第二章镁及镁合金

第二章镁及镁合金MagnesiumAlloy2.1概述2.2纯镁2.3镁的合金化原理2.4变形镁合金2.5铸造镁合金2.6镁合金的应用2.1概述Mg是地壳中蕴藏量较多的金属元素之一，大约为2.1%，仅次于Al和Fe而位居第三。主要以以下几种方式存在：白云石：dolomite(CaMg(CO3)2)菱镁矿：magnesite(MgCO3)光卤石：Carnallite(KMgCl3.6H2O).另外，还有大量的Mg储存在海水中。dolomite白云石Magnesite菱镁矿Carnallite光卤石镁的来源

1755年：英国D.BLACK正式确定镁的存在。

1808年，英国H.DAVY用钾还原氧化镁，制得镁。

1886年：德国将镁应用于工业领域。

1909年：德国生产出镁合金铸件。

1916年：美国道屋化学公司开始生产电解镁。

1927～1930年：德国生产的汽车平均每辆用73.8公斤镁合金。

1936～1940年：德国大众汽车（巴西）公司在“甲壳虫”汽车上累计用了4万吨镁合金（曲轴箱、传动箱壳体）。

1948～1962年：美国采用热室压铸机生产了数百万件汽车镁压铸件。

20世纪70年代：镁合金材料价格上扬，应用受阻。

20世纪80年代：汽车轻量化，镁压铸件应用增加。

20世纪90年代中期：原镁产量大增，价格和铝相近，压铸工艺技术设备完善，镁应用进入成熟阶段，发展速度空前。

1991年：全球汽车用镁压铸件2.5万吨。

1995年：全球汽车用镁压铸件5.6万吨。

2000年：全球汽车用镁压铸件近15万吨，占全球镁压铸件的80%。

2005年：全球镁压铸件比上年增长8%。镁的发展过程我国镁合金压铸件应用进展

20世纪50年代，镁合金压铸件用于制造飞机结构件。

20世纪70年初，应用于风动工具。

20世纪80年代，桑塔纳汽车变速器上下壳体用镁合金压铸件。2010年镁产量达到50万吨。

纯镁的特性镁为密排六方结构。熔点648.9℃。25℃时晶格常数为：a=0.3202nm，c=0.5199nm；c/a=1.6237。密度低，常用结构材料中最轻的金属：

20℃时密度1.738g/cm3。体积热容比其他金属都低：

20℃时的体积热容为1781J/(dm3·K)，铝：2430铁：3521

铜：3459钛：2394

锌：2727镍：4192镁及其合金是加热升温与散热降温都比其他金属快。2.2纯镁化学活性高：

潮湿大气、海水、无机酸及其盐类、有机酸、甲醇等介质中均会引起剧烈的腐蚀。室温下，镁表面与大气中氧作用，形成氧化镁薄膜，但薄膜较脆，也不像氧化铝薄膜那样致密，故其耐蚀性很差。室温强度低、塑性差：

纯镁单晶体临界切应力为4.8MPa左右，其多晶体的强度和硬度很低，不能直接用做结构材料。

加工状态σb／MPaσs／MPaE/GPaε(％)ψ(％)HBS铸态11.52.5458930变形状态20.09.04511.512.536牌号纯镁牌号及化学成份Mg≥杂质元素不大于%FeSiNiCuAlMnClTiPbZn其它

单个

杂质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镁的合金化原理2.3.1合金化元素镁合金中常用的合金化元素有铝、锌、锰、锆、锂、钍和稀土元素等，合金化元素与镁随温度不同构成多种类型的镁合金相，

镁合金的性能与合金化后所形成的镁合金相密切相关。它们在镁合金有固溶强化、沉淀强化、细晶强化等作用。合金元素的类型：包晶反应类元素：

Zr(3.8%)，Mn(3.4%)：细化晶粒、净化合金、提高抗蚀性和耐热性。共晶反应类元素：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。这类元素在Mg中有明显的溶解度变化，可产生明显的时效硬化效应。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为主)。多属共晶反应型元素，共晶温度比Mg-Al和Mg-Zn高，Mg－RE系的固溶体和稀土化合物耐热性高，原子扩散速度慢，利于抗蠕变，故Mg-RE-Zr和Mg-RE－Mn系合金是耐热镁合金，可在150～250℃工作。2.3.2镁合金的热处理镁合金可进行退火(T2)、时效(T1)、淬火(T4)和人工时效（T6，T61)，规范和应用范围与铸造铝合金基本相同，只是镁合金的扩散速度，淬火敏感性低。镁合金可用静止或流动的空气淬火，也有时用热水淬火(如T61)，强度比空冷的T6高。绝大多数镁合金对自然时效不敏感，淬火后在室温能长期保持淬火状态，即使人工时效，时效温度也要比铝合金高（达175-250℃）。镁合金加热时的氧化倾向比铝合金高，为了防止燃烧，加热炉应保持中性气氛或通人SO2气体。2.3.3镁合金的分类及牌号镁合金分类：形变镁合金和铸造镁合金。镁合金牌号

