摘 要

简 介

资源和能源短缺是制约全球经济发展的重要问题。目前，许多金属矿产资源已经枯竭，如铁、铝、锂等。金属镁是地球上储量最丰富的元素之一，在地球地壳中的含量位列第七位，在常用金属中排名第四。如图1所示，金属镁行业产业链的上游环节主要是自然界中含镁原料的生产及提纯；中游环节是将原镁进行加工处理以待实际应用，例如镁合金、冶金添加原料(铝合金、稀土合金、炼钢脱硫、金属冶炼还原剂等)、镁肥、镁砂等；下游主要为应用环节，以镁合金为例，主要应用领域有汽车、3C(计算机、通信和消费电子产品)行业、航空航天、军工、医疗器械等。 

图1 金属镁行业产业链

我国具有丰富的镁矿资源，占世界镁矿资源的70%以上，其中目前已探明的可开采白云石镁矿超过200亿t，菱镁矿超过30亿t，盐湖氯化镁储量40亿t，可以开采千年以上。此外，海水中也含有丰富的镁资源。对镁资源的开发与利用是实现可持续发展战略的重要途径。我国镁及镁合金的产量已连续10多年位居世界第一(图2)，其中2021年中国的原镁供应量占世界总供应量近90%。国内已形成以南京云海、陕西榆林和山西运城等为代表的原镁产业集群，以及以重庆博奥镁铝、山西闻喜银光镁业集团、浙江万丰、上海镁镁、嘉瑞集团、天津东义、北京广灵等为代表的镁合金深加工产业集群。

图2 全球和中国原镁产量：(a)1998年至今全球和中国的原镁供应量；(b)2021年主要国家供应量占比图

镁自身也具备许多优良的性能，室温下纯镁的密度仅为1.74 g/cm3，具有高比强度、高比模量、高阻尼、电磁屏蔽以及优异的铸造、切削加工性能和易回收等优点，在汽车、轨道交通、3C电子、航空航天、国防等领域具有重要的应用价值和广阔的应用前景，被誉为“21世纪绿色工程材料”[6,8-11]。党的二十大报告强调，我国需要积极稳妥推进碳达峰、碳中和，加快推动产业结构、能源结构、交通运输结构等调整优化。在碳达峰、碳中和背景下，镁材料的发展应用潜力巨大。

作为结构材料在汽车行业使用是镁合金的主要消费方向，同时，随着3C行业的迅速发展，用户对轻薄兼具良好散热性、阻尼减振和电磁屏蔽等性能的追求让镁合金在3C行业的需求迅速增长。

本文将侧重于镁合金在结构材料方向的应用进展，对镁合金在汽车、3C、航空航天等领域的应用进行简要介绍，同时梳理了目前镁产业存在的主要问题及未来发展方向。

一、国内外镁合金的产业现状

自2000年起，我国政府、科技界和企业界开始高度重视镁产业发展，2011年以师昌绪为代表的五位院士发表了《加速我国金属镁工业发展的建议》。国家科技部、工信部、发改委等在镁合金应用开发及产业化方面进行了总体战略部署，初步建立了从镁合金技术研发到产业化的技术研发体系，掌握了一批前沿核心技术和产业化关键技术，在全国建成了一批产业化示范基地。全国很多省市，特别是中西部地区，积极争取国家支持，以占领金属镁工业高地，并形成新的经济增长点及支柱产业。2003年以来，我国一直是世界上最大的原镁生产国与出口国。大力推进镁合金工业化应用，不仅是结构材料轻量化、保护环境的重要举措，也是充分利用我国丰富的资源、缓解对铁铝矿资源进口依赖的重要举措，特别是在复杂多变的国际形势下具有极其重要的战略意义。

图3 《加速我国金属镁工业发展的建议》原文中英文摘要

我国政府高度重视镁及镁合金的研发与应用，极大地推动了世界镁合金材料及其应用的发展。自2000年起，国家科技部、发改委、工信部等部门分别启动了“交通工具用镁合金零部件生产及应用共性关键技术研究开发及产业化”“高性能镁合金的研制和应用”等一批国家级科技项目和国际合作项目，在新型高强度镁合金材料、镁合金压铸技术、镁合金轧制和挤压加工技术、镁合金连接技术等方面取得了重要进展，为镁合金材料在汽车上的进一步应用打下了坚实的基础。一些非结构和非耐热的壳体类零部件，如方向盘骨架、电器支架、后窗框、门内框、辅助转动支架等，已开始使用压铸类镁合金，并取得了较好的经济效益和社会效益。

