镁合金密度和弹性模量（镁及镁合金在各领域中的应用）

镁合金概述与分类

1、概述

镁合金是以镁为基础加入其他元素组成的合金。其特点是：密度小（镁合金1.8g/cm3左右），强度高，弹性模量大，散热好，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐有机物和碱的腐蚀性能好。主要合金元素有铝、锌、锰、铈、钍以及少量锆或镉等。目前使用最广的是镁铝合金，其次是镁锰合金和镁锌锆合金。主要用于航空、航天、运输、化工等工业部门。在实用金属中是最轻的金属，镁的比重大约是铝的2/3，是铁的1/4，具有高强度、高刚性等特点。

2、分类

镁及镁合金材料的市场与需求

汽车领域

目前，镁合金在汽车上的应用零部件可归纳为两类。

（1）壳体类。如离合器壳体、阀盖、仪表板、变速箱体、曲轴箱、发动机前盖、汽缸盖、空调机外壳等。

（2）支架类。如方向盘、转向支架、刹车支架、座椅框架、车镜支架、分配支架等。

汽车用镁合金有良好的减重效果。

几乎所有的企业在针对汽车轻量化的难题时，首先都会从车身框架的角度去试图找到解决方案。因为车身框架所占的总量与面积比重最大，而且比较方便主机厂进行车型卖点传播。

目前镁、铝合金是汽车进行轻量化的两大理想材料。据美国铝学会报告，如果汽车每使用0.45Kg铝，可使车身减重1Kg。以白车身为例，如果将铝合金代替钢和高强度钢，其车身重量为230kg，最高可减重40%。不过镁合金在减重上性能更优，由于其重量约为铝合金的2/3，仅为153kg，其减重比例可超50%。

不仅体现在重量上，镁合金还具备密度小，比强度、比刚度高，抗震、易回收和易加工等优势。对比等质量且具有近似界面构件的各金属比刚度，镁合金是钢的18.9倍，铝合金的两倍有余，位列三大轻量化金属的首位。

镁合金材料或许是汽车轻量化最为直接的有效解决方式。但是目前世界镁产量整体下降（我国产量最大，但受制于环保限产），用全镁合金替代整个白车身不现实，但部分、逐步替代的思路仍然可行。

当前镁合金制造成本的逐步下降，而加工工艺也有所突破，使其应用领域越来越广，需求也有增加，不过目前汽车市场仍是其保持增长的主要推动力。据2016年统计数据显示，我国的汽车平均用镁量约3kg左右，相较于北美的汽车平均用镁量在10kg相距甚远。目前我国汽车用镁还主要停留在汽车方向盘领域，未来仪表盘支架、汽车轮毂、汽车大灯支架等潜在的渗透空间巨大。

3C电子工业领域

现代电子技术的发展，对电子器件用结构材料及部件的性能提出了越来越高的要求。为了适应电子器件轻、薄、小型化的发展方向，要求作为电子器件的壳体材料具有密度小、强度和刚度高、抗冲击和减振性好、电磁屏蔽能力强、散热性能好、容易成型加工、表面美观、耐用、成本低、易于回收和符合环保要求等特点。传统的塑料和铝材已逐渐难以满足所有要求，镁及其合金是制造电子器件壳体的理想材料，在电子及家用电器产品上具有广阔的应用前景。因此，近来来镁合金在电子器材中的应用正以25%的年增长率得到快速的发展，呈现了良好的发展前景。

表1 不同便携式电器产品对镁合金性能的要求

欧美率先使用镁合金汽车零部件以减轻质量， 随后向电子、电气行业发展。在亚洲，中国台湾直至目前均以镁合金为主体制作笔记本电脑壳体。日本通常在数码相机、CD机外壳、电脑零部件等方面逐渐普及，家用换气扇的叶片也用镁合金材料取代塑料，即使普通商品也使用镁，并考虑增加其用量。

