《航空工程材料（活页式）》 课件 11 镁及镁合金

第8讲镁及其合金目录1234镁合金镁合金的分类及牌号纯镁镁合金应用一.纯镁镁在地壳中的储藏量极丰富，其蕴藏量为2.1%，仅次于铝和铁而占第三位。其特点如下：1、纯镁的比重小，只有1.74，是工业用金属中最轻的一种。镁合金具有比铝合金更高的比强度，可达18.8左右。2、镁的弹性模数E比较小，在室温时E为45000MPa。1.1纯镁的特性一.纯镁3、纯镁的熔点为650土1℃。但镁在熔化温度时极易氧化甚至燃烧，故熔炼技术比较复杂。4、镁具有密排六方点阵结构，其塑性变形能力比铝小。5、纯镁的强度不高，大致与纯铝差不多。6、镁具有很高的化学活泼性。其表面氧化镁薄膜性很脆，而且不如氧化铝薄膜致密，故镁在潮湿的空气中，特别在盐水中的抗腐蚀性很差。一.纯镁1.2工业纯镁的牌号及分类工业纯镁牌号用汉语拼音字母M加顺序号表示。如M1、M2、M3。号数愈低愈纯。纯镁的主要用途是用于制造镁合金和其他合金的合金元素，以及用在烟火工业和化学、石油等工业部门。工业纯镁的牌号及纯度牌号代号Mg%Fe%Si%Ni%一号工业纯镁M199.950.020.01—二号工业纯镁M299.920.040.010.001三号工业纯镁M399.850.050.030.002

二.镁合金2.1镁合金的特点优点

密度小（纯Mg1.7

103kg/m3）

比强度高（强度比铝合金低一般在400MPa以下）

抗震能力高

切削加工性和抛光性能好缺点抗蚀性差（在潮湿大气、海水、盐溶液中抗蚀差；但在氢氟酸、铬酸、碱、矿物油中抗蚀性较好）熔铸困难冷变形困难（六方金属）通常铸造和热加工后使用铸造Mg合金的用量比变形Mg合金的用量大二.镁合金二.镁合金2.2镁合金中的合金元素及其作用1、镁的合金化镁的合金化原理与铝的相似，主要是通过加入合金元素，产生固溶强化、过剩相强化、沉淀强化和细晶强化，以及提高合金的抗蚀性和耐热性能。常用合金元素主要是铝、锌、稀土金属、锂、银、锆、钍、锰及微量镍等。固溶强化和时效强化是镁合金的主要强化手段，凡是能在Mg中大量固溶的元素，一般都是镁合金的有效强化合金元素。二.镁合金根据合金元素的作用和极限溶解度，大致分成三类：包晶反应类：Zr、Mn；起固溶强化、细化晶粒、提高抗蚀性和耐热性的作用。共晶反应类：Ag、Al、Zn、Li、Th；是主要合金元素，起固溶强化和沉淀强化作用。共晶反应型元素是高强度镁合金的主要合金元素，这类元素在Mg中有较大的溶解度变化，有明显的时效硬化效应。Mg合金中的主要强化相有：Mg2Zn3相、γ-Mg17Al12相、Mg2RE相、Mg23Th6相、Mg12Nd2Ag相、A12Nd和A12Y相。稀土元素（RE）：Y、Nd、La、Ce、Pr、混合RE等，有提高抗蠕变性能的作用。二.镁合金铝：在镁中具有较大的溶解度，故固溶强化效果显著。由于其在共晶温度437℃时的极限溶解度w(Al)=12.6％，室温时为2.0%左右，所以可进行时效强化。变形镁合金的铝含量一般在3～5%。锆：锆是高熔点金属，溶于镁基固溶体，起相当的固溶强化作用。锆与镁同为密排六方点阵，镁锆合金在冷凝时，首先从液相中析出α-Zr，可作为镁结晶时的非自发形核核心，使合金的凝固组织细化。二.镁合金稀土元素：固溶的稀土元素（如镧、铈、钇、钕等）可以增强镁合金的原子间结合力，降低合金中原子扩散速度，增加合金的热稳定性。镁与稀土金属形成一系列金属间化合物，如Mg9RE、Mg12RE等。已知Mg9Nd的热稳定性高，有明显的沉淀强化效果。镁合金中的杂质以铁、铜和镍危害性最大，铁含量大于0.016%就显著降低镁的抗蚀性。为消除铁的有害影响，通常在镁中加入一定量的锰（0.15～0.5%），锰能与铁生成化合物并沉积于熔体底部。二.镁合金2.3镁合金的生产及热处理特点1、镁合金的生产纯镁的熔点为650土1℃。但镁在熔化温度时极易氧化甚至燃烧，故熔炼技术比较复杂。熔炼镁合金都在650℃以下进行，通常是在溶剂（NaCl、KCl和MgCl的混合物）的覆盖下，在坩埚中进行熔化。2、镁合金的热处理镁没有同素异构转变，因此亦是通过淬火+时效处理进行强化。镁合金的热处理工艺与铝合金相比较具有以下特点：1）镁合金的淬火加热温度比较低。因为镁合金的组织一般都比较粗大，而且组织达不到平衡状态。处于不平衡状态的合金熔点要比平衡状态低些。

