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2021-01-14

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镁

镁，英文名称Magnesium，是一种金属元素，化学符号是Mg，原子序数是12，是一种银白色的碱土金属。镁是地球的地壳中第八丰富的元素，亦是宇宙中第九多元素。镁是地球上储量最丰富的轻金属元素之一，镁蕴藏量丰富，在宇宙中含量第八，在地壳中含量丰度2%。含镁矿物主要来自白云岩、菱镁矿、水镁矿和橄榄石等。海水、天然盐湖水也是含镁丰富的资源。中国是世界上镁资源最为丰富的国家，镁资源矿石类型全，分布广，储量产量均居世界第一。镁合金具有比强度、比刚度高，导热导电性能好,很好的电磁屏蔽、阻尼性、减振性、切削加工性以及加工成本低和易于回收等优点。

基本属性

镁属于元素周期表上的IIA族碱土金属元素，密度为1.74g/cm³，熔点为650℃，沸点为1090℃，化合价+2，电离能7.646电子伏特，具有银白色光泽，是轻金属之一，具有延展性，能与热水反应放出氢气，燃烧时能产生眩目的白光，在空气中，镁的表面会生成一层很薄的氧化膜，使空气很难与它反应。

化学性质

具有比较强的还原性，能与沸水反应放出氢气，燃烧时能产生眩目的白光，镁与氟化物、氢氟酸和铬酸不发生作用，也不受苛性碱侵蚀，但极易溶解于有机和无机酸中，镁能直接与氮、硫和卤素等化合，包括烃、醛、醇、酚、胺、脂和大多数油类在内的有机化学药品与镁仅仅轻微地或者根本不起作用。但和卤代烃在无水的条件下反应却较为剧烈（生成格氏试剂）镁能和二氧化碳发生燃烧反应，因此镁燃烧不能用二氧化碳灭火器灭火。镁由于能和N₂和O2反应，所以镁在空气中燃烧时，剧烈燃烧发出耀眼白光，放热，生成白色固体。在食醋中的变化为快速冒出气泡，浮在醋液面上，逐渐消失。一些烟花和照明弹里都含有镁粉，就是利用了镁在空气中燃烧能发出耀眼的白光的性质。

镁的发现

第一个确认镁是一种元素的是Joseph Black，在爱丁堡（英国）于1755年。他辨别了石灰（氧化钙，CaO）中的苦土（氧化镁，MgO），然而两者各自都是由加热类似于碳酸盐岩，菱镁矿和石灰石来制取。另一种镁矿石叫做海泡石（硅酸镁），于1799年由Thomas Henry报告，他说这种矿石更多的用于制作烟斗，在土耳其。

不纯净的镁金属在1792年由Anton Rupprecht首次制取，他加热苦土和木炭的混合物。纯净但非常小量的金属镁在1808年由Humphry Davy电解氧化镁制取。然而，是法国科学家Antoine-Alexandre-Brutus Bussy使用氯化钠和钾反应制取了相当大量的金属镁于1831年，之后他开始研究它的特性。

制备方法

目前镁冶炼的方法主要有两种：一是从尖晶石、卤水或海水中将含有氯化镁的溶液经脱水或焙融氯化镁熔体,之后进行电解，此法称为电解法；二是用硅铁对从碳酸盐矿石中经煅烧产生的氧化镁进行热还原，此法称为热还原法（又称皮江法）。

（一）电解法

电解法炼镁的原理是在高温下电解熔融的无水氯化镁,使之分解成金属镁和氯气。高温情况下水对熔盐性质的影响是致命的，因此，高纯度的无水氯化镁是电解法制镁关键所在。依据所用原料及处理原料的方法不同,电解法炼镁又可细分为以下几种具体的方法：道乌法、光卤石法、氧化镁氯化法、AMC法、诺斯克法。

