金属材料的制备1镁合金制备
金属镁生产工艺概述
文章编号：1672-1152（2011）03-0001-04
山西冶金 SHANXI METALLURGY
金属镁生产工艺概述
Total 131 No.3，2011
孙晓思
（太原科技大学应用科学学院， 山西 太原 030024）
摘 要：简要介绍了金属镁生产工艺—— —电解法和热还原法；详细介绍了我国现存的主要镁生产方法—— —皮江
二战前，全球生产金属镁的方法只有一种— —— 电解法 （以菱镁矿为主要原料）。但电解法耗资巨 大，工艺复杂。二战期间，由于军事工业的发展，镁合 金的需求量急剧增加，又由于含镁矿石资源中以白 云石的储量最多且分布最广，所以自 1938 年起由奥 地利和美国开始在高温真空条件下，用碳作还原剂，
·2·
山西冶金 E- mail:yejinsx@
热还原法即硅热法炼镁工艺，其原理为：硅（一般 为 w(FeSi)＝75％的合金）在高温（1 100~1 250 ℃） 和真空（13.3~133.3 Pa）条件下，还原白云石中的氧 化镁为金属镁，其化学反应可表示为：
2（MgO·CaO）+Si=2Mg↑+2CaO·SiO2 传统的硅热还原法，按照所用设备装置的不同 分为四种：皮江法（Pidgeon Process）、巴尔札诺法 （Balzano Process）、玛格尼法（Magnetherm Process） 和 MTMP 法［6］。 由于白云石资源分布广泛，储量丰富，而皮江法 炼镁可以直接采用其作原料；并利用天然气、煤气、 重油和交流电等作热源；工艺流程简单，建厂投资 少，生产规模灵活；反应炉体小，建造容易，技术难度 小；成品镁的纯度高。这些特点恰恰符合我国的实际 国情，因此，皮江法在我国得到了广泛的发展和应 用。到目前为止，皮江法仍是我国生产金属镁的主要
镁合金材料的制备与应用
镁合金材料的制备与应用随着科技和工业的不断发展，材料科学也在不断地发展和进步。
其中，镁合金材料是一种备受瞩目的高强度、轻质、环保的材料，被广泛应用于航空、汽车、电子、医疗等领域。
本文将介绍镁合金材料的制备与应用。
一、镁合金材料的制备镁合金是由镁和其他金属元素合成的合金，具有低密度、高比强度、耐腐蚀性好等特点，常用于制造航空、汽车、电子、医疗等领域的零部件和器件。
镁合金的制备方法多种多样，常见的有以下几种。
1. 真空熔炼法真空熔炼法是一种制备高纯镁合金的方法，主要通过高温真空熔炼将镁和其他金属元素的混合物合成镁合金。
该方法制备的镁合金纯度高、含氧量低、杂质少，但制备过程复杂、成本高。
2. 粉末冶金法粉末冶金法是一种材料制备方法，主要通过高能球磨或化学还原等技术将镁和其他金属元素粉末混合后，在高温高压条件下压制成型。
该方法制备成本低、工艺简单、能够制备出各种形状的材料，但制备周期长、工艺参数难控制。
3. 氮化物反应法氮化物反应法是一种制备高性能镁合金的方法，主要通过将金属镁和氮化物在高温下反应制备成镁氮化物，之后通过还原反应获得镁合金。
该方法制备出的镁合金密度高、强度高、延展性好，但制备过程复杂、成本高，需要使用高温等特殊条件。
二、镁合金材料的应用随着人们对环保和能源消耗的重视，镁合金材料在各个领域中的应用逐步增加。
以下是镁合金材料常见的应用场景。
1. 航空领域航空领域对材料的高强度、轻质、抗疲劳等要求很高，镁合金正是符合这些要求的材料之一。
在飞机、直升机等飞行器的制造过程中，将镁合金用作机身结构材料、发动机外罩、支撑件等，能够大幅度降低整个飞行器的重量，提升飞行器的效率和性能。
