1.2 镁合金的应用及发展
1.2.1 镁合金的应用
20世纪90年代以后，国际上主要金属材料发展趋势表明，钢铁、铜、铝的应用呈下降或缓慢增长的趋势，而镁则以每年大于20％的速度连续保持快速增长。近年来世界各国高度重视镁合金的研究与开发，将镁资源作为21世纪的重要战略物资，加强了镁合金在汽车、计算机、通信及航空航天领域的应用开发研究。如镁-铝系合金已广泛用于制造飞机、发动机和附件的结构件及一般用途的铸件。在民用工业方面，镁-铝系合金可用于制造手机及便携式电脑外壳、数码相机等便携式电子产品铸件，挂壁式大屏幕电视机毂体、框架；汽车发动机的曲轴箱、气缸盖、液压泵和过滤器壳体以及汽车离合器壳体、驾驶盘、坐椅框架、车门框架和轮毂等；摩托车的曲轴箱、变速箱、轴承座、液压泵座等。在手工工具方面，可以制造如电钻、伐木油锯、电刨、剪草机等的壳体零件；安装高压线用的工具如线盘、止推环和棘轮式扳子等。在电机制造业方面，可用于制造端盖、法兰盘、底座、外壳、出线盒盖和风扇等。纺织机中的主经轴和法兰盘等。其他方面，如可制造印刷机和卷烟机中的零件。在日用品方面，如可制造吸尘器外壳和保护罩、打字机、计算机、手机、望远镜、电影放映机、照相机、复印机等的零件。另外，用这类合金制造防护海水中使用（如船舶）和埋藏在土壤中的设施（如煤气管道、石油管道）等金属结构用的牺牲阳极，也可得到满意的结果。镁及镁合金的应用主要有以下几方面。
（1）生产难熔金属的还原剂 如生产稀有金属Ti、Zr、Hf等，也可作为生产铍、硼的还原剂（
，
）。
（2）铝合金的添加元素 铝合金中加入金属镁，可使合金更轻，强度更大，抗腐蚀能力更好。它作为铝合金中的主要合金元素，世界年需求量在16万吨左右。
（3）球墨铸铁的球化剂 镁在球墨铸铁中起着球化作用，使铸件强度、延展性更高，据《现代铸造》报道，20世纪90年代后，球墨铸铁在轻型卡车、客车中用量增加，每辆车均达175lb（约79kg），为此镁在球墨铸铁中的应用量将逐年增大。
（4）钢铁脱硫剂 整个北美、欧洲钢铁生产中用镁粉作为钢铁脱硫剂。中国用镁作为钢铁脱硫剂的用量也在不断增长，市场前景广阔。用镁粉作为钢铁脱硫剂不仅工艺简单，而且镁具有对硫的亲和力好这种独特性质，这使钢铁市场在较低的成本下达到高产量、高质量，并能生产出如HSLA级低硫钢，这种优质钢可用于汽车、设备及结构体中。用镁脱硫不仅改善了钢的可铸性、延展性、焊接性和冲击韧性，而且降低了结构件的重量，这就进一步增加了镁在钢铁工业中的需求量。
（5）核材料和高储能材料 核工程的发展为镁合金的使用开辟了新的可能。这首先是因为镁合金具有可贵的物理性能，镁和其他的结构相比具有很小的热中子吸收横截面。В.Е.Ивaнов等很早就注意到镁和镁合金的核工程应用。镁和镁合金的特点是密度小、力学性能相当高、在气体介质中具有良好的抗蚀性和许多其他的特性，因此可以广泛地应用于航空、火箭、化学和其他的工程部门。
镁在常压下，大约250℃和H2作用生成MgH2，在低压或稍高温度下又能释放出氢，镁具有储氢的作用。MgH2较一般金属氢化物储能高，所以镁可以作为高储能材料。目前正处于发展中的有镁基储氢材料、镁充电电池等。可以预见，随着对镁及其合金材料研究的深入，镁及其合金材料在该应用领域和范围还会得到更大的延伸。
（6）牺牲阳极 镁合金牺牲阳极作为有效防止金属腐蚀的方法之一，广泛应用于地下铁制管道和石油储罐等处。一段时期中，作为牺牲阳极的镁合金达3万～4万吨/年的市场需求量，且每年以20％的速度增长。
（7）型材用镁合金 镁合金型材、管材以前主要用于航空航天等尖端或国防领域。近几年由于镁合金生产能力和技术水平的提高，其生产成本已下降到与铝合金相当的程度，极大地刺激了其在民用领域的应用，如用作自行车、轮椅、康复和医疗器械等。