图4 汽车用镁合金零部件

“十三五”期间，国家科技部在重点研发计划中启动了“轻质高强镁合金集成计算与制备”“大规格高性能镁合金变形加工材制造关键技术”“高性能镁/铝合金高品质铸件制备技术”等项目，重点关注镁合金高通量计算-高通量实验-组织性能预测-工业应用的全链条材料研发新模式、大规格变形镁合金、大型镁合金压铸构件等。

图5 大规格镁合金工业板

“十四五”期间，国家科技部在重点研发计划中启动了“新型结构功能一体化镁合金变形加工材制造关键技术”“高性能镁合金大型铸/锻成形与应用关键技术”“青海盐湖新型镁基材料及前端制造技术”“高强轻质金属结构材料精密注射成形技术”“超高刚度镁基复合材料的集成计算设计与制备”“高性能金属增强镁基复合材料及制备加工技术”等攻关项目，重点关注结构功能一体化变形镁合金、大型铸/锻成形镁合金、轻合金精密注射成形、青海盐湖新型镁基材料、镁基复合材料等。

图6 镁和炭纤维复合材料

美国镁产业的发展起源于20世纪80年代的汽车工业。福特、通用和克莱斯勒等著名汽车公司多年来一直致力于新型镁合金汽车零部件的研发和应用。随着镁合金应用中巨大优势的显现，美国政府开始对此高度关注和重视。1996年，美国能源部与三大汽车集团签署了名为“PNGV”(新一代交通工具)的合作计划，该计划旨在大力促进镁合金的研发和应用。同时，镁合金在汽车行业的带动下，应用范围不断扩大，也逐渐应用于通信、计算机等领域。2004年，美国和加拿大的机构和公司共同设立了汽车用镁合金中长期研究计划。2006年，中国、美国和加拿大联合启动了汽车前端轻量化镁合金联合研发项目，三国共有20多家大学、研究机构和汽车公司参与。同年，北美汽车研究联盟(USCAR)发布了《2020年北美汽车用镁合金及轻量化战略展望》研究报告，该计划由美国能源部支持。USCAR的61个成员单位包括克莱斯勒、福特、通用等汽车公司，以及加拿大资源部、北美材料和零部件供应商、大学和研究机构。

图7 汽车轻量化镁合金压铸件

加拿大的镁资源丰富，镁产业发展较为成熟。早在1941年，哈雷镁厂(现名蒂明科公司)就已建成，是世界上历史最长、规模最大的皮江法镁厂之一。加拿大拥有技术世界领先的贝坎库尔镁厂，以及镁生产与加工领域最大的玛瑞丁公司，其产品应用到许多发达国家的汽车制造中。政府还成立了镁研究中心，致力于优化设计、工艺和材质，开发具有优良性能的镁合金汽车零部件。加拿大的镁合金开发应用得到了突飞猛进的发展，如2012年，Magna公司率先采用薄板热成型技术开发出了汽车车门内板。2020年，加拿大联合镁业公司开始建设高附加值的镁锭生产厂。2023年，联合镁业和Triple M金属公司宣布建立战略伙伴关系，支持联合镁业的金属镁回收，同时也扩大Triple M金属公司对客户的产品供应和服务。

图8 第80届世界镁业大会在加拿大卡尔加里举行

德国汽车产业也非常重视镁合金的开发与应用。宝马、奥迪、沃尔沃等汽车巨头正着手解决钢-镁合金混合车身结构的设计问题，同时发展了等温精密成形、等温挤-锻复合成形等镁合金零部件成形新技术，并将数值模拟仿真技术和数控技术等先进手段用于成形工艺和模具加工，以确保零部件成形尺寸精度和产品合格率。

