第二章鎂及鎂合金

第二章鎂及鎂合金MagnesiumAlloy2.1概述2.2純鎂2.3鎂的合金化原理2.4變形鎂合金2.5鑄造鎂合金2.6鎂合金的應(yīng)用2.1概述Mg是地殼中蘊(yùn)藏量較多的金屬元素之一，大約為2.1%，僅次于Al和Fe而位居第三。主要以以下幾種方式存在：白云石：dolomite(CaMg(CO3)2)菱鎂礦：magnesite(MgCO3)光鹵石：Carnallite(KMgCl3.6H2O).另外，還有大量的Mg儲(chǔ)存在海水中。dolomite白云石Magnesite菱鎂礦Carnallite光鹵石鎂的來源

1755年：英國(guó)D.BLACK正式確定鎂的存在。

1808年，英國(guó)H.DAVY用鉀還原氧化鎂，制得鎂。

1886年：德國(guó)將鎂應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

1909年：德國(guó)生產(chǎn)出鎂合金鑄件。

1916年：美國(guó)道屋化學(xué)公司開始生產(chǎn)電解鎂。

1927～1930年：德國(guó)生產(chǎn)的汽車平均每輛用73.8公斤鎂合金。

1936～1940年：德國(guó)大眾汽車（巴西）公司在“甲殼蟲”汽車上累計(jì)用了4萬噸鎂合金（曲軸箱、傳動(dòng)箱殼體）。

1948～1962年：美國(guó)采用熱室壓鑄機(jī)生產(chǎn)了數(shù)百萬件汽車鎂壓鑄件。

20世紀(jì)70年代：鎂合金材料價(jià)格上揚(yáng)，應(yīng)用受阻。

20世紀(jì)80年代：汽車輕量化，鎂壓鑄件應(yīng)用增加。

20世紀(jì)90年代中期：原鎂產(chǎn)量大增，價(jià)格和鋁相近，壓鑄工藝技術(shù)設(shè)備完善，鎂應(yīng)用進(jìn)入成熟階段，發(fā)展速度空前。

1991年：全球汽車用鎂壓鑄件2.5萬噸。

1995年：全球汽車用鎂壓鑄件5.6萬噸。

2000年：全球汽車用鎂壓鑄件近15萬噸，占全球鎂壓鑄件的80%。

2005年：全球鎂壓鑄件比上年增長(zhǎng)8%。鎂的發(fā)展過程我國(guó)鎂合金壓鑄件應(yīng)用進(jìn)展

20世紀(jì)50年代，鎂合金壓鑄件用于制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。

20世紀(jì)70年初，應(yīng)用于風(fēng)動(dòng)工具。

20世紀(jì)80年代，桑塔納汽車變速器上下殼體用鎂合金壓鑄件。2010年鎂產(chǎn)量達(dá)到50萬噸。

純鎂的特性鎂為密排六方結(jié)構(gòu)。熔點(diǎn)648.9℃。25℃時(shí)晶格常數(shù)為：a=0.3202nm，c=0.5199nm；c/a=1.6237。密度低，常用結(jié)構(gòu)材料中最輕的金屬：

20℃時(shí)密度1.738g/cm3。體積熱容比其他金屬都低：

20℃時(shí)的體積熱容為1781J/(dm3·K)，鋁：2430鐵：3521

銅：3459鈦：2394

鋅：2727鎳：4192鎂及其合金是加熱升溫與散熱降溫都比其他金屬快。2.2純鎂化學(xué)活性高：

潮濕大氣、海水、無機(jī)酸及其鹽類、有機(jī)酸、甲醇等介質(zhì)中均會(huì)引起劇烈的腐蝕。室溫下，鎂表面與大氣中氧作用，形成氧化鎂薄膜，但薄膜較脆，也不像氧化鋁薄膜那樣致密，故其耐蝕性很差。室溫強(qiáng)度低、塑性差：

純鎂單晶體臨界切應(yīng)力為4.8MPa左右，其多晶體的強(qiáng)度和硬度很低，不能直接用做結(jié)構(gòu)材料。

加工狀態(tài)σb／MPaσs／MPaE/GPaε(％)ψ(％)HBS鑄態(tài)11.52.5458930變形狀態(tài)20.09.04511.512.536牌號(hào)純鎂牌號(hào)及化學(xué)成份Mg≥雜質(zhì)元素不大于%FeSiNiCuAlMnClTiPbZn其它

