镁及镁合金

第六章镁及镁合金一、镁合金特点二、镁合金的种类与牌号三、镁的合金化原理四、铸造镁合金五、变形镁合金六、镁合金的新进展•纯镁的密度最小，只有1.74g/cm3,是工业用金属中最轻的一种•比强度、比刚度、抗冲击性较铝合金高，抗震能力强，用于导弹、卫星、装甲车部件。•纯镁熔点650±1℃，熔化时极易氧化、燃烧，需用干燥剂覆盖•在工业金属中是电化学顺序排在最后，具有很高的化学活泼性。•耐蚀性低，室温下形成氧化镁薄膜很脆，在潮湿大气、稀释介质中耐蚀性均比铝合金低，工件需要表面涂层或氧化处理•在碱类、石油、液体燃料中有高的耐蚀性一、镁合金特点•具有密排六方点阵结构，滑移系统少，塑性变形能力比铝差•高于225℃滑移系增加，多数镁合金采用热加工，各向异性明显，板材采用交叉轧制或者调整成分降低各向异性。•镁的弹性模量E小，在外力作用下能产生较大的变形，在冲击载荷作用下，能吸收较大的冲击力，可制造耐冲击载荷的零件。•纯镁的强度不高，大致与铝差不多。•我国原镁产量超过50万吨/年。产能、产量和出口均居世界首位•镁当前在工业上的应用大约50％作为铝合金添加元素，用于钢脱硫和球墨铸铁约18％，用于镁合金压铸件约28％，用作变形镁合金仅l％左右，其余用作化学元素、金属还原、阳极保护、固体燃料、烟花等。过去：照明弹近年：高比强合金，航空航天领域中的应用已成熟。汽车工业是近十几年的事。90年代北美汽车上压铸镁合金用量持续增长，达到15--20%；美国福特公司、通用公司、克莱斯勒公司等用镁合金制造离合器壳体、主传动箱箱体、高速箱箱体、支架、刹车块、方向盘、转向柱架、进气岐管等部件，1996年用镁合金量比1992年增加一倍。国内汽车用镁合金主要为仿制或进口。1990年海湾战争，战斧式巡航导弹基座材料Mg的应用发展历史压铸镁合金的发展速度很快，其中80％以上是用于汽车工业。其次是用于3C(Computers、Communications、Consumerelecfronics)产品，如计算机外壳、手机外壳、电视机壳体和办公用品等压铸镁合金发展变形镁合金的性能明显优于铸造镁合金•镁铸造技术发展，如压铸、流变铸造、触变铸造，镁合金铸造性能良好，促进了铸造镁合金的发展和应用。•必须发展变形镁合金制品——板材、挤压材和锻件，与铸造镁合金产品相比，其强度、塑性、综合力学性能更好、成本更低、更能发挥其性能优势。•潜在应用领域航空、航天和其他高新技术领域。变形镁合金的发展•稀土元素能提高镁合金的耐热性能、抗蠕变性能、耐腐蚀性能，改善工艺性能，含稀土镁合金的研究是开发新型镁合金的一个重要方向。•Mg-Li合金是目前最轻的结构材料，Li加入到一定含量时，可将Mg的密排六方转变为体心立方结构，塑性大幅度提高。Mg-Li合金可时效强化，具备超塑成形性能。•与普通熔铸法相比，快速凝固工程镁合金的抗拉强度、伸长率、屈服强度、耐蚀性等有了显著的提高•镁合金通过成分和工艺的控制，特别是快速凝固镁合金，可具有超塑成形性能，为镁合金加工困难提供了新的技术途径。•镁基合金与陶瓷颗粒有很好的相容性，制成镁基复合材料可提高镁合金的刚度．降低线胀系数，提高强度、耐磨性和蠕变抗力等综合性能，增加了镁合金与其他轻质材料的竞争能力。•一些二元和三元镁合金具有很好的非晶形成能力。生产上的困难：生成MgO绝热，使熔体急剧升温，产生爆炸。二、我国镁合金的种类与牌号•分为铸造合金和变形合金两大类。•我国镁合金牌号表示方法：•1)纯镁----以Mg加数字的形式表示，数字表示Mg的百分含量。•2)镁合金牌号以英文字母加数字再加英文字母的形式表示，•前面的英文字母是其最主要的合金组成元素代号，其后的数字表示最主要的合金组成元素的大致含量。最后面的英文字母为标识代号，用以标识各具体组成元素相异或元素含量有微小差别的不同合金。