1、笔记本电脑

据权威预测，今后33mm以上的笔记本型电脑显示器外壳都将采用镁合金制作。但一个钢模生产一定数量后会被磨损，成本又高，无法满足大批量要求。后来中国台湾地区的Watter科技公司和Catcher科技公司等模具制造商，将每个钢模的铸造产量提高到5万件，扩大了规模，节约了成本，使全球笔记本电脑制造商再次考虑用镁合金取代塑料的问题。

Alienware使用镁合金材质的超薄机身

2、通信器材

在移动通信方面，采用镁合金制造移动电话外壳后，电磁相容性大大改善，通信过程中的电磁波是通过无线接收和发送，减少了电磁波的散失，提高了移动电话的通信质量，并减少了电磁波对人体的伤害。此外，还提高了外壳的强度和刚度，不易损坏，满足了轻巧、美观、实用的要求。

3、摄录像器材

压铸镁合金薄壁复杂形状铸件已经用于制造索尼便携式数字摄像机DCR -VX1000壳体。该壳体是一种大梁的结构，有5个压铸件，包括主框架、机械室和磁带室等这些铸件用AZ91D镁合金压铸后涂上一层丙烯酸树脂仿皮溶层。

4、稀土镁合金在3C产品中的应用新进展

在世界范围内，采用镁合金材料制备零件中，有90％以上的3C电子产品是用压铸方法加工而成的。AZ91D是最常用的一种压铸镁合金，但是，AZ91D合金的耐高温性能差，限制了其使用范围。有关学者研究结果表明，AZ91D的抗拉强度随着温度的上升而下降，150℃的抗拉强度对比25℃时，下降约为30%。因此，为了提高AZ91D高温性能，人们尝试在AZ91D合金中添加铈、镧、钇等稀土元素，使合金的室温及高温力学性能均有明显的提高。稀土在提高高温性能的同时，也会影响合金的流动性能。

航空航天领域

镁合金作为“21世纪绿色工程材料”，具有高的比强度和比刚度，良好的尺寸稳定性、导热导电性，抗振能力强，可承受较大冲击载荷，以及优异的铸造、切削加工性能和易回收利用，这些特性使其在航空航天领域占有一席之地，可作为飞机、导弹、飞船、卫星等航空设备上重要构件材料，随着科技水平的不断进步，航空航天领域的发展越来越离不开镁合金的参与。

表2 20世纪镁合金在航空航天领域的应用

1、航空航天产品工作的极端条件。由于航空航天产品工作的特殊性，因此对材料提出了如下苛刻的性能要求：

①低密度。由于飞行器的质量直接影响到它的机动性能，而空间站和卫星的质量决定了对运送工具的要求和费用，所以航空航天要求材料尽可能的轻质，也就是尽可能的低密度。表1为航空航天材料每减少0.45kg质量所带来的经济效益。商用飞机与汽车减重相同质量带来的燃油费用节省，前者是后者的近100倍，而战斗机的燃油费用节省又是商用飞机的近10倍。更重要的是其机动性能改善可以极大提高战斗力和生存能力。所以镁合金的低密度，为它在航空航天中的应用提供了较好的条件。

表3 航空航天材料每减少0.45kg质量所带来的经济效益

②刚度和热导率。材料的比刚度和热导率是非常关键的参数。镁合金具有比刚度高和高的热导率。可使某些部位的振动（飞机的机翼）以及在低重力、高真空的太空环境中，可避免太阳照射使得电子设备过热而烧毁。

③减振能力。镁合金具有良好的减振能力，可以保证航空航天产品承受较大的振动载荷；镁合金还具有高比强度、防辐射、良好的尺寸稳定性、电磁屏蔽性，可以抵御短波辐射和高能粒子的“轰击”。

2、航空航天工业对材料性能的要求

结构减重和结构承载与功能一体化是飞机机体结构材料发展的重要方向。航空、航天领域要求镁合金力学性能和高温性能优异，抗蚀性好，有良好的综合性能。适合的合金包括AZ91E、QE22(MSR)，ZE41(RZ5)、EQ21、(ZRE1)、WE43等，其性能比较见图1。从图中可知，飞机的各种机箱体、传送箱和电源装置，直升机主要传送系统的零部件，螺旋桨系统可以采用ZE41和QE22合金制造；而在高温下服役的零部件可采用WE43或EQ21合金制造。另外，WE43合金还具有极好的耐蚀性能，可用作飞机螺旋桨罩壳。Mc Donnell Dougles MD50直升飞机采用了WE43合金的变速箱壳体。