單個(gè)

雜質(zhì)Mg999899.980.0020.0030.00050.00050.0040.0020.0020.0010.001—0.005Mg999599.950.0030.010.0010.0020.010.010.003——0.010.005

Mg999099.900.040.020.0010.0040.020.030.005——

0.01Mg998099.800.050.030.0020.020.050.050.005——

0.02.3鎂的合金化原理2.3.1合金化元素鎂合金中常用的合金化元素有鋁、鋅、錳、鋯、鋰、釷和稀土元素等，合金化元素與鎂隨溫度不同構(gòu)成多種類型的鎂合金相，

鎂合金的性能與合金化后所形成的鎂合金相密切相關(guān)。它們?cè)阪V合金有固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化等作用。合金元素的類型：包晶反應(yīng)類元素：

Zr(3.8%)，Mn(3.4%)：細(xì)化晶粒、凈化合金、提高抗蝕性和耐熱性。共晶反應(yīng)類元素：Ag(15.5%)，Al(12.7%)，Zn(8.4%)，Li(5.7%)，Th(4.5%)：如Mg－Al－Zn和Mg－Zn－Zr系合金等。這類元素在Mg中有明顯的溶解度變化，可產(chǎn)生明顯的時(shí)效硬化效應(yīng)。稀土元素(RE）：Y(12.5%)，Nd(3.6%)，La(1.9%)，Ce(0.85%)，Pr(0.5%)，混合RE(以Ce或La為主)。多屬共晶反應(yīng)型元素，共晶溫度比Mg-Al和Mg-Zn高，Mg－RE系的固溶體和稀土化合物耐熱性高，原子擴(kuò)散速度慢，利于抗蠕變，故Mg-RE-Zr和Mg-RE－Mn系合金是耐熱鎂合金，可在150～250℃工作。2.3.2鎂合金的熱處理鎂合金可進(jìn)行退火(T2)、時(shí)效(T1)、淬火(T4)和人工時(shí)效（T6，T61)，規(guī)范和應(yīng)用范圍與鑄造鋁合金基本相同，只是鎂合金的擴(kuò)散速度，淬火敏感性低。鎂合金可用靜止或流動(dòng)的空氣淬火，也有時(shí)用熱水淬火(如T61)，強(qiáng)度比空冷的T6高。絕大多數(shù)鎂合金對(duì)自然時(shí)效不敏感，淬火后在室溫能長(zhǎng)期保持淬火狀態(tài)，即使人工時(shí)效，時(shí)效溫度也要比鋁合金高（達(dá)175-250℃）。鎂合金加熱時(shí)的氧化傾向比鋁合金高，為了防止燃燒，加熱爐應(yīng)保持中性氣氛或通人SO2氣體。2.3.3鎂合金的分類及牌號(hào)鎂合金分類：形變鎂合金和鑄造鎂合金。鎂合金牌號(hào)

形變鎂合金

老牌號(hào)：MB＋順序號(hào)表示

新牌號(hào)：英文字母（兩個(gè)）+數(shù)字（兩個(gè)）+英文字母前面兩個(gè)字母：第一個(gè)字母：含量最大的合金元素；第二字母：含量為第二的合金元素；數(shù)字：表示兩個(gè)主要合金元素的含量：第一個(gè)數(shù)字：第一個(gè)字母代表的合金元素的重量%；第二個(gè)數(shù)字：第二字母代表的合金元素的重量%。最后面的英文字母：標(biāo)識(shí)代號(hào)，用以標(biāo)識(shí)各具體組成元素相異或元素含量有微小差別的不同合金。鑄造鎂合金

牌號(hào)：ZM＋順序號(hào)表示鑄造鎂合金

老牌號(hào)：ZM＋順序號(hào)表示新牌號(hào)：“Z”和基體元素的化學(xué)符號(hào)、主要元素的化學(xué)符號(hào)以及表示合金元素平均含量的百分?jǐn)?shù)組成。例如：ZMgAl8Zn

①②③④⑤①鑄造代碼②基體鎂的元素符號(hào)③鋁的元素符號(hào)④鋁的百分含量⑤鋅的元素符號(hào)

