北京科技大学铸造合金及制备工艺4.3-铸造镁合金.pdf
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铸造合金及制备工艺铸造合金及制备工艺4.3铸造镁合金及制备工艺铸造镁合金及制备工艺材料科学与工程学院材料成形与控制工程系毛卫民4.3铸造镁合金及制备工艺铸造镁合金及制备工艺4.3.1概述?
镁是地壳中含量最丰富的元素之一，其蕴藏量占第八位第八位，约占地壳重量的2.5wt%，主要以白云石（碳酸镁钙）、菱镁矿的形式存在。
此外，在海水中也含有丰富的镁资源，约占约占0.13wt%。
所以，可以认为镁是取之不尽、用之不竭。
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认识和使用金属镁的历史认识和使用金属镁的历史将近200年了。
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1808年，HuampheryDavy首先确定了氧化镁是一种新的金属镁氧化物；?
1828年，法国科学家Bussy首次采用金属钾将镁从熔融的氧化镁中置换出来；?
1833年，Faraday首先采用电解法从氯化镁中还原出金属镁；?
世界金属镁的生产?
1886年，以Bunsen的电解槽为基础，德国建立了世界首家工业性电解镁厂；?
1910年，世界产镁约10吨；?
1930年，世界镁的产量上升到1200吨以上；?
1943年，世界镁的产量达到23.5万吨23.5万吨，这时的镁主要用于军事目的，如制造燃烧弹、照明弹、曳光弹、信号弹及飞机零件；?
世界金属镁的生产?
2000年，世界镁的产量达到43万吨，但当年的需求量是40万吨；?
2001年，世界镁的产量达到52.3万吨；?
2002年，世界产镁48.1万吨；?
2003年，世界金属镁的产量50多万吨；?
2006年，世界金属镁的产量4747多万吨。
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世界金属镁的生产趋势?
据专家预测，在今后十年，国际市场对金属镁的需求会继续增加，增长率可能在69%之间；?
到2008年，世界金属镁的产量可能会上升到80万吨；?
由于价格下跌，无利可图，世界上一些大型电解镁厂关闭；?
总之，世界金属镁的生产还会进一步发展，但金属镁厂需要加强竞争力，才能不断发展。
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我国金属镁的生产?
我国从1957年开始生产金属镁，当年仅生产了2吨；?
我国1958年生产了2001吨金属镁；?
在随后的32年里，我国金属镁的产量徘徊在6624527吨之间；?
1990年以后，我国金属镁的生产呈现快速增长；?
我国金属镁的生产?
1995年生产了9.36万吨镁；?
2000年生产了19.5万吨镁；?
2001年生产了20.6万吨镁；?
2002年生产了26.45万吨镁；?
2003年生产了34.18万吨镁；?
2004年生产了44.24万吨镁；?
2005年生产了45.08万吨镁；?
2006年生产了51.97万吨镁；?
2007年生产了62.47万吨镁。
中国镁年产量变化010203040506070199019911992199319941995199619971998199920002001200220032004200520062007年代年产量/万吨中国金属镁在世界金属镁中的份量中国金属镁在世界金属镁中的份量?
我国金属镁的生产?
我国自己的镁消耗量较低，目前年消耗约10万吨（包括出口零件）10万吨（包括出口零件），只能大量出口原镁；2001年，我国出口金属镁占世界镁市场总需求量的40%；2005年，我国出口金属镁35.3万吨，占世界市场份额的75%。
但整个金属镁行业的效益不高。
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镁的基本用途?
结构应用和非结构应用。
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从美国镁的消费看，在1977年之前，非结构镁的消耗占主导地位，占总镁消耗量的80.9%，而结构用镁只占总镁消耗量的19.1%，其中镁合金铸件约占结构用镁消耗的36.3%，即占总镁消耗量的6.93%。
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镁的基本用途?
