鎂合金及其應(yīng)用課件

張弛chizhang@電話：62782361鎂合金及其應(yīng)用張弛鎂合金及其應(yīng)用

鎂的英文名稱為Magnesium，它的命名取自希臘文，原意是“美格尼西亞”，因?yàn)樵谙ＥD的美格尼西亞城附近當(dāng)時(shí)盛產(chǎn)一種名叫苦土的鎂礦（就是氧化鎂），古羅馬人把這種礦物稱為“美格尼西·阿爾巴（magnesiaalba）”，“alba”的意思是“白色的”，即“白色的美格尼西亞”。我國則根據(jù)這個(gè)詞的第一音節(jié)音譯成鎂。鎂的元素符號為Mg。引言：鎂的發(fā)現(xiàn)和命名鎂的英文名稱為Magnesiu目錄1鎂資源及原鎂生產(chǎn)2鎂合金的成分、組織和性能3鎂合金強(qiáng)化處理4鎂合金鑄造5鎂合金的塑性成形6鎂合金的連接7鎂合金的腐蝕及表面防護(hù)處理8廢鎂的回收及鎂合金的安全生產(chǎn)9鎂合金的應(yīng)用目錄1鎂資源及原鎂生產(chǎn)1鎂資源及原鎂生產(chǎn)1.1概述自19世紀(jì)末，由于人類文明的快速進(jìn)步，金屬材料的消耗與日俱增，某些金屬礦產(chǎn)逐漸枯竭。而鎂是地球上儲量最豐富的元素之一，廣泛存在于白云石、鹽湖和海洋之中，可謂取之不盡，用之不竭。1鎂資源及原鎂生產(chǎn)1.1概述1.2鎂資源鎂在地殼中的儲量極其豐富，儲量為2.77%，在地殼表層儲量居第6位。最主要的鎂資源是海水。圖1-1表1-11.2鎂資源圖1-1表1-1■世界菱鎂礦儲量和分布菱鎂礦（MgCO3）是最具工業(yè)價(jià)值的鎂礦石之一。表1-2■世界菱鎂礦儲量和分布表1-2■中國的鎂資源我國是世界上鎂資源最豐富的國家，儲量居世界首位，已探明的菱鎂礦石保有儲量30.09億噸，約占世界探明儲量的1/4。表1-3■中國的鎂資源表1-3

白云石（MgCO3·CaCO3）也是具工業(yè)價(jià)值的鎂礦石之一，其資源遍及全國各省市，已探明儲量在40億噸以上。表1-4白云石（MgCO3·CaCO3）也是具工業(yè)價(jià)值的1.3鎂的性質(zhì)■元素特征元素符號：Mg原子序數(shù)：12自由原子中各軌道電子狀態(tài)：1s22s22p63s2相對原子質(zhì)量：24.3050原子體積：14.0cm3/mol■品質(zhì)特征密度：1.738g/cm3(20℃),1.65g/cm3(650℃),1.58g/cm3(液態(tài))凝固體積變化：體積收縮為4.2%冷卻體積變化：從650℃冷卻到20℃體積收縮約為5%1.3鎂的性質(zhì)■晶體結(jié)構(gòu)在大氣壓下，純鎂的晶體結(jié)構(gòu)是密排六方。圖1-2■晶體結(jié)構(gòu)圖1-2

金屬鎂具有接近完美的密排結(jié)構(gòu)，室溫下所測c/a=1.6236與理想密排六方結(jié)構(gòu)的理論預(yù)測值c/a=1.633非常接近。

純鎂的晶格常數(shù)隨溫度變化表1-5圖1-3金屬鎂具有接近完美的密排結(jié)構(gòu)，室溫下所測c/a=1.■熱·性能熔點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，650℃±1℃。沸點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，1090℃。熱膨脹：純鎂在較低溫度下的熱膨脹系數(shù)見下表表1-7熱導(dǎo)率：在低、中溫區(qū)，熱導(dǎo)率在149～5700W/(m·k)之間。燃點(diǎn)：在空氣中加熱，金屬鎂在632～635℃開始燃燒?！鰺帷ば阅鼙?-7熱導(dǎo)率：在低、中溫區(qū)，熱導(dǎo)率在149～57■力學(xué)性能拉伸性能和硬度：■力學(xué)性能鎂合金及其應(yīng)用課件彈性模量(E)：金屬鎂在20℃下的彈性模量與純度有關(guān)。純度99.98%99.80%靜態(tài)彈性模量40GPa43GPa動(dòng)態(tài)彈性模量44GPa45GPa泊松比：0.35蠕變斷裂值：蠕變行為及溫度對蠕變行為的影響見下圖。圖1-10彈性模量(E)：金屬鎂在20℃下的彈性模量與純度有關(guān)。純度1.4原鎂生產(chǎn)方法鎂冶金的發(fā)展過程大體經(jīng)歷了金屬還原鎂的化合物，熔鹽電解和熱還原三個(gè)階段。鎂冶金的現(xiàn)代方法主要分為兩種：一是電解法；二是硅熱法。電解法煉鎂可分為電解熔融氯化鎂和電解溶于熔鹽中的氧化鎂。電解法又依氯化鎂的制得方法不同分為四種：道烏法（DOW）、阿碼克斯法（Amax）、諾斯克法（NorskHydro）和氧化鎂氯化法。硅熱還原法分為皮江法（Pidgeon）、波皮扎諾法（Bolzano）和瑪格尼特法（Magnetherm）三種。1.4原鎂生產(chǎn)方法■各種煉鎂方法的比較表1-14■各種煉鎂方法的比較表1-142鎂合金的成分、組織和性能2.1概述工業(yè)用鎂的純度可達(dá)99.9%，但是純鎂不能用做結(jié)構(gòu)材料。在純鎂中加入Al、Zn、Li、Mn、Zr和稀土等元素形成的鎂合金具有較高的強(qiáng)度，可以作為結(jié)構(gòu)材料廣泛應(yīng)用。鎂的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)高峰期，第一個(gè)在20世紀(jì)20年代至30年代晚期，第二個(gè)在20世紀(jì)50年代，第三個(gè)從20世紀(jì)90年代至今。2鎂合金的成分、組織和性能2.1概述2.2鎂合金成分對性能的影響■鎂合金化的特點(diǎn)①晶體結(jié)構(gòu)因素：根據(jù)Hume-RotheryRules，鎘（Cd）在高溫（＞253℃）下，能與鎂形成無限固溶體。②原子尺寸因素：溶質(zhì)和溶劑原子大小的相對差值在15%以內(nèi)才能形成無限固溶體。圖2-12.2鎂合金成分對性能的影響圖2-1③電負(fù)性：Darken-Gurry理論認(rèn)為，電負(fù)性差值大于0.4的元素不易形成固溶體。鎂形成Laves（AB2）型結(jié)構(gòu)化合物，其穩(wěn)定性可用熔點(diǎn)來表示。如下圖所示，Mg-Al合金耐高溫性能較差，而Mg-Si耐高溫性能較好。表2-1④原子價(jià)因素：溶質(zhì)和溶劑的原子價(jià)相差越大，則溶解度越小。與低價(jià)元素相比，較高價(jià)元素在鎂中溶解度較大。③電負(fù)性：Darken-Gurry理論認(rèn)為，電負(fù)性差值大于0■鎂合金成分和牌號采用美國實(shí)驗(yàn)材料協(xié)會（ASTM）的標(biāo)記發(fā)法。鎂合金的牌號由三部分組成：頭兩個(gè)字母為主要合金元素代號（見下圖），中間兩個(gè)數(shù)字表示主要合金元素的名義質(zhì)量分?jǐn)?shù)，最后一個(gè)后綴字母（A、B、C、D、E等）是指成分和特定范圍純度的變化。例如：AZ91E。表2-2■鎂合金成分和牌號表2-2■鎂合金的分類及熱處理鎂合金的分類方式有三種：①化學(xué)成分：主要合金元素Mn,Al，Zn，Zr和稀土為基礎(chǔ)，組成基本合金系。②成形工藝：鑄造鎂合金和變形鎂合金。圖2-2③是否含鋯：含Zr合金和不含Zr合金?！鲦V合金的分類及熱處理圖2-2③是否含鋯：含Zr合金和不含Z

