隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，金屬材料的消耗與日俱增，金屬礦產(chǎn)資源逐漸趨于枯竭。鎂是地球上儲量最豐富的元素之一，在地殼表層金屬礦的資源含量為2.3%，位居常用金屬的第4 位，此外在鹽湖及海洋中鎂的含量也十分可觀，如海水中鎂含量達(dá)2.1×1015 噸。在很多金屬趨于枯竭的今天，加速開發(fā)鎂金屬材料是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要措施之一。由國際著名鎂合金專家聯(lián)合撰寫的“鎂基合金”（師昌緒、柯俊、R.W 卡恩主編《材料科學(xué)與技術(shù)》叢書第8 卷）一文指出：“在材料領(lǐng)域中，還沒有任何材料像鎂那樣潛力與現(xiàn)實有如此大的顛倒。

　　鎂合金密度低，是實際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有比強度和比剛度高、電磁屏蔽效果好、抗震減震能力強、易于機加工成形和易于回收再利用等優(yōu)點，在航空、航天、汽車、3C產(chǎn)品以及軍工等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和巨大的應(yīng)用潛力，從而引起了許多國家的政府、企業(yè)和研究機構(gòu)對鎂合金及其成形技術(shù)的高度重視,投入了大量人力、財力進(jìn)行開發(fā)研究,并取得了一定的效果。

　　隨著“綠色，環(huán)保，可持續(xù)”的世界發(fā)展的主旋律，以輕質(zhì)和可回收使用為應(yīng)用特點的鎂合金，日益成為現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的理想材料，其市場需求也一直呈現(xiàn)穩(wěn)定增長的趨勢?，F(xiàn)代科技和相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，各國對鎂合金應(yīng)用的推廣，不僅消除了人們對使用鎂合金的疑慮，而且使其各項獨特優(yōu)點更加完美，應(yīng)用范圍迅速擴展，特別是汽車零部件的大量應(yīng)用，電訊產(chǎn)品向輕、薄、短、小方向發(fā)展，以及相關(guān)行業(yè)的密切合作與技術(shù)整合，更使這種新興材料的市場發(fā)展呈現(xiàn)極為樂觀的前景。

　　鎂的定義

　　1828年被發(fā)現(xiàn)的銀白色輕金屬，無磁性。原子序數(shù)12，化學(xué)代號為Mg，電子結(jié)構(gòu)為2-8-2，為六方最密堆積晶體結(jié)構(gòu)。熔點（M.P）為650℃，沸點（B.P）為1107℃（2024.6°F）。為地殼第六豐富之金屬元素，為海水中排名第三之金屬元素，也為地表含量第三之常用金屬元素。工業(yè)生產(chǎn)鎂始于1886年的德國，1990年全世界生產(chǎn)235萬公噸。最主要的用途為：鋁合金元素添加，鋼鐵脫硫及除氧劑，以及制造鎂合金。

　　鎂的合金元素

　　最常見的合金元素為鋁（Al）、鋅（Zn）、錳（Mn）。合金的基本原理如下：

　　鋁（A）：添加3-10%時其硬度與強度隨添加比例增加。鎂鑄件含5～10%Al時對熱處理有較佳之響應(yīng)。

　　錳（M）：添加少量可改善腐蝕抗，對機械性質(zhì)效應(yīng)極少。

　　鋅（Z）：最多達(dá)3%，可改善強度與鹽水腐蝕。Mg-Zn-Zr合金可含6%的鋅，以提供高強度與良好延展性。

　　稀土元素（RE）或釷（Th）：中高溫強度需求時添加，合金中通常并含鋅與鋯，如EZ33A-T5，HK31A-T6。

　　銀（Ag）：若高溫強度需求時添加，同時可添加稀土元素（RE）、釷（Th）與鋯（Zr），如QE22A-T6。

　　鎂合金分類

　　鎂合金可分為鑄造鎂合金及變形鎂合金，可細(xì)分為Mg-Al系、Mg-Zn系、Mg-Mn系、Mg-Li系、Mg-RE系、Mg-Th系等。按合金組元不同分為AZ系（Mg-Al-Zn-Mn）、AM 系（Mg-Al-Mn）、AS系（Mg-Al-Si-Mn）、AE系（Mg-Al-RE）、ZK系（Mg-Zn-Zr）、ZE系（Mg-Zn-RE）等。我國早期的鎂合金牌號為鑄造鎂合金（ZM）、變形鎂合金（MB）、壓鑄鎂合金（YM）和航空鎂合金等。我國鑄造鎂合金牌號ZM1~7、ZM10 等，早期變形鎂合金牌號MB1~3、MB5~8、MB102010-6-22等。

