镁合金文献综述

金属镁及其镁合金的制备与应用摘要：本文评述了金属镁的制备，镁合金的种类，以及镁及其镁合金的应用。

关键词镁镁合金制备应用镁是最轻的金属元素，其比重只有1．74，仅相当于铝的2／3，铁的1／4。

而且镁资源特别丰富，占地壳总重量的2．1％，海水中的o．13％，可谓取之不尽，用之不竭。

金属镁及其合金具有密度小、比强度和比刚度高、导电导热性能较好、阻尼减震和电磁屏蔽性能良好、易于加工成型、废料容易回收等优点[1]，广泛应用于航天航空、交通运输、电子技术、光学器材、精密机械、日用商品等领域。

由此镁及镁合金获得“21世纪的绿色工程材料”的美誉[2]。

1.金属镁的制备金属镁的制备方法可分为两大类：电解法和热还原法。

1.1电解法炼镁[3-5]电解法的原理是电解熔融的无水氯化镁，使之分解成金属镁和氯气。

依据所用原料及处理原料的方法不同，可细分为以下具体的方法：道乌法、氧化镁氯化法、诺斯克法和光卤石法等[6]。

以下主要介绍氧化镁氯化法和光卤石法。

1.1.1 氧化镁氯化法利用天然菱镁矿，在700～800℃下煅烧，80%得到活性较好的轻烧氧化镁。

氧化镁的粒度要小于0.144mm，然后与碳素混合制团，团块炉料在竖式电炉中氯化，制得无水氯化镁，直接投入电解槽，最后电解得金属镁。

制备MgCL2的程式为：2MgO+2CL2+C=2Mgcl2+CO2。

1.1.2 光卤石法将光卤石（Mgcl2·kcl·6H2O）脱水后，直接电解制取金属镁。

光卤石脱水时水解反应不像Mgcl2那样严重，但也有一定的水解，因而在无水化的处理过程中，也需要氯化过程，由于加入了，需要经常清理电解槽。

1.1.3 电解法制镁存在的问题制备无水Mgcl2困难：在氯化镁的脱水过程中，由一水氯化镁脱水制取结晶氯化镁的过程极易水解，产生碱式氯化镁［Mg（OH）CL］和氧化镁，生产工艺较难控制；在HCL气氛下，水氯镁石脱水需要较高的温度（一般约为450℃），能耗大，设备腐蚀严重。

在金属镁的生产成本中，大约50%的费用用于Mgcl2脱水。

金属镁的纯度较低：电解法制取的粗镁中主要含有电解质中的氯化物及Fe、Si、Ni、Cr、Mn和K、Na等金属杂质，其存在会降低镁及其合金的耐腐蚀性能，因此需要采取措施，提高镁的纯度。

1.2 热还原法炼镁热还原法的典型代表是皮江法，皮江法是1940年左右发展起来的一种炼镁方法[7]，我国目前约98％以上的原镁是由皮江法生产的。

皮江法将煅烧白云岩和硅铁按一定配比磨粉，压成团块，在高温和真空条件下，使煅烧白云岩中的氧化镁还原为镁蒸气，然后冷凝结晶为粗镁，再经精炼制得镁锭。

皮江法的最大问题是严重的环境污染和巨大的能量消耗。

主要能耗与二氧化碳的排放集中在以下3个阶段：①利用硅铁还原煅烧后的白云石矿需要耗能及释放二氧化碳；②生产硅铁消耗大量的电能，电能来源于煤炭；③煅烧白云石矿石消耗煤炭及释放大量的二氧化碳。

随着国际市场对金属镁需求的日益增长，加上自身镁资源的优势，中华大地的镁厂如雨后春笋般涌现出来。

到2001年，国际市场近40%-50%的原镁由中国提供，我国一跃成为世界第一产镁大国和出口大国，在国际镁工业中占据了举足轻重的地位，其中95%的原镁是由皮江法生产的[8]。

1.3 金属镁制备的发展趋势[9-10]近年来，国际上金属镁工业的发展趋势是以盐湖水氯镁石制取无水氯化镁为原料，这将大幅度降低金属镁的生产成本。

随着水氯镁石脱水炼镁技术的进步，带来的是金属镁制造成本的大幅度降低，也促进了金属镁的需求量的不断加大，并将产生巨大的经济效益和社会环境效益。

用CO气体作还原剂氯化煅烧菱镁矿炉料和研究开发一种新的单级电解槽电解氯化镁是电解法主要发展趋势;采用内热法与半连续硅热法技术,应用水煤浆高效能源作为燃料可提高金属镁的还原效率。

