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自1970年中东石油危机后，各国对节约能源、降低油耗普遍关注。汽车行业是油耗大户，降低汽车油耗影响 巨大。据测，汽车重量每降低10％，可节油5％，油耗减少，尾气排放量也减少，从而也减少了对环境的污染。汽车是用金属材料堆砌而成的，要降低汽车重量， 首先就要在材料上打主意。铝合金的比重大约是钢的1／3，以铝代钢，这个进程已在进行中。要进一步减轻汽车重量，人们想到了镁，它的比重是铝的2／3，而 性能与铝合金相近，以镁代铝、以镁代锌，是近年来的一大趋势。据统计，北美消费的压铸镁合金，在1982-1992年的10年间，以每年20％的速度增 长，在1996-2000年的4年间以每年30％的速度增长，欧洲则超出60％，其中汽车工业消费占80％以上，可以说镁合金压铸件在汽车行业的推广应 用，使过去用量不大的镁合金突成新宠。
3C产品(手机、笔记本电脑、数码相机及摄像机)是高新技术的代表产品，自1990年以来，一直保持着快速增长的势头，镁合金由于其重量轻(对 铝、钢而言)、刚度大(对塑料而言)，特别是它有电磁屏蔽作用，可防止电磁干扰及其对人体的伤害，成为3C产品壳体的最佳材料。
其他如自行车、家电、电子、仪表、航空航天、兵器工业等部门，也在日渐增加镁合金件的应用。
一、 镁的工业发展历史
镁是地壳中含量最丰富的元素之一，其丰度居第8位，约占地壳组成的2.5％，主要以白云石(碳酸镁钙)、菱镁矿存在，此外，海水中含镁约 0.13％，可谓取之不尽，但人类认识镁却较晚，1828年法国科学家A．A．Bussy用金属钾将镁从熔融的氧化镁中置换出来， 1852年R． Bunsen建立了一个小型实验电解槽用电解法生产镁，1886年以Bunsen的电解槽为基础，在德国建立了首个商业性电解镁厂。1910年世界镁产量 约10t／a，到1930年增长到1200t／a以上。二战期间镁工业获得了飞速发展，从1935年开始，德、法、苏、奥、意等国分别建立了镁厂，美国的 镁产能扩大了10倍，1943年世界镁产量约为235kt／a。此期间镁主要用来制造燃烧弹、照明弹、曳光弹、信号弹以及军事和飞机等军用设备的零部件。 二战结束后，1946年世界镁产量降低到25kt／a，世界各国开始考虑镁合金在民用工业的开发和应用，在以后的20年中，美国Dow化学公司在开发镁合 金及其生产技术方面取得了突出的成就，为镁及其合金在冶金、航空、电子、兵器、汽车、化学及防腐、印刷、纺织等民用工业部门的应用开辟了道路，使镁工业出 现了连续增长的势头，实际上从二战结束以来年均增长率在7％左右，现在世界上镁产能已达到550kt／a，2000年实际产量为430kt。
我国是世界上著名的产镁大国，菱镁矿资源总量达31.45亿吨，位居全球首位，2001年出口量已达到200kt，占世界镁市场总需求量的 40％以上。但是大部分出口的是原材料及初级产品，价格低、效益差，我国对镁合金及其加工技术的研究和应用尚处于起步阶段。镁合金在汽车工业上的使用仅仅 是开始，远远落后于工业发达国家，因此，我国的镁工业与镁及其合金的加工、应用技术应加大开发研究以赶上世界先进水平。
二、 镁及其合金的特性：
1．几种常用镁合金的物理机械性能及与其它几种常用结构材料的对比如表1所示
几种常用结构材料的物理机械性能对比 表1
| ＼ 材群 项目 ＼ | 镁铸件 | 镁锻件 | 铝铸件 | 铝锻件 | 铸铁 | 钢 | 塑胶ABS | ||||