镁合金牌号元素代号元素代号元素名称元素代号元素名称A铝M锰B铋N镍C铜P铅D镉Q银E稀土R铬F铁S硅G钙T锡H钍W钇K锆Y锑L锂Z锌铸造镁合金锭分九个系列24个牌号（GB/T19078-2003）MgAlZnMn(AZ)、MgAlMn(AM)、MgAlSi(AS)、MgZnCu(ZC)、MgZnZr(ZK)、MgZr(K)、MgZnRE(ZE、EZ)、MgREAgZr(QE、EQ)、MgYREZr(WE)合金抗拉强度/MPa拉伸屈服/MPa压缩屈服/MPa延伸率/%弹性模量/GPa耐蚀性/mg.cm-2.d-1AM60A,B2051151156450.13AS21X12401301309--AS41A,XB2201501504450.25AZ91A,B,D2301501653450.13A380铝合金325160-471-变形镁合金分五个系列23个牌号(GB/T5153-2003)纯Mg、MgAlZnMn(AZ)、MgMn(M)、MgZnZr(ZK)、MgMnRE(ME)合金牌号(美国)名义成分wt.%基本特性AlZnMnZrThLiM11.5可焊、耐蚀、低强度AZ31310.3中强度、可焊、成型性好AZ616.510.3高强度、可焊AZ808.50.50.3高强度ZM2121中强、成型性、阻尼好LA1411.20.214超轻ZK3130.6高强度ZK6160.8高强度HK310.73.2蠕变性能好HM210.82蠕变性能好HZ110.60.60.8蠕变性能好三、镁的合金化原理主要强化手段：固溶强化和时效强化—些有工业意义的元素与镁形成二元合金时可以分为三类。•(1)完全互溶类：Mg-Cd•(2)包晶反应类：Mg-In，Mg-Mn，Mg-Zr，Mg-Ti，Mg-Sc等，此类合金元素加入可以细化晶粒•(3)共晶反应类：Mg-Ag，Mg-Al，Mg-Zn，Mg-Li，Mg-Th，Mg-Sr，Mg-Ce，Mg-La，Mg-Nd，Mg-Y等，共晶反应型元素是主要强化元素合金元素对镁合金力学性能的影响大致可分为三类(1)可同时提高合金强度与塑性的元素按以提高强度为主的作用顺序：Al、Zn、Ca、Ag、Ce、Ga、Ni、Cu、Th等；按以提高塑性为主的作用顺序：Th、Ga、Zn、Ag、Ce、Ca、Al、Ni、Cu等。(2)主要提高塑性而对强度影响很小的元素Cd、Tl、Li等。(3)提高强度而降低塑性的元素Sn、Pb、Bi、sb等最常见的镁的金属间化合物亦可分为三类(1)AB型简单立方，CsCl结构。如MgTi、MgAg和CeMg、SnMg等。可见，Mg可以具有正的或负的化合价。(2)AB2型Laves相，当原子半径之比RA/RB=1.23时，易于形成这种结构的相，如MgCu2、MgZn2、MgNi2等。(3)CaF2型这类化合物为面心立方金属间化合物，如Mg2Si、Mg2Sn等合金元素在Mg中的最大固溶度多为替换式固溶体。按照Hume-Rothery固溶度准则:原子半径差15%,不利于形成替换式固溶体.另：电负性、原子价符合条件的25个元素合金元素mol.%wt.%合金系合金元素mol.%wt.%合金系Al11.612.7共晶Li17.05.5共晶Zn2.46.2共晶Zr1.03.8包晶Mn1.02.2包晶Ca0.821.35共晶Ag3.815共晶Th0.524.75共晶Y3.3512.5共晶Pb、Bi、Cd、In、Tl、Sc、Tn、Tb、Su、Ga、Yb、Sm固溶度大Nd、Ce、Au、Ti约0.1mol.%其它元素Be、Si、Sr、Sb、Sn等也起重要作用Fe、Ni、Cu是有害杂质1.合金元素Al•能提高抗拉强度、屈服强度和硬度，10％时，随着Al含量增加强度和延伸率均逐渐提高。•含量过高时强度急剧下降，(Mg17Al12)增多，在晶界上析出，降低合金抗蠕变性能和耐蚀性能，特别是会弓l起应力腐蚀。•能改善合金的铸造性能，大多数铸造镁合金铝含量较高，但也有较高的显微疏松倾向。•综合铝对多方面性能的影响，兼顾力学性能、铸造性能和耐蚀性能，一般Mg-Al合金中含铝量在8％～9％为宜2.