第九章鎂合金綜述

1、第九章鎂合金第一節(jié)鎂及鎂合金第二節(jié) 鎂合金中的合金元素第三節(jié)鎂合金的生產(chǎn)及熱處理特點(diǎn)第四節(jié)變形鎂合金第五節(jié)鑄造鎂合金第一節(jié)概述 一、純鎂的特性 鎂在地殼中的儲(chǔ)藏量極豐富，其蘊(yùn)藏量為2.1%,僅次于鋁和鐵而占第三位。其特點(diǎn)如下: 1、純鎂的比重小，只有L74,是工業(yè)用 金屬中最輕的一種。鎂合金具有比鋁合金 更高的比強(qiáng)度，可達(dá)18.8左右。 2、鎂的彈性模數(shù)E比較小，在室溫時(shí)E為45000MPao 3、純鎂的熔點(diǎn)為650土C。但鎂在熔 化溫度時(shí)極易氧化甚至燃燒，故熔煉技 術(shù)比較復(fù)雜。 4、鎂具有密排六方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，其塑性變 形能力比鋁小。 5、純鎂的強(qiáng)度不高，大致與純鋁差不多。 6、鎂具有很高的化學(xué)

2、活潑性。其表面氧 化鎂薄膜性很脆，而且不如氧化鋁薄膜 致密，故鎂在潮濕的空氣中，特別在鹽 水中的抗腐蝕性很差。 二、純鎂及鎂合金的牌號(hào)及分類 1、工業(yè)純鎂牌號(hào)用漢語拼音字母M加順序號(hào)表示。如Ml、 M2、M3o號(hào)數(shù)愈低愈純。純鎂的主要用途是 用于制造鎂合金和其他合金的合金元素，以及 用在煙火工業(yè)和化學(xué)、石油等工業(yè)部門。工業(yè)純鎂的牌號(hào)及純度牌號(hào)代號(hào) 一號(hào)工業(yè)純鎂 Ml 二號(hào)工業(yè)純鎂 M2 三號(hào)工業(yè)純鎂 M3Mg % Fe% Si% Ni% 99.950.020.0199.920.040.010.00199.850.050.030.002 2、鎂合金和鋁合金一樣，可以分為鑄造鎂合金和變 形鎂合金兩

3、大類。牌號(hào)采用漢語拼音字頭加順序號(hào)表示，如 鑄造鎂合金ZM1、ZM3、ZM5及變形鎂 合金MB1、MB1、MB3等。鎂合金具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，并有高的抗震能力，能承受比鋁及其合金大的 沖擊載荷，且切削加工性好，易于鑄造和 鍛壓，所以在航天航空工業(yè)中獲得較大應(yīng) 用。第二節(jié) 鎂合金中的合金元素及其作用一、鎂的合金化鎂的合金化原理與鋁的相似，主要是通過 加入合金元素，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化、過剩相強(qiáng) 化、沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化，以及提高合金 的抗蝕性和耐熱性能。常用合金元素主要 是鋁、鋅、稀土金屬、鋰、銀、錯(cuò)、鉉、錘及微量鐐等。固溶強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化是鎂合金的主要強(qiáng)化手段，凡是能在Mg中大量固溶的元素,般都是鎂

4、合金的有效強(qiáng)化合金元素o根據(jù)合金元素的作用和極限溶解度，大致分成三類: 包晶反應(yīng)類：Zr、Mn;起固溶強(qiáng)化、細(xì)化晶粒、提高抗蝕性和耐熱性的作用。共晶反應(yīng)類:Ag、Al、Zn> Li、Th;是主要合金元素，起固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化 作用。稀土元素(RE):Y、Nd、La、Ce、Pr、混合RE等，有提高抗蠕變性能的作共晶反應(yīng)型元素是高強(qiáng)度鎂合金的主要 合金元素，這類元素在Mg中有較大的溶 解度變化，有明顯的時(shí)效硬化效應(yīng)。Mg 合金中的主要強(qiáng)化相有： (1) Mg2%相 (2) y-Mg17Al12ffi (3) Mg?RE相 (4) Mg23Th6相 (5) MgNd2Ag相(6) ANd和AY

5、相鋁：在鎂中具有較大的溶解度，故固溶強(qiáng)化效果顯著。由于其在共晶溫度4370c時(shí)的極限溶解度w(Al)=12.6%,室溫時(shí)為2.0%左右，所以可進(jìn)行時(shí)效強(qiáng)化。變形鎂合金的鋁含量一般在3 5%。錯(cuò):錯(cuò)是高熔點(diǎn)金屬,溶于鎂基固溶體,20 W « 5&篌鉆二元相困(M2±l)起相當(dāng)?shù)墓倘軓?qiáng)化作用。錯(cuò)與鎂同為密排六方點(diǎn)陣，鎂錯(cuò)合金在冷凝時(shí)，首先 從液相中析出aZr,可作為鎂結(jié)晶時(shí)的 非自發(fā)形核核心，使合金的凝固組織細(xì) 化。D m 20 J0 40 TO »711 MlMX3mx4c俁擇二兀相圖稀土元素：固溶的稀土元素（如鋤、飾、鈕、鉉等）可以增強(qiáng)鎂合金的原子間結(jié)合力