| 合金牌号 | AZ91 | AM50 | AZ80-T5 | Z31-H24 | A380 | A356-T6 | 6061-T6 | 5182*-H24 | HT350 | 镀锌板 |
|
| 制取方法 | 压铸
| 压铸
| 挤压
| 板材
| 压铸
| 永久模
| 挤压
| 板材
| 砂模
| 板材
|
|
| 密度(g／cm3) | 1.81
| 1.77
| 1.80
| 1.77
| 2.68
| 2.76
| 2.70
| 2.70
| 7.15
| 7.8
| 1.07
|
| 熔点(℃) | 598
| 620
| 610
| 630
| 595
| 615
| 652
| 638
| 1175
| 1515
| 260
|
| 传热系数 (w／m.c) | 51
| 65
| 78
| 77
| 96
| 159
| 167
| 123
| 41
| 46
| 0.28
|
| 热膨胀系数 (10-6／C) | 26
| 26
| 26
| 26
| 22
| 21.5
| 23.6
| 24.1
| 10.5
| 10.7
| 76.5
|
| 弹性模量 (Gpa) | 45
| 45
| 45
| 45
| 71
| 72
| 69
| 70
| 100
| 210
| 2.1
|
| 抗拉强度 (Mpa) | 240
| 210
| 380
| 290
| 324
| 262
| 310
| 310
| 293
| 390
| 43
|
| 屈服强度 (Mpa) | 160
| 125
| 275
| 220
| 159
| 186
| 275
| 235
|
| 320
| 39
|
| 疲劳强度(Mpa) | 85
| 85
|
|
| 138
| 90
| 95
|
| 128
|
|
|
| 伸长率(％)
| 7
| 15
| 7
| 15
|
| 5
| 12
| 8
| O
| 26
| 16.5
|
| 屈强重量比(以AZ91为100) | | | | | | | | |
| | |
*美国ASTM标准：其成份是Mg 4.5％，Mn 0.35％，Fe 0.35％，Zn 0.25％，Si 0.20％，其余Al。
由上表可见，与其它结构材料相比，镁合金具有以下几个特点：
1) 镁合金的密度是钢的23％，铝的67％，塑料的170％，是金属结构材料中最轻的金属，镁合金的屈服强度与铝合金大体相当，只稍低于碳钢，是塑料的4-5 倍，其弹性模量更远远高于塑料，是它的二十多倍，因此在相同的强度和刚度情况下，用镁合金做结构件可以大大减轻零件重量，这点对航空工业，汽车工业，手提 电子器材均有很重要的意义。
2) 镁合金与铝合金、钢、铁相比具有较低的弹性模量，在同样受力条件下，可消耗更大的变形功，具有降噪、减振功能，可承受较大的冲击震动负荷。
2．镁合金具有较好的铸造性和加工性能：
镁与铁的反应低，熔炼时可用铁坩埚，熔融镁对坩埚的侵蚀小，压铸时对压铸模的侵蚀小，与铝合金压铸相比，压铸模使用寿命可提高2-3倍，通常可 维持20万次以上。铸造镁合金的铸造性能良好，镁合金压铸件的最小壁厚可达0.6mm，而铝合金为1.2-1.5mm。镁的结晶潜热比铝小，在模具内凝固 快，生产率比压铸铝件高出40-50％，最高可达两倍，镁合金有相当好的切削加工性能，切削时对刀具的消耗很低，切削功率很小。镁合金、铝合金、铸铁、低 合金钢切削同样零件消耗的功率比值为：1：1.8：3.5：6.3。
3．镁合金电磁屏蔽性能和导热性均较好，适合于作发出电磁干扰的电子产品的壳、罩，尤其是紧靠人体的手机。镁合金与铝、铜等有色金属一样具有非 火花性，适合做矿山设备和粉粒操作设备。镁合金表面具有非粘附性，适合于做在冰、雪、沙尘中运动的产品。镁合金有较好的耐磨性，适宜做缠绕滑动设备。