2. 汽车领域镁合金也被广泛应用于汽车领域。
在汽车制造过程中，将镁合金用作车身结构材料、发动机散热器、变速器壳体、制动器等部位，能够降低整车重量、提高车辆的燃油效率和动力性能，同时还能减少对环境的污染。
3. 电子领域随着电子设备的不断更新换代，对电子材料的性能要求也在不断提高。
镁合金研究报告
镁合金研究报告
镁合金是一种轻质高强度材料，在航空、汽车、电子、医疗等方面有广泛的应用前景。
然而，镁合金材料还存在着一些问题，如易腐蚀、低韧性等，因此需要进行进一步的研究。
本文将从镁合金的研究现状、制备方法、性能改进等方面进行讨论。
一、镁合金的研究现状
（1）制备方法的研究：包括溶液处理、机械制备、热加工、复合材料制备等。
（2）合金化的研究：利用添加其他元素来改善镁合金的力学性能、耐腐蚀性能等。
（3）力学性能的研究：包括强度、延展性、硬度、耐蚀性等的研究。
（4）应用研究：应用于航空、汽车、电子、医疗等领域。
二、制备方法
制备镁合金的方法有多种，以下是比较常见的几种方法：
（1）溶液处理：利用化学法将钠、铝、锂等元素在高温下溶解于镁中，从而实现镁合金化的方法。
（2）机械制备：通过机械研磨、球磨等方法，将两种或多种金属粉末混合制备而成。
（3）热加工：通过加热、压力等方法，将镁合金加工成所需要的形状。
（4）复合材料制备：通过利用纤维增强材料制备出具有高强度、高韧性的复合材料。
三、性能改进
为了改善镁合金材料的性能，可以采用以下方法：
（2）热处理：通过加热、冷却等方法，改善镁合金的力学性能、韧性和耐蚀性等。
（3）表面处理：对镁合金材料进行氧化、涂层等表面处理，提高其抗腐蚀性。
四、结论。
有色金属材料的制备与应用
有色金属材料的制备与应用有色金属材料是指除了铁、钢和铸铁之外的金属材料，包括铜、铜合金、铝、铝合金、镁、锌等。
这些材料具有密度低、导电性、导热性和抗腐蚀性能好等优点，在各个领域都有着广泛的应用。
一、有色金属材料的制备1.铜及铜合金的制备铜是最早被人类利用的金属之一，其开采和冶炼历史已有5000多年。
铜的制备方法主要包括火法、湿法和电解法等。
其中，电解法在现代铜冶炼中被广泛应用，其效率高、质量好、消耗小，被称为铜冶炼的未来趋势。
与铜相比，铜合金使用更为广泛。
铜合金通常由铜和其他金属（如锌、铝、锡等）合成，具有优异的物理力学性能和良好的耐蚀性能，广泛应用于汽车、电子、航空航天等领域。
2.铝及铝合金的制备与铜不同的是，铝的历史相对较短，其在19世纪末才被工业界广泛认识和应用。
铝的制备方法主要包括电解法、半连续法等，其中电解法是最常用的一种方法，也是制备高纯铝和铝合金的主要方法。
铝合金具有密度低、耐腐蚀、强度高、韧性好等优点，在航空航天、高速列车、汽车等领域被广泛应用。
铝合金的制备较铜合金难度大，需要进行复杂的热处理和加工工艺。
3.镁及镁合金的制备镁是密度最低的金属之一，具有较好的机械性能和抗腐蚀性能。
由于其密度较低，与其他金属相比，镁合金的强度和刚度较低，但是具有很好的成形性和焊接性能。
镁及镁合金的制备方法包括熔炼法、电解法、气相沉积法等。
其中熔炼法和电解法是较为常用的方法。
二、有色金属材料的应用有色金属材料在工业生产和民用领域都有着广泛的应用。
以下是几个典型的应用领域：1.电子领域有色金属材料在电子领域有着重要的应用，如铜箔、铝箔、锌锰干电池等。
其中，铜箔是制作聚酰亚胺电路板的重要材料，具有良好的导电性能和成型性能。
2.汽车制造有色金属材料在汽车制造领域有着广泛的应用，如铝合金、镁合金、铜合金等。
