鎂合金概述與分類

1 概述

鎂合金是以鎂為基礎加入其他元素組成的合金。其特點是：密度小（鎂合金1.8g/cm3左右），強度高，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、運輸、化工等工業部門。在實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，具有高強度、高剛性等特點。

2 分類

鎂及鎂合金材料的市場與需求

汽車領域

目前，鎂合金在汽車上的應用零部件可歸納為兩類。

（1）殼體類。如離合器殼體、閥蓋、儀表板、變速箱體、曲軸箱、發動機前蓋、汽缸蓋、空調機外殼等。

（2）支架類。如方向盤、轉向支架、剎車支架、座椅框架、車鏡支架、分配支架等。

汽車用鎂合金有良好的減重效果。

幾乎所有的企業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最大，而且比較方便主機廠進行車型賣點傳播。

目前鎂、鋁合金是汽車進行輕量化的兩大理想材料。據美國鋁學會報告，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度鋼，其車身重量為230kg，最高可減重40%。不過鎂合金在減重上性能更優，由于其重量約為鋁合金的2/3，僅為153kg，其減重比例可超50%。

不僅體現在重量上，鎂合金還具備密度小，比強度、比剛度高，抗震、易回收和易加工等優勢。對比等質量且具有近似界面構件的各金屬比剛度，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。但是目前世界鎂產量整體下降（我國產量最大，但受制于環保限產），用全鎂合金替代整個白車身不現實，但部分、逐步替代的思路仍然可行。

當前鎂合金制造成本的逐步下降，而加工工藝也有所突破，使其應用領域越來越廣，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2016年統計數據顯示，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。目前我國汽車用鎂還主要停留在汽車方向盤領域，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。

3C電子工業領域

現代電子技術的發展，對電子器件用結構材料及部件的性能提出了越來越高的要求。為了適應電子器件輕、薄、小型化的發展方向，要求作為電子器件的殼體材料具有密度小、強度和剛度高、抗沖擊和減振性好、電磁屏蔽能力強、散熱性能好、容易成型加工、表面美觀、耐用、成本低、易于回收和符合環保要求等特點。傳統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品上具有廣闊的應用前景。因此，近來來鎂合金在電子器材中的應用正以25%的年增長率得到快速的發展，呈現了良好的發展前景。

表1 不同便攜式電器產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量， 隨后向電子、電氣行業發展。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。日本通常在數碼相機、CD機外殼、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。

1筆記本電腦

據權威預測，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。但一個鋼模生產一定數量后會被磨損，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量提高到5萬件，擴大了規模，節約了成本，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。

Alienware使用鎂合金材質的超薄機身

2通信器材

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送，減少了電磁波的散失，提高了移動電話的通信質量，并減少了電磁波對人體的傷害。此外，還提高了外殼的強度和剛度，不易損壞，滿足了輕巧、美觀、實用的要求。

3攝錄像器材

壓鑄鎂合金薄壁復雜形狀鑄件已經用于制造索尼便攜式數字攝像機DCR -VX1000殼體。該殼體是一種大梁的結構，有5個壓鑄件，包括主框架、機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。

4稀土鎂合金在3C產品中的應用新進展

在世界范圍內，采用鎂合金材料制備零件中，有90％以上的3C電子產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。有關學者研究結果表明，AZ91D的抗拉強度隨著溫度的上升而下降，150℃的抗拉強度對比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。

航空航天領域

鎂合金作為“21世紀綠色工程材料”，具有高的比強度和比剛度，良好的尺寸穩定性、導熱導電性，抗振能力強，可承受較大沖擊載荷，以及優異的鑄造、切削加工性能和易回收利用，這些特性使其在航空航天領域占有一席之地，可作為飛機、導彈、飛船、衛星等航空設備上重要構件材料，隨著科技水平的不斷進步，航空航天領域的發展越來越離不開鎂合金的參與。

表2 20世紀鎂合金在航空航天領域的應用

1航空航天產品工作的極端條件。

由于航空航天產品工作的特殊性，因此對材料提出了如下苛刻的性能要求：

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

表3 航空航天材料每減少0.45kg質量所帶來的經濟效益

②剛度和熱導率。材料的比剛度和熱導率是非常關鍵的參數。鎂合金具有比剛度高和高的熱導率。可使某些部位的振動（飛機的機翼）以及在低重力、高真空的太空環境中，可避免太陽照射使得電子設備過熱而燒毀。

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品承受較大的振動載荷；鎂合金還具有高比強度、防輻射、良好的尺寸穩定性、電磁屏蔽性，可以抵御短波輻射和高能粒子的“轟擊”。

2航空航天工業對材料性能的要求

結構減重和結構承載與功能一體化是飛機機體結構材料發展的重要方向。航空、航天領域要求鎂合金力學性能和高溫性能優異，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，飛機的各種機箱體、傳送箱和電源裝置，直升機主要傳送系統的零部件，螺旋槳系統可以采用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，可用作飛機螺旋槳罩殼。Mc Donnell Dougles MD50直升飛機采用了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 航空航天工業常用鑄造鎂合金的性能和用途

其他

1兵器工業領域

鎂合金減輕武器裝備質量，實現武器裝備輕量化，是提高武器裝備各項戰術性能的理想結構材料。鎂合金軍事上的應用過去主要是在航空領域，近年來，鎂合金及鎂基復合材料已逐步在武器和彈藥上得到成功應用，發展十分迅速。

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

（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、光電及通信器材產品、戰車儀表盤等采用工程塑料制造。工程塑料尤其是纖維增強塑料的比強度最高，但彈性模量小，比剛度遠小于鎂合金，且難以回收，環境適應性差，易磨損和老化變形、變色，既影響武器戰術性能，又影響武器外觀。該類零件采用鎂合金及鎂基復合材料可以從根本上克服工程塑料的這些缺陷。

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

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

2核工業領域

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氣體冷卻的反應堆中使用。由于純鎂在高溫CO2氣體中發生氧化并有質量遷移問題，在鎂中添加少量的Ca和Be（0.005%~0.01%，質量分數）后，在高溫CO2氣體中具有良好的耐腐蝕性能，稱為Magnox合金。后來發現該合金焊接后易出現裂紋與含Ca有關，因此用添加少量Al（0.8%~1.0%，質量分數）替代Ca。現在把作為結構材料的Mg-Zr和Mg-Mn （Zr和Mn含量分別為0.55%和0.7%，質量分數）也稱為Magnox。

核反應堆用包覆套管要能承受反應堆的惡劣條件：高熱、表面熱流、強烈的，射線輻射以及套管內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最高溫度為400~500℃下工作的反應堆中充當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℃下的蠕變強度方面仍存在著可能。而對CO2的相容性的極限溫度可達500℃，保證了反應堆工作時的安全要求，不致引起燃燒。

3冶金工業領域

迄今，鎂的最大應用領域是作為鋁合金提高強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、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，提高其強度和改善尺寸穩定性。鎂還是其他鋅產品，如屋面板材、光蝕板材、干電池殼、陽極氧化池結構等的重要化學成分。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。

鎂及鎂合金相關標準