二.镁合金2）镁合金淬火加热的保温时间比铝合金长得多。因为合金元素在镁中的扩散速度非常慢，过剩相的溶解速度亦比较缓慢。3）淬火加热速度不宜太快，通常需要采用分段加热，以防止过烧。4）镁合金淬火冷却可采用空冷或在70～100℃水中冷却，因为强化相从过饱和固溶体中析出速度缓慢。5）镁合金一般都采用人工时效处理。6）镁合金的热处理切忌用硝盐浴炉加热，一般都在真空热处理炉、箱式电炉或井式电炉中加热。在高温的硝盐浴中镁合金会发生剧烈的化学作用而引起爆炸。二.镁合金3、状态符号镁合金常用的热处理类型T1：铸造或加工变形后，不再单独固溶处理，直接人工时效工艺简单，也有强化效果，特别对Mg-Zn系合金，因晶粒易长大，重新加热晶粒粗化，时效后的综合性能反而不如T1T2：为消除铸件残余应力及变形合金的冷作硬化而进行的退火处理ZM5 350℃

2.5h。T4：淬火处理（空冷），可以提高合金的抗拉强度和延伸率，ZM5常用T4。T6：淬火（空冷）+人工时效，目的提高合金的屈服强度，但塑性相应有所降低。T6主要应用于Mg-Al-Zn及Mg-RE-Zr系，高锌的Mg-Zn-Zr系为充分发挥时效强化效果，也可以选用T6。T61：热水淬火+人工时效，可提高时效强化效果。特别是对冷却速度敏感性较高的Mg-RE-Zr合金。三.镁合金的分类及牌号和铝合金一样，可以分为铸造镁合金和变形镁合金两大类。牌号采用汉语拼音字头加顺序号表示，如铸造镁合金ZM1、ZM3、ZM5及变形镁合金MB1、MB1、MB3等。镁合金具有较高的比强度和比刚度，并有高的抗震能力，能承受比铝及其合金大的冲击载荷，且切削加工性好，易于铸造和锻压，所以在航天航空工业中获得较大应用。三.镁合金的分类及牌号3.1变形镁合金1、镁锌锆系合金(Mg-Zn-Zr)这类镁合金是热处理强化变形镁合金。其中镁合金MB15的w（Zn）=5.0％～6.0％，w（Zr）=0.3％～0.9％，w（Mn）=0.l％。其沉淀强化相为Mg2Zn3。MB15的缺点是焊接性差，不能做焊接件。由于其强度高，耐蚀性好，无应力腐蚀倾向，能制造形状复杂的大型构件，如飞机上的机翼长绗、翼肋等，其使用温度不超过150℃。

三.镁合金的分类及牌号2、镁锰(Mg-Mn)系合金镁锰合金使用组织是退火组织，在固溶体基体上分布着少量β-Mn颗粒。常用的有MB1和MB8两种。镁锰合金有良好的耐蚀性和焊接性。MB1合金含有w(Mn)=1.3％～1.5％，经过340～400℃退火，其σ0.2＝98MPa，