铝合金因其密度低、强度高而被广泛应用于汽车轮毂、车身结构等部件的制造。
而镁合金具有优异的成形性和强度，被广泛应用于汽车座椅结构等部件的制造。
镁合金的生产工艺流程
镁合金的生产工艺流程
镁合金是一种轻质、高强度的金属材料，广泛用于汽车、航空航天、3C电子等领域。
下面将介绍镁合金的生产工艺流程。
镁合金的生产工艺主要包括矿石选矿、冶炼提纯、合金配制、合金铸造、热处理和加工等环节。
首先是矿石选矿。
矿石通常是多金属矿石，其中含有镁的矿石被挑选出来。
矿石处理的主要目的是将其中的杂质和非金属物质去除，得到纯净的镁金属。
接着是冶炼提纯。
矿石经过破碎、磨矿等处理后，与盐酸等酸性溶液进行反应，将镁溶解出来。
然后，通过电解的方式将镁沉积在阴极上，得到镁電。
然后是合金配制。
通常将镁合金制备成铝镁合金或锌镁合金。
合金制备的目的是调整镁合金的成分，以改变其力学性能和腐蚀性能。
接下来是合金铸造。
将合金液注入铸模中，通过制定适当的冷却曲线和工艺参数，使合金凝固成型，得到铸件。
合金铸造可分为压力铸造、重力铸造、砂铸等多种方式，不同方式适用于不同形状和尺寸的零件。
然后是热处理。
热处理可以提高合金的机械性能和耐腐蚀性能。
一般热处理过程包括时效处理、固溶处理、淬火处理等步骤，可以根据合金种类及其所需性能制定不同的热处理工艺。
最后是加工。
加工是将铸件或热处理后的合金进行进一步加工，以得到所需的形状和尺寸。
常见的加工方式有压力加工、锻造、挤压、铸造等。
综上所述，镁合金的生产工艺流程主要包括矿石选矿、冶炼提纯、合金配制、合金铸造、热处理和加工等环节。
这一工艺流程可以根据具体需求进行调整和改进，以满足不同应用领域的要求。
镁合金轧制工艺
1绪论镁是结构材料中最轻的金属，近年来已经逐渐被应用到航空航天、国防军工、汽车、电子通讯等领域，同时这些领域对其力学性能的要求也在不断提高。
传统的铸造镁合金已经渐渐无法满足要求，而通过挤压、锻造、轧制等工艺生产的变形镁合金产品具有更高的强度、更好的延展性、更多样化的力学性能。
其中，轧制作为镁合金塑性加工的重要手段得到了长足的发展。
镁合金是密排六方晶体结构，c/a轴比为1.6236，在室温下仅具有一个滑移面，在滑移面上有3个密排方向，即有3个滑移系，根据多晶体塑性变形协调性原则，要使多晶体在晶界处的变形相互协调，必须有5个独立滑移系，显然密排六方结构的镁合金不满足该条件。
因此，在室温下，镁合金的塑性很低。
当变形温度达到225C时，高温滑移面（棱柱面）被激活，镁合金的塑性有所改善。
镁及其合金的另一个重要特征是加热升温与散热降温比其他金属都快。
因此，在塑性加工过程中，温度下降很快且不均匀，则易发生边裂和裂纹，相对于其它金属材料而言，镁及其合金的热加工温度范围较窄。
镁合金滑移系较少，在室温和低温条件下塑性较差，而且迄今对镁合金塑性变形机理的认识还不够全面和深入，镁合金板材制备及其轧制成形工艺的研究尚处于初级阶段。
镁合金板材轧制成形的以下特点制约了镁合金板材的发展与应用：1）镁合金室温塑性变形能力差，轧制过程中易出现裂纹等变形缺陷；2）目前镁合金板材制备多采用普通的对称轧制，轧制后的组织有强烈的（0002）基面织构，存在严重的各向异性，不利于后续加工；3）镁合金轧制道次压下量较钢和铝小很多，生产效率不高。
制备优质的镁合金板材，大部分工艺都需要经过多道次轧制工序，轧制过程受许多因素的影响，这些因素可以分为两大类：第一类为影响轧制金属本身性能的一些因素，即金属的化学成分和组织状态以及热力学条件；第二类为轧制的工艺因素，如轧制温度、轧制变形量和轧制速度以及后续的热处理工艺。