2.4變形鎂合金變形鎂合金按合金元素的種類分為：

Mg-Mn系、Mg-Al-Zn系、Mg-Zn-Zr系和Mg-RE-Zr系等合金系。

1.Mg-Mn系合金

MB1、MB8均屬于該類合金，其含錳量相近，但后者含少量鈰。：加錳可改善合金的抗腐蝕性，加鈰可細(xì)化晶粒，改善力學(xué)性能。鎂錳系合金主要加工成板材、棒材及形狀復(fù)雜的模鍛件。合金雖然強(qiáng)度低，但有良好的耐蝕性能和最好的焊接性能，用來制造受力不大，但要求耐蝕性能高及焊接性能好的零件。MB8合金性能優(yōu)于MBl合金，可代替MBl合金使用。

2.Mg-Al-Zn系合金

以鋁、鋅為主要合金化元素的變形鎂合金，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最早，使用也最為廣泛。主要有MB2、MB3、MB5、MB6、MB7合金。主要特點(diǎn)是強(qiáng)度高，可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，并有良好的鑄造性能。但耐蝕性能較差，屈服強(qiáng)度和耐熱性也不高。鋁和鋅在鎂中都有很大的溶解度，并隨溫度下降而減小。因此，該系合金可熱處理強(qiáng)化，其強(qiáng)化相為γ（Mg17Al12）相、ζ（MgZn）相、或T[Mg22(AlZn)49]相。

合金元素鋁的主要作用是使合金具有較好的熱處理強(qiáng)化效果，提高合金的室溫強(qiáng)度。鋅也能提高合金的強(qiáng)度，在含量適當(dāng)時(shí)，能改善合金的塑性，對(duì)提高耐蝕性也有一定好處，但鋅能增加鑄造時(shí)疏松和形成熱裂紋的傾向。鎂鋁鋅系合金都含有少量錳，提高合金的耐蝕性。3.Mg-Zn-Zr系合金以鋅、鋯為主要合金化元素的變形鎂合金。主要有MB15、MB21、MB25。鋅是合金的主要強(qiáng)化元素，其強(qiáng)化相為MgZn化合物；合金中添加鋯能顯著細(xì)化晶粒提高強(qiáng)度，鋯對(duì)改善合金的耐蝕性和耐熱性均有一定作用。具有較高拉伸與壓縮屈服強(qiáng)度、高溫瞬時(shí)強(qiáng)度，及良好的成形和焊接性能，但塑性中等。主要用于制造飛機(jī)長(zhǎng)桁、操作系統(tǒng)的搖臂、支座等。4.Mg-Li系合金是一種新型的鎂合金，它密度小，強(qiáng)度高，塑性、韌性好，焊接性好，缺口敏感性低，在航空、航天工業(yè)中具有良好的應(yīng)用前景。2.5鑄造鎂合金鑄造鎂合金主要包括：Mg－Al鑄造合金Mg－Al-Zn鑄造合金Mg－Zn鑄造合金和Mg－Zn－Cu鑄造合金Mg－Zn－Zr鑄造合金和Mg－RE－Zn－Zr鑄造合金高溫鑄造鎂合金鑄造鎂合金的化學(xué)成分Mg-Zn-Zr系：ZM1、ZM7Mg-Al-Zn系：ZM5、ZM10，較高的強(qiáng)度，良好的塑性和鑄造性能，耐熱性較差，用于制造150℃以下工作的飛機(jī)、導(dǎo)彈、發(fā)動(dòng)機(jī)中承受較高載荷的結(jié)構(gòu)件或殼體。Mg-RE-Zr系：ZM2、ZM3、ZM4、ZM6、ZM8。良好鑄造性能、常溫強(qiáng)度和塑性較低、耐熱性較高，主要用于制造250℃以下工作的高氣密零件。鑄造鎂合金中合金元素含量高于變形鎂合金，以保證金屬液體具有較低的熔點(diǎn)、較高的流動(dòng)性和較少的縮松缺陷等。還需熱處理強(qiáng)化的鑄造鎂合金，所加入的合金元素在鎂基體中具有較高的固溶度，而且這一固溶度還會(huì)隨著溫度的改變而發(fā)生明顯的變化，并在時(shí)效過程中能夠形成強(qiáng)化效果顯著的第二相。鋁在α－Mg中的固溶度在室溫時(shí)大約只有2％，升至共晶溫度436℃時(shí)則高達(dá)12.7％，因此壓鑄AZ91HP合金具備了一定的時(shí)效強(qiáng)化能力，其強(qiáng)度可通過固溶和時(shí)效的方法得到進(jìn)一步的提高。2.6鎂合金的應(yīng)用※汽車、摩托車、飛