σb=206MPa，δ=4％。其高温塑性好，可生产板材、型材和锻件。使用温度在150℃以下。三.镁合金的分类及牌号

3、镁锂(Mg-Li)合金属于超轻型结构合金，其密度为1.30～1.65g／cm3。强度较低，但室温和低温塑性很好。镁锂合金加入强化元素铝、锌、锰、镉、钕和铈等，能提高强度和组织稳定性。例如，美国的LA141合金（Mg-14Li-1.2Al-0.15Mn）可以焊接，经固溶后稳定处理，板材的σ0.2=95MPa，σb=115MPa，δ=10％，可作装甲板和航天用结构件。三.镁合金的分类及牌号4、镁稀土系(Mg-RE)和镁钍系(Mg-Th)耐热镁合金在镁-钕合金中，Mg9Nd起沉淀强化作用。随钕含量增加，室温和高温强度都可大幅度提高。钕含量在w(Nd)3％左右时，室温强度达到最大值；在300℃下，抗拉强度仍能保持在147MPa以上。在镁钕合金基础上加入锰和微量镍，锰可提高合金的蠕变性能，微量镍可进一步降低蠕变速率，如MA11合金。镁-钍系合金可产生沉淀强化相Mg23Th6，在过饱和固溶体脱溶时析出β″介稳相，产生很强的沉淀强化作用。镁-钍系合金在300℃以下的蠕变极限超过所有镁合金。三.镁合金的分类及牌号3.2铸造镁合金1、镁-铝-锌系(Mg-Al-Zn)铸造合金镁-铝-锌系合金是应用最早、使用最广的一类高强度镁合金。常用的为ZM5，主要含W(Al)=7.5％～9.0％，w(Zn)=0.2％～0.8％，w(Mn）=0.15％～0.5％，密度为1.81g／cm3。合金的铸造性好，可以焊接，但耐蚀性差。固溶+时效处理后，σ0.2=118Mpa，σb=250MPa，δ=3.5％。可用于制造飞机机舱连接隔框，舱内隔柜等，以及发动机仪表和其他结构上承受载荷的零件。2、镁-锌-锆系(Mg-Zn-Zr)铸造合金属高强度镁合金，与镁-铝-锌系合金相比，显微疏松倾向小，铸造性能好，屈服极限比高。常用的有ZM1、ZM2。合金中，锌的主要作用是起固溶强化和沉淀强化的作用，如沉淀强化相Mg2Zn3。当锌含量增加时，合金的强度升高，但w(Zn)超过6％时，强度提高不明显，而塑性下降较多。加入少量锆（0.5～0.8%）后可细化合金的晶粒，改善力学性能。加入镉和银后增大了固溶强化作用。ZM1的主要特点是强度高。而且壁厚效应小，主要用在航空工业，制造高强度、受冲击载荷大的零件，如飞机轮壳、轮缘、支架等。在ZM1成分基础上加入0.7～1.7%Ce，就发展为ZM2合金。加铈的目的是增加合金中的共晶组织，减少显微疏松与热裂倾向，改善铸造性能。同时铈还有细化组织、提高合金的耐热性能的作用。ZM2合金主要用于航空工业中，制造工作温度较高（200℃以下）的零件，如发动机机座，电机壳体等。3、镁-稀土-锆系(Mg-RE-Zr)耐热铸造合金稀土金属可使铸造镁合金质量得到改进，工作温度升高。合金加入一定量锆后可以进一步细化晶粒，保证显微组织和性能的稳定，并可改善耐蚀性。常用的牌号有ZM3、ZM6、QE22A、HK31A等。用于200～300℃范围，具有良好的高温强度。可以制造在250℃以下长期工作的零件，如发动机增压机匣、压缩机机匣及扩散器壳体等。QE22A（Mg-2.5Ag-2Nd-0.7Zr）是国外广泛应用的耐热高强度铸造镁合金。银在镁中的固溶度较大，起固溶强化作用，其σ0.2=185MPa，σb=240MPa，δ=2％，在250℃以下有高的屈服强度，可用于飞机起落架等部件。但由于价格原因，使用受到限制。3.3镁合金的牌号1、我国牌号镁合金牌号用汉语拼音加阿拉伯数字表示