国内外很多学者针对如何改进镁合金轧制工艺和轧制技术，以获得二次成形性能优良的板材做了大量的研究工作。
金属镁的冶炼工艺简介
金属镁的冶炼工艺简介镁是一种轻金属，是十分常见的有色金属之一，也是一种轻质的金属结构材料。
近些年来，随着科学的技术进步，对新型材料的需求越来越高精尖，促进了镁的各种应用，用途和应用领域在不断扩大。
镁的冶炼方法是镁工业发展的前提和基础，现有金属镁的冶炼方法普遍存在能耗大、污染严重、流程长、成本高等问题。
开发金属镁冶炼新技术研究具有十分重要的意义。
一、金属镁简介1.1、镁的性质镁是地球上储量最丰富的轻金属元素之一，镁的比重是1.74g/cm3，只有铝的2/3、钛的2/5、钢的1/4；镁是地球上储量最丰富的轻金属元素之一，镁蕴藏量丰富，在宇宙中含量第八，在地壳中含量丰度2%，海水中含量第三。
1.2、镁的储量分布镁在自然界分布广泛，主要以固体矿和液体矿的形式存在。
固体矿主要有菱镁矿、白云石等；液体矿主要来自海水、天然盐湖水、地下卤水等。
根据美国地质调查局（USGS）2015年公布的数据显示，全球已探明的菱镁矿资源量达120亿吨，储量24亿吨。
蕴藏丰富的国家包括：俄罗斯（6.5亿吨，占总量27%）；中国（5亿吨，占总量21%）；韩国（4.5亿吨），具体数据见表一。
表一全球菱镁矿储量（千吨）1.3、我国镁资源储量分布情况中国是世界上镁资源最为丰富的国家之一，镁资源矿石类型全，分布广。
中国是世界上菱镁矿资源是继俄罗斯之后最为丰富的国家，特点是地区分布不广、储量相对集中，大型矿床多。
世界菱镁矿储量的21%集中在中国，产量的67%由中国提供（具体分布见表二）。
表二中国镁资源储量分布情况二、镁的应用2.1、镁的应用镁的应用主要集中在镁合金生产，炼钢脱硫，还用在稀土合金、金属还原、腐蚀保护及其他领域。
（1）金属脱硫，使用镁粉的脱硫效果比碳化钙好；（2）腐蚀保护，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，广泛用于石油管道、天然气、煤气管道和储罐、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。
镁合金的制备与加工
美国陶氏：DOW17，Cr22，HAE 德国：MAGOXID-COAT 新西兰：Anomag 日本：UBE
保证氧化膜的生成速度高于溶解速度。 所制得的氧化膜应具有良好的力学性能和理
化性能，如强度、弹性、耐磨性、抗蚀性和 吸附性等。 成分简单，来源丰富，经久耐用，耗电少， 安全无毒和使用方便。
来源：
1.原镁带来的； 2.镁被氧化产生的； 3.镁合金除铁及变质过程中产生的； 4.溶剂精炼过程中产生的； 5.铸造工艺过程中产生的；
（二）镁熔体净化处理方法及与原理：
（1）溶剂吸附法
利用熔剂与熔液的充分接触来润湿夹杂物，使夹杂物团聚并与熔剂结合形成 大颗粒，沉淀在坩埚底部从而达到与金属液分离的目的。 目前国内最常用的RJ-2，其成分为：MgCl238%±3%，KCl37%±3%， CaCl28%±3%，NaCl8%±3%，BaCl29%±3%，CaF22%。其中MgCl2 是 起主要作用的成分，熔融MgCl2 能很好地润湿镁液中的非金属夹杂物，部 分氧化物（MgO 和CaO） 能和MgCl2 形成稳定或不稳定的配合物： MgO（CaO）+ MgCl2→MgCl2· MgO（CaO） 5MgO+ MgCl2→MgCl2· 5MgO （2）浮游法 浮游法是向镁液中通入气体，通常用N2、He、Ar、氯化物或盐类所产生的 气体，形成大量气泡，由于气泡中氢的分压小，因此借助于镁液和气泡中的 氢分压之差氢便扩散进入气泡，气泡浮出液面后氢被排除，从而达到除气的 目的。 （3）过滤法 过滤法是依靠过滤介质的机械阻碍作用捕获夹杂物，同时截除吸附在夹杂物 上的氢而达到精炼目的。
