄合金中，提高其強(qiáng)度和改善尺寸穩(wěn)定性。鎂還是其他鋅產(chǎn)品，如屋面板材、光蝕板材、干電池殼、陽極氧化池結(jié)構(gòu)等的重要化學(xué)成分。鎂還用作鎳基合金、鎳-銅合金、鎳-銅-鋅合金的合金化元素，提高合金材料的性能。