电解法因为其生产工艺先进,能耗较低的优点,是一种极具发展前景的炼镁方法。目前，发达国家80%以上的金属镁是通过电解法生产。

以菱镁矿为原料，用熔盐电解法炼镁生产金属镁的方法。采用菱镁矿为原料不仅能为电解提供优质的炼镁原料，而且还能利用电解镁副产的氯气。

海水提镁，氯化镁可以从海水中提取，每立方英里海水含有约120亿磅镁。

（二）热还原法

热还原法是我国生产金属镁的重要方法，因为热还原法炼镁工艺流程短、投资少、建厂快、成本较低，但是熔炼技术比较落后、生产过程中资源能源消耗比较大，污染比较严重。

热还原法炼镁的实质是在高温和真空条件下,有氧化钙存在时,通过硅(或铝)还原氧化镁生成镁蒸气,与反应生成的固体硅酸二钙(2CaO·SiO2)相互分离,并经冷凝得到结晶镁。该工艺过程可分为白云石煅烧、原料制备、还原和精炼四个阶段。

基本用途

（一）原镁的应用

原镁的应用主要集中在镁合金生产，炼钢脱硫，还用在稀土合金、金属还原、腐蚀保护及其他领域。很多钢厂都采用镁脱硫，使用镁粒的脱硫效果比碳化钙好；使用镁牺牲阳极进行阴极保护，是一种有效的防止金属腐蚀的方法，镁牺牲阳极广泛用于石油管道、天燃气、煤气管道和储罐、冶炼厂、加油站的腐蚀防护以及热水器、换热器、蒸发器、锅炉等设备。

（二）镁合金的应用

镁合金具有良好的轻量性，切削性，耐蚀性，减震性，尺寸稳定和耐冲击性，远远优质于其他材料。这些特性使得镁合金在广泛领域都有应用，比如交通运输领域，电子工业，医疗领域，军事工业等，这种趋势只增不减。尤其在3C产品（计算机类Computer、消费类电子产品Consumer Electronic Product、通讯类Communication）、高铁、汽车、自行车、航空航天、建筑装饰、手持工具、医疗康复器械等领域应用前景好、潜力大，已经成为未来新型材料的发展方向之一。工信部在指定“十二五”期间支持发展的400多种新材料目录中，与镁相关的就有12个。

应用领域

（一）交通运输

1.汽车

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、发动机缸体、框架等零部件上。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。通常汽车自重每减轻10%，燃油效率可提高5.5%，废气排放相应减少。随着技术的发展，镁合金在汽车领域的应用范围会更广。

2.高速列车

凭借着速度快、能耗低、环境舒适的设计特点，高铁在现代运输手段中占据着极其重要的位置。为了保证这些方面特性的优化，列车轻量化是非常必要的技术，镁合金自然担起了这份重任。目前，法国、日本、中国等多个国家的高铁，已经在大量使用镁合金制作零部件，成为了高速列车轻量化的关键材料。

3.摩托车、自行车

我国是摩托车、自行车生产消费大国，使用镁合金部件不仅能减轻车身重量，提高整车加速制动性能，还能降低能耗，提升操控灵敏度和舒适性。在自行车应用方面跟不必多讲，非常火爆的共享单车，为了减轻车身重量，大量使用了镁合金部件。

（二）航空航天

从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。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。

（三）军工

军事装备中使用镁合金可以提高结构件强度，减轻装备重量，提高武器命中率。同时，镁合金能够满足航空航天等高科技领域对材料吸噪、减震、防辐射的要求，明显改善飞行器的气体动力学性能和减轻结构重量。因而在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时，经常使用镁合金，同时，镁合金也被用于制造一些军事装备，例如掩体支架、迫击炮底、歼击机、轰炸机、直升机、运输机、地空导弹、人造卫星、飞船上等等均选用了镁合金构件。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。

（四）电子通信

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。

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。以笔记本电脑、手机和数码相机为代表的3C 产品朝着轻、薄、短、小方向发展的推动下，镁合金的应用得到了持续增长。

（五）医疗

在医疗领域，镁首先被作为整形外科生物材料进入，因其很多的特点和属性，使镁植入物及类似应用程序成为非常具有吸引力的选择。早期，不锈钢、钛合金和钴铬合金等用于医用植入金属材料，其优势在于其良好的耐腐蚀性，可在体内长期保持整体的结构稳定。然而，植入这些金属材料后经过一段时间后，会让许多患者痛苦不已。因为这些材料无法与身体融合，有害金属离子溶出，引发人体过敏，病愈后需通过二次手术将其取出。