國外在工業(yè)中應(yīng)用較廣泛的是壓鑄鎂合金，主要有以下4個(gè)系列：AZ，AM，AS和AE系列。我國鑄造鎂合金主要有ZK，Mg-Zn-Zr-RE和AZ系列。變形鎂合金有Mg-Mn，AZ和ZK系列。表2-3國外在工業(yè)中應(yīng)用較廣泛的是壓鑄鎂合金，主要有以下4常見壓鑄鎂合金和變形鎂合金的化學(xué)成分分別見下表。表2-4表2-5常見壓鑄鎂合金和變形鎂合金的化學(xué)成分分別見下表。表2-4表2鎂合金熱處理采用與鋁同樣的系統(tǒng)標(biāo)示。常用的回火有：T4——固溶處理，T5——人工時(shí)效，T6——固溶處理后人工時(shí)效。■合金元素對組織和性能的影響加入不同的合金元素，可以改變鎂合金共晶化合物或第二相的組成、結(jié)構(gòu)以及形態(tài)和分布，可能得到性能完全不同的鎂合金。圖2-3鎂合金熱處理采用與鋁同樣的系統(tǒng)標(biāo)示。常用的回火有：T4——固表2-6表2-6鎂合金及其應(yīng)用課件2.3鑄造鎂合金組織和性能鎂合金的鑄造方法有多種，包括重力鑄造和壓力鑄造。通常所說的壓鑄（DieCasting）是指高壓鑄造。2.3.1Mg-Al系合金組織

Mg-Al系鑄造合金的平衡狀態(tài)組織如下圖。圖2-4改2.3鑄造鎂合金組織和性能圖2-4改■Mg-Al-Zn合金按組織可以分為兩種類型，典型的合金分別為：AZ92和AZ63。圖2-6■Mg-Al-Zn合金圖2-6

由于凝固過程中出現(xiàn)的晶內(nèi)偏析，導(dǎo)致Al和Mg的含量在材料內(nèi)分布不均，從而影響了材料的耐蝕性和力學(xué)性能。力學(xué)性能隨著Al含量的增加而提高。圖2-5由于凝固過程中出現(xiàn)的晶內(nèi)偏析，導(dǎo)致Al和Mg的含量■Mg-Al-Mn合金典型組織除了α相和β相以外，還有含Mn的中間相。隨含Mn量的高低可能是：AlMn、Al3Mn、Al4Mn、Al6Mn或Al5Mn8。圖2-7■Mg-Al-Mn合金圖2-7圖2-8

上圖中，具有規(guī)則幾何形狀的白色相為AlMn，可以看出其有明顯的偏聚趨勢。AZ61中的AlMn粒子可能是由于在鎂合金的冶煉過程中，為除去有害元素Fe而有意加入Mn元素所致。圖2-8上圖中，具有規(guī)則幾何形狀的白色相為AlM■Mg-Al-RE合金

Mg-Al-RE合金（如AE21、AE41）的典型組織為α相、β相和中間相Al4MM（MM指混合稀土）。合金中不存在三元Mg-Al-RE相，這是因?yàn)镽E優(yōu)先與Al結(jié)合?！鯩g-Al-Si合金

AS系典型的合金為AS41和AS21，組織特征是在晶界處形成細(xì)小彌散分布的穩(wěn)定析出相Mg2Si。AS系鎂合金的耐熱性能較好，適用于較高溫度（150℃）下強(qiáng)度高的部件?！鯩g-Al-Ca合金

Mg-Al-Ca合金組織特征是存在Al2Ca和Mg2Ca化合物。此類合金具有較高的耐熱性和阻燃性，但是腐蝕性能有所降低。■Mg-Al-RE合金2.3.2Mg-Zn系合金Mg-Znphasediagram2.3.2Mg-Zn系合金Mg-Znphasediag■Mg-Zn-MM（混合稀土）合金由于加入1.5%MM對Mg-8Zn合金組織有強(qiáng)烈的影響，所以Mg-8Zn-1.5MM合金共晶組織有三種不同的共晶相：T相（主要為Mg52.6Zn39.5MM7.9或(Mg,Zn)92.1MM7.9）、Mg4Zn7相和MgZn2（Laves相）?！鯩g-Zn-Al（-Ca）合金組織特征是存在MgxZnyAlz和MgZn中間相。在含大約2%Al的鎂合金里存在MgZn化合物，但不存在Al12Mg17化合物。Ca的加入能夠提高合金的抗蠕變性能，其大量的存在于MgxZnyAlz相中?！鯩g-Zn-MM（混合稀土）合金2.3.3鑄造鎂合金的性能表2-8表2-92.3.3鑄造鎂合金的性能表2-8表2-9表2-102.4變形鎂合金組織及性能變形鎂合金經(jīng)過擠壓、軋制和鍛造等工藝后具有比相同成分的鑄造鎂合金更高的力學(xué)性能。其工作溫度不超過150℃。圖2-9

變形鎂合金常用的是Mg-Al系和Mg-Zn-Zr系。前者中強(qiáng)，塑性較高，后者高強(qiáng)，塑性較低。表2-102.4變形鎂合金組織及性能圖2-9變形鎂■變形鎂合金組織圖2-10圖2-11圖2-12■變形鎂合金組織圖2-10圖2-11圖2-12■變形鎂合金性能變形鎂合金力學(xué)性能與加工工藝、熱處理狀態(tài)等大有關(guān)系。表2-11■變形鎂合金性能表2-11表2-12表2-13表2-12表2-132.5鎂合金熱處理時(shí)效組織和性能

大部分鎂合金時(shí)效過程中都有一個(gè)與鎂點(diǎn)陣形成共格沉淀物的階段，這種沉淀物具有DO19晶體結(jié)構(gòu)，其晶胞的a軸為鎂基體a軸的2倍，c軸相同。表2-142.5鎂合金熱處理時(shí)效組織和性能大部分鎂合金時(shí)鎂合金時(shí)效過程復(fù)雜，可能出現(xiàn)的沉淀過程見下表表2-15鎂合金時(shí)效過程復(fù)雜，可能出現(xiàn)的沉淀過程見下表表2-152.6冶金缺陷對鎂合金性能的影響鎂合金在熔煉鑄造時(shí)很容易氧化、燃燒和吸氣，其鑄錠常存在一些空隙、氧化物夾雜或蝕坑等缺陷，它們尤其是夾雜物對鎂合金的力學(xué)性能和腐蝕性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響?！鰥A雜物：主要為MgO圖2-17和表2-162.6冶金缺陷對鎂合金性能的影響圖2-17和表2-16鑄造缺陷（如空隙、夾雜物）是疲勞裂紋源。圖2-18圖2-19鑄造缺陷（如空隙、夾雜物）是疲勞裂紋源。圖2-18圖2-193鎂合金強(qiáng)化處理3.1概述工業(yè)純美的塑性很差，純美多晶的強(qiáng)度和硬度也比較低，不能直接用作結(jié)構(gòu)材料。目前應(yīng)用于鎂合金的強(qiáng)化處理方法主要有合金化強(qiáng)化、熱處理強(qiáng)化、復(fù)合強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化。其中，合金化強(qiáng)化為最基本，最常用和最有效的強(qiáng)化處理方法，使其他方法的基礎(chǔ)。3鎂合金強(qiáng)化處理3.1概述3.2合金化強(qiáng)化鎂合金的強(qiáng)化一般都是利用固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化來提高合金的常溫和高溫力學(xué)性能，關(guān)鍵是選擇合適的合金元素。表3-1改用顏色分類3.2合金化強(qiáng)化表3-1改用顏色分類■固溶強(qiáng)化合金化元素（溶質(zhì)）完全溶入基體金屬（溶劑）中，溶質(zhì)原子在溶劑晶格點(diǎn)陣處取代溶質(zhì)原子，從而通過原子錯(cuò)排及溶質(zhì)與溶劑原子之間彈性模量的不同而強(qiáng)化基體金屬。要形成無限固溶體必須滿足三個(gè)條件：溶質(zhì)、溶劑原子尺寸相差不超過15%，相同的原子價(jià)和相似的晶體結(jié)構(gòu)。滿足以上條件的有Cd。不滿足這些條件的形成有限固溶體。隨著溶質(zhì)原子化合價(jià)的增大，鎂與之形成第二相或穩(wěn)定化合物，而不再是固溶體。常見的化合物類型主要有：①AB型-簡立方CsCl結(jié)構(gòu)，如MgTi、MgAg、CeMg、SnMg等；②AB2型-Laves相：如MgCu2、MgZn2、MgNi2等；③CaF2型-面心立方金屬間化合物：如Mg2Si、Mg2Sn等?！龉倘軓?qiáng)化■析出強(qiáng)化機(jī)制是析出相阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和滑移，從而提高屈服強(qiáng)度。為了增強(qiáng)鎂合金的析出強(qiáng)化，選擇合金元素應(yīng)考慮以下因素：①元素應(yīng)該在高溫下在鎂中有足夠的固溶度，且隨溫度的降低而降低，以提高合金的時(shí)效強(qiáng)化能力；②析出相中應(yīng)含有較多的鎂，在提高析出相百分含量的同時(shí)減少所需的合金元素量；③元素在鎂中的擴(kuò)散速率應(yīng)較低，以減少過時(shí)效傾向和位錯(cuò)的攀移?！鰪浬?qiáng)化與析出強(qiáng)化類似，但不同的是，析出相在高溫下迅速長大，失去強(qiáng)化作用，彌散強(qiáng)化顆粒熱穩(wěn)定性好，在常溫和高溫下都有強(qiáng)化作用?！鑫龀鰪?qiáng)化3.3熱處理強(qiáng)化目的是改善合金的力學(xué)性能。表3-2表3-33.3熱處理強(qiáng)化表3-2表3-3