2. 镁合金的制备[11-12]根据加工方式的不同，镁合金材料主要分为铸造镁合金与变形镁合金两大类。

前者主要通过铸造获得镁合金产品。

传统的铸造工艺比较成熟，近年来，铸造领域中一些新的生产工艺和技术，如压力铸造技术，半固态成型技术，都被用来开发新型镁合金材料，并取得了很大的进展。

变形镁合金材料的生产主要通过挤压、轧制和锻造等工艺手段实现，由于镁在加工过程中对设备能力、生产条件的要求基本与变形铝合金相同，因此变形镁合金的生产完全可以采用变形铝合金的压力加工设备。

随着科技的进步，大量的镁合金被制备出来用于各个领域。

例如，AZ91D合金作为一种主要的镁合金而被做结构材料[13]。

2.1 耐热镁合金镁合金耐热性差是限制其应用的主要问题之一，提高耐热性可以扩大应用范围。

国内外耐热镁合金的应用对象，主要是轿车／微型车的发动机及其传动机构零部件，如变速箱壳体，汽缸体，汽缸盖，进／排气管等。

因此，它们的使用性能要求满足：工作温度高于120℃：应力范围35 M咿a~70 MPa；室温延伸率>3％；耐腐蚀和加工性能良好；并且易回收。

应用最广泛的耐热镁合金是Mg-AI系列合金，如As台金和AE合金已经过几十年的深入研究，相当成熟。

全世界每年生产镁材约30万吨，其中乐铸材料占90％，变形材料仅占O．5％，用量甚微。

但是，经过挤压、锻造、轧制等工艺制备的镁合金能够提供更多样化的力学性能及可后续热处理，进一步提高韧性、焊接性能等，可以满足更多样化的结构件需求。

因此，研究耐热镁合金的塑性变形非常有意义[14]。

2.2 高性能稀土镁合金稀土元素由于具有独特的核外电子排布，在冶金、材料领域中有独特的作用，具有净化合金溶液、改善合金组织、提高合金室温及高温力学性能、增强合金耐蚀性能等功能。

稀土镁合金具有镁合金的固有优点，如密度小、比强度高、具有金属光泽等，同时又具有耐热强度高、蠕变性能优良的新特点[15]。

2.2.1 Mg-Y系合金Y在镁中具有高的固溶度，能够形成强化相，具有明显的时效硬化特征。

在合金中加入其他合金元素(如：Nd、Zn和zr等)会明显降低Y在镁中的固溶度，但能大幅提高合金中析出相的体积分数，从而进一步提高合金的机械性能。

在含Y 的稀土镁合金中，WE系合金具有较好的浇铸、时效硬化及高温抗蠕变性能，因而被广泛应用于航空航天领域中。

2.2.2 Mg-sc系合金金属钪作为镁合金的强化元素，具有较高的熔点(1541℃)，但其在镁合金中的扩散能力相对于其他稀土元素较低，强化作用显著。

钪的密度为39／cm3，比其他稀土元素的密度小，更能体现镁合金低密度的特点；与其他外加合金元素一起能够形成镁、钪和复杂的合金化合物强化相，改善合金的室温和高温性能。

2.2.3 Mg-Gd系合金Gd能提高镁合金的熔点和抗蠕变性能。

早在1974年研究者就发现，经过挤压、调质和时效处理的Mg一15％Gd合金在高温及低温下都具有较高的抗拉强度。

在Mg—Gd合金中加入其他合金元素，如：钪、锰、钇等，能大大提高镁合金的性能，其耐热性要远远高于铝及Mg-Y-Nd-zr(WE54A)等镁合金，高温强度在目前研究的镁合金中也是最高的。