形变镁合金

老牌号：MB＋顺序号表示

新牌号：英文字母（两个）+数字（两个）+英文字母前面两个字母：第一个字母：含量最大的合金元素；第二字母：含量为第二的合金元素；数字：表示两个主要合金元素的含量：第一个数字：第一个字母代表的合金元素的重量%；第二个数字：第二字母代表的合金元素的重量%。最后面的英文字母：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。铸造镁合金

牌号：ZM＋顺序号表示铸造镁合金

老牌号：ZM＋顺序号表示新牌号：“Z”和基体元素的化学符号、主要元素的化学符号以及表示合金元素平均含量的百分数组成。例如：ZMgAl8Zn

①②③④⑤①铸造代码②基体镁的元素符号③铝的元素符号④铝的百分含量⑤锌的元素符号

2.4变形镁合金变形镁合金按合金元素的种类分为：

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均属于该类合金，其含锰量相近，但后者含少量铈。：加锰可改善合金的抗腐蚀性，加铈可细化晶粒，改善力学性能。镁锰系合金主要加工成板材、棒材及形状复杂的模锻件。合金虽然强度低，但有良好的耐蚀性能和最好的焊接性能，用来制造受力不大，但要求耐蚀性能高及焊接性能好的零件。MB8合金性能优于MBl合金，可代替MBl合金使用。

2.Mg-Al-Zn系合金

以铝、锌为主要合金化元素的变形镁合金，在工业生产中应用最早，使用也最为广泛。主要有MB2、MB3、MB5、MB6、MB7合金。主要特点是强度高，可进行热处理强化，并有良好的铸造性能。但耐蚀性能较差，屈服强度和耐热性也不高。铝和锌在镁中都有很大的溶解度，并随温度下降而减小。因此，该系合金可热处理强化，其强化相为γ（Mg17Al12）相、ζ（MgZn）相、或T[Mg22(AlZn)49]相。

合金元素铝的主要作用是使合金具有较好的热处理强化效果，提高合金的室温强度。锌也能提高合金的强度，在含量适当时，能改善合金的塑性，对提高耐蚀性也有一定好处，但锌能增加铸造时疏松和形成热裂纹的倾向。镁铝锌系合金都含有少量锰，提高合金的耐蚀性。3.Mg-Zn-Zr系合金以锌、锆为主要合金化元素的变形镁合金。主要有MB15、MB21、MB25。锌是合金的主要强化元素，其强化相为MgZn化合物；合金中添加锆能显著细化晶粒提高强度，锆对改善合金的耐蚀性和耐热性均有一定作用。具有较高拉伸与压缩屈服强度、高温瞬时强度，及良好的成形和焊接性能，但塑性中等。主要用于制造飞机长桁、操作系统的摇臂、支座等。4.Mg-Li系合金是一种新型的镁合金，它密度小，强度高，塑性、韧性好，焊接性好，缺口敏感性低，在航空、航天工业中具有良好的应用前景。2.5铸造镁合金铸造镁合金主要包括：Mg－Al铸造合金Mg－Al-Zn铸造合金Mg－Zn铸造合金和Mg－Zn－Cu铸造合金Mg－Zn－Zr铸造合金和Mg－RE－Zn－Zr铸造合金高温铸造镁合金铸造镁合金的化学成分Mg-Zn-Zr系：ZM1、ZM7Mg-Al-Zn系：ZM5、ZM10，较高的强度，良好的塑性和铸造性能，耐热性较差，用于制造150℃以下工作的飞机、导弹、发动机中承受较高载荷的结构件或壳体。Mg-RE-Zr系：ZM2、ZM3、ZM4、ZM6、ZM8。良好铸造性能、常温强度和塑性较低、耐热性较高，主要用于制造250℃以下工作的高气密零件。铸造镁合金中合金元素含量高于变形镁合金，以保证金属液体具有较低的熔点、较高的流动性和较少的缩松缺陷等。还需热处理强化的铸造镁合金，所加入的合金元素在镁基体中具有较高的固溶度，而且这一固溶度还会随着温度的改变而发生明显的变化，并在时效过程中能够形成强化效果显著的第二相。铝在α－Mg中的固溶度在室温时大约只有2％，升至共晶温度436℃时则高达12.7％，因此压铸AZ91HP合金具备了一定的时效强化能力，其强度可通过固溶和时效的方法得到进一步的提高。2.6镁合金的应用※汽车、摩托车、飞