一般來說，鎂與其他合金元素形成二元共晶相圖，合金的成分對合金的性能有所影響。圖3-1一般來說，鎂與其他合金元素形成二元共晶相圖，合金3.4復(fù)合強(qiáng)化鎂基復(fù)合材料可提高鎂合金的力學(xué)性能，主要采用石墨纖維、Al2O3纖維、SiC顆粒和BC顆粒作為增強(qiáng)體。增強(qiáng)體與鎂合金的界面特性對復(fù)合材料的影響極為重要。表3-4

從表中看出，復(fù)合材料低的抗拉強(qiáng)度同高的界面剪切強(qiáng)度存在著對應(yīng)關(guān)系。3.4復(fù)合強(qiáng)化表3-4從表中看出，復(fù)合材料低的抗

圖中是不同的基體對應(yīng)的材料抗拉強(qiáng)度的比較。圖中是不同的基體對應(yīng)的材料抗拉強(qiáng)度的比較。3.5細(xì)晶強(qiáng)化■原理：合金的屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸的關(guān)系可用Hall-Petch關(guān)系表示：σyield=σ0+kd-1/2其中：σ0——晶格摩擦力；k——Petch斜率；d——晶粒直徑。細(xì)晶強(qiáng)化時(shí)，晶界是滑移傳遞的有效障礙，晶界前方的應(yīng)力集中使得更多的滑移系被激活，合金的整體變形更加均勻，帶來合金強(qiáng)度和韌性的提高。當(dāng)鎂合金中的細(xì)晶粒（≤10μm）達(dá)到一定比例時(shí)，合金就會出現(xiàn)超塑性?！龇椒ǎ鹤冑|(zhì)處理、熱加工、塑性變形和快速凝固等3.5細(xì)晶強(qiáng)化Ⅰ變質(zhì)或過熱處理細(xì)化晶粒①變質(zhì)處理：通過添加晶粒細(xì)化添加劑對液態(tài)鎂合金溶液進(jìn)行處理，目前得到應(yīng)用的主要有含Zr和含C的晶粒細(xì)化劑。其中含C的晶粒細(xì)化劑主要用于Mg-Al系。圖3-3改加入晶體結(jié)構(gòu)Ⅰ變質(zhì)或過熱處理細(xì)化晶粒圖3-3改加入晶體結(jié)構(gòu)②過熱處理：澆注前將熔體溫度升高并保溫一段時(shí)間后再降溫到澆注溫度進(jìn)行澆注的工藝過程。研究表明，過熱處理對Mg-Al系合金有明顯的細(xì)化作用。Ⅱ半固態(tài)成形細(xì)化晶粒它將原料加熱到固液相線之間的溫度，然后將其壓入型腔成形，半固態(tài)成形工藝能產(chǎn)生細(xì)小的微觀結(jié)構(gòu)，減小微觀收縮，使材料獲得較高的力學(xué)性能。例如：Mg-Zn-Al-Ca合金的半固態(tài)成形。Ⅲ快速凝固細(xì)化晶粒由于快速凝固時(shí)的冷卻速度較大，因而可以獲得細(xì)小的粉末晶粒。將粉末晶粒除氣和熱壓固結(jié)后，再經(jīng)軋制、擠壓和鍛造等成形工藝便可以得到細(xì)晶材料。②過熱處理：澆注前將熔體溫度升高并保溫一段時(shí)間后再降溫到澆注Ⅳ鑄錠變形細(xì)化晶粒通過對鎂合金鑄錠進(jìn)行后續(xù)變形處理也可以細(xì)化晶粒，主要方法如下：①等通道角擠壓（ECAE）：一種可以使鑄錠等冶金材料均質(zhì)化、細(xì)晶化的技術(shù)。設(shè)備見右圖。圖3-4②大比率擠壓：由于擠壓比很大，晶粒被拉長以致斷裂成微小的顆粒，晶粒之間的相互摩擦加劇了破碎的過程。Ⅳ鑄錠變形細(xì)化晶粒圖3-4②大比率擠壓：由于擠壓比很大，晶粒4鎂合金鑄造4.1概述工業(yè)鎂合金按生產(chǎn)工藝分為鑄造鎂合金和變形鎂合金，其中鑄造鎂合金約占鎂合金總量的90%以上。按性能特點(diǎn)可以分為高強(qiáng)鎂合金和耐熱鎂合金，高強(qiáng)鎂合金主要以AZ系和ZK系為主，耐熱鑄造鎂合金則大多以EK系為主。高強(qiáng)鑄造鎂合金一般具有較高的常溫強(qiáng)度和良好的鑄造工藝性能，但是耐熱性差，長期工作溫度不超過150℃。而耐熱鎂合金一般是指能在150℃以上溫度范圍內(nèi)長期工作的鎂合金。4鎂合金鑄造4.1概述4.2鎂合金熔煉■特點(diǎn)：鎂合金暴露在大氣中會迅速氧化，當(dāng)溫度超過熔點(diǎn)時(shí)遇見氧即發(fā)生劇烈的燃燒，最終發(fā)生爆炸。圖4-1■采取措施:①以鹽類溶劑覆蓋于熔體上；②以抑制性元素添加在熔體上作為覆蓋層；③在反應(yīng)氣氛下處理熔體，在其上形成薄膜；④在惰性氣氛下處理熔體。無論采取什么措施，均是利用某些成分隔絕高溫鎂與空氣的接觸，阻止鎂的氧化。4.2鎂合金熔煉圖4-1■采取措施:4.2.1熔煉過程中的阻燃保護(hù)■熔劑保護(hù)以低于400℃的熔融鹽覆蓋在鎂熔體表面，切斷鎂液與空氣的接觸。目前國內(nèi)常用的是RJ系列溶劑。表4-14.2.1熔煉過程中的阻燃保護(hù)表4-1■氣體保護(hù)

