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镁时代
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金属镁的用途分析

镁于1774年首次被发现,并以希腊古城Magnesia命名,元素符号为Mg,属周期表中ⅡA族碱土金属元素,相对原子质量为24.305。纯镁的密度为1.738g/cm-3,是轻金属的一种。

镁具有密度低,比强度、比刚度高,阻尼减振降噪能力强、电磁屏蔽性能优异,抗辐射,磨擦时不起火花,热中子捕获截面小,液态成形性能优越,易于回收,符合“21世纪绿色结构材料”。

由于镁具有以上的一系列特性,因此应用十分广泛,几乎遍及各个领域。

一、 镁的用用途:

1、 生产难熔金属的还原剂 

镁既可作为生产稀有金属TiZrHf等的还原剂,也可以做为生产BeB的还原剂。

2、合金的添加元素 

镁的最大用途之一是作为铝合金的合金元素,它可以改善材料的强度和抗腐蚀性能。此外,镁还被添加到压铸锌合金中以改善其力学性能和尺寸稳定性。镁还被用作其它锌产品的组分,包括屋面板、光刻板、生产干电池用的锌板和镀锌浴液等。添加镁,还可使镍、镍铜合金和铜镍锌合金的性能行到很大的改善。

3、球墨铸铁的球化剂 

用镁脱除一部分硫和使石墨球化,从而使铸铁的韧性和强度大大提高。

4、镁还被广泛地用于钢脱硫。此外,在生产黄铜和青铜之类的铜合金以及生产镍合金时,镁是十分有用的脱氧剂或“除气剂”。在Betterton-Kroll制铅法中,必须将钙与镁结合使用,以便除去铅中的铋。

5、镁还用于生产的链烃基化合物和芳基化合物;在润滑油中用作中和剂;用于氩气和氢气的提纯;在生产真空管的过程中用作“吸收剂”;用于生产氢化硼、氢化锂和氢化钙;对锅炉用水进行去氧和去氯。

6、高贮能材料 

镁在常压下,大约523KH2作用生成Mg H2,在低压或稍高温下又能释放出氢,镁具有贮氢的作用。Mg H2 较一般金属氢化物贮能高,所以镁可以作为高贮能材料。

7、烟火 

由于铝含量超过30%的镁铝合金细粉在燃烧时能发出极明亮的折光,故镁的第一个工业用途就是用在照明器制造方面,如用于制造照相机用的闪光灯等。镁粉还被用于制作供夜航摄影用的曳光管、各种焰火、高能燃料和燃烧器。

纯镁的力学性能很低,不能直接用作结构材料,但通过形变硬化、晶粒细化、合金化、热处理、镁合金与陶瓷相的复合等多种方法或这些方法的综合运用,会使镁的力学性能大副改善。在这些方法中镁的合金化是实际中最基本、最常用和最有效的强化途径。

二、镁合金的用途:

1、镁合金在运输系统的应用

⑴航空应用 

20世纪开始,镁合金就在航空航天领域得到应用。出于镁合金可以大大改善飞行器的气体动力学性能并能明显减轻其结构重量,许多部件用其制作。一般航空用镁合金主要是板材和挤压型材,少部分是铸件。

以稀土金属为主要合金元素的铸造镁合金,可在473~573K长时间使用,非常适合航空应用。我国已开发出ZM3ZM4ZM6ZM9系列稀土镁合金,可用于航空航天领域。目前镁合金在航空的应用领域包括各种民用、军用飞机的民动机零部件、螺旋桨、齿轮箱、支架结构及火箭、导弹和卫星的一些零部件等。随着镁合金生产技术的发展,性能会不断提高,应用范围也会不断扩大。

