深閨待嫁鎂合金（上）

作者簡介：

柯偉，中國工程院院士、中國科學院金屬研究所研究員，曾任中國腐蝕與防護學會理事長。1957年畢業于北京鋼鐵學院金屬學及熱處理專業。1979-1982年英國國家物理實驗室訪問學者。他多年從事耐蝕合金和環境敏感斷裂研究，曾主持國家自然科學基金“十五”重大項目《材料自然環境腐蝕規律和行為預測》以及石油石化、航空航天、核電安全、海洋工程等領域中有關材料失效方面的研究。

內容提要

本文介紹了中國鎂資源和鎂產業發展概況、鎂合金的主要特點及其規模化應用的曲折歷史；討論了鎂合金研發及產業化過程中的重要科學技術問題和研發應用的實例。作者指出，鎂合金作為結構材料的潛力尚未充分研發出來。在充分認識材料特性和環境條件的基礎上，鎂合金在宇航、交通、信息、裝備制造業、日常生活和生物醫用中都有良好的應用前景，在一些情況下，其作用是不可替代的。中國有條件由鎂資源大國發展成為鎂產業的強國，為此需要調整鎂產業結構，擴大鎂合金研發與應用研究。當前，大型、薄壁高強度鎂合金鑄件、鎂合金變形材的研發、防腐蝕技術的改進、產品設計理念的變更和基礎數據積累是鎂合金實現產業化的短板，需要重點配置研發力量。

一、引言

材料是人類用來制造生活設施和生產工具并賴以生存和發展的重要物質基礎。社會文明的發展就曾以各個歷史階段所使用的主導材料來命名，例如石器時代、青銅時代以及鐵器時代等等。

我們可以按生產和應用的成熟程度把材料劃分為傳統材料和新型材料。例如，鋼、鋁、銅、水泥、木材、玻璃和陶瓷等都是多年來構筑基礎設施和制造機械裝備的傳統材料，而工程塑料、碳纖維、復合材料、增韌陶瓷、高溫合金和鈦合金等可歸類為新型材料。新型材料用量雖不及傳統材料，但往往卻成為現代高端技術賴以實現的重要條件，例如不銹鋼就是發展大型化肥工業的基礎，而鈦合金和高溫合金則是制約航空發動機性能的關鍵因素。

21世紀人類對金屬結構材料提出了新的要求：新材料的研發不但要能夠適應高技術發展，滿足人類高質量生活的需求，而且要求資源豐富、高效能、低能耗、容易回收，有利于可持續發展；必須能夠滿足未來日漸苛刻的環保法規要求才能順利進入市場和應用。

鎂合金有很多特點恰好滿足上述需求，有很好的發展潛力和應用前景。因此被譽為“21世紀的綠色工程材料”[1，2]。

地殼中鎂含量豐富，約為2.4%，在金屬元素中僅次于Al和Fe居于第三位。鎂是一種銀白色堿土金屬，原子序數12，化學性質非常活潑，所以通常以化合物的形式存在于自然界中。在已知礦物中，含鎂礦物約200多種，其中有工業應用價值的含鎂礦物有菱鎂礦MgCO3、含Mg28%，白云石（MgCO3·CaCO3） 含Mg13.2%，光

燒彈、照明彈、曳光彈以及陸用軍車和飛機等等。例如：B36轟炸機用鎂量達到8600kg，見圖5。1943年世界鎂產量達到23萬噸，當時美國鎂產量達到18萬噸，產能擴大了10倍。戰后1946年又回到2.5萬噸。此后，世界各國開始考慮鎂合金在民用工業的研發和應用，其用量逐漸上升。

1970年的石油危機，為鎂合金在汽車行業擴大應用帶來了新的契機。因為汽車重量每降低100kg，每公里油耗可減少7毫升，節約5%燃料；汽車自重減輕10%，燃油效率就可以可提高5.5%。這使鎂合金在汽車工業中的應用再次受到重視。

近20多年來，人們節能和環保意識進一步增強， 汽車輕量化需求日益迫切。例如，歐洲2008年轎車C O2排放量上限規定為140g/km，2012年為120g/km；歐洲2010年目標要求汽車降低燃料消耗25% ， 實現CO2排放下降30%。通過擴大鎂合金用量是實現減重這一目標的重要選項，全球再次掀起了鎂合金研發與應用的熱潮。以AudA6為例，目前單車用鎂量14.2kg， 未來目標是50-80kg[14]。

1980年全球原鎂產量達到了32萬噸，到2012年已增加到69.83萬噸[9]。十分明顯，鎂合金正日漸擴大其應用范圍。總體來看，形成這種趨勢的驅動力主要來源于經濟和國防需求，技術瓶頸的突破為降低成本和提高服役的可靠性提供了必要的支撐。