（8）航空航天 在航空航天方面，重量是一个举足轻重的因素，减重不仅能减少燃油费用，还能提高安全性。镁合金由于具有密度小的巨大优势，因此随着其耐热耐蚀性能的提高，将来完全可以用来替代耐热铝合金、钛合金零件。特别是密度最小的Mg-Li系合金，具有很高的强度、韧性和可塑性，是航空航天及重要运输工具很有发展前途的材料。镁合金由于其轻质和比性能高等优点，在航空航天领域大有可为。主要用于航天飞机的轻型结构零件、航天机器人和卫星部件的减震系统与导热系统。镁合金在航空领域的应用早在20世纪20年代就开始了，目前被用于航空发动机零件、油箱隔板、翼肋、飞机舱体隔框、战斗机座舱舱架、直升机发动机后减速机匣等部件的制造。在国外，B-36重型轰炸机每架用4086kg镁合金薄板，“德热来奈”飞船的启动火箭“大力神”使用了600kg的变形镁合金，“季斯卡维列尔”卫星中使用了675kg的变形镁合金，我国的运载火箭、人造卫星、军用民用飞机和导弹等均不同程度地选用了镁合金构件。目前，在中国的航空航天工业上，除少数型号外，几乎所有在制和新研究的飞机、发动机、机载雷达、地空导弹、运载火箭、人造卫星、飞船上均选用了镁合金构件。如某型号的飞机选用了300～400项镁合金构件，镁合金零件最大尺寸达2m多，最大质量达300kg。肖旅等针对航天飞行器结构件轻量化、高比强度、耐高温以及高效成形等要求，开展了典型结构件的铸造技术研究。数值模拟结果和工艺试验表明，差压铸造结合缝隙式浇铸系统可满足铸件的充型平稳和补缩要求，但容易在退让性差的部位产生裂纹。通过修改浇铸系统、提高铸型退让性，实现了舱体的铸造成形，通过无损检测，舱体达到了Ⅰ类铸件的要求。
（9）地面交通 在环境问题日益严重的今天，汽车尾气排放备受关注，镁合金的应用虽然没有像航空、航天领域中应用那么成熟，但在过去的10余年中，镁合金压铸件在汽车上的使用量上升了许多（15％以上）。目前，汽车尾气排放量约占大气污染的65％，同时，人们还面临着能源危机，因此，全世界的汽车制造商都面临着降低CO2排放量和节约能源的压力。实现节能降耗，扩大轻质材料用量、降低自重是目前最为经济有效的方法之一。研究表明，汽车75％的油耗直接与其自重相关，车重若减少10％，则其燃油经济性可提高3％～8％。镁合金轻质，比强度、比刚度高，成为汽车轻量化的首选材料之一，镁合金应用于汽车零部件上，对钢、铁件的减重率为40％～50％，对铝合金件的减重率为14％～40％，减重效果非常明显。镁合金除了在轻量化、节能降耗方面的优势外，还可以提高汽车使用性能：阻尼系数大、减震性能好，用于动力传动系统和座椅等部件上有利于降低振动、提高驾驶舒适性；冲击性好、耐凹陷性高，在轿车仪表盘等受到冲击后可能危害驾驶者的部件上使用，可以降低其危害程度、提高安全性。早在1934年，德国大众公司就将镁合金压铸件用于制造汽车发动机和驾驶系统部件。现在，国外在汽车上应用的镁合金零部件已经超过60种。近年来，大批量生产的镁合金汽车零件如仪表盘、轮毂、座椅框架、变速箱壳、转向系统、发动机罩、气缸盖和进气歧管等逐渐入市，门框、大的车体外部件、发动机箱体在汽车上也已出现。一段时间，北美每辆汽车用镁量达到3.5kg，欧洲达到每辆汽车用镁量2.5kg。北美汽车用镁数量年增长率为15％左右。2010年每辆汽车用镁量达到10kg，2015年每辆汽车平均用镁量达到68kg，2020年美国每辆汽车平均用镁量预计达到159kg。此外，高速列车、磁悬浮列车等轨道交通工具使用镁合金零部件同样具有良好的减重、节能和降噪的效果，应用前景看好。中国镁合金汽车零部件的使用也已开始，如一汽、东风和上海大众等厂家在桑塔纳轿车的变速箱壳体、壳盖和离合器外壳等使用镁合金达8.5kg，总体正在追赶一些国家的指标，市场前景良好。
利用镁合金的重量轻、比强度高和耐冲击的优点，镁合金在自行车上得到应用。用镁合金制造的折叠式自行车车架重量仅1.4kg，总重量仅为4kg。此外，镁合金还可被用于制造弓箭把手、垒球球棒、网球及乒乓球拍等。
（10）电子类产品 汽车行业对镁合金的大量需求，推动了镁合金生产技术的多项突破，使用成本也大幅度下降，从而促进了镁合金在计算机、通信、医疗、轻工等行业的应用发展。其中，镁合金应用发展最快的是电子信息和仪器仪表行业。电子工业是当今发展最为迅速的行业，也是新兴的镁合金应用领域。目前镁合金在电子行业中的应用场合主要有电视、电脑、摄录像器材及通信器材等，产品有便携式电脑外壳、手机外壳、摄像机外壳等。3C产品（computer，communication，consumer electronics products）即电脑产品、通信产品、消费类电子产品。近年来，3C电子行业发展极为迅速。镁合金用于3C产品上，性能优于工程塑料。其比强度和比刚度高，散热性好，电磁屏蔽性好，可回收。