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《材料科學與技術》叢書第8 卷）一文指出：“在材料領域中，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，是實際應用中最輕的金屬結構材料，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)品以及軍工等領域具有廣泛的應用前景和巨大的應用潛力，從而引起了許多國家的政府、企業(yè)和研究機構對鎂合金及其成形技術的高度重視,投入了大量人力、財力進行開發(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。現(xiàn)代科技和相關產(chǎn)業(yè)技術的發(fā)展，各國對鎂合金應用的推廣，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，應用范圍迅速擴展，特別是汽車零部件的大量應用，電訊產(chǎn)品向輕、薄、短、小方向發(fā)展，以及相關行業(yè)的密切合作與技術整合，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，化學代號為Mg，電子結構為2-8-2，為六方最密堆積晶體結構。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。

　　錳（M）：添加少量可改善腐蝕抗，對機械性質(zhì)效應極少。

　　鋅（Z）：最多達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。當它從模具中取出時，產(chǎn)品只有很小的殘余鑄造應力，因此，它無需退火和去應力處理的必要。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，這使得它更易于實現(xiàn)在熱室壓鑄機中進行自動生產(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：在保持良好的結構條件下，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)今設計密集的電子產(chǎn)品。鎂合金熱傳導性比一般結構金屬的要好，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)，以熱管導開熱源、加裝鰭狀熱片，或風扇做強制對流等，故熱傳導能力為塑料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?shù)某蔀楝F(xiàn)在及未來最有價值的新興應用金屬材料。

　　鎂發(fā)展回顧

　　1808年科學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)的主要應用包括示蹤劑、燃燒彈和彈藥（目前為止也依然在這些領域使用鎂）。在第二次世界大戰(zhàn)期間，能夠高速、大范圍、大容量的向遠處的戰(zhàn)區(qū)提供部隊和物資變得至關重要。由于早期的往復式和噴氣式發(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軍事需求。在這期間，也出現(xiàn)了很多有趣的應用：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，結構框架構件，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。更好的飛機設計和更強大的發(fā)動機減少了對鎂元件的應用，甚至在一些情況下完全摒棄對鎂的應用。 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）。

　　二十世紀五十年代，鎂被用于導彈和軍械部件。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是一種空空導彈，于1956年首次投入使用，含有90％的鎂結構；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葉散熱器冷卻風扇和排氣百葉窗，以及底盤和車頂結構都由鎂制成。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）。改進版型號為M113的XM474E2型導彈運輸車有兩個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備維護和產(chǎn)品長壽命。即使在保護性熔覆氣體和阻隔涂層的高純度鑄造的技術發(fā)展下（例如Dow17?陽極氧化），鎂產(chǎn)品的正常使用也會導致磨損和磨損引發(fā)腐蝕的機械損傷。不良的設計涉及不同金屬的連接和裂縫導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，關于鎂的應用前景得到認可，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其應用發(fā)展的最大障礙。因此要推進鎂在軍事領域的應用，就必須解決腐蝕問題，而生產(chǎn)過程控制、產(chǎn)品的良品率、受保護部件和后期維護則是克服腐蝕問題的關鍵因素。

　　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)技術還不成熟和完善，特別是鎂合金成形技術有待進一步發(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℃）場合的應用；鎂合金的常溫力學性能，特別是強度和塑韌性有待進一步提高；鎂合金的合金系列相對很少，變形鎂合金的研究開發(fā)嚴重滯后，不能適應不同應用場合的要求。

　　問題的解決

　　五十年的應用實踐讓科學家們認識到鎂應用的局限性比較明顯：接觸反應，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，高溫蠕變響應差和成本問題也是其應用的限制。

　　腐蝕是一個長久的問題。對于腐蝕問題，科學家們已經(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，成為一種成本效益和技術上都可行的解決方案，用于鎂組件的現(xiàn)場修復和表面保護。除了合金設計和涂層，工程師現(xiàn)在還通過優(yōu)化接頭設計，采用絕緣金屬，控制制造過程和定制維護計劃來減輕腐蝕。

　　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250℃）下保持其強度性能。Elektron合金，如Elektron 21和Elektron 675具有與其結構相當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域的創(chuàng)新加工技術解決。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劑涉及到具有嚴重溫室效應的以SF6為組分的保護氣體。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 媲美的保護氣體，人們又把目光轉(zhuǎn)向研究開發(fā)能將含SF6保護氣體有效回收循環(huán)利用的技術，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用領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)技術的落后，其環(huán)境負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注。