但在镁合金中加入重稀土后会导致镁合金成本增加、密度提高及韧性变低等，因此，M矿Gd—Nd和Mg-Gd—Y合金中的Gd部分被Y及Nd替代。

2.3 泡沫镁合金泡沫金属作为一种新型多功能材料，以其特殊的结构与性能特征，在当前高速发展的科技领域倍受关注。

对泡沫金属的制备、性能以及应用方面的研究近年来越来越广泛和深入。

泡沫镁合金具有良好的阻尼性能、抗冲击性能、电磁屏蔽性能、吸声性能、以及生物相容性能。

不仅在汽车、航空航天、造船业等方面具有广泛的应用，而且在海陆空武器装备、建筑行业、医疗业等方面也有潜在用途。

可用于汽车的车身结构、飞船的起落架、减震器、缓冲器、过滤器、消音器、人体骨骼修复及再生等[16]。

3. 金属镁及其镁合金的应用[17-20]3.1 镁用作化学工业中试剂或添加剂在化学工业上，应用镁的格里纳德反应，通过合成可以制得多种复杂的有机化合物。

在电位序中镁的电极电位比铁和铝更负，镁广泛被用来制作化工容器、地下管道以及船体的防腐蚀部件。

镁的燃烧特性使其可用于爆破装置、照明弹、燃烧弹及焰火等等的生产。

镁还可用于阴极保护以防止其它金属的腐蚀，用作干电池及蓄电池的构件。

3.2 镁用作冶金行业的处理剂在冶金工业上，由于镁对卤素及氧的亲和力强，近年来钢铁工业中用镁粒代替碳化钙作为脱硫剂脱除钢水中的硫，从而得到优质钢。

镁在镍铁合金及铜合金冶炼中作为除氧剂和脱硫剂。

镁是生产钛、锆、铪、铀、钚等金属的还原剂。

镁是生产球墨铸铁的球化剂。

灰口铸铁铸造厂应用镁及镁合金作为烧注前加入铁水包内的添加剂镁使石墨成球状，大大改善了铸铁的性能。

由于薄壁高强度铸件可以实现产品轻量化，因此球墨铸铁件的应用有日益扩大的倾向。

含镁球化剂可以通过熔制法、还原法等制备。

在日本<镁在工业界中的用途主要是铝合金、铸铁的球化剂、钢铁冶金及钛冶金中的还原剂等。

3.3 镁合金的应用3.3.1 用作汽车行业合金材料从20世纪20年代开始，镁制零件就在赛车上应用。

目前在汽车工业方面镁合金主要用来制造离合器壳体、转向柱架、制动器踏板支架、阀盖、阀板、仪表板支架、变速器体、车窗马达壳体、油滤接头、发动机前盖、进气歧管、镜子外罩、辅件托架及照明灯夹持器等零部件。

在今后的20年里汽车工业使用的镁将会超过122/车（车质量的6%）即当前使用量的30倍。

全球每年生产5000万辆汽车，这意味着2020年将需要5X106t金属镁的生产能力。

3.3.2 用作电子通讯领域的合金零件在手机、笔记本电脑、CD机、摄影机、投影仪、MD、录像机等方面利用镁合金，可使之小型轻便化并增强抗电磁干扰能力。

电脑生产厂越来越多地要求它的供应商提供镁合金外壳来替代塑料外壳。

因为镁合金是一种很轻的金属，镁合金电脑外壳为薄壁结构（约1mm），因此比塑料外壳的质量小；另外，在机械的作用下变形很小，镁合金的散热性比塑料好，这样可以使结构更紧凑和变得更小。

日本正在将镁合金的应用从手提电脑扩大到手提电话及数码相机等，日本国内500万像素以上的高档数码相机均用镁合金外壳。

3.3.3 用作航空航天、国防等部门的合金零件[21]镁在航空航天、国防等部门的应用也十分广泛。

目前世界各国将轻质镁合金用作兵器零件。

如欧美生产的Racegun的枪械零件用镁钛合金使重量降低45%，击发时间减少66%；美国军用吉普车M27A1型的车身和桥壳采用镁合金，重量大大减小；法国MK式反坦克枪榴弹部分零件采用镁合金,全弹质量仅为800g美国大口径无后坐力反坦克炮也采用镁合金，大大减小了重量。

3.3.4 用作其它行业的合金零件镁合金在其它领域的应用也非常广泛。

如用作链锯、民用工具、旋转式割草机面板、钓鱼卷线盘、器具盒、便携工具、手电钻、研磨机、真空吸尘器、剪草机、家用搅拌器、地板上光清洗机、血压测试仪、电影放映机、照相机、雷达显示器、卡式录音机、运动器材、计算器、邮资显示表、微型马达、木工和瓦工用水平尺、缝纫机、太阳能电池、雪地汽车和行李箱等等。