目前，镁合金已经在3C产品上得到规模应用，并成为产品技术含量的标志和卖点之一，如DELL公司早在2003年生产的带镁合金外壳的笔记本电脑就已经突破400万台，占该公司总产量的80％；2003年全球笔记本电脑、手机和数码相机的出货量分别为3000万、4.15亿和4790万，其中使用镁合金外壳的比例依次为25％、10％～11％和4％～5％。电子信息行业由于数字化技术的发展，市场对电子及通信产品的集成化、轻薄化、微型化和环保要求越来越高。工程塑料曾作为主要材料，但其强度终究无法与金属相比。镁合金具有优异的薄壁铸造性能，其压铸件的壁厚可达0.6～1.0mm，并保持一定的强度、刚度和抗撞能力，这非常有利于产品超薄、超轻和微型化的要求。这是工程塑料，甚至铝合金无法达到的。在超薄、微型、抗摔撞的要求之下，加上电磁屏蔽、散热和环保方面的考虑，超薄、超轻、微型成了厂家的最佳选择。另外，镁合金外壳可使产品更豪华、美观，也是工程塑料所无法比拟的。电子信息和仪器仪表行业的镁合金制品的单位重量和尺寸不如汽车零部件，但它的数量大、覆盖面大，其用量也是巨大的。
（11）军工兵器 镁合金最早应用于军事工业领域是在1916年，被用于制造77mm炮弹引线；在20世纪30年代的应用有大炮车轮和小雷投掷器；20世纪40年代的应用有迫击炮炮座、6000-16型大炮炮车、车轮地面导弹发射器等；到20世纪50年代，镁合金又被用于制造控制系统雷达、M15lMU竹车轮、M116运输机舱顶拱部件和底板；在20世纪60年代，镁合金被用于生产迫击炮底座、法国AMX30坦克的变速箱、法国AMX10坦克枪枪架、AMIO2105Inln榴弹炮炮架架尾等。由于镁及镁合金耐冲击，如果能够开发出与铝合金耐蚀性能相当的镁合金，则其在兵器等各种军用领域将有着广阔的应用前景。另外，兵器重量也是一项重要的战技指标，减轻兵器重量对提高兵器机动性及战场生存能力有重要意义，采用轻金属是主要手段之一。武器轻量化是现代兵器的发展趋势，利用镁合金取代现有武器上的一些零部件正成为各国研究的热点。实际使用及实战验证表明，使用包括镁合金在内的轻合金实现减重后，兵器的操作性、可控性以及部队机动性得以改善，对提高部队战斗力非常有利。如变形镁合金用于冲锋枪机匣、枪尾、提把、前扶手、枪托体、大托弹板、瞄具座、小弹匣座以及军用铸造合金发动机进出水管和发动机滤座等军品武器用零部件，其中部分对耐蚀耐磨有较高要求的军用镁合金零部件进行了相应的表面处理。此外，镁还用于照明弹用镁粉、穿甲弹用高比强度镁合金弹托材料，以及可用变形镁合金制造战术航空导弹舱段、副翼蒙皮、壁板和雷达、卫星上用的镁合金井字梁、相机架和外壳等零件。
（12）办公、家用及体育用品 在办公、家用及体育用品方面，近年来镁的应用也发展较快，已成为镁合金应用一个不容忽视的领域。镁合金除在以上这些领域得到一定程度应用外，其新的应用范围还有待进一步探索。
（13）生物医学 镁是人体必需的多种微量元素之一，对身体无害，且具有较好的生物相容性。通过适当的化学处理可在镁制件表面形成生物相容涂层，这类涂层可以广泛用于人体移植物和人体骨骼。镁合金制造的人体骨骼本身可以自发地与人体内液体环境反应生成一层生物相容膜而与周围组织实现柔韧结合。比如用胞状结构镁基材料取代镁合金作为人造骨骼材料，通过优化胞结构和孔隙尺寸分布，可以加速上述与活体介质的反应和生物相容膜的连接，从而使初始的金属人造骨骼最终转化为类似自然骨的状态。
1.2.2 镁合金的发展
与其他传统金属相比，镁合金塑性成形方面的研究还远远不够成熟。到目前为止，镁合金产品90％以上为压铸技术生产出来的。压铸产品有其难以克服的缺陷，如铸造缺陷难以清除、壁厚不能过薄、性能难以满足承载零件要求、加工过程需气体保护（产生温室效应）等限制了压铸镁合金的进一步应用发展。另外，铸造法生产的镁合金晶粒不够小，存在成分偏析，不能从根本上解决脆性和腐蚀问题，难以制备出性能优良的镁合金。而塑性加工技术则有很大的优势，实践表明，塑性变形能有效改善铸造镁合金的力学性能，变形镁合金比铸造镁合金具有更高的强度和塑性，可以满足不同场合结构件的使用要求。在汽车板件、自行车、摩托车零件领域，尤其是在3C电子器材领域，完全有可能大量代替铸造工艺。与压铸镁合金相比，更低成本、更高强度、更多样化力学性能的变形镁合金应具有更加广阔的发展空间。因此开发变形合金及其生产工艺，是其未来更长远的发展趋势。