4．镁合金有较高的尺寸稳定性，稳定的收缩率，铸件和加工件尺寸精度高，除镁-铝-锌合金外，大多数镁合金在热处理过程及长期使用中由于相变而引起的尺寸变化接近于零，适于做样板，夹具和电子产品外罩。
5．镁的化学活性很强，在空气中容易氧化，特别是在高温下，若氧化反应放出的热量不能及时发散，则容易引起燃烧，因此在熔化镁合金时要采取防止 氧化的措施。镁的氧化膜比容小于基体金属，故疏松多孔，远不如铝合金表面氧化膜坚实敞密，无明显保护作用。镁的电极电位很低，电化次序在常用金属中居最后 一位，所以镁的抗蚀性较差。镁在干燥及氢氟酸、铬酸、矿物油(如汽油、煤油)和碱性介质中比较稳定，可用作输油管道。而在潮湿大气、淡水、海水及大多数 酸、盐溶液中容易腐蚀，故在镁合金的生产、加工、贮存及使用期间，表面应采取适当的防护措施，如表面氧化处理或涂漆。镁合金在与其它金属接触时易造成接触 腐蚀，但与铝镁合金接触时除外。因此镁合金部件在使用中，应只让它和绝缘材料接触，或者用铝镁合金如5052做它的垫片，就可以防止它的电化腐蚀。
镁的电极电位低也有它的用途，可以用它作牺牲阳极，保护其它金属物件免受电化腐蚀。
6．镁合金对缺口的敏感性比较大，易造成应力集中。在125℃以上的高温条件下，多数合金的抗蠕变性能较差，这在选用它和设计零件时应考虑。
7．可回收。与塑料类材料相比，镁合金具有可回收性。这对降低制品成本、节约资源、改善环境都是有益的。
三、镁合金制品的应用：
由于镁合金一系列优越的性能，使它在手机、笔记本电脑、数码相机、摄像机、飞机、汽车、摩托车、自行车及军工产品、纺织、印刷、冶金化工、防腐等行业均获得了应用。现就电子，汽车及自行车三个行业分别介绍如下：
1．电子行业：
镁合金在电子行业中的应用以3C产品(手机、笔记本电脑、数码相机)为主导，用镁合金制造的壳罩与传统塑胶壳罩相比，其优缺点对比如表2
电子产品用镁合金壳罩与塑胶壳罩的优缺点对比 表2
|
| 强度刚度高 | 散热性好 | 防电磁干扰 |
| 优点
| 镁合金强度比塑胶大4-5倍，刚度大20倍，用作外壳，可以做得更薄、更轻 | 镁合金的散热性是塑胶的二、三百倍，比热也比塑胶大，电子零件不易过热，手感不烫 | 镁合金导电性能佳、有电磁屏蔽作用，可防止电磁干扰及对人体的伤害，不必另作导电处理 |
|
| 制造周期长 | 生产成本低 | 色彩变化少 |
| 缺点
| 镁合金制品制造工序冗长、开模耗时，成型后还需二次加工与后处理，应付生命周期短的电子产品较不易 | 原料成本贵，制造工序多，产品的良品率又低，使镁合金制品成本偏高 | 镁合金本身为银灰色，变色只能用涂装印刷，无法如塑料壳混色出多种色彩与纹路 |
由上表可见，镁合金与塑胶各有所长，但随着镁合金制件加工方式的改进，镁合金具有越来越强的竞争力，表3为1997-2000年间全球笔记本电脑及镁合金机壳的使用情况
全球笔记本电脑及镁合金机壳使用情况 表3
| \ 年份 项目 ＼ |
1997 |
1998 |
1999 |
2000 |
| 电脑市场规模(千台) | 14,189 | 15,543 | 19,706 | 22,809 |
| 市场增长(％) | 20.17 | 9.54 | 26.78 | 15.75 |
| 塑胶壳使用量(吨) | 17,651 | 20,245 | 21,813 | 21,237 |
| 镁合金壳使用量(吨) | 462 | 1,245 | 2,488 | 3,610 |
| 镁合金使用比率(％) | 2.55 | 5.79 | 10.24 | 14.53 |
