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第一章 引言1.1为什么利用镁合金1.1.1材料和新材料材料是指人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。材料一直以来都被作为人类社会存在和壮大发展的基础组成，同样也是人类社会存在和科技发展的指南针。人们之所以曾经在上世纪70年代把能源、信息和材料视作人类社会以及人类文明的三大支柱产业，主要是因为这些科学技术的发展与国民经济建设国防建设和人民生活水平的提高密切相关，所以80年代以新技术革命的标志之一就是新材料产业的发展以及壮大。科学技术的进步，促使人们在传统材料的基础上的日益发展新材料。根据现代科学技术的进步和对新材料的研究开发来讲，新材料由金属材料，无机非金属材料（如陶瓷，砷化镓半导体等），有机高分子材料，先进复合材料四类材料组成。按材料特性为结构材料和功能材料。结构材料是利用材料的机械和物理化学性质，以满足高强度，高刚性，高硬度，耐高温，耐磨，耐腐蚀，抗辐射和其他性能要求;功能材料是一种具有电，磁，声，光，热等的特点，以实现某种功能满足使用的材料制成的。 这种新材料是新兴产业基础，是战略性新兴产业的基石，发展的必要趋势。材料是人类生活和生产的物质基础，是推动社会发展的重要力量，材料创新村是推动人类文明进步的重要动力。所以，新材料的出现，不但促进了人类历史的进步，也推动技术产业的发展和升级。近十年，世界材料产业的产值以每年30的速度高速增长。目前，微电子，光电子，新能源，化工新材料已成为最活跃，发展最快，最具投资价值的新兴项目之一。由于投资者普遍对新材料的前景持乐观态度，中国新材料产业有望获得有力的支持政策。新材料产业作为战略产业增加了世界各地的关注，美国，日本，德国等发达国家都有发展新材料产业的全面发展规划。发展壮大含有色金属行业，尤其是新材料产业，促进新材料的研究开发和新材料产业的发展，是国防建设和经济建设尤为重要的一环。 在21世纪全球科技发展越来越快，其中一个科学技术发展的主要方向是开发和应用新材料，迈向更深层次的科技研发和应用。按照关于加快培育战略性新兴产业总体规划发展与实现新材料产业“十二五”发展规划，国务院，建立和完善新材料的行业标准，促进新材料产业的发展，形成良好的产业标准化，对新材料制定“新材料产业标准化工作三年行动计划”。计划中中单独了列出高端金属结构材料和特种金属功能材料，要求重点发展高温合金及耐蚀合金，耐蚀钢，特殊不锈钢，工模具钢，轴承钢，齿轮钢，铝合金轨道和交通专用镁合金。1.1.2利用镁合金材料的优势人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代。均以金属材料的应用为其时代的显著标志。种类繁多的金属材料已成为现代人类社会发展的重要物质基础，而有色金属材料又是金属材料中应用范围最广，发展前途最为长远的重要组成部分。这些在地球上含量丰富的有色金属主要被被用于结构以及功能材料、环境保护和生物医用等，包括但不局限于电子领域、航空航天领域、核材料领域、建筑领域、能源领域、生物领域等多个领域。由于环境保护和成本等多个方面的压力，在许多的领域，以钢材为基础的传统材料正在被各种日渐兴起的具有更优秀的各种性能的新型材料所替代。在交通车辆、航空航天、电器包装、电子通讯、建筑领域、国防科技、生物技术等产业的发展，研发新类型的轻质合金材料受到各国的重视目前应用较广的轻质金属结构材料是铝合金，铝合金的硬度相对高，表面处理也很成熟，价格相对低廉，发展时间长，应用广泛，如果用镁合金替代，就要考虑到以上方面。镁合金和铝合金在本质上肯定是有区别的，所以说完全替代是不可能的。但是镁合金的质量确实是比铝合金轻，而且比强度高，如果在机械作用不是特别大的情况下，这方面是可以替代铝合金的。除了镁合金之外比铝还轻的，广泛应用的合金材料还没有出现。新材料研究的一大热门就是镁合金的研究开发与应用，并且关于镁合金的研究成果已经在各个产业领域得到了应用。金属镁和镁合金是至目前为止最轻的金属材料，通常被应用为工程以及工业中的结构材料。由于镁合金易于机械加工，并且可以重新利用，符合可持续发展理论所以通常被称为21世纪绿色工程结构材料。由于国际市场镁矿极低的价格和镁合金所具有的优异的综合性能以及巨大的发展空间，促使世界各个国家包括中国在内设立相关的研究计划并投入大量的资金。