SF6與空氣混合的氣體保護(hù)工藝，SF6的作用是使鎂合金液面生成很薄、很致密的一層保護(hù)性膜。該膜的主要成分是MgO，并有少量的MgF2存在。①優(yōu)點(diǎn)：大大提高了鎂合金液的純凈度，減少了鎂的熔煉損失；②缺點(diǎn)：SF6是溫室氣體，其溫室作用是CO2的23900倍?！龊辖鸹枞急Ｗo(hù)通過加入合金元素提高鎂合金的燃點(diǎn)，使熔煉和澆鑄時(shí)不產(chǎn)生燃燒。圖4-2■氣體保護(hù)圖4-24.2.2鎂合金成形過程中的阻燃保護(hù)主要采用氣相保護(hù)，致密膜保護(hù)和釉質(zhì)膜保護(hù)。■砂型鑄造過程中的阻燃保護(hù)在型砂中加入氟化物和硼酸，在澆鑄過程中向金屬液流噴硫粉阻燃?！鰤鸿T過程中的阻燃保護(hù)采用真空壓鑄技術(shù)，以隔絕鎂與氧發(fā)生發(fā)應(yīng)。4.2.2鎂合金成形過程中的阻燃保護(hù)4.2.3鎂合金的精煉和變質(zhì)處理■精煉處理①背景：鎂的化學(xué)活性很強(qiáng)，熔煉過程中以產(chǎn)生非金屬夾雜，惡化合金的力學(xué)性能，還伴生縮孔、氣孔等缺陷。鎂合金中主要的氣體是氫，主要的夾雜物是MgO，同時(shí)還有MgF2、MgCl2等。②精煉方法：加入C2Cl6、MgCO3和CaCO3等精煉溶劑?！鲎冑|(zhì)處理①目的：細(xì)化鑄態(tài)組織晶粒；②方法：碳素材料變質(zhì)處理法，常用的變質(zhì)劑為C2Cl6

。4.2.3鎂合金的精煉和變質(zhì)處理4.3鎂合金鑄造成形鎂合金成形主要通過鑄造和塑性變形兩種方式來實(shí)現(xiàn)。①常規(guī)壓鑄：鎂合金鑄造最主要的成形工藝；②真空壓鑄：通過在壓鑄過程中抽出型腔內(nèi)的氣體而減少或消除壓鑄件內(nèi)的氣孔和溶解氣體，提高壓鑄件的力學(xué)性能和表面質(zhì)量；③擠壓鑄造：北美壓鑄協(xié)會（NADAC）對擠壓鑄造的定義為采用低的充型速度和最小的擾動(dòng)，使金屬在高壓下凝固，以獲得科熱處理的高致密度鑄件的鑄造工藝。④半固態(tài)鑄造：對于從液相到固相凝固過程中的金屬熔體進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌，在熔體達(dá)到一定固相分?jǐn)?shù)時(shí)，對其進(jìn)行壓鑄或擠壓成形。4.3鎂合金鑄造成形鎂合金的鑄造缺陷表4-9鎂表4-94.4鎂合金的鑄造設(shè)備圖4-104-12圖4-13圖4-174.4鎂合金的鑄造設(shè)備圖4-104-12圖4-13圖4-1圖4-184-19圖4-20圖4-21圖4-184-19圖4-20圖4-215鎂合金的塑性成形5.1概述鎂具有hcp結(jié)構(gòu)，室溫下滑移系僅為三個(gè)，導(dǎo)致鎂合金的塑性很低，冷變形困難。當(dāng)成形溫度升高到180～240℃之間時(shí)，隨著孿晶的形成而有更多的附加滑移面產(chǎn)生，使鎂合金的塑性得到很大提高；而溫度進(jìn)一步升高達(dá)到300℃以上，即可出現(xiàn)再結(jié)晶過程，使鎂合金具有更好的成形性能。常用的成形方法有：擠壓成形、鍛造成形、軋制成形、等溫及超塑性成形和板料成形。5鎂合金的塑性成形5.1概述5.2鎂合金軋制技術(shù)表5-25.2鎂合金軋制技術(shù)表5-2表5-3表5-35.3鎂合金擠壓成形圖5-25.3鎂合金擠壓成形圖5-2表5-7表5-75.4鎂合金鍛造成形表5-11表5-125.4鎂合金鍛造成形表5-11表5-125.5鎂合金等溫成形圖5-9圖5-105.5鎂合金等溫成形圖5-9圖5-105.6鎂合金的超塑性表5-175.6鎂合金的超塑性表5-175.7鎂合金板材的成形成形鎂合金與成形鋼、鋁或銅的主要差別是成形溫度。雖然可在室溫下進(jìn)行某些鎂合金的成形，但使用最多的還是高溫。5.8鎂合金先進(jìn)的塑性成形技術(shù)鎂合金先進(jìn)的塑性成形技術(shù)主要有：等通道擠壓，快速凝固/粉末冶金，噴射沉積，鑄鍛復(fù)合成形，液態(tài)模鍛再鍛造，條料鑄軋和噴射+軋制/鍛造/擠壓。5.7鎂合金板材的成形圖5-19圖5-26圖5-19圖5-26圖5-18圖5-24圖5-18圖5-246鎂合金的連接6.1概述絕大多數(shù)鎂合金可以用氣焊、氬弧焊、電阻焊、電子束焊、釬焊等方法焊接，目前通常使用氬弧焊方法焊接。氬弧焊適用于一切鎂合金焊接，它能得到較高的焊縫強(qiáng)度系數(shù)，焊接變形比氣焊小，焊接時(shí)可以不用氣劑。且鑄件可用氬弧焊修補(bǔ)并能獲得滿意的焊接質(zhì)量。鎂合金因?yàn)闆]有適用的焊劑，不能用埋弧焊。鎂合金也可用粘接連接。6鎂合金的連接6.1概述6.2鎂合金焊接特點(diǎn)與焊接性■焊接特點(diǎn)（1）粗晶（2）氧化與蒸發(fā)（3）薄件的燒穿與塌陷（4）熱應(yīng)力（5）裂紋（6）氣孔鎂合金在沒有隔絕氧的條件下焊接，易燃燒，焊接時(shí)需用惰性氣體或焊劑保護(hù)。由于焊鎂時(shí)要求用大功率的熱源，當(dāng)接頭出溫度過高時(shí)，母材料將產(chǎn)生“過燒”現(xiàn)象。因此，焊鎂時(shí)必須控制好接頭溫度。6.2鎂合金焊接特點(diǎn)與焊接性■鎂合金的焊接性表6-1表6-2■鎂合金的焊接性表6-1表6-26.3鎂及鎂合金的焊接技術(shù)①氣焊：火焰的熱量散布范圍大，焊件加熱區(qū)域較寬。所以焊縫的收縮應(yīng)力大，容易產(chǎn)生裂紋等缺陷。主要用于不太重要的鎂合金薄板結(jié)構(gòu)的焊接及鑄件的焊補(bǔ)。②氬弧焊：熱影響區(qū)尺寸及變形比氣焊時(shí)小，焊縫的力學(xué)性能和耐腐蝕性能都比氣焊高，是目前焊接鎂合金最常用的方法。③電阻電焊：瞬時(shí)快速加熱，用于某些鎂合金框架、儀表艙、隔板的焊接。④釬焊：所用釬料為鎂合金釬料，釬劑一般用氯化物和氟化物混合粉末。6.3鎂及鎂合金的焊接技術(shù)6.4鎂合金的粘接鎂合金粘接已被廣泛應(yīng)用于軍用飛機(jī)蒙皮、面板的連接中，并在汽車裝配件的原型連接中應(yīng)用前景看好。表6-236.4鎂合金的粘接表6-237鎂合金的腐蝕及表面防護(hù)處理7.1概述鎂及鎂合金表面極易產(chǎn)生腐蝕形成疏松多孔的氧化鎂,耐腐蝕性差,制約了鎂合金的廣泛應(yīng)用.