原注资料来源ID(1999／12)MIC(2000／6)
由上表可见，笔记本电脑镁合金外壳的使用比率几年来直线上升。
国内目前在镁合金的应用上虽在起步阶段，但整个电子、电气行业市场广阔，发展速度极快，加之已普遍认识到镁合金材料的优点，并着手开发研究。预计到2005年本行业用镁量将达到14，520吨，如表4所示
国内家电市场镁合金使用量统计及预测 表4
| 产品 | 1999年 (万件) | 2005F (万件) | 产品用镁合 金比例(％) | 单件镁合金 (千克) | 2005年镁合金 |
| 笔记本电脑 | 86 | 1,800 | 70 | 0.70 | 8,820 |
| 手机 | 1,736 | 6,000 | 50 | 0.02 | 600 |
| 相机 | 5,037 | 8,500 | 30 | 0.10 | 2,550 |
| 摄录机及其它 | 430 | 8,500 | 30 | 0.10 | 2,550 |
2．汽车及摩托车行业：
目前汽车工业中镁合金用量较多的地区和国家主要是北美、欧洲、日本和韩国。这三部分地区1991年的用量为24kt，到1997年增至67kt，预计到2006年将达到200kt。表5为这三个地区1991—2005年轿车用镁合金铸件和压铸件需求情况。
| \ 年份 地区＼ | 1991 | 1992 | 1993 | 1994 | 1995 | 1996 | 1997 | 1998 | 1999 | 2000 | 2005F |
| 北美 | 10 | 12 | 14 | 18 | 23 | 31 | 38 | 41 | 47 | 45 | 80 |
| 欧洲 | 8 | 7 | 6 | 9 | 10 | 20 | 17 | 23 | 29 | 33 | 58 |
| 日、韩 | 1 | 1 | 2 | 2 | 2 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 22 |
| 其它 | 5 | 5 | 7 | 8 | 7 | 7 | 9 | 9 | 10 | 11 | 22 |
| 共计 | 24 | 25 | 29 | 37 | 42 | 50 | 67 | 77 | 91 | 95 | 182 |
由上表可见，国外从1991年至2000年，10年间轿车用镁合金件的数量增加了4倍，使用镁合金零部件的数目已超过60种，各个厂家各种车型使用数目各不相同，综合部分厂家的使用情况如下：
仪表盘、坐椅架、坐位升降器、坐椅底架、操纵台架、气囊外罩、转向盘、锁合装置罩、转向柱、转向柱支架、收音机壳、小工具箱门、车窗马达罩、刹车与离合器踏板托架、气动踏板托架
(2)车体构件：
门框、尾板、车顶框、车顶板、IP横梁
(3)传动系统：
阀盖、凸轮盖、四轮驱动变速箱体、手动换档变速器、离合器外壳与活塞、进气管、机油盘、交流电机支架、变速器壳体、齿轮箱壳体、油过滤器接头、马达罩、前盖、气缸头盖、分配盘支架、油泵壳、油箱、滤油器支架、左侧半曲轴箱、右侧半曲轴箱、空压机罩、左抽气管、右抽气管
(4)底盘：
轮毂、引擎托架、前后吊杆、尾盘支架
美国福特、通用、克莱斯勒三家公司在每辆汽车上采用的镁合金铸件分别达到30个，45个和20个。瑞典 最新推出的沃尔沃CP2000车型，全重700千克，所用镁合金件达50千克，包括轮毂、离合器箱、转向齿轮箱、后悬臂、发动机架、进气歧管、气缸体等重 要部件。本田轿车部分零件在使用镁合金后相对其原来材料的重量减轻百分比如表6所示。
| 改用镁合金的零部件 | 原先所用材料 | 相对减轻(％) |