⑵汽车应用 

用镁合金制造汽车零部件,可以显著减轻车重,降低油耗,减少尾气排放量,提高零部件的集成度,提高汽车设计的灵活性等。现在,全球大气污染的范围越来越广,汽车尾气排放量占了大气污染的65%.随着能源紧缺、环境污染问题日益突出,全世界的汽车制造厂正面临降低尾气排放量和节约能源的压力。通常汽车自重每减轻10%,燃油效率可提高5.5%,废气排放量相应减少。要使汽车轻量化,有两条途径,一是优化结构设;二是选用轻量化的材料。铝合金、塑料(树脂基复合材料)、镁合金是目前认为较为理想的三类材料。镁合金压铸在所有压铸合金中最轻,是极竞争力的汽车轻量化材料,在汽车的减重和性能改善中的重要作用受到人们的重视,大量的镁合金零部件被生产出来,以代替塑、铝合金,甚至钢制零件。

镁合金在汽车上的应用可追溯到 20世纪 30年代当时大众汽车公司推出 Beetle 汽车其发动机和传动系统中镁合金用量只有 18 kg。进入 90年代,镁合金在汽车上的应用大幅增加全球以每年约 20%的速度递增。据预测 进入 21世界后由于节能和环保的压力 全球用于汽车配件的镁合金还将以超过 15%的速度强劲增长。福特汽车公司 Aerostar Mimi- Vans 牌汽车的中座以及后座仅此每年需100 t以上的 AM60镁合金 ) , Ranger 型轻型卡车的离合器体和刹车踏板支撑托架通用公司的汽缸盖、滤油器壳体等 10种零件都是镁合金制成的。丰田公司及其附属公司率先使用镁合金制作了汽车方向盘芯、键、制动器壳体、倾倒装置和其它驾驶杆元件,其中方向盘芯采用的是 AM 系合金一般为 AM50或 AM60) , 其它几个小部件则采用 AZ91合金。

目前,镁合金已被发达国家广泛用于汽车仪表板、座椅支架、变速箱壳体、方向操纵系统部件、发动机罩盖、车门、框架、发动机缸体等零部件上。比重比铝合金轻 1/3的镁合金铸件在轿车上的应用更呈大幅度提高之势。近几年,轿车上镁铸件的应用以每年 20%的高速增长, AudiA6型轿车,每车镁铸件已达 14.2kg,,今后将增至 80kg左右,美国通用和德国皮尔堡生产出了进气歧管镁压铸件,雷诺公司已生产出镁车轮铸件,奥迪公司最早将镁铸件用于仪表盘骨架,奔驰公司最早将镁压铸件用于座椅骨架,而方向盘最早采用镁铸件的是意大利菲亚特公司。1998年,福特公司的 P2000车型所用的车轮镁压铸件重 3.1kg,比钢板冲压车轮轻 5kg左右。现在福特公司有六个铸造厂为其供应镁铸件,一年约 12000t2004年产量达到 45000t

目前国外一些名牌轿车都积极使用镁合金,有些外观覆盖件也采用了镁合金,奔驰CLK是世界上第一家装有镁合金车门的汽车。

⑶摩托车和自行车应用  

我国是摩托车生产、消费和出口大国,随着城市环保法规的日益严格,改变常规燃油摩托车技术含量低下、结构材料笨重、排放严重超标、驾乘安全性差等状况成了必然趋势。重庆大学、重庆镁业、隆鑫集团合作生产了隆鑫LX150摩托车的曲轴箱等近10个镁合金压铸件,并用试生产的镁合金压铸件和挤压铸造轮毂组装了一台隆鑫LX150镁合金绿色概念车,整车质量比铝合金铸件车减轻6kg

自行车是镁合金合新的应用领域,主要用作自行车车架。镁合金的优势在于不但轻便、快速、舒适,而且有口可以使管径变小、管壁变薄、车架更强固。用镁合金制造的折叠式自行车车架质量仅1.4kg

⑷轮椅应用  

康复设施的代表性器械之一是轮椅,市售的轮椅按质量可分为标准型和轻量型(铝合金或钛合金)三种,所用的材料分别为钢管、铝管和钛管。选用AZ31镁合金制作轮椅架或除车轮外其余部件基本上都用镁合金制造,轮椅可减重15%左右,既轻巧又灵活。