纯Mg：Mg－1（一号镁） 含Mg99.95

Mg－2（二号镁） 含Mg99.92Mg－3（三号镁） 含Mg99.85杂质：Ni、Fe、Cu、Si、Sn（纯Mg一般不用于加工产品）Mg合金：ZMx（铸造Mg合金），MBx（变形Mg合金）例：ZM1 4.5Zn、0.75Zr ZM2 4.25Zn、0.75Zr、1.2RE ZM5 0.5Zn、0.33Mn、8.25Al例：MB1 1.3－2.5Mn MB2 3.0－4.0Al、0.2－0.8Zn、0.15－0.5Mn MB8 1.5－25Mn、0.15－0.35Ce MB15

5.0－6.0Zn、0.3－0.9Zr2、美国牌号

用英文字母和阿拉伯数字表示，前两个字母表示主要合金化元素，接着的两位数字分别表示前两个字母所代表元素的百分含量（重量百分数），后缀A、B、C等表示在标准成分范围内成分有所变化，但字母X表示实验合金。例如：AZ91表示Mg-9Al-1Zn字母代表元素字母代表元素AAl铝MMn锰BBi铋NNi镍CCu铜PPb铅DCd镉QAg银ERE稀土RCr铬FFe铁SSi硅HTh钍TSn锡KZr锆YSb锑LLi锂ZZn锌中国镁合金牌号与美国镁合金牌号对比四.镁合金的应用与发展镁合金的特点可满足于航空航天等高科技领域对轻质材料吸噪、减震、防辐射的要求，可大大改善飞行器的气体动力学性能和明显减轻结构重量。从20世纪40年代开始，镁合金首先在航空航天部门得到了优先应用。B-36重型轰炸机每架用4086kg镁合金簿板；洛克希德F-80喷气式歼击机镁板机翼，使结构零件从47758个减少到16050个；“大力神”火箭使用了600kg的变形镁合金；“季斯卡维列尔”卫星中使用了675kg的变形镁合金；直径约1米的“维热尔”火箭壳体是用镁合金挤压管材制造的。我国的歼击机、轰炸机、直升机、运输机、民用机、机载雷达、地空导弹、运载火箭、人造卫星、飞船上均选用了镁合金构件：一个型号的飞机最多选用了300-400项镁合金构件；一个零件的重量最重近300kg；一个构件的最大尺寸达2m多。四.镁合金的应用与发展在军工方面需要镁合金板材以提高结构件强度,减轻装备重量,提高武器命中率。国防工业领域

由于镁及镁合金耐冲击，如果能够开发出与铝合金耐蚀性能相当的镁合金，则其在兵器等各种军用领域将有着广阔的应用前景。如照明弹用镁粉、穿甲弹用高比强度镁合金弹托材料，以及可用变形镁合金制造的战术航空导弹舱段、副翼蒙皮、壁板和雷达、卫星上用的镁合金井字梁、相机架和外壳等零件。四.镁合金的应用与发展武器轻量化是现代兵器的发展趋势，利用镁合金取代现有武器上的一些零部件正成为各国研究的热点。有关单位已分别通过锻造或铸造成型方式开发出了变形镁合金冲锋枪机匣、枪尾、提把、前扶手、枪托体、大托弹板、瞄具座、小弹匣座以及军用铸造合金发动机进出水管和发动机滤座等军品武器用零部件，其中部分对耐蚀耐磨有较高要求的军用镁合金零部件还被通过协和涂层的方法进行了相应的表面处理。目前，这些研制生产出的军用镁合金零部件已进入实际演示验证和考核阶段，预计不久将得到初步应用。四.镁合金的应用与发展镁合金在汽车工业的应用镁合金汽车零件的好处可简单归纳为：

密度小，可减轻整车重量，间接减少燃油消耗量；

镁比强度高于铝合金和钢，比刚度接近铝合金和钢，能承受一定负荷；

镁具有良好的铸造性和尺寸稳定性，容易加工，废品率低；

镁具有较高阻尼系数，减振量大于铝合金和铸铁，用于壳体可降低噪声，用于座椅、轮圈可以减少振动