6、，降低合金中原子擴(kuò)散速度，增加 合金的熱穩(wěn)定性。鎂與稀土金屬形成一 系列金屬間化合物，如MggRE、Mg1?RE 等。已知MggNd的熱穩(wěn)定性高，有明顯 的沉淀強(qiáng)化效果。鎂合金中的雜質(zhì)以鐵、銅和錦危害 性最大，鐵含量大于0.016%就顯著 降低鎂的抗蝕性。為消除鐵的有害影響，通常在鎂中加入一定量的錢(0.15 0.5% )，與鐵生成化合物并沉積于熔體底部。第三節(jié) 鎂合金的生產(chǎn)及熱處理特點(diǎn) 一、鎂合金的生產(chǎn)純鎂的熔點(diǎn)為650± 1七。但鎂在熔化溫度時(shí)極易氧化甚至燃燒，故熔煉技術(shù)比較復(fù)雜。熔煉鎂合金都在6500c以下進(jìn)行, 通常是在溶劑（NaCl、KC1和MgCl的混 合物）的覆蓋下，在

7、培期中進(jìn)行熔化。二、鎂合金的熱處理 鎂沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，因此亦是通過淬火 +時(shí)效處理進(jìn)行強(qiáng)化。鎂合金的熱處理工 藝與鋁合金相比較具有以下特點(diǎn)： 1、鎂合金的淬火加熱溫度比較低。因?yàn)?鎂合金的組織一般都比較粗大，而且組織 達(dá)不到平衡狀態(tài)。處于不平衡狀態(tài)的合金 熔點(diǎn)要比平衡狀態(tài)低些。 2、鎂合金淬火加熱的保溫時(shí)間比鋁合金長得多。因?yàn)楹辖鹪卦阪V中的擴(kuò)散速度非常慢，過剩相的溶解速度亦比較緩慢。 3、淬火加熱速度不宜太快，通常需要采 用分段加熱，以防止過燒。 4、鎂合金淬火冷卻可采用空冷或在 70100水中冷卻，因?yàn)閺?qiáng)化相從過飽和固溶體中析出速度緩慢o 5、鎂合金一般都采用人工時(shí)效處理。 6、鎂合金的

8、熱處理切忌用硝鹽浴爐加熱, 一般都在真空熱處理爐、箱式電爐或井 式電爐中加熱。在高溫的硝鹽浴中鎂合金會(huì)發(fā)生劇烈的化學(xué)作用而引起爆炸。第四節(jié)鎂合金 一、變形鎂合金 1、鎂鋅錯(cuò)系合金(MgZnZr) 這類鎂合金是熱處理強(qiáng)化變形鎂合金。其中 鎂合金MB15的w (Zn) =5.0% -6.0%, w(Zr ) = 0.3 % 09 % , w (Mn) =0.1 %。其沉淀強(qiáng)化相為Mg2Zn3。 MB15的缺點(diǎn)是焊接性差，不能做焊接件。 由于其強(qiáng)度高，耐蝕性好，無應(yīng)力腐蝕傾向, 能制造形狀復(fù)雜的大型構(gòu)件，如飛機(jī)上的機(jī)翼長帝、翼肋等，其使用溫度不超過150。2、鎂錘(MgMn)系合金鎂錢合金使用組織是

9、退火組織，在固溶體基體上分布著少量0Mn顆粒。常用的有MB1和MB8兩種。鎂銃合金有良好的耐蝕性和焊接性。 MB1合金含有w(Mn)=l.3 % L5 % ,經(jīng) i1340400退火，其。02 = 98MPa,% =206MPa, 6=4%。其高溫塑性好，可 生產(chǎn)板材、型材和鍛件。使用溫度在150 以下。在MB1合金基礎(chǔ)上加入w (Ce) =0.15%-0.35%,可細(xì)化晶粒，從而提高合金的室溫機(jī)械性能和高溫強(qiáng)度，成為MB8合金。 MB8合金有中等強(qiáng)度和較高的塑性，其 G02=167MPa,=245MPa, 8=18 % o 可生產(chǎn)管材、板材、鍛件，工作溫度可達(dá)200 °C, 目前已

10、取代MB1鎂合金，用于飛機(jī)的蒙皮、 壁板及潤滑系統(tǒng)的附件。3、鎂鋰(MgLi)合金屬于超輕型結(jié)構(gòu)合金，其密度為L301.65gZcm強(qiáng)度較低，但室溫和低溫塑性很好。鎂鋰合金加入強(qiáng)化元素鋁、鋅、 錘、鎘、錢和鈣等，能提高強(qiáng)度和組織穩(wěn) 定性。例如，美國的LA141合金(Mg14Li-L2AL 0.15Mn )可以焊接，經(jīng)固溶后穩(wěn)定處理， 板材的 %2=95MPa, <jb =115MPa, 6=10 % , 可作裝甲板和航天用結(jié)構(gòu)件。4、鎂稀土系(MgRE)和鎂牡系(Mg-Th) 耐熱鎂合金在鎂鉉合金中,MggNd起沉淀強(qiáng)化作用O隨欽含量增加，室溫和高溫強(qiáng)度都可大幅度提高。鉉含量在w(Nd)