图1 镁合金的主要性能

目前，常用的航空航天铸造镁合金及其性能和用途见表4。

表4 航空航天工业常用铸造镁合金的性能和用途

其他

1、兵器工业领域

镁合金减轻武器装备质量，实现武器装备轻量化，是提高武器装备各项战术性能的理想结构材料。镁合金军事上的应用过去主要是在航空领域，近年来，镁合金及镁基复合材料已逐步在武器和弹药上得到成功应用，发展十分迅速。

（1）采用镁合金及镁基复合材料替代武器装备的中、低强度要求的铝合金零件和部分黑色金属零件，实现武器装备轻量化。

（2）替代工程塑料，解决零件老化、变形和变色的问题。目前，轻武器、光电及通信器材产品、战车仪表盘等采用工程塑料制造。工程塑料尤其是纤维增强塑料的比强度最高，但弹性模量小，比刚度远小于镁合金，且难以回收，环境适应性差，易磨损和老化变形、变色，既影响武器战术性能，又影响武器外观。该类零件采用镁合金及镁基复合材料可以从根本上克服工程塑料的这些缺陷。

（3）导弹及其他飞行器零部件的镁合金化。过去镁合金在导弹上的应用较少，只在照明弹中使用镁粉。镁合金由于密度小，近年来在导弹、火箭等结构件中应用广泛，主要用于战术防空导弹的支座舱段与副翼蒙皮、壁板、加强框、舵面、隔框等零件，材料为MB2、MB3、MB8变形镁合金。卫星上采用了ZM5镁合金制作井字梁与相机架，以及各种仪器支架和壳体等。

（4）新型镁合金材料的研发，促进了兵器零部件的镁化。近年来，新开发的耐热、耐磨、超轻(Mg-Li)等新型镁合金及镁基复合材料，由于具有一系列特殊性能，加速了兵器零部件的镁合金化。

2、核工业领域

镁的热中子吸收截面非常小，大约只有铝的1/4。英国将镁合金作为天然铀燃料的包壳材料，在CO2气体冷却的反应堆中使用。由于纯镁在高温CO2气体中发生氧化并有质量迁移问题，在镁中添加少量的Ca和Be(0.005%~0.01%，质量分数)后，在高温CO2气体中具有良好的耐腐蚀性能，称为Magnox合金。后来发现该合金焊接后易出现裂纹与含Ca有关，因此用添加少量Al(0.8%~1.0%，质量分数)替代Ca。现在把作为结构材料的Mg-Zr和Mg-Mn (Zr和Mn含量分别为0.55%和0.7%，质量分数)也称为Magnox。

核反应堆用包覆套管要能承受反应堆的恶劣条件：高热、表面热流、强烈的，射线辐射以及套管内表面所受到的某些破碎片的轰击等。大量的试验证明，镁合金套管在出口气体最高温度为400~500℃下工作的反应堆中充当包覆材料使用是完全胜任的。尤其在改善200~300℃的延性和400~500℃下的蠕变强度方面仍存在着可能。而对CO2的相容性的极限温度可达500℃，保证了反应堆工作时的安全要求，不致引起燃烧。

3、冶金工业领域

迄今，镁的最大应用领域是作为铝合金提高强度和抗腐蚀能力的合金化元素。铝镁合金既轻又硬，抗蚀性能好，可焊，可表面处理，是制造飞机、火箭、快艇、车辆等的重要材料。另外，镁被加入锌的压铸合金中，提高其强度和改善尺寸稳定性。镁还是其他锌产品，如屋面板材、光蚀板材、干电池壳、阳极氧化池结构等的重要化学成分。镁还用作镍基合金、镍-铜合金、镍-铜-锌合金的合金化元素，提高合金材料的性能。

镁及镁合金相关标准

出自《简明镁合金材料手册》、网络、MatAi标准数据库等