1－铸铁支撑环；2－低碳钢坩锅 3－排气管； 4－黏土耐火砖； 5－出渣门；6－浇铸的耐火材料；7－燃烧通道
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▲热还原法
氧势图
•镁 熔点650 °C 沸点1091 °C
氧势图
DrGθ DrH TDrS
（1）斜率是反应的熵变 的负值
（2）转折点一定是在该 温度有反应物或产物的相 变
氧势图
在CO线以上的区域， 如元素Fe、W、P、 Mo、Sn、Ni、Co、 As及Cu等的氧化物 均可以在固态的时 候被C还原.
•镁 熔点650 °C 沸点1091 °C
Mg
1800℃
②镁合金的冶炼
• 高炉冶炼特点 • 高炉是连续的、大
规模的高温生产过 程，机械化和自动 化水平较高。 • 可以数十年不停机。
为什么不用高炉冶炼镁？
•镁 熔点650 °C
能否通过用降高低炉炉冶内炼温镁度？沸•熔的铁点点方1105式9318，°°CC，
沸点 2862 °C
镁的沸点低，容 易形成蒸汽，难 于从炉底排出镁 熔体。
1、金属材料简介
②共价键
特点 ： – 有方向性(电子在原子核周围 出现的几率有明显差异)：除 s轨道，其它轨道都有一定 的方向性，键的方向沿着电 子云重叠最大的方向； – 有饱和性：导致配位数较少； – 结构稳定，熔点高，硬，脆， 导电性差。
1、金属材料简介
③金属键
金属原子的最外层电子 数少，极易摆脱原子核的 束缚成为自由电子。自由 电子可在整个金属中自由 运动，被共有化。金属中 自由电子与金属正离子之 间构成键合称为金属键。
金属键与导热
固体的热传导
金属键与导热
•绝缘体材料 （离子或共价 晶体）：无自 由电子，靠声 子导热 •纯金属：自由 电子多，导热 主要靠自由电 子
金属键与导热
•绝缘体材料（离 子或共价晶体）： 无自由电子，靠声 子导热 •纯金属：自由电 子多，导热主要靠 自由电子 •合金：自由电子 和声子均有贡献 •磁性材料：还需 要考虑磁振子的贡 献
②镁合金的冶炼
高炉冶金为什么要吹气？ 1、加速炭的燃烧，提高炉内温度。
2、产生CO气体，促成（气相+固相）还原 反应。
3如Fe2果O3+要CO用=2高Fe3炉O4+冶CO炼2 镁， Fe在3O4降+CO低=3炉FeO温+ 的CO同2 时。 需要Fe找O+C到O合=Fe适+C的O2 还原性气体。
固态的C也可以直接对铁矿石进行还原，但是固相-固相之 间的反应，依靠原子扩散来进行，速度非常慢。
“镁合金” Why？
①、镁合金简介
国家镁合金材料 工程技术研究中心
①、镁合金简介
①、镁合金简介
电磁屏蔽
计算机、手机等产品的外壳,以降低电磁波对人 体辐射危害。
①、镁合金简介
生物性能
生物医用材料具有很高的附加值，其每公斤达 1200-150000美元，而建筑材料仅为0.1-1.2美 元，宇航材料也仅100-1200美元。
金属材料的制备
1、金属材料简介 2、镁合金的制备
①镁合金简介 ②镁合金冶炼
3、快速凝固 4、粉末冶金 5、喷射成形技术 6、非晶合金