11、3%左右時(shí),室溫強(qiáng)度達(dá)到最大值；在300下，抗拉強(qiáng)度仍能保持在147MPa以上。在鎂鈦合 金基礎(chǔ)上加入錘和微量鑲，鎰可提高合金的蠕變性能，微量鎂可進(jìn)一步降低蠕變速率，如MA11合金。鎂牡系合金可產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化相Mg23Th6,在過飽和固溶體脫溶時(shí)析出0介穩(wěn)相，產(chǎn)生很強(qiáng)的沉淀強(qiáng)化 作用。鎂管系合金在300 以下的 蠕變極限超過所有鎂合金。、鑄造鎂合金1、鎂鋁鋅系(Mg-ALZn)鑄造合金鎂鋁鋅系合金是應(yīng)用最早、使用最廣 的一類高強(qiáng)度鎂合金。常用的為ZM5, 主要含W(A1)=7.5% -9.0%, w(Zn)=0.2 % -0.8%, w(Mn) =0.15% -0.5%,密 度為L81g/ cm

12、3o合金的鑄造性好，可 以焊接，但耐蝕性差。固溶+時(shí)效處理后, 。()產(chǎn)118Mpa, <rb=250MPa, 6=3.5 %。 可用于制造飛機(jī)機(jī)艙連接隔框，艙內(nèi)隔 柜等，以及發(fā)動(dòng)機(jī)儀表和其他結(jié)構(gòu)上承 受載荷的零件。 2、鎂-鋅-錯(cuò)系(Mg-Zn-Zr)鑄造合金屬高強(qiáng)度鎂合金，與鎂-鋁-鋅系合金相比,顯微疏松傾向小，鑄造性能好，屈服極限比高。常用的有ZML ZM2o合金中,的主要作用 是起固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化的作用，如沉淀強(qiáng)化相MgzZ%當(dāng)鋅含量增加時(shí)，合金的強(qiáng)度升高，但亞億11)超過6%時(shí)，強(qiáng)度提高不明顯，而塑性下降較多。加入少量錯(cuò)(0.50.8% )后可細(xì)化合金的 晶粒，改善力學(xué)性能。

13、加入鎘和銀后增大 了固溶強(qiáng)化作用。 ZM1的主要特點(diǎn)是強(qiáng)度高。而且壁厚效 應(yīng)小，主要用在航空工業(yè)，制造高強(qiáng)度、 受沖擊載荷大的零件，如飛機(jī)輪殼、輪緣、 支架等。在ZM1成分基礎(chǔ) 上加入0.71.7%Ce,就發(fā)展為ZM2合金。加鋅的目的是增加合金中的共晶組織，減少顯微疏松與熱 裂傾向，改善鑄造性能。同時(shí)鋅還有細(xì) 化組織、提高合金的耐熱性能的作用。 ZM2合金主要用于航空工業(yè)中，制造工 作溫度較高(200以下)的零件，如發(fā) 動(dòng)機(jī)機(jī)座，電機(jī)殼體等。 3、鎂稀土錯(cuò)系(MgREZr)耐熱鑄造合金 稀土金屬可使鑄造鎂合金質(zhì)量得到改進(jìn),工作溫度升高。例如介穩(wěn)相UM躡Nd抗聚 集長大能力強(qiáng)，在高溫下仍能保升高

14、的強(qiáng)度。合金加入一定量錯(cuò)后可以進(jìn)一步細(xì)化 晶粒，保證顯微組織和性能的穩(wěn)定，并可 改善耐蝕性。 常用的牌號(hào)有ZM3、ZM6、QE22A、HK31A等。用于200300范圍，具有良好的高溫強(qiáng)度?？梢灾圃煸?50 °C以下長期工作的零件，如發(fā)動(dòng)機(jī)增壓機(jī)匣、壓 縮機(jī)機(jī)匣及擴(kuò)散器殼體等。 QE22A ( Mg-2.5Ag-2Nd-0.7Zr) 是國外 廣泛應(yīng)用的耐熱高強(qiáng)度鑄造鎂合金。銀在鎂中的固溶度較大，起固溶強(qiáng)化作用,其。0 2T85Mpa, nb=240MPa , 8=2%, 在250C以下有高的屈服強(qiáng)度，可用于飛機(jī)起落架等部件。但由于價(jià)格原因，使用受到限制。 MB15、MB25屬于鎂鋅錯(cuò)系（Mg-Zn-Zr ）變形鎂合金，可制造飛機(jī)機(jī)翼長絢、翼肋等。 MB1、MB8屬于鎂鎰系（Mg-Mn）變形鎂合金,用于飛機(jī)的蒙皮、壁板及潤滑系統(tǒng)的附件。