影響鎂合金耐腐蝕性能的因素：氯化物溶劑夾雜；夾雜元素Fe，Ni，Co，Cu；合金的使用環(huán)境；加工工藝和組織狀態(tài)等。提高鎂合金耐腐蝕性能的方法：①提高合金的純凈度，最大限度地降低鎂合金中重金屬元素的含量；②采用各種表面處理方式，對合金表面進(jìn)行防護(hù)處理。7鎂合金的腐蝕及表面防護(hù)處理7.1概述7.2鎂的電化學(xué)特性及耐腐蝕性■鎂的電化學(xué)特性鎂的平衡電位在金屬中是非常低的，其腐蝕電位依介質(zhì)而異，一般在+0.5～-1.64V之間。在自然環(huán)境中的腐蝕電位為-1.3～-1.5V。表7－17.2鎂的電化學(xué)特性及耐腐蝕性表7－1■鎂在室溫下的腐蝕熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)圖7－1①M(fèi)g＋H2O＝MgO＋H2②Mg2＋＋H2O＝MgO＋2H－③Mg=Mg2++2e■鎂在室溫下的腐蝕熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)圖7－1①M(fèi)g＋H2O＝Mg■鎂的負(fù)差數(shù)效應(yīng)隨著電位正移，鎂的析氫反而加速，這與Fe和Zn的析氫行為截然相反。圖7－2■鎂的負(fù)差數(shù)效應(yīng)圖7－2■氧化鎂膜的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

MgO的晶格屬于n-型半導(dǎo)體。MgO晶體中存在多余的Mg2＋，以間隙離子的形式存在其中，同時(shí)還存在負(fù)電子。在一定的激活能下，金屬離子Mg2＋和電子將通過間隙擴(kuò)散。高溫氧化時(shí)，間隙離子Mg2＋和電子e向MgO/O2界面遷移，并于氧反應(yīng)生成MgO，這樣的結(jié)果是在MgO/O2界面上氧化鎂增長?！鲦V在室溫不同環(huán)境下的腐蝕①大氣中：立即氧化形成灰色的MgO膜；②潮濕大氣：MgO將轉(zhuǎn)化為Mg(OH)2；③水溶液中：在酸性、中性或弱堿性溶液中，鎂被腐蝕而生成Mg2＋離子，但是在PH值為11～12或以上的堿性區(qū)，容易生成穩(wěn)定的Mg(OH)2膜而達(dá)到鈍化耐蝕，■氧化鎂膜的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)■鎂在高溫下的氧化腐蝕在高溫時(shí)，鎂在空氣中極易氧化，氧化膜失去保護(hù)性。表7－2表7－3■鎂在高溫下的氧化腐蝕表7－2表7－37.3鎂合金的腐蝕類型

金屬腐蝕可以分為全面腐蝕和局部腐蝕。從工程技術(shù)上看，全面腐蝕相對局部腐蝕危險(xiǎn)性要小些，局部腐蝕往往在沒有任何征兆的情況下，金屬結(jié)構(gòu)就突然發(fā)生斷裂，可能造成嚴(yán)重的事故。鎂合金腐蝕的主要類型：①全面腐蝕與電偶腐蝕

電偶腐蝕是鎂合金在腐蝕環(huán)境中產(chǎn)生的一種電化學(xué)腐蝕，在宏觀上表現(xiàn)為全面腐蝕。表7－47.3鎂合金的腐蝕類型金屬腐蝕可以分為全面②應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）應(yīng)力腐蝕開裂（SCC，StressCorrosionCracking）是指材料在特定的腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力共同作用下發(fā)生的脆性斷裂。由電化學(xué)腐蝕加上應(yīng)力的作用導(dǎo)致裂紋形成，裂紋的發(fā)展主要由力學(xué)因素引起，直至斷裂。③腐蝕疲勞在20世紀(jì)初期Moore就進(jìn)行了Elektron鎂合金旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命試驗(yàn)，但此后這方面的研究進(jìn)展緩慢。影響鎂合金疲勞極限的因素有：合金元素，加載頻率，工作介質(zhì)等。②應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）④其他腐蝕圖7－3圖7－4④其他腐蝕圖7－3圖7－47.4影響鎂和鎂合金耐腐蝕性的因素■影響因素①純度及合金元素種類：氫過電位低的雜質(zhì)如Fe，Ni，Cu，Co的存在，會強(qiáng)烈加速鎂的腐蝕。Cd，Zn，Ca，Ag對腐蝕速率有輕微的中等加速的影響。重金屬雜質(zhì)還常常導(dǎo)致與緊固件或非同類金屬連接件的一般性點(diǎn)狀腐蝕。②熱處理：一般情況下凡是導(dǎo)致析出金屬間化合物的熱處理通常都會降低鎂合金的耐蝕性。③冷加工：如拉伸和彎曲，對腐蝕速率無明顯影響。7.4影響鎂和鎂合金耐腐蝕性的因素■提高鎂合金耐腐蝕性能的途徑①減少鎂合金中的有害雜質(zhì)元素，使鎂合金高純化；②采用快速凝固工藝，擴(kuò)大固溶度限制和細(xì)化晶粒；③通過合適的表面處理。7.5鎂合金的表面處理當(dāng)前商業(yè)應(yīng)用的鎂合金表面處理方法主要為陽極氧化、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜以及鍍鎳，使鎂合金表面形成一層新的保護(hù)膜。鎂合金表面形成含MgO、MgAl2O4、MgF2、Mg17Al12等的保護(hù)膜均有利于提高鎂合金表面的耐蝕性。■提高鎂合金耐腐蝕性能的途徑7.5鎂合金的表面處理8廢鎂回收及鎂合金安全生產(chǎn)8.1概述：鎂合金廢料主要產(chǎn)生于壓鑄產(chǎn)品的生產(chǎn)和加工圖8－18廢鎂回收及鎂合金安全生產(chǎn)8.1概述：鎂合金廢料主要產(chǎn)生.8.2壓鑄廢鎂合金的分類表8－1.8.2壓鑄廢鎂合金的分類表8－18.3鎂合金廢料的處理對鎂合金廢料進(jìn)行前期處理然后熔煉。圖8－38.3鎂合金廢料的處理圖8－38.4鎂合金安全生產(chǎn)鎂具有非常活潑的化學(xué)性質(zhì)，鎂粉、鎂屑又極具易燃、易爆性，這是安全生產(chǎn)和防范的關(guān)鍵。圖8－4圖8－58.4鎂合金安全生產(chǎn)圖8－4圖8－59鎂合金的應(yīng)用9.1概述鎂合金被譽(yù)為“21世紀(jì)綠色工程材料”，世界鎂產(chǎn)業(yè)以每年15％～25％的幅度增長，這在近代工程金屬材料的應(yīng)用中是前所未有的。鎂合金具有優(yōu)異的性能（低密度、比剛度和比強(qiáng)度高），因而廣泛應(yīng)用于航空、航天、交通工具、3C產(chǎn)品、紡織和印刷行業(yè)等。9鎂合金的應(yīng)用9.1概述9.2鎂合金在汽車工業(yè)上的應(yīng)用圖9－1圖9－29.2鎂合金在汽車工業(yè)上的應(yīng)用圖9－1圖9－29.3鎂合金在摩托車上的應(yīng)用圖9－4圖9－5鎂合金摩托車輪9.3鎂合金在摩托車上的應(yīng)用圖9－4圖9－5鎂合金摩托車輪圖9－8圖9－9圖9－11圖9－8圖9－9圖9－119.4鎂合金在自行車上的應(yīng)用鎂合金自行車鎂合金自行車架9.4鎂合金在自行車上的應(yīng)用鎂合金自行車鎂合金自行車架9.5鎂合金在航空上的應(yīng)用表9－19.5鎂合金在航空上的應(yīng)用表9－1圖9－16圖9－18圖9－16圖9－189.6鎂合金在3C產(chǎn)品上的應(yīng)用圖9－20圖9－21鎂合金諾基亞3310手機(jī)殼鎂合金外殼MP39.6鎂合金在3C產(chǎn)品上的應(yīng)用圖9－20圖9－21鎂合金諾9.7鎂合金在武器中的應(yīng)用圖9－229.7鎂合金在武器中的應(yīng)用圖9－229.8鎂及鎂合金在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用圖9－239.8鎂及鎂合金在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用圖9－23謝謝大家謝謝大家張弛chizhang@電話：62782361鎂合金及其應(yīng)用張弛鎂合金及其應(yīng)用