近年来，由于汽车、摩托车、自行车的轻量化和便携式电子产品的强劲需求，世界金属镁在各主要应用方面的占有量发生了较大的变化，铸造用镁大幅度上升，参见下表。
近年来世界金属镁的主要用途用途199719981999200020012002铝合金压铸脱硫电化学化工金属还原重力铸造锻造球化剂其他146100953004795089006700560021003900117006350154400110100482001000068004900260045001130075001598001334004170011200520024002000410089006800165100112000516007500600036002200340088008000143000110000420008700520038001700150040008700145613127803573855183479110131863902229569330总计铸造占镁量/%33460029.136030031.337550036.1368200313286003436495935?
镁的基本用途?
2003年11月，在德国的Wolfsburg举行了第六次镁合金和应用及展览国际会议，与会专家分析了1990-2002的全世界镁消费增长率为3.5%，但同期镁合金压铸件的年增长率却为18%，今后五年镁合金压铸件的年增长率将下降为8%，并预测：
2005年世界镁合金压铸件将占总镁量的41%，将第一次超过铝合金的用镁量（铝合金用镁将占总镁量的38%）。
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作为结构材料，一般不采用纯镁，而是采用镁合金，即镁与其他元素组成二元或多元合金。
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常用镁合金：
一般分为压铸镁合金和变形镁合金。
4.3.2铸造镁合金?
压铸镁合金一般又分为AZ系、AM系、AS系和AE系，其代表性的合金成分、力学性能及其他性能如下表所示。
部分压铸镁合金的成分与力学性能合金牌号元素含量/wt%力学性能AlZnMnSiREb/MPas/MPa/%AZ91DAM60BAS41AAE428.59.55.76.33.74.83.64.20.450.90.170.400.150.270.220.480.350.61.423210225215230160130140146386104.3.3变形镁合金?
变形镁合金的强度和伸长率都优于压铸镁合金，变形镁合金的力学性能大约高出压铸镁合金强度的3050%，因此，利用变形镁合金可以制造更薄和更轻的结构零件。
部分变形镁合金的成分和力学性能如下表所示。
部分变形镁合金的成分和力学性能合金牌号元素含量/wt%状态力学性能AlZnMnZr其他b/MPas/MPa/%AZ31BAZ80AZM21ZK31ZK60AHK31LA14138.51.210.5235.50.20.1210.20.60.450.7Th3.2Li14H24T6FT5T5T5T72603402002953052251151702501252102151759515119716310各种变形镁合金的力学性能比较4.3.4镁合金的应用?
镁合金的密度小，比强度和疲劳强度均比铸造铝合金高，良好的减振性能，良好的电磁屏蔽特性和导热能力，变形时结构件的应力分布更均匀，优良的切削加工性能，易于获得光洁的加工表面。
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镁合金的应用非常广泛，几乎涉及了所有的工业部门、军用和民用领域，如交通运输、航空航天、汽车摩托车、自行车、普通机械、冶金、采矿、电力、电子器件等。
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电子行业中的应用?
镁合金在电子行业的应用以电子产品外壳为主，如制造手机、笔记本电脑、数码相机的外壳，取代传统的塑料外壳。
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采用镁合金外壳具有以下优点1镁合金外壳的强度和刚度高：
镁合金的强度比塑料约大45倍，镁合金的刚度比塑料约大20倍，因此，外壳可以制造得更薄。
2镁合金外壳的散热性好：
镁合金的导热系数比塑料高180多倍，因此，电子器件不易过热。
3镁合金的电磁屏蔽性能好，可以防止电磁干扰，也可以防止或减轻电子仪器的电磁辐射对人体的伤害。
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下表给出了全球笔记本电脑外壳材料的变化，这足以说明镁合金在电子行业的应用发展趋势。
年份1997199819992000电脑市场规模/千台市场增长/%镁合金外壳用量/吨塑料外壳用量/吨镁合金外壳比例/%1418920.17462176512.55155439.541245202455.791970626.7824882181310.242280915.7536102123714.53全球笔记本电脑外壳材料的变化?