| 转向柱上支架 | 铝合金 | 65 |
| 转向轴 | 钢材 | 45 |
| 气缸盖 | 铝合金 | 30 |
| 制动踏板托架(整体压铸成) | 钢板冲压后焊接 | 40 |
| 轮盘 | 铝合金 | 15 |
| 4轮驱动器变速箱体 | 铝合金 | 25 |
3．自行车零组件：
自行车是人力驱动的工具，减轻重量可以方便使用，台湾自行车业界流传着一个说法：“产品减轻1克，可多卖1美元。”自行车改用镁合金材料后，与 铝合金相比，可减轻重量33%，并且比铝合金有更好的减震性，对骑车者而言感觉更舒适。因此，自行车业对镁合金的替代有较高的期望。
镁合金自行车最早于1 992年在西方发达国家即开发成功，我国台湾地区于1996开始开发，台湾自行车工业研究发展中心联合多家自行车厂商开 发出镁合金自行车，计划年产1 0万辆，三年内达到300万辆，每辆售价在450美元以上，争取打入欧美市场。表7为我国台湾自行车厂商使用镁合金零组件 情况。
台湾自行车厂商使用镁合金零组件情况 表7
| 产品名 | 生产厂商 | 说明 |
|
| 自行车研发中心 | STRAUSS CIASS-C款，采用AZ61A合金，售价500美元 |
| 整车 | 美利达 | Mag light 900跑车(全车重7．7kg,镁合金车架)每台NT85,000元 |
|
| 泰亿机械 | JUPITER,9．0车款，车架，把手，蹬管， |
| 车 | 美利达 | Mag light，M-100登山车 |
| 架 | 龙通关实业 | MACT64折叠式自行车，车重6．4kg |
|
| 野宝、卜威、巨大、旭生、泰亿机械 | 车架重1．4kg，采用Az80A合金 |
| 轮 | 亚猎士 | MCT跑车，镁合金轮圈为运用“MCF”镁合金碳纤技术，该轮圈具有镁合金轻量化及碳纤延展性的双重优点 |
| 圈 | 仪铭东，展轮，远东 | 仪铭东为镁合金焊接轮圈 |
| 刹车组 | 利奇 | 采用AZ61A镁合金锻制而成 |
| 座管 | 合力机械 | 新产品 |
| 大齿盘 | 台湾荣轮业 | 已开发成功并开始销售 |
| 足踏 | 维格 | 采用镁合金压铸制成 |
|
前 | Stinger | 为气压式前叉(重1.65kg)镁合金本体+铝合金肩盖与后管，表面以CNC处理 |
|
| 达建 | 镁合金一体成型的Aerosa-HT前叉，具有锁死功能 |
|
| 台湾荣轮业、司普 | 荣轮业已开始销售 |
| 叉
| 百尔斯国际 | 2000年推出一体成型的镁合金前叉(肩座、叉桥用6061-T6铝合金) |
| 花鼓 | 久裕公司 |
|
原注：资料来源：自行车市场，各公司网站／金属中心ITTS计划整理
我国大陆近来也在开发镁合金自行车，由北京首钢集团特钢公司与保定远东集团组建成的北京首特钢远东镁合金制品公司已开发出品牌为“远东美”镁合金自行 车，车架由镁合金压铸而成，其余部分为铝合金，整车重约8-10kg,比普通自行车轻了近一半。现已上市，售价约800-1100元人民币，颇受欢迎。总 的来说，我国在这方面的工作还很薄弱，与我们这个“自行车王国”的地位极不相称，大有可为。
4．镁合金在其它行业的应用：
在航空航天方面用作飞机的起落架，舱门，连杆机构，壁板，加强框，隔框，舱面，副翼蒙皮，战术航空导弹舱段等，尤其是密度最小的Mg-Li合金，兼有强度，韧性和可塑性，倍受航空航天业的青昧。