　　鎂合金特性

　　鎂合金的下列獨特優(yōu)點使這顆材料領(lǐng)域的新星更加熣燦：

　　1、重量輕：在同等剛性條件下，一磅鎂的堅固程度等同于1.8磅的鋁和2.1磅的鋼。同時，鎂能制出與鋁同樣復(fù)雜的零件但重量僅較后者輕三分之一。上述特性對于現(xiàn)代一些手提類產(chǎn)品是至關(guān)重要的。而對于車輛，這一特性將顯著地減少其啟動慣性，并節(jié)省燃料消耗。

　　2、吸震性能高：鎂有極好的滯彈吸震性能，可吸收振動和噪音，這對用作設(shè)備機殼減小噪音傳遞，和提供防沖擊與防凹陷損壞是十分重要的。

　　3、尺寸穩(wěn)定性：這是鎂的特點之一。當(dāng)它從模具中取出時，產(chǎn)品只有很小的殘余鑄造應(yīng)力，因此，它無需退火和去應(yīng)力處理的必要。而在加載情況下，這種金屬也能呈現(xiàn)很好的抗蠕變特性。例如，AM壓鑄件在超過120℃條件下承受100小時，只有0.1%～0.5%的總伸長。

　　4、自動化生產(chǎn)能力和高的模具壽命：由于熔融的鎂不會與鋼起反應(yīng)，這使得它更易于實現(xiàn)在熱室壓鑄機中進(jìn)行自動生產(chǎn)操作，同時也延長了鋼制模具的壽命。與鋁的壓鑄相比，鎂鑄造模具壽命可比前者高出2～3倍，通常可維持20萬次以上的壓鑄操作。

　　5、良好的鑄造性能：在保持良好的結(jié)構(gòu)條件下，鎂允許鑄件壁厚小至0.6mm。這是塑料制品在相同強度下，無法達(dá)到的壁厚。至于鋁合金也要在1.2～1.5mm范圍下，才可以和鎂相比。另外，鎂合金在長時間使用及溫度升高不會產(chǎn)生組織變化，低溫（-10℃以下）時，亦無脆裂問題。

　　6、高的模鑄生產(chǎn)率：與鋁相比，鎂有更低的單位體積熱含量，這意味著它在模具內(nèi)能更快凝固。一般說來，其生產(chǎn)率比鋁壓鑄高出40～50%，最高時可達(dá)到壓鑄鋁的兩倍。

　　7、良好的切削性能：鎂比鋁和鋅有更好的加工及切削特性，這促使鎂成為最易切削加工的金屬材料。

　　8、可回收再用：鎂合金材料取得不虞匱乏，自海水即可提煉，不會有原料不易取得之問題。另外，鎂合金不良品可完全回收再提煉，并作為AZ91D、AM50或AM60的二次材料進(jìn)行鑄造。由于壓鑄件的需求不斷提高，可回收再用的能力是非常重要的。這符合環(huán)保的要求，使得鎂合金比許多塑料材料更具吸引力。

　　9、高散熱性：鎂合金有高散熱性能，適合現(xiàn)今設(shè)計密集的電子產(chǎn)品。鎂合金熱傳導(dǎo)性比一般結(jié)構(gòu)金屬的要好，可供熱源快速的分散。筆記型計算機一旦過熱便易使系統(tǒng)不穩(wěn)，目前的散熱方式是在工程塑料外殼內(nèi)，以熱管導(dǎo)開熱源、加裝鰭狀熱片，或風(fēng)扇做強制對流等，故熱傳導(dǎo)能力為塑料150倍以上的鎂鋁合金，是未來高級筆記本電腦的最佳選擇。

　　10、高電磁干擾屏障：鎂合金有良好的阻隔電磁波功能，適合現(xiàn)今發(fā)出電磁干擾的電子產(chǎn)品。例如NB用工程塑料外殼不具電磁屏蔽功能，需加裝如鎳或銅的電磁波吸收物質(zhì)，才能使外殼具防電磁波功能。加裝吸收物質(zhì)的工程塑料，在數(shù)百MHZ的CPU工作頻率的吸收能力為55db，而鎂鋁合金的吸收程度可達(dá)全頻率范圍100db 以上，可謂完全吸收，不需再有其它防范措施，因此可大幅降低成本。另外，鎂合金也可對行動電話所發(fā)射的電磁波做有效的阻隔，將可降低電磁波對人腦的影響。