美国德国日本澳大利亚等各个发达国家于上个世纪90年代以来推出了各自的研究计划，投资数十亿美元，协调和组织联合科研企业等各个方面的力量，实行大型的综合性攻关。德国推行了镁压铸计划，日本有专门针对镁合金在汽车行业中应用的计划，到目前为止，美国德国日本已经成为镁和镁合金研究水平和技术使用水平最高的国家。镁合金在航天、军工、电子通讯、交通运输等领域有着巨大的应用市场，特别是在全球金属矿产资源紧缺并且日趋枯竭的大背景下，镁的资源优势、价格优势、产品优势得到充分发挥，镁合金成为一种迅速崛起的工程材料。从镁资源在地球上的分布情况来讲，发展镁以及以镁合金为主的合金材料产业是十分重要的同时这个产业潜力也十分巨大。虽然镁合金算得上新材料，但是人类很早就开始利用镁合金了，比如照明弹照相机等。由于全球的环保浪潮和节省能源和资源的要求，镁以及镁合金因为种种优点逐渐在全球化的背景下显现出它的优势。1.1.3中国发展镁合金的优势地球上镁的蕴藏量十分丰富，镁在地壳中总储量为2.3%左右高达百亿吨。除此之外，镁主要分布在盐里，镁在海水中的含量大约为1.4%，而每立方米的海水就可以提取出1kg的镁。由于镁材是可以回收利用的，所以可以算得上是真正的取之不尽，用之不竭。所以从资源充分利用的角度来讲，大力开发镁以及以镁为主要合金的产业潜力是十分巨大的。由于人类社会的发展，金属资源的消耗一天比一天多，而大部分广泛应用的金属的矿产资源也在逐渐走向衰竭。我们国家土地辽阔，资源却不丰富。我国是一个缺铜的国家，铁矿资源含量也不算多，铁矿的质量都是低品位的还含有很多杂质。所以从各种金属资源的蕴藏量和品质上来讲，我们国家都没有多少优势。研究发现镁以及镁合金的优点十分明显，而中国的镁矿在全世界占优势，并且镁资源没有得到充分的开发利用 ，镁作为一种轻质的金属结构材料来讲潜力十分巨大。 在镁资源蕴藏方面来说，我国是镁资源大国，占全球储量的25%。同时我国也是镁产量和出口量最大的国家之一，出口价格在全球市场上来说也是最低的。我国的镁资源蕴藏量高达27亿吨之多，高居世界首位，镁矿资源的质量也是全球最高的。除此之外在中国西部的盐湖中拥有高品质的镁矿资源，甚至于晒盐后所得的卤水经过简单的阳光照射蒸发后就可以得到商业纯度的MgCL26H2O。中国的镁矿资源从全球来说成本是最低廉的，但是却处于未被开利用发的状态。MgCL26H2O经过脱除水份纯化后即可以通过电解法制取原镁，这是我国镁工业最大的优势，即拥有取之不竭用之不尽的理想原料。1.1.4 中国发展镁合金产业的必要性中国在全球金属镁产业上产量上来讲占有十分重要的地位，但是生产企业分散没有大规模的生产集团。中国天然铝的生产成本是世界上最高的，比全球平均成本高30%。但是中国将氯化镁电解法生产高质量原镁的成本是全球最低的，中国的镁产业已经将各国的镁产业挤垮掉了，美国日本德国等国家的原镁生产企业已经濒临倒闭。中国镁的价格是最低的，只有铝的五分之四左右。但是这种情况是极其不正常的，生产镁的耗能和铝一样，所以从生产成本来讲镁的生产成本和铝是差不多的。但是由于各个生产企业彼此之间的恶性竞争，各个企业彼此压低成本，镁低迷的价格即成为了中国的优势同样也是中国镁产业的劣势。自从中国出口镁的十年以来，中国生产镁和镁合金的行业迅速发展。从刚进入21世纪的时候，中国金属镁的出口量从占有全球总需求量的40%上升到中国镁的产量占全世界镁总的产量的70%。随着对镁以及镁合金的技术水平的上升和应用领域的拓展，全球对镁的消耗量以7%9%的速度逐渐增长。全球关于如何生产金属镁的技术水平飞速提升，金属镁的生产成本逐渐降低；除此之外，镁以及以镁为主要合金原料的合金的回收再利用耗能元低于其他合金；另外，由于镁合金的机械加工性能优越，对车床的磨损小；镁的价格只有铝的五分之四，所以从性价比和应用水平来讲，已经没有什么阻碍镁合金大量使用的障碍了。中国镁企业和研究机构面临着巨大的发展机会，在中国尤其是中西部例如青海湖和柴达木盆地等盐湖投资镁行业有着很大的优势，中国中西部镁矿产资源蕴藏丰富气候干燥冶炼难度小便于加工；生产镁的能耗较大，但是西部能源价格便宜并且富有劳动力。所以中国企业和研究机构对西部镁行业进行技术投资不仅能够获得很大的利润而且对企业和地方来讲是双赢的。虽然说我国的镁工业已经凭借着上述的四种优势已经在国际的原镁企业竞争上确立了主导地位，镁的出口数量已经是世界第一了。镁的生产已经成为中国有色金属产业的支柱之一，镁资源大国已经名副其实了。中国的镁资源蕴藏开发生产和出口这三个方面的发展已经促进了镁这一金属材料在全球的使用和研究开发。