镁合金在我国电子行业的应用起步较晚，但发展速度很快，这得益于电子工业的强劲增长。
2002年，我国生产了手提电话12146.33万部，照相机5309.61万架，录象机1562.02万台，彩色电视机5155万台，音响4835.7万套，电脑1463.51万台，这些庞大的电子产品生产为镁合金零件的应用提供了一种巨大的潜在市场。
有专家预测：
2005年我国电子行业的镁合金用量将会达到14520吨，如下表所示。
中国电子产品镁合金用量及预测电子产品种类1999年产量/万件2005年预计产量/万件镁合金外壳比例/%单件镁合金用量/kg2005年预计镁合金用量/t笔记本电脑手机相机摄录机及其他86173650374301800600085008500705030300.700.020.100.10882060025502550嘉瑞制品有限公司压铸的镁合金MD机壳镁合金压铸的计算机U盘壳镁合金压铸的笔记本电脑外壳Thixomat公司触变射铸的镁合金件（a）Laptopcover（b）Cellphoneframe（a）（b）镁合金压铸的音响外壳?
汽车和摩托车行业中的应用?
20世纪70年代出现了两次石油危机，导致了全世界汽车的轻量化运动，以减轻燃油消耗。
镁合金零件在汽车上应用较多的国家和地区有北美、欧洲、日本和韩国等，如下表所示。
下表描述了这些地区汽车镁合金铸件和压铸件的应用情况，在10年的时间里，镁合金的用量增加了6.6倍，镁合金零件已经超过60种。
世界主要地区的汽车用镁合金铸件重量/kt年份19911992199319941995199619971998199920002005北美欧洲日韩其他合计10815241271525146272918928372310274231202750381739674123497747295109145336119580582222182?
福特汽车公司在2000年新概念车型上使用了103kg镁合金零件。
福特汽车公司专家还预测：
2020年全世界每辆轿车的平均镁合金用量将达到100kg；若以年产6000万辆轿车计算，年需镁合金约600万吨。
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我国乘用车镁合金零件的应用刚刚开始，目前仅在第一汽车制造公司、东风汽车公司、上海大众汽车公司的部分乘用车上采用镁合金零件，如上海桑塔纳型乘用车的变速箱壳、壳盖、离合器外壳等，每辆汽车使用镁合金仅8.5kg。
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我国的汽车工业发展很快，产量持续增长，尤其随着轿车进入家庭，轿车所占的比重不断增加，那么，我国轿车对镁合金零件的潜在需求将是巨大的；我国汽车年产量变化如下表所示。
中国汽车年产量变化020040060080010001999200020012002200320042005200620072008年代年产量/万两载货车轿车汽车总计?
除汽车用镁增加外，重庆镁业科技股份有限公司最近已经开发出LX150镁合金绿色概念摩托车，其中发动机曲轴箱体、箱盖及摩托车前后轮毂、尾盖、后扶手等12个零部件采用镁合金材料；整台摩托车镁合金用量是12公斤，总减重6公斤左右，油耗降低10%左右。
2008年，我国的摩托车产量也已达到2750.11万辆。
因此，镁合金零件在我国摩托车行业中的应用前景也很广阔。
中国摩托车年产量变化05001000150020002500300019981999200020012002200320042005200620072008年代年产量/万两镁合金汽车方向盘压铸件镁合金汽车压铸件-前灯架热室压铸机压铸的镁合金汽车零件第一汽车制造厂压铸的镁合金件汽车罩盖第一汽车制造厂压铸的镁合金汽车件镁合金压铸摩托车轮毂镁合金压铸摩托车发动机箱体1985年德国宝马生产的型号为“K100”的摩托车，采用了镁合金刹车盘鼓、引擎盖、传动器盖?
在自行车中的应用?
镁合金代替铝合金后，自行车的重量可减轻33%，而且镁合金自行车具有更好的减震性，骑车者的感觉更加舒适，因此，镁合金在自行车上的应用前景很好。
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