　　11、其它特性：除上述主要特性外，鎂合金還具有長期使用條件下的良好抗疲勞，以及低的裂紋傾向，和無毒、無磁性等一些特點。

　　上述性能優(yōu)勢，使鎂合金勢不可當(dāng)?shù)某蔀楝F(xiàn)在及未來最有價值的新興應(yīng)用金屬材料。

　　鎂發(fā)展回顧

　　1808年科學(xué)家在實驗室制得純鎂，1886年鎂合金在德國開始工業(yè)化生產(chǎn)，1930年德國首次在汽車上使用鎂合金73.8Kg；1935年蘇聯(lián)首次將鎂合金用于飛機生產(chǎn)；1936年德國大眾使用壓鑄鎂合金生產(chǎn)"甲克蟲"汽車發(fā)動機傳動系統(tǒng)零件，1946年達(dá)到單車鎂合金用18Kg；1938年英國伯明翰首次將鎂合金運用到摩托車變速箱殼。20世紀(jì)40年代皮江煉鎂法發(fā)明，由于工藝簡單，生產(chǎn)成本大幅降低，使全世界的原鎂產(chǎn)量大幅增加。而這些鎂合金也在戰(zhàn)爭中使用的最多。

　　在第二次世界大戰(zhàn)中，飛機上頻繁使用鎂合金。這也是鎂合金使用的高峰期，那時數(shù)千噸的鎂合金板材（為了簡潔起見，除非給出具體的名稱，鎂合金將被稱為“鎂”）、擠壓件和鑄件被生產(chǎn)。但是直到現(xiàn)在差不多近80年以后，鎂的使用尚未實現(xiàn)、或者說滿足其工業(yè)，民用或軍事應(yīng)用的潛力。汽車行業(yè)在過去的十年中使用了鎂的數(shù)量增加了四倍，但新的潛力的開發(fā)和軍事應(yīng)用卻很少。

　　由于鎂的低密度和實用性，在第一次世界大戰(zhàn)（1914-1918）和第二次世界大戰(zhàn)（1939 - 1945）期間，人們大量的使用鎂。第一次世界大戰(zhàn)的主要應(yīng)用包括示蹤劑、燃燒彈和彈藥（目前為止也依然在這些領(lǐng)域使用鎂）。在第二次世界大戰(zhàn)期間，能夠高速、大范圍、大容量的向遠(yuǎn)處的戰(zhàn)區(qū)提供部隊和物資變得至關(guān)重要。由于早期的往復(fù)式和噴氣式發(fā)動機的動力限制，因此人們使用鎂來減輕重量以增加有效載荷和范圍。事實上，從1941年到1944年，13個國家建立工廠來滿足供應(yīng)軍事需求。在這期間，也出現(xiàn)了很多有趣的應(yīng)用：例如開發(fā)了由AZ31和ZK60制備的支撐梁和由AZ31板材做頂層甲板組成的8.5英尺×25英尺的空中交付平臺，該平臺能夠處理高達(dá)17000磅的貨物，在各種地形下落時幾乎沒有損壞。到目前為止，鎂的最大的用途是用于軍用飛機機身和機翼蒙皮，結(jié)構(gòu)框架構(gòu)件，車身板，裝飾板/地板，支架，發(fā)動機壓縮機外殼，變速箱外殼和起落架的板材，板材，鍛件，擠壓件，管材和鑄件車輪。

　　當(dāng)時，在很多飛機上廣泛使用鎂元素，那時最主要的代表實例就是B-36轟炸機的設(shè)計，被稱為“世界鎂的奇跡”。B-36轟炸機使用了5,555公斤（12,200磅）的鎂板，覆蓋了25％的外部機身；700公斤（1,500磅）的鎂鍛件和300公斤（660磅）的鎂鑄件。 在B-36之后，B-47使用了5,500千克（12,000磅）鎂。