为什么提款机的键盘要用金属？ 密码：12345
为什么提款机的键盘要用金属？
1、金属材料简介
①离子键
大多数的盐类、碱类以及金属氧化物通过离子键 结合。通过电子转移，形成各自稳定结构的带电的正 负离子，通过库仑相互作用结合在一起。
热的本质
金属键与导热
传递热能的三种形式
金属键与导热
热辐射，物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。 一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传 播。由于电磁波的传播无需任何介质，所以热辐射 是在真空中唯一的传热方式。
金属键与导热
热对流（thermal convection）是指热量通过流动介 质，由空间的一处传播到另一处的现象。 西伯利亚寒流 大西洋暖流
氧势图
氧化物能否被还原，取决与各组元与氧的亲和能力。 亲和能力越强的组元，可以争取到更多的氧原子。
3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2 Fe3O4+CO=3FeO+ CO2 FeO+CO=Fe+CO2
上面的反应式中，CO的与氧的亲和能力最强， 可以还原Fe的氧化物。
氧势图
氧势图（Ellingham）的形成原理
1、金属材料简介
③金属键
特点 ： – 金属键既无方向性，也无饱 和性。这导致金属倾向于密 堆积排列，fcc, hcp, bcc； – 良好的导电性，导热性，好 的延展性？？
1、金属材料简介
严格的说：量子力学的世界里面，没有100%的事情。 不可能有单一的化学键。
金属键与导热
热的本质
金属键与导热
金属键与堆垛方式
如何堆积才能提高致密度？
金属键与堆垛方式
面心立方FCC
密排六方HCP
金属键与堆垛方式
面心立方FCC
密排六方HCP
如何堆积才能提高致密度？
金属键与堆垛方式
原子太“软”，无法形成最致密堆积，形成体心立方
2、镁合金的冶炼
①、镁合金简介
降低汽车整车质量 是汽车轻量化最有效途径。通过测算显示，一辆汽车的自重 每减少 10%，燃油消耗量便会降低 6%~8%.
金属键与堆垛方式
由于金属键不具有饱和性和方向性，使金属的晶体结 构倾向于紧密堆垛排列。所以金属的晶体结构通常为 以下三种：
面心立方结构 (face—centered cubic, fcc) 体心立方结构 (body—centered cubic, bcc) 密排六方结构 (hexagonal close-packed, hcp)
1、金属材料简介
①离子键
Cl- Na+
特点 ：
– 以离子而不是以原子为结 合单元，要求正负离子相 间排列；
– 无方向性和饱和性,这导致 离子晶体一般具有较高的 配位数；
– 结合牢固，熔点和硬度较 高，良好的电绝缘体。
1、金属材料简介
②共价键
亚金属（C，Si， Sn，Ge）、聚合物， 无机非金属材料。由 两个或多个电负性相 差不大的原子间通过 共用电子对而形成的 化学键。
为了直观地分析和考虑各种元素与氧的亲和能力，了解不同 元素之间的氧化和还原关系，比较各种氧化物的稳定顺序， 埃林汉曾将氧化物的标准生成吉布斯自由能数值折合成元素 与1mol氧气反应的标准吉布斯自由能变化即，将反应：2x yຫໍສະໝຸດ M2＋O2＝
2 y
M
xO
y
把上式的DrGθ与温度T的二项式关系绘制成图。该图又称为氧 势图，或称为埃林汉姆图，或称为氧化物标准生成自由能与 温度的关系图。