图9 车身座舱笼形结构材料

日本在20世纪80年代末开发出先进的镁合金低压金属型铸造装置，为镁合金的开发应用提供了保证，并由此开发了一系列的镁合金产品。随后日本还开发出多种吨位的压铸机，为大型镁合金零部件提供了生产手段。由教育、科学、运动和文化厅联合资助日本国内知名高校组织了9个镁合金研究组，瞄准汽车和轨道交通等应用领域，并由熊本大学牵头组织了日本最大的高性能阻燃镁合金基础研究项目。结合耐燃镁合金、加工与连接技术、防腐技术以及大型结构制造技术，日本完成了全镁车身模型设计与制作。

图10 镁合金低压铸造机

韩国浦项制铁开发了镁冶炼技术，并建成大规模的生产工厂。然而，内部和外部因素导致浦项制铁镁锭停产，目前镁锭主要从中国进口。1998年镁部件开始应用于三星笔记本电脑外壳、MP3和CD/DVD播放机。自2000年以来，韩国汽车工业大大增加了镁部件的应用。2002年韩国成功开发镁薄板材料，并于2007年建成一座3 000 t产能的镁板厂，开始商业化生产。韩国还开发了许多其他镁制品，并得到广泛的应用，其中包括高速韩国列车(KTX)的座椅框架和厚板、大型工业机器人手臂框架、自行车框架和LED散热器。虽然韩国的镁工业在不断发展，但由于电子工业的变化，最近有些停滞不前。据预测，由于积极研究开发新的合金，应用先进的加工技术和镁产品，韩国镁市场在未来将继续增长。

图11 笔记本电脑镁合金机身

从世界镁产业发展历程可以看出，镁合金以其巨大的技术和经济优势，正在广阔的领域中不断得到开发和应用。世界发达国家和地区镁产业的发展大多以丰富的镁资源和先进的加工装备为依托，以先进的科技为支撑，以政府、企业、科研部门的大力配合为保障。

二、镁合金加工技术

镁合金加工技术主要包括压铸、挤压、锻造、冷轧、热轧、粉末冶金、3D打印、表面处理等工艺。这些加工技术可以满足不同形状和性能要求的零部件制造和产品生产，广泛应用于汽车、电子、机械、航空、医疗等领域。在加工过程中，需要考虑材料的特性，如熔点低、易氧化、易燃等，同时还需要注意防止镁合金加工过程中产生的火灾和爆炸等安全问题。下面介绍几种主要的镁合金加工技术。

镁合金压铸是一种将液态镁合金注入模具中，通过高压力使其冷却凝固成型的成形技术。具体来说，该技术包括以下步骤：

准备模具：根据零件的形状和尺寸设计制作合适的压铸模具。

加热熔融：将镁合金加热熔融至液体状态。 

压铸成形：将熔融的镁合金喷射入预热好的模腔中，通过高压力使其充满整个模腔，并迅速冷却凝固成型。

脱模清理：待成型的零件在模具中冷却一定时间后，取出并清理去除表面上的余料、毛刺等不良物。 

热处理：对于需要增加强度、硬度等性能的零件，可通过热处理工艺进行处理。 

检验、修整：对成型的零件进行检验，如有缺陷可进行修整或返工。

图12 镁合金压铸件

镁合金压铸具有生产效率高、生产成本低、产品密度高、性能稳定等优点，因此在汽车、电子、航空航天等领域有广泛的应用。压铸是制造镁合金制品的重要工艺之一，也是目前应用最广泛的一种加工技术。据统计，全球镁合金生产中90%以上采用压铸工艺。因此可以说，压铸镁合金占据了镁合金制品总量的相当大比例。

镁合金挤压成形技术是指通过在高温下将镁合金棒料塑性变形，将其挤压成所需形状和尺寸的毛坯，然后经后续加工制造成零件或产品的技术。镁合金挤压成形技术通常包括以下步骤：