但是由于种种原因我国并不是镁的科技强国。在全球化日益发展的现在，我国的镁合金产业和科研单位面领着巨大的挑战的机遇。中国的政府和企业以及各个研发机构已经意识到了局面的紧迫性，为了充分利用中国镁资源蕴藏量巨大的优点和长处，为了加快镁以及镁合金的技术研发和应用开发，建成具有充分的国际竞争力的镁合金高新科技企业，将中国镁资源得天独厚的蕴藏优势和开发优势转化为科技优势和国际竞争力，中国政府已经将镁合金的研究开发和镁合金产业的发展列为国家重点计划。科技部安排了“十五”国家科技攻关重大项目诸如“镁合金开发应用以及产业化”；关于镁合金的发展计划也被归入863计划中；纪委建立了关于镁合金产业化的示范工程；关于镁合金的技术创新计划也同样被经贸委发布，这些计划说明了中国政府对于镁合金的发展是极其看好的。随着科学技术的进步和经济的发展，镁合金逐步走向深加工和高附加值的方向。为了应对镁合金发展和实际应用的浪潮的到来，我国政府必须加快对国外镁合金先进技术的引进和借鉴，推动镁合金的实际应用。我国政府抓住汽车领域和电子工业领域应用镁合金的趋势，通过科研单位生产企业和政府部门的强强联合，建立健全的镁合金科研和生产以及应用技术开发和实用的体系，带动镁合金产业的进步和深入发展，实现我国从镁产业大国和出口大国到镁合金领域先进国家的转变。所以说面临国际镁合金材料科技的高速发展，我国作为镁资源生产和出口大国，无论是从镁合金的发展潮流和市场应用还是从国家的发展战略和可持续发展角度来说，促进我国对丰富得镁资源的开发利用，从镁制造大国向高新技术强国进步， 对镁合金进行入研究和应用开发前期工作意义十分重大。1.2 镁和镁合金的特性1.2.2 镁和镁合金的概述镁是地球上含量和分布最为广泛的十大元素之一（在所有元素中镁及其化合物的含量在地壳中排行第八）。在地球上镁资源丰富，几乎占到地球3%的质量，镁在海水中的含量高达0.14%，每一立方米的海水就可以提取出1kg的原镁，同样在陆地的盐湖中镁含量更高提取难度更低（在某些盐湖里只需要简单晒制即可获得高纯度六氯化镁）。同时镁是各种动植物必需的元素之一。由于镁不易从化合物中还原成单质状态，所以迟迟未被发现。自从1808年英国人戴维用金属钾还原氧化镁制得金属镁并明确以来，镁金属及其合金在工业社会中获得了飞速的发展和广泛的应用。镁的原子序数是12，原子量为24.3，是二价的金属，具有金属的共有特性。由于镁的氧化物性质介于“碱性”和“土性”之间，故称为碱土金属元素。镁是一种银白色有金属光泽的轻质金属，电子结构为2-8-2，为六方最密堆积晶体结构。镁没有磁性，化学性质非常活泼，熔点为650摄氏度，在空气中极易氧化和燃烧，可以用来制作照明弹和烟花中的添加剂，镁同时具有一定的延展性，通常被用作轻型结构材料。镁具有很强的还原性，和沸水都可以反应，但是不和水反应。和铝不同，镁不可以和碱液反应。镁可以和各种有机和无机酸反应，但不能和绝大部分有机化学药品反应。镁在空气中燃烧十分剧烈，可以放出耀眼的白光冒出巨大的白烟，最后生成白色的氧化镁固体粉末。镁几种经典的化学反应1.与非金属单质的反应：2Mg+O=点燃=2MgO3Mg+N=点燃=MgNMg+Cl=点燃=MgCl2.与水的反应：Mg+2H2O（热水）= Mg(OH)+H3.与酸的反应：3Mg+2HCl=MgCl+HMg+HSO=MgSO+H4.与氧化物的反应：32Mg+CO=点燃=2MgO+C纯镁的强度很低，几乎没有任何优势，很少作为结构材料使用。和其他有色金属一样，人们发现经过适当的合金强化后，镁的强度得到了显著的提升，所以材料界一直致力于合金化技术开发以便开发利用镁金属。镁合金的主要合金元素有铝、锌、锰、铈、钍、少量锆或镉以及稀土元素等。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。以镁为基体金属加入其他金属元素组成的合金被称为镁合金，镁合金的特点是密度小（镁的密度约为铝的2/3，是铁的1/4），比弹性模量大，比强度高，阻尼减震性好，散热性能极其优越，承受冲击载荷能力比铝合金大，并且耐有机物和碱的腐蚀性能好。1.3 镁合金的优点 镁合金有很多优点，镁在工程金属结构材料应用中是最轻的金属结构材料。镁最显著的优点就是比密度小（镁合金的密度在1.8g/cm3左右，镁的比重大约是铝的2/3，是铁的1/4）。镁合金是最轻的结构合金，在汽车的轻量化领域和3c领域能够有效降低机器部件的重量，节省能源；除此之外镁合金还具有比