合金元素Zn•能改善合金的铸造性能，有一定固溶强化作用，但没有沉淀强化效果。•Zn和Al一起加入形成Mg-Al-Zn合金，少量的Zn可显著提高Al在Mg中的固溶度，增大合金的固溶强化作用，并提高合金的耐蚀性能。•Zn含量过高时会显著增加合金凝固时的结晶温度间隔，因而产生热裂和疏松倾向，对耐蚀性能也有不良影响。•Mg-Al合金中Zn含量2.5％3.合金元素Mn•Mn1.5％可提高镁合金抗拉强度，但易产生偏析和脆性相，降低合金的塑性和韧性。•Mn主要作用是提高耐蚀性能，因为Fe严重降低Mg耐蚀性，Mn可与Fe形成高熔点化合物，减小Fe的危害。•只须加入微量(约0.15％)即可起到明显的作用。•Mn能细化晶粒，改善焊接性能4.合金元素Ag•常和稀土元素一起加入形成Mg-Ag-RE-Zr合金。•可提高镁合金的高温强度和蠕变抗力，并有良好的铸造性能和焊接性能。•可导致耐蚀性能的降低。5.合金元素Th•提高Mg合金高温强度和抗蠕变能力最有效的元素。•可改善铸造性能，抑制显微缩松和提高焊接性能。•Mg-Th-Zr合金有很好的热处理强化效果，在航空工业得到了应用。•属放射性元素，由稀土元素所取代。6.合金元素Li•在Mg中有很大的固溶度，在共晶成分范围形成(+β)组织。•30mol％可获得单相β组织，为体心立方结构，晶体结构产生了改变，大大提高合金塑性。•可降低合金密度，提高塑性，产生固溶强化和时效强化，但使熔体的氧化和蒸发更为恶化，耐蚀性能严重降低，并产生应力腐蚀。•Mg-Li合金是目前最轻的合金，具有超塑性、可焊，必将继续受到人们的重视。7.合金元素Zr•在650％时产生包晶反应，在液态Mg中的最大溶解度很小，约为0.1mol.％，在固态Mg中的固溶度较大，可达1mol.％•Mg合金最有效的晶粒细化剂，加入0.2％～0.3％能显著细化晶粒，改善铸件质量，消除显微缩松，明显改善合金塑性，稍微提高合金抗拉强度。•能与Mg熔体中杂质Fe形成ZrFe2和Zr2Fe3化合物沉入坩埚底部而净化熔体，提高合金的耐蚀性能。•Zr与合金化元素Al、Mn形成金属间化合物而下沉到坩埚底部，不仅不能使Zr发挥作用，也消耗了合金化元素。•Mg-Mn、Mg-Al合金不加Zr，故有含Zr与不含Zr的Mg合金之分8.稀土元素Y•稀土元素(包括Y)是重要合金化元素，各种稀土元素均与Mg形成有限固溶的共晶系，形成高熔点的金属间化合物，可以细化铸锭组织，产生固溶强化，沉淀强化，提高室温强度、高温强度、蠕变抗力，提高抗腐蚀性能，•研究和应用较多的是La、Ce、Nd、MM(混合稀土)和Y。•稀土细化镁合金的铸造组织的机理是使凝固前沿过冷度增大，对耐热性能的提高主要是高熔点金属间化合物对晶界的钉扎作用。9.合金元素Be、Ca、Si、Sr、Sb、Sn铍(Be):镁合金熔体加入微量Be(30×10-6)，改善熔体表面氧化膜结构，使之致密，可显著降低熔体的氧化和起阻燃作用，但含量过高会引起晶粒的粗化。钙(Ca):细化镁合金的铸造组织，改善抗蠕变性能．对熔体的氧化有一定的抑制作用。在Mg-Al-Ca合金中所形成的金属间化合物(Mg，Al)2Ca有良好的热稳定性，并有与Mg相似的六方晶体结构，可与Mg基体形成牢固的界面结合，具有钉扎作用，提高合金蠕变抗力。在Mg-Zn-Si合金中加入微量Ca不仅可以细化晶粒，还可使Mg2Si由粗大的汉字型转变为细小弥散分布的颗粒，提高合金的室温和高温性能。硅(Si):弱的晶粒细化剂，与许多合金元素形成稳定的硅化物，改善合金抗蠕变性能，在Mg-Al合金中添加1％的Si可改善流动性，但si可降低合金的耐蚀性能。锶(Sr):弱的晶粒细化剂，在Mg-Al合金中加入Sr可提高抗蠕变性能和耐盐雾腐蚀性能。锑(Sb):可细化Mg合金铸造组织和细化Mg17Al12、Mg2Si等强化相，形成Mg3sb2相，可提高合金强度和抗蠕变性能，以微量形式加入。锡(Sn):当镁合金中含有少量铝时，适量锡可提高塑性，减少热加工时的热裂倾向。10.合金元素Fe