因此，能够生物降解的医用金属材料就成为植入材料未来的研究与发展方向，而与人体骨骼密度最为接近的镁合金有着独特的优势（镁合金密度约为1.7g/cm³、人体骨骼密度约为1.75 g/cm³）。

镁合金容易加工成形，并且具有优良的综合力学性能以及独特的生物降解功能，而镁又是人体所必需的宏量金属元素之一，因此镁合金是医用金属材料的不二选择。镁合金的弹性模量约为45GPa，也接近于人体骨骼（10~40GPa），能有效缓解甚至避免“应力遮挡效应”；镁合金在人体中释放出的镁离子还可促进骨细胞的增殖及分化，促进骨骼的生长和愈合。不仅如此，镁合金的加工性能远优于聚乳酸、磷酸钙等其他类型可降解植入材料，因此其在心血管支架方面也具有临床应用价值。

（六）化学化工领域

使用镁牺牲阳极进行阴极保护，是一种有效的防止金属腐蚀的方法，镁牺牲阳极广泛用于石油管道、天燃气、煤气管道和储罐、冶炼厂、加油站的腐蚀防护以及热水器、换热器、蒸发器、锅炉等设备。

（七）其他应用

镁合金的优势在于轻便，强度高，在我们生活中其他领域也应用广泛，比如新兴的应用于建筑行业“以镁代木”的模板，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，选用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。另外，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、定时装置等。应用领域数不胜数，在我们的生活中扮演着重要的角色。

镁合金的新进展

（一）耐热镁合金

耐热性差是阻碍镁合金广泛应用的主要原因之一，当温度升高时，它的强度和抗蠕变性能大幅度下降，使它难以作为关键零件（如发动机零件）材料在汽车等工业中得到更广泛的应用。己开发的耐热镁合金中所采用的合金元素主要有稀土元素（RE）和硅（Si）。稀土是用来提高镁合金耐热性能的重要元素。

含稀土的镁合金QE22 和WE54 具有与铝合金相当的高温强度，但是稀土合金的高成本是其被广泛应用的一大阻碍。

（二）耐蚀镁合金

镁合金的耐蚀性问题可通过两个方面来解决：一是严格限制镁合金中的Fe、Cu、Ni 等杂质元素的含量。例如，高纯AZ91HP 镁合金在盐雾试验中的耐蚀性大约是AZ91C 的100 倍，超过了压铸铝合金A380，比低碳钢还好得多。二是对镁合金进行表面处理。根据不同的耐蚀性要求，可选择化学表面处理、阳极氧化处理、有机物涂覆、电镀、化学镀、热喷涂等方法处理。例如，经化学镀的镁合金，其耐蚀性超过了不锈钢。

（三）阻燃镁合金

镁合金在熔炼浇铸过程中容易发生剧烈的氧化燃烷。实践证明，熔剂保护法和SF6、SO2、CO2、Ar 等气体保护法是行之有效的阻燃方法，但它们在应用中会产生严重的环境污染，并使得合金性能降低，设备投资增大。纯镁中加钙能够大大提高镁液的抗氧化燃烧能力，但是由于添加大量钙会严重恶化镁合金的机械性能，使这一方法无法应用于生产实践。铰可以阻止镁合金进一步氧化，但是铰含量过高时，会引起晶粒粗化和增大热裂倾向。

（四）高强高韧镁合金

现有镁合金的常温强度和塑韧性均有待进一步提高。在Mg-Zn 和Mg-Y合金中加人Ca、Zr 可显著细化晶粒，提高其抗拉强度和屈服强度；加人Ag 和Th 能够提高Mg-RE-Zr 合金的力学性能，如含Ag 的QE22A 合金具有高室温拉伸性能和抗蠕变性能，已广泛用作飞机、导弹的优质铸件；通过快速凝固粉末冶金、高挤压比及等通道角挤等方法，可使镁合金的晶粒处理得很细，从而获得高强度、高塑性甚至超塑性。

（五）镁合金成形技术

镁合金成形分为变形和铸造两种方法，当前主要使用铸造成形工艺。压铸是应用最广的镁合金成形方法。近年来发展起来的镁合金压铸新技术有真空压铸和充氧压铸，前者已成功生产出AM60B 镁合金汽车轮毅和方向盘，后者也己开始用于生产汽车上的镁合金零件。

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