　　二戰(zhàn)后，軍隊對鎂的需求急劇減少。美國的鎂產(chǎn)量從1943年的18.4萬噸下降到1946年的5300噸。更好的飛機設(shè)計和更強大的發(fā)動機減少了對鎂元件的應(yīng)用，甚至在一些情況下完全摒棄對鎂的應(yīng)用。 但是1950-1953年的朝鮮戰(zhàn)爭，鎂又再次被重用。到1951年底，美國政府組建的鎂工廠上線。應(yīng)用的范圍從深沖AZ31制備的MB-2救生工具包（在1947年至1960年期間生產(chǎn)15000個）到Sikorsky H-19 Chickasaw大型旋轉(zhuǎn)翼飛機，并且H-19是所有飛機中使用鎂鑄件和薄板所占比例最高的（按重量計）。

　　二十世紀(jì)五十年代，鎂被用于導(dǎo)彈和軍械部件。美國開發(fā)了一種使用鎂做彈殼的105mm穿甲彈，現(xiàn)在仍在使用。獵鷹GAR-1是一種空空導(dǎo)彈，于1956年首次投入使用，含有90％的鎂結(jié)構(gòu)；穩(wěn)定器框架是AZ91B壓鑄件，方向舵ZK60AT5鍛件，彈身是厚度為0.040的AZ31B-H24鋼板和ZK60A-T5鋼管。

　　那時，陸地車輛也大量的使用鎂。20世紀(jì)50年代中期和60年代，越戰(zhàn)期間（1959-1975）主要使用M-274“騾子”運輸車，作為前線彈藥和補給運輸車。M-274重量只有870磅，可以在90-150英里的范圍內(nèi)運輸1000磅。它的輕量化是由鑄造鎂軸殼體和車輪以及擠壓鎂合金平板實現(xiàn)的。

　　另一個越南戰(zhàn)爭時代使用鎂成分的陸地（和海洋）運輸工具是M116“赫斯基”兩棲運兵車（1957-1973）：17葉散熱器冷卻風(fēng)扇和排氣百葉窗，以及底盤和車頂結(jié)構(gòu)都由鎂制成。60磅的底盤覆蓋24.8平方英尺，由11.1英寸寬，1英寸厚的AZ31B擠壓件組成。M113布拉德利裝甲運兵車（1960-1984）具有類似的底盤，甚至用鎂鋰合金（14％的鋰和2％的鋁）。改進(jìn)版型號為M113的XM474E2型導(dǎo)彈運輸車有兩個11英尺長，10英寸寬的擠壓鎂通道，每個重量只有85磅，可以支撐總重量為16000磅。

　　應(yīng)用中的問題

　　單純的低機械性能和彈道性能不足以降低鎂的使用量。但是可見的腐蝕性和可燃性卻能極大的限制了鎂的使用。并且這個問題在二十世紀(jì)五十年代和六十年代就顯露出來了?？扇夹缘膯栴}是來自于燃燒武器中的鎂的大量使用，但是更多的是來自高中課堂上的鎂條的照明實驗。腐蝕問題的認(rèn)知則不是那么簡單。眾所周知，鎂具有較差的一般腐蝕和電偶腐蝕阻力，這很大程度不利于設(shè)備維護(hù)和產(chǎn)品長壽命。即使在保護(hù)性熔覆氣體和阻隔涂層的高純度鑄造的技術(shù)發(fā)展下（例如Dow17?陽極氧化），鎂產(chǎn)品的正常使用也會導(dǎo)致磨損和磨損引發(fā)腐蝕的機械損傷。不良的設(shè)計涉及不同金屬的連接和裂縫導(dǎo)致水分的聚集更加劇了這個問題。一個典型的例子是鎂輪的點蝕；這也迫使美國空軍用鋁合金替換所有鎂飛機輪子。1987年，美國陸軍材料技術(shù)實驗室腐蝕與防控中心（美國陸軍研究實驗室最近的一個先行者）主辦了一個關(guān)于軍用鎂硬件使用壽命的研討會。這次會議的主題就是腐蝕問題。在會議上，關(guān)于鎂的應(yīng)用前景得到認(rèn)可，確定鎂是發(fā)動機零件合適的材料，但是確保部件的腐蝕問題是推進(jìn)其應(yīng)用發(fā)展的最大障礙。因此要推進(jìn)鎂在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，就必須解決腐蝕問題，而生產(chǎn)過程控制、產(chǎn)品的良品率、受保護(hù)部件和后期維護(hù)則是克服腐蝕問題的關(guān)鍵因素。