⑸船舶应用 

镁合金在造船工业和海洋工程中主要用于航海仪器、水中兵器、海水电池、潜水服、牺牲阳极、定时装置等。最普遍应用的是镁--锌合金。

2、镁合金在通讯电子业的应用  电子信息行业由于数字化技术的发展,市场对电子及通讯产品的高度集成化、轻薄化、微型化和符合环保要求越来越高。工程颜料曾作为主要材料,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,这是工程颜料无法比拟的。在电子信息和仪器仪表行业的镁合金制品的单位质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。

目前用镁合金制作零部件的电器产品有照相机、摄影机、数码相机、笔记本电脑、移动电话、电视机、等离子显示器、硬盘驱动器等。笔记本电脑使用镁合金作为机壳几乎是基于镁合金的全部优点为,防震性能提高了电脑部件的可靠运行;抗电磁波干扰和电磁屏蔽性能保证了电脑的信息安全;优良的热传导性,大大地改善了电脑的散热问题。而移动电话则是利用了镁合金防震、抗磨损及可屏蔽电磁波的特殊功能,又能满足轻、薄、短、小的要求。

在日本镁合金在便携式电脑、电视机、摄录器材、移动电话等已有相当广泛的应用 并有取代塑料外壳的趋势。美国 White Metal Casting 公司用镁合金压铸生产了外形尺寸为 610 mm ×610 mm的计算机外壳。日本松下公司于 1997年上市的镁合金外壳的便携式电脑 CF25 和 CF- 25Mark十分畅销。我国联想和华硕电脑也部分采用了镁合金外壳。

3、镁在国防工业中的应用

镁合金的其它性能也在各种不同用途用起着十分显著的作用,如制造飞机中和导弹所需的高温性能(与塑料和以聚合物为基的合成材料相比较),它还被用于制造飞机和陆地车辆的柜架、壁板、支架、轮毂,以及发动机的缸体、缸盖箱和活塞等零件。镁合金被用于制造一些军事装备,例如掩体支架、迫击炮底座和导弹等。

镁合金在兵器上得到了大量应用有关实例如下:①法国 AMX- 30坦克的 CN105F1 105 mm线膛炮的身管热护套采用了镁合金 ②英军的大口径 120 mm BATL6Wombat 无后座力反坦克炮采用了镁合金大大减轻了重量 加上所配的 M80.5in步枪总重仅 308 kg;③美军装备的 M274A1 型军用吉普车采用了镁合金车身及桥壳大大减轻了重量 具有良好的机动性及越野性能④法国 MK50式反坦克枪榴弹部分零件使用了镁合金材料 其全弹质量仅 800 g;⑤俄罗斯生产的 POSP6 ×12枪用变焦距观测镜采用镁合金壳体 ⑥美国 HunterFirearms Inc. 用镁合金制造了 M39M1 手枪的枪机零件⑦欧美一些国家已将镁合金用于便携式火器支架、单兵用通讯器材壳体。随着镁合金研究的深入及材料性能的提高镁合金在兵器中的应用会越来越多。

4、镁和镁合金的铸造与加工产品在电化学方面的应用,包括阴极保护、制造电池和光刻等。

镁牺牲阳镁牺牲阳极作为有效的防止金属腐蚀的方法之一被广泛应用于:家用和工业用热水器;各种地下构建物,例如地下电缆、管线、并体、储槽和塔基等;以及海水冷凝器、船壳、压载箱和在海洋环境中使用的钢桩。

5、镁还用于制造各种电池,包括干电池和蓄电池(例如海水赋能电池);而且由于其具有良好的蚀刻性能和力学性能并且又耐磨损,故镁十分适合于制作光刻版。

五、其它方面

制造车轮所需的减震性能,制造电子装置箱体及夹具和装具等所需的尺寸稳定性,制造工模具所需的机械加工性能,制造行李箱所需的搞硌伤性能,制造纺织机械所需的无印痕特性,水泥行业所需的耐碱性,制造X光底片盒所需的对热中子的低阻抗性能等等。因此,镁还被用于制造各种工业机械。例如纺织机上经线卷轴和电动机端盖等;在制造货物装卸转运设备(例如船坞和集装箱等)时也使用镁。

                    
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