发达国家非常重视兵器装备的轻量化，采用轻金属是其主要手段之一。如英国“蝎”式坦克用轻金属作平衡肘连杆底座、刹 车盘、负重轮、炮塔座圈、油箱、坐椅等多种零部件。美国的M102式105mm榴弹炮的大架、摇架、前座板、左右耳轴托架等采用了轻金属，火炮重量从原先 (M101式炮)的3.7t降到1.4t，射程还提高了30-40％，美国研制中的新式单兵作战系统，功能齐全，很多零件采用了轻金属，重量仅 8.172kg，但军方仍希望再减重1.8kg。
其它如纺织、印刷、体育和家庭用品方面均有应用。随着镁合金研究的深入，材料性能提高，制造技术改进，镁合金的应用会越来越广泛。
四、 常用的镁合金：
镁合金分压铸镁合金和变形镁合金两大系列
1．压铸镁合金，分AZ系，AM系，AS系，AE系列，其代表合金的成份力学性能及其基本特性如表8所示。
几种常用压铸镁合金的合金元素含量、力学性能与基本特点 表8
|
合金系 |
合金 | 合金元素含量(％) | 力学性能 |
基本特征 | ||||||
|
| 牌号 | Al | Zn | Mn | Si | Re | Бb | Бs | δ(%) |
|
| AZ系(Mg-Al-Zn) | AZ91D | 8.5-9.5 | 0.45 -0.9 | ≥0.17 |
|
| 210 | 160 | 3 | 铸造性好，应用广泛 |
| AM系(Mg-Al-Mn) | AM60B | 5.7-6.3 |
| ≥0.27 |
|
| 225 | 130 | 8 | 韧性好，适于抗冲击载荷 |
| As系 | AS41A | 3.7-4.8 |
| 0.22-0.48 | 0.6-1.4 |
| 215 | 140 | 6 | 高温抗蠕变性好 |
| AE系 | AE42 | 3.6-4.2 |
| ≥0.1 |
| 2-3 | 230 | 146 | 10 | 高温抗蠕变性良好 |
2．变形镁合金。几种常用变形镁合金的合金元素含量，力学性能及基本特性如表9所示
几种常用变形镁合金的合金元素含量，力学性能及基本特性 表9
|
合金系 | 合金 | 合金元素含量(％) | 状态 | 力学性能 |
基本特征 | ||||||
|
| 牌号 | Al | Zn | Mn | Zr | 其它 |
| Бb | Бs | δ(％) |
|
| AZ系 | AZ31B | 3 | 1 | 0.2 |
|
| H24 | 260 | 170 | 15 | 中强，可焊成型性好 |
| (Mg-Al-Zn) | AZ80A | 8.5 | 0.5 | 0.12 |
|
| T6 | 340 | 250 | 11 | 高强 |
| ZM系(Mg-Al-Mn) | ZM21 | 2 | 0.5 |
|
|
| F | 200 | 125 | 9 | 中强，成型性好阻尼性好 |
| ZK系 | ZK31 |
| 3 |
| 0.6 |
| T5 | 295 | 210 | 7 | 高强 |
| (Mg-Zn-Zr) | ZK60A |
| 5.5 |
| 0.45 |
| T5 | 305 | 215 | 16 | 高强 |
| HK系(Mg-Tn-Zr) | HK31 |
|
|
| 0.7 | Th3.2 | T5 | 225 | 175 | 3 | 抗蠕变性好 |
| LA系(Mg-Li-A1) | LAl41A | 1.2 |
| 0.2 |
| Li14 | T7 | 115 | 95 | 10 | 超轻 |
由上述2表可见，变形镁合金在强度和延伸率方面均优于压铸镁合金，前者比后者的性能要高出30-50％， 用变形镁合金制造零件可以更薄更轻。因此开发它的成型技术和应用领域具有很大的实际意义。
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