　　由于鎂元素極為活潑，鎂合金在熔煉和加工過程中極容易氧化燃燒，因此，鎂合金的生產(chǎn)難度較大；鎂合金的生產(chǎn)技術(shù)還不成熟和完善，特別是鎂合金成形技術(shù)有待進(jìn)一步發(fā)展；現(xiàn)有工業(yè)鎂合金的高溫強度、蠕變性能較低，限制了鎂合金在高溫（150～350℃）場合的應(yīng)用；鎂合金的常溫力學(xué)性能，特別是強度和塑韌性有待進(jìn)一步提高；鎂合金的合金系列相對很少，變形鎂合金的研究開發(fā)嚴(yán)重滯后，不能適應(yīng)不同應(yīng)用場合的要求。

　　問題的解決

　　五十年的應(yīng)用實踐讓科學(xué)家們認(rèn)識到鎂應(yīng)用的局限性比較明顯：接觸反應(yīng)，差的耐腐蝕性和低拉伸強度。此外，低溫成形性差，斷裂韌性低，高溫蠕變響應(yīng)差和成本問題也是其應(yīng)用的限制。

　　腐蝕是一個長久的問題。對于腐蝕問題，科學(xué)家們已經(jīng)意識到其主要有電偶腐蝕和一般腐蝕兩種情況。對于電偶腐蝕，高純度鎂合金可以通過限制Fe，Co，Ni和Cu的含量顯著改善了其耐腐蝕性。對于一般腐蝕，可以通過限制鎂與腐蝕性環(huán)境接觸，現(xiàn)代解決方案主要包括電化學(xué)電鍍，轉(zhuǎn)化涂層，陽極氧化，氣相沉積工藝，激光表面合金化/包覆和有機涂層。涂層解決方案如Tagnite?陽極氧化自1996年以來，就被用在西科斯基CH53海軍直升機，普惠F-22，海洋遠(yuǎn)征部隊車輛（EFV）和波音阿帕奇直升機等的鎂元件上。此外，美國陸軍研究實驗室開發(fā)了冷噴涂技術(shù)，成為一種成本效益和技術(shù)上都可行的解決方案，用于鎂組件的現(xiàn)場修復(fù)和表面保護(hù)。除了合金設(shè)計和涂層，工程師現(xiàn)在還通過優(yōu)化接頭設(shè)計，采用絕緣金屬，控制制造過程和定制維護(hù)計劃來減輕腐蝕。

　　隨著含有稀土的鎂合金系列（AE，AX，AJ，WE和Elektron系列）的研究，鎂合金的強度基本得到了解決。WE合金（Mg-Y-稀土）具有較高屈服強度和拉伸強度，優(yōu)異的耐腐蝕性以及在高溫（高達(dá)250℃）下保持其強度性能。Elektron合金，如Elektron 21和Elektron 675具有與其結(jié)構(gòu)相當(dāng)鋁合金一樣的高強度。此外，強度問題也可通過鑄造和鍛造領(lǐng)域的創(chuàng)新加工技術(shù)解決。觸變成型，雙輥鑄造，快速凝固和等通道角擠壓已被廣泛研究，通過細(xì)化晶粒尺寸，從而增強鎂合金。

　　鎂產(chǎn)業(yè)鏈中涉及的另一重要研究領(lǐng)域是鎂合金二次資源的綜合利用和鎂制品全生命周期評價。世界主要發(fā)達(dá)國家已把鎂合金二次資源再生利用作為本國鎂產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向。液態(tài)法重熔鎂合金是鎂合金二次資源再生利用的主要方法，但熔鑄過程的阻燃保護(hù)劑涉及到具有嚴(yán)重溫室效應(yīng)的以SF6為組分的保護(hù)氣體。面對這一現(xiàn)狀，國外雖然開展了SF6 替代氣體的研究開發(fā)，但由于迄今難以獲得與SF6 媲美的保護(hù)氣體，人們又把目光轉(zhuǎn)向研究開發(fā)能將含SF6保護(hù)氣體有效回收循環(huán)利用的技術(shù)，以便最大限度地減少SF6的排放。此外，鎂制品全生命周期的生態(tài)效益評價伴隨著鎂合金應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大已成為世界范圍內(nèi)鎂研究的一個迫切要求。對我國而言，由于原鎂生產(chǎn)技術(shù)的落后，其環(huán)境負(fù)荷大小不僅成為國內(nèi)日益重視的環(huán)境問題，而且也受到國外高度關(guān)注。