前处理：包括切割、锯切、修剪等操作，以准备金属坯料进行挤压成形。

加热：将金属坯料放入加热炉中进行预热和均热，使金属坯料达到适合挤压的温度。 

模具准备：将挤压模具进行清洁、涂抹隔离剂、安装等准备工作，确保模具在挤压过程中不会出现卡死、损坏等问题。 

挤压：将预热的金属坯料置于挤压机上，并施加压力挤压金属坯料，使其通过模具形成所需的截面形状。

后处理：包括切割、去毛刺、去掉挤出头、清洗等操作，以得到最终的零件或产品。

图13 镁合金挤压模具

该技术通常采用半固态挤压或热挤压工艺，具有成形能力强、生产效率高、精度高等优点，被广泛应用于制造航空航天、汽车、电子设备等领域的高强度、轻量化零部件和产品。

镁合金锻造是一种利用压力将金属材料变形成形的加工方法，可以生产出各种形状的金属零件。其步骤包括：

加热：将镁合金加热到一定的温度，通常是在400~500 ℃的温度范围内，以提高材料的塑性和变形能力。

锻造：将预热好的镁合金钢坯放入锻压机中，在加热条件下进行锤打、压制、挤压等操作，使钢坯变形成所需的形状。

热处理：对锻造好的镁合金零件进行热处理，包括固溶处理和时效处理，以提高材料的力学性能。

机加工：对热处理后的镁合金零件进行机加工，包括铣削、车削、钻孔、磨削等操作，以得到最终的产品形态和尺寸。

图14 镁合金锻造轮毂

镁合金锻件具有高强度、高韧性、高耐热性和轻量化等特点。需要注意的是，因为大多数镁合金的塑性较差，容易发生表面裂纹等问题，所以在锻造过程中需要控制加热温度、锻造速度和锻造工艺等因素，以保证产品的质量和稳定性。

镁合金轧制是一种将镁合金板材通过连续轧制变形成形的加工工艺，根据板坯的温度分为热轧和冷轧。该技术通常包括以下步骤：

板材准备：将熔炼的镁合金浇铸成板坯，然后经过加热、氧化皮去除、平整等步骤，使板坯达到适宜的加工状态。

轧制：热轧一般需要将板坯加热到一定温度，然后通过轧机的辊压制，使板材进行塑性变形并延长。该步骤通常需要多次轧制，以获得所需的厚度和形状。将轧制的板材进行进一步的变形和压制，以获得更高的表面质量和更加精确的尺寸。 

后处理：包括退火、表面处理、切割等步骤，以改善材料的性能和适应不同的应用场合。

图15 镁合金热轧宽幅镁板

镁合金轧制成形技术具有高效、节能、环保等优点，适用于生产各种用途的板材、带材、薄壁管等材料。 

镁合金粉末冶金技术是一种将金属粉末压制成形，然后通过烧结等方法烧结成零件的技术方法，用于制备高性能、复杂形状的镁合金零件。具体步骤包括： 

原料准备：选择合适的镁合金粉末，根据需要添加合适的添加剂和粉末润滑剂。

混合：将不同的粉末按一定比例混合均匀。 

压制：将混合后的粉末放入压制模具中，施加高压力将其压制成所需形状。 

脱模：将压制好的零件从模具中取出。 

烘干：将脱模后的零件在烘箱中烘干，去除水分。 

烧结：将烘干后的零件在高温炉中进行烧结，使其粒子间结合得更紧密，形成致密的零件。 

图16 粉末冶金技术零件

粉末冶金技术可以制备出形状复杂、密度均匀、性能优异的零件，还可以节约成本、减少废料等，在航空航天、汽车、电子等领域都有广泛应用。

镁合金3D打印技术是一种新兴的加工技术，它利用计算机辅助设计软件将三维模型转化为可打印的文件，使用激光或电子束等技术，将粉末状的镁合金材料层层熔融成型，制成各种复杂形状的零部件。该技术的优点包括可以实现自由曲面的打印、减少原材料浪费、可以制造出更复杂的几何形状，以及可以快速生产小批量和定制化的产品，例如航空航天领域中的发动机零件、医疗设备中的骨骼支架以及汽车行业中的车身结构件等。

图17 3D打印镁合金

镁合金表面处理技术旨在改善镁合金的表面质量、提高其表面性能、增加使用寿命和装饰效果。一般情况下，镁合金的表面处理分为机械处理和化学处理两大类。其中，机械处理主要包括抛光、喷砂等方法，可以消除表面缺陷，增强材料的表面光洁度。化学处理包括阳极氧化、化学镀、电镀、喷涂等方法，可以改善镁合金表面的耐磨、耐腐蚀等性能，同时还可以增加其表面装饰效果。另外，还有一些新型表面处理技术，如激光处理、等离子体喷涂等，也能够有效地提高镁合金的表面质量和性能。

图18 镁合金的表面处理技术