鎂的英文名稱為Magnesium，它的命名取自希臘文，原意是“美格尼西亞”，因?yàn)樵谙ＥD的美格尼西亞城附近當(dāng)時(shí)盛產(chǎn)一種名叫苦土的鎂礦（就是氧化鎂），古羅馬人把這種礦物稱為“美格尼西·阿爾巴（magnesiaalba）”，“alba”的意思是“白色的”，即“白色的美格尼西亞”。我國則根據(jù)這個(gè)詞的第一音節(jié)音譯成鎂。鎂的元素符號為Mg。引言：鎂的發(fā)現(xiàn)和命名鎂的英文名稱為Magnesiu目錄1鎂資源及原鎂生產(chǎn)2鎂合金的成分、組織和性能3鎂合金強(qiáng)化處理4鎂合金鑄造5鎂合金的塑性成形6鎂合金的連接7鎂合金的腐蝕及表面防護(hù)處理8廢鎂的回收及鎂合金的安全生產(chǎn)9鎂合金的應(yīng)用目錄1鎂資源及原鎂生產(chǎn)1鎂資源及原鎂生產(chǎn)1.1概述自19世紀(jì)末，由于人類文明的快速進(jìn)步，金屬材料的消耗與日俱增，某些金屬礦產(chǎn)逐漸枯竭。而鎂是地球上儲量最豐富的元素之一，廣泛存在于白云石、鹽湖和海洋之中，可謂取之不盡，用之不竭。1鎂資源及原鎂生產(chǎn)1.1概述1.2鎂資源鎂在地殼中的儲量極其豐富，儲量為2.77%，在地殼表層儲量居第6位。最主要的鎂資源是海水。圖1-1表1-11.2鎂資源圖1-1表1-1■世界菱鎂礦儲量和分布菱鎂礦（MgCO3）是最具工業(yè)價(jià)值的鎂礦石之一。表1-2■世界菱鎂礦儲量和分布表1-2■中國的鎂資源我國是世界上鎂資源最豐富的國家，儲量居世界首位，已探明的菱鎂礦石保有儲量30.09億噸，約占世界探明儲量的1/4。表1-3■中國的鎂資源表1-3

白云石（MgCO3·CaCO3）也是具工業(yè)價(jià)值的鎂礦石之一，其資源遍及全國各省市，已探明儲量在40億噸以上。表1-4白云石（MgCO3·CaCO3）也是具工業(yè)價(jià)值的1.3鎂的性質(zhì)■元素特征元素符號：Mg原子序數(shù)：12自由原子中各軌道電子狀態(tài)：1s22s22p63s2相對原子質(zhì)量：24.3050原子體積：14.0cm3/mol■品質(zhì)特征密度：1.738g/cm3(20℃),1.65g/cm3(650℃),1.58g/cm3(液態(tài))凝固體積變化：體積收縮為4.2%冷卻體積變化：從650℃冷卻到20℃體積收縮約為5%1.3鎂的性質(zhì)■晶體結(jié)構(gòu)在大氣壓下，純鎂的晶體結(jié)構(gòu)是密排六方。圖1-2■晶體結(jié)構(gòu)圖1-2

金屬鎂具有接近完美的密排結(jié)構(gòu)，室溫下所測c/a=1.6236與理想密排六方結(jié)構(gòu)的理論預(yù)測值c/a=1.633非常接近。

純鎂的晶格常數(shù)隨溫度變化表1-5圖1-3金屬鎂具有接近完美的密排結(jié)構(gòu)，室溫下所測c/a=1.■熱·性能熔點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，650℃±1℃。沸點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，1090℃。熱膨脹：純鎂在較低溫度下的熱膨脹系數(shù)見下表表1-7熱導(dǎo)率：在低、中溫區(qū)，熱導(dǎo)率在149～5700W/(m·k)之間。燃點(diǎn)：在空氣中加熱，金屬鎂在632～635℃開始燃燒。■熱·性能表1-7熱導(dǎo)率：在低、中溫區(qū)，熱導(dǎo)率在149～57■力學(xué)性能拉伸性能和硬度：■力學(xué)性能鎂合金及其應(yīng)用課件彈性模量(E)：金屬鎂在20℃下的彈性模量與純度有關(guān)。純度99.98%99.80%靜態(tài)彈性模量40GPa43GPa動(dòng)態(tài)彈性模量44GPa45GPa泊松比：0.35蠕變斷裂值：蠕變行為及溫度對蠕變行為的影響見下圖。圖1-10彈性模量(E)：金屬鎂在20℃下的彈性模量與純度有關(guān)。純度1.4原鎂生產(chǎn)方法鎂冶金的發(fā)展過程大體經(jīng)歷了金屬還原鎂的化合物，熔鹽電解和熱還原三個(gè)階段。鎂冶金的現(xiàn)代方法主要分為兩種：一是電解法；二是硅熱法。電解法煉鎂可分為電解熔融氯化鎂和電解溶于熔鹽中的氧化鎂。電解法又依氯化鎂的制得方法不同分為四種：道烏法（DOW）、阿碼克斯法（Amax）、諾斯克法（NorskHydro）和氧化鎂氯化法。硅熱還原法分為皮江法（Pidgeon）、波皮扎諾法（Bolzano）和瑪格尼特法（Magnetherm）三種。1.4原鎂生產(chǎn)方法■各種煉鎂方法的比較表1-14■各種煉鎂方法的比較表1-142鎂合金的成分、組織和性能2.1概述工業(yè)用鎂的純度可達(dá)99.9%，但是純鎂不能用做結(jié)構(gòu)材料。在純鎂中加入Al、Zn、Li、Mn、Zr和稀土等元素形成的鎂合金具有較高的強(qiáng)度，可以作為結(jié)構(gòu)材料廣泛應(yīng)用。鎂的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)高峰期，第一個(gè)在20世紀(jì)20年代至30年代晚期，第二個(gè)在20世紀(jì)50年代，第三個(gè)從20世紀(jì)90年代至今。2鎂合金的成分、組織和性能2.1概述2.2鎂合金成分對性能的影響■鎂合金化的特點(diǎn)①晶體結(jié)構(gòu)因素：根據(jù)Hume-RotheryRules，鎘（Cd）在高溫（＞253℃）下，能與鎂形成無限固溶體。②原子尺寸因素：溶質(zhì)和溶劑原子大小的相對差值在15%以內(nèi)才能形成無限固溶體。圖2-12.2鎂合金成分對性能的影響圖2-1③電負(fù)性：Darken-Gurry理論認(rèn)為，電負(fù)性差值大于0.4的元素不易形成固溶體。鎂形成Laves（AB2）型結(jié)構(gòu)化合物，其穩(wěn)定性可用熔點(diǎn)來表示。如下圖所示，Mg-Al合金耐高溫性能較差，而Mg-Si耐高溫性能較好。表2-1④原子價(jià)因素：溶質(zhì)和溶劑的原子價(jià)相差越大，則溶解度越小。與低價(jià)元素相比，較高價(jià)元素在鎂中溶解度較大。③電負(fù)性：Darken-Gurry理論認(rèn)為，電負(fù)性差值大于0■鎂合金成分和牌號采用美國實(shí)驗(yàn)材料協(xié)會（ASTM）的標(biāo)記發(fā)法。鎂合金的牌號由三部分組成：頭兩個(gè)字母為主要合金元素代號（見下圖），中間兩個(gè)數(shù)字表示主要合金元素的名義質(zhì)量分?jǐn)?shù)，最后一個(gè)后綴字母（A、B、C、D、E等）是指成分和特定范圍純度的變化。例如：AZ91E。表2-2■鎂合金成分和牌號表2-2■鎂合金的分類及熱處理鎂合金的分類方式有三種：①化學(xué)成分：主要合金元素Mn,Al，Zn，Zr和稀土為基礎(chǔ)，組成基本合金系。②成形工藝：鑄造鎂合金和變形鎂合金。圖2-2③是否含鋯：含Zr合金和不含Zr合金。■鎂合金的分類及熱處理圖2-2③是否含鋯：含Zr合金和不含Z

國外在工業(yè)中應(yīng)用較廣泛的是壓鑄鎂合金，主要有以下4個(gè)系列：AZ，AM，AS和AE系列。我國鑄造鎂合金主要有ZK，Mg-Zn-Zr-RE和AZ系列。變形鎂合金有Mg-Mn，AZ和ZK系列。表2-3國外在工業(yè)中應(yīng)用較廣泛的是壓鑄鎂合金，主要有以下4常見壓鑄鎂合金和變形鎂合金的化學(xué)成分分別見下表。表2-4表2-5常見壓鑄鎂合金和變形鎂合金的化學(xué)成分分別見下表。表2-4表2鎂合金熱處理采用與鋁同樣的系統(tǒng)標(biāo)示。常用的回火有：T4——固溶處理，T5——人工時(shí)效，T6——固溶處理后人工時(shí)效?！龊辖鹪貙M織和性能的影響加入不同的合金元素，可以改變鎂合金共晶化合物或第二相的組成、結(jié)構(gòu)以及形態(tài)和分布，可能得到性能完全不同的鎂合金。圖2-3鎂合金熱處理采用與鋁同樣的系統(tǒng)標(biāo)示。常用的回火有：T4——固表2-6表2-6鎂合金及其應(yīng)用課件2.3鑄造鎂合金組織和性能鎂合金的鑄造方法有多種，包括重力鑄造和壓力鑄造。通常所說的壓鑄（DieCasting）是指高壓鑄造。2.3.1Mg-Al系合金組織

Mg-Al系鑄造合金的平衡狀態(tài)組織如下圖。圖2-4改2.3鑄造鎂合金組織和性能圖2-4改■Mg-Al-Zn合金按組織可以分為兩種類型，典型的合金分別為：AZ92和AZ63。圖2-6■Mg-Al-Zn合金圖2-6

由于凝固過程中出現(xiàn)的晶內(nèi)偏析，導(dǎo)致Al和Mg的含量在材料內(nèi)分布不均，從而影響了材料的耐蝕性和力學(xué)性能。力學(xué)性能隨著Al含量的增加而提高。圖2-5由于凝固過程中出現(xiàn)的晶內(nèi)偏析，導(dǎo)致Al和Mg的含量■Mg-Al-Mn合金典型組織除了α相和β相以外，還有含Mn的中間相。隨含Mn量的高低可能是：AlMn、Al3Mn、Al4Mn、Al6Mn或Al5Mn8。圖2-7■Mg-Al-Mn合金圖2-7圖2-8

上圖中，具有規(guī)則幾何形狀的白色相為AlMn，可以看出其有明顯的偏聚趨勢。AZ61中的AlMn粒子可能是由于在鎂合金的冶煉過程中，為除去有害元素Fe而有意加入Mn元素所致。圖2-8上圖中，具有規(guī)則幾何形狀的白色相為AlM■Mg-Al-RE合金

Mg-Al-RE合金（如AE21、AE41）的典型組織為α相、β相和中間相Al4MM（MM指混合稀土）。合金中不存在三元Mg-Al-RE相，這是因?yàn)镽E優(yōu)先與Al結(jié)合。■Mg-Al-Si合金

AS系典型的合金為AS41和AS21，組織特征是在晶界處形成細(xì)小彌散分布的穩(wěn)定析出相Mg2Si。AS系鎂合金的耐熱性能較好，適用于較高溫度（150℃）下強(qiáng)度高的部件?！鯩g-Al-Ca合金

Mg-Al-Ca合金組織特征是存在Al2Ca和Mg2Ca化合物。此類合金具有較高的耐熱性和阻燃性，但是腐蝕性能有所降低?！鯩g-Al-RE合金2.3.2Mg-Zn系合金Mg-Znphasediagram2.3.2Mg-Zn系合金Mg-Znphasediag■Mg-Zn-MM（混合稀土）合金由于加入1.5%MM對Mg-8Zn合金組織有強(qiáng)烈的影響，所以Mg-8Zn-1.5MM合金共晶組織有三種不同的共晶相：T相（主要為Mg52.6Zn39.5MM7.9或(Mg,Zn)92.1MM7.9）、Mg4Zn7相和MgZn2（Laves相）。■Mg-Zn-Al（-Ca）合金組織特征是存在MgxZnyAlz和MgZn中間相。在含大約2%Al的鎂合金里存在MgZn化合物，但不存在Al12Mg17化合物。Ca的加入能夠提高合金的抗蠕變性能，其大量的存在于MgxZnyAlz相中?！鯩g-Zn-MM（混合稀土）合金2.3.3鑄造鎂合金的性能表2-8表2-92.3.3鑄造鎂合金的性能表2-8表2-9表2-102.4變形鎂合金組織及性能變形鎂合金經(jīng)過擠壓、軋制和鍛造等工藝后具有比相同成分的鑄造鎂合金更高的力學(xué)性能。其工作溫度不超過150℃。圖2-9

變形鎂合金常用的是Mg-Al系和Mg-Zn-Zr系。前者中強(qiáng)，塑性較高，后者高強(qiáng)，塑性較低。表2-102.4變形鎂合金組織及性能圖2-9變形鎂■變形鎂合金組織圖2-10圖2-11圖2-12■變形鎂合金組織圖2-10圖2-11圖2-12■變形鎂合金性能變形鎂合金力學(xué)性能與加工工藝、熱處理狀態(tài)等大有關(guān)系。表2-11■變形鎂合金性能表2-11表2-12表2-13表2-12表2-132.5鎂合金熱處理時(shí)效組織和性能

大部分鎂合金時(shí)效過程中都有一個(gè)與鎂點(diǎn)陣形成共格沉淀物的階段，這種沉淀物具有DO19晶體結(jié)構(gòu)，其晶胞的a軸為鎂基體a軸的2倍，c軸相同。表2-142.5鎂合金熱處理時(shí)效組織和性能大部分鎂合金時(shí)鎂合金時(shí)效過程復(fù)雜，可能出現(xiàn)的沉淀過程見下表表2-15鎂合金時(shí)效過程復(fù)雜，可能出現(xiàn)的沉淀過程見下表表2-152.6冶金缺陷對鎂合金性能的影響鎂合金在熔煉鑄造時(shí)很容易氧化、燃燒和吸氣，其鑄錠常存在一些空隙、氧化物夾雜或蝕坑等缺陷，它們尤其是夾雜物對鎂合金的力學(xué)性能和腐蝕性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響?！鰥A雜物：主要為MgO圖2-17和表2-162.6冶金缺陷對鎂合金性能的影響圖2-17和表2-16鑄造缺陷（如空隙、夾雜物）是疲勞裂紋源。圖2-18圖2-19鑄造缺陷（如空隙、夾雜物）是疲勞裂紋源。圖2-18圖2-193鎂合金強(qiáng)化處理3.1概述工業(yè)純美的塑性很差，純美多晶的強(qiáng)度和硬度也比較低，不能直接用作結(jié)構(gòu)材料。目前應(yīng)用于鎂合金的強(qiáng)化處理方法主要有合金化強(qiáng)化、熱處理強(qiáng)化、復(fù)合強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化。其中，合金化強(qiáng)化為最基本，最常用和最有效的強(qiáng)化處理方法，使其他方法的基礎(chǔ)。3鎂合金強(qiáng)化處理3.1概述3.2合金化強(qiáng)化鎂合金的強(qiáng)化一般都是利用固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化來提高合金的常溫和高溫力學(xué)性能，關(guān)鍵是選擇合適的合金元素。表3-1改用顏色分類3.2合金化強(qiáng)化表3-1改用顏色分類■固溶強(qiáng)化合金化元素（溶質(zhì)）完全溶入基體金屬（溶劑）中，溶質(zhì)原子在溶劑晶格點(diǎn)陣處取代溶質(zhì)原子，從而通過原子錯(cuò)排及溶質(zhì)與溶劑原子之間彈性模量的不同而強(qiáng)化基體金屬。要形成無限固溶體必須滿足三個(gè)條件：溶質(zhì)、溶劑原子尺寸相差不超過15%，相同的原子價(jià)和相似的晶體結(jié)構(gòu)。滿足以上條件的有Cd。不滿足這些條件的形成有限固溶體。隨著溶質(zhì)原子化合價(jià)的增大，鎂與之形成第二相或穩(wěn)定化合物，而不再是固溶體。常見的化合物類型主要有：①AB型-簡立方CsCl結(jié)構(gòu)，如MgTi、MgAg、CeMg、SnMg等；②AB2型-Laves相：如MgCu2、MgZn2、MgNi2等；③CaF2型-面心立方金屬間化合物：如Mg2Si、Mg2Sn等?！龉倘軓?qiáng)化■析出強(qiáng)化機(jī)制是析出相阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和滑移，從而提高屈服強(qiáng)度。為了增強(qiáng)鎂合金的析出強(qiáng)化，選擇合金元素應(yīng)考慮以下因素：①元素應(yīng)該在高溫下在鎂中有足夠的固溶度，且隨溫度的降低而降低，以提高合金的時(shí)效強(qiáng)化能力；②析出相中應(yīng)含有較多的鎂，在提高析出相百分含量的同時(shí)減少所需的合金元素量；③元素在鎂中的擴(kuò)散速率應(yīng)較低，以減少過時(shí)效傾向和位錯(cuò)的攀移?！鰪浬?qiáng)化與析出強(qiáng)化類似，但不同的是，析出相在高溫下迅速長大，失去強(qiáng)化作用，彌散強(qiáng)化顆粒熱穩(wěn)定性好，在常溫和高溫下都有強(qiáng)化作用。■析出強(qiáng)化3.3熱處理強(qiáng)化目的是改善合金的力學(xué)性能。表3-2表3-33.3熱處理強(qiáng)化表3-2表3-3

一般來說，鎂與其他合金元素形成二元共晶相圖，合金的成分對合金的性能有所影響。圖3-1一般來說，鎂與其他合金元素形成二元共晶相圖，合金3.4復(fù)合強(qiáng)化鎂基復(fù)合材料可提高鎂合金的力學(xué)性能，主要采用石墨纖維、Al2O3纖維、SiC顆粒和BC顆粒作為增強(qiáng)體。增強(qiáng)體與鎂合金的界面特性對復(fù)合材料的影響極為重要。表3-4

從表中看出，復(fù)合材料低的抗拉強(qiáng)度同高的界面剪切強(qiáng)度存在著對應(yīng)關(guān)系。3.4復(fù)合強(qiáng)化表3-4從表中看出，復(fù)合材料低的抗

圖中是不同的基體對應(yīng)的材料抗拉強(qiáng)度的比較。圖中是不同的基體對應(yīng)的材料抗拉強(qiáng)度的比較。3.5細(xì)晶強(qiáng)化■原理：合金的屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸的關(guān)系可用Hall-Petch關(guān)系表示：σyield=σ0+kd-1/2其中：σ0——晶格摩擦力；k——Petch斜率；d——晶粒直徑。細(xì)晶強(qiáng)化時(shí)，晶界是滑移傳遞的有效障礙，晶界前方的應(yīng)力集中使得更多的滑移系被激活，合金的整體變形更加均勻，帶來合金強(qiáng)度和韌性的提高。當(dāng)鎂合金中的細(xì)晶粒（≤10μm）達(dá)到一定比例時(shí)，合金就會出現(xiàn)超塑性?！龇椒ǎ鹤冑|(zhì)處理、熱加工、塑性變形和快速凝固等3.5細(xì)晶強(qiáng)化Ⅰ變質(zhì)或過熱處理細(xì)化晶粒①變質(zhì)處理：通過添加晶粒細(xì)化添加劑對液態(tài)鎂合金溶液進(jìn)行處理，目前得到應(yīng)用的主要有含Zr和含C的晶粒細(xì)化劑。其中含C的晶粒細(xì)化劑主要用于Mg-Al系。圖3-3改加入晶體結(jié)構(gòu)Ⅰ變質(zhì)或過熱處理細(xì)化晶粒圖3-3改加入晶體結(jié)構(gòu)②過熱處理：澆注前將熔體溫度升高并保溫一段時(shí)間后再降溫到澆注溫度進(jìn)行澆注的工藝過程。研究表明，過熱處理對Mg-Al系合金有明顯的細(xì)化作用。Ⅱ半固態(tài)成形細(xì)化晶粒它將原料加熱到固液相線之間的溫度，然后將其壓入型腔成形，半固態(tài)成形工藝能產(chǎn)生細(xì)小的微觀結(jié)構(gòu)，減小微觀收縮，使材料獲得較高的力學(xué)性能。例如：Mg-Zn-Al-Ca合金的半固態(tài)成形。Ⅲ快速凝固細(xì)化晶粒由于快速凝固時(shí)的冷卻速度較大，因而可以獲得細(xì)小的粉末晶粒。將粉末晶粒除氣和熱壓固結(jié)后，再經(jīng)軋制、擠壓和鍛造等成形工藝便可以得到細(xì)晶材料。②過熱處理：澆注前將熔體溫度升高并保溫一段時(shí)間后再降溫到澆注Ⅳ鑄錠變形細(xì)化晶粒通過對鎂合金鑄錠進(jìn)行后續(xù)變形處理也可以細(xì)化晶粒，主要方法如下：①等通道角擠壓（ECAE）：一種可以使鑄錠等冶金材料均質(zhì)化、細(xì)晶化的技術(shù)。設(shè)備見右圖。圖3-4②大比率擠壓：由于擠壓比很大，晶粒被拉長以致斷裂成微小的顆粒，晶粒之間的相互摩擦加劇了破碎的過程。Ⅳ鑄錠變形細(xì)化晶粒圖3-4②大比率擠壓：由于擠壓比很大，晶粒4鎂合金鑄造4.1概述工業(yè)鎂合金按生產(chǎn)工藝分為鑄造鎂合金和變形鎂合金，其中鑄造鎂合金約占鎂合金總量的90%以上。按性能特點(diǎn)可以分為高強(qiáng)鎂合金和耐熱鎂合金，高強(qiáng)鎂合金主要以AZ系和ZK系為主，耐熱鑄造鎂合金則大多以EK系為主。高強(qiáng)鑄造鎂合金一般具有較高的常溫強(qiáng)度和良好的鑄造工藝性能，但是耐熱性差，長期工作溫度不超過150℃。而耐熱鎂合金一般是指能在150℃以上溫度范圍內(nèi)長期工作的鎂合金。4鎂合金鑄造4.1概述4.2鎂合金熔煉■特點(diǎn)：鎂合金暴露在大氣中會迅速氧化，當(dāng)溫度超過熔點(diǎn)時(shí)遇見氧即發(fā)生劇烈的燃燒，最終發(fā)生爆炸。圖4-1■采取措施:①以鹽類溶劑覆蓋于熔體上；②以抑制性元素添加在熔體上作為覆蓋層；③在反應(yīng)氣氛下處理熔體，在其上形成薄膜；④在惰性氣氛下處理熔體。無論采取什么措施，均是利用某些成分隔絕高溫鎂與空氣的接觸，阻止鎂的氧化。4.2鎂合金熔煉圖4-1■采取措施:4.2.1熔煉過程中的阻燃保護(hù)■熔劑保護(hù)以低于400℃的熔融鹽覆蓋在鎂熔體表面，切斷鎂液與空氣的接觸。目前國內(nèi)常用的是RJ系列溶劑。表4-14.2.1熔煉過程中的阻燃保護(hù)表4-1■氣體保護(hù)

SF6與空氣混合的氣體保護(hù)工藝，SF6的作用是使鎂合金液面生成很薄、很致密的一層保護(hù)性膜。該膜的主要成分是MgO，并有少量的MgF2存在。①優(yōu)點(diǎn)：大大提高了鎂合金液的純凈度，減少了鎂的熔煉損失；②缺點(diǎn)：SF6是溫室氣體，其溫室作用是CO2的23900倍?！龊辖鸹枞急Ｗo(hù)通過加入合金元素提高鎂合金的燃點(diǎn)，使熔煉和澆鑄時(shí)不產(chǎn)生燃燒。圖4-2■氣體保護(hù)圖4-24.2.2鎂合金成形過程中的阻燃保護(hù)主要采用氣相保護(hù)，致密膜保護(hù)和釉質(zhì)膜保護(hù)。■砂型鑄造過程中的阻燃保護(hù)在型砂中加入氟化物和硼酸，在澆鑄過程中向金屬液流噴硫粉阻燃?！鰤鸿T過程中的阻燃保護(hù)采用真空壓鑄技術(shù)，以隔絕鎂與氧發(fā)生發(fā)應(yīng)。4.2.2鎂合金成形過程中的阻燃保護(hù)4.2.3鎂合金的精煉和變質(zhì)處理■精煉處理①背景：鎂的化學(xué)活性很強(qiáng)，熔煉過程中以產(chǎn)生非金屬夾雜，惡化合金的力學(xué)性能，還伴生縮孔、氣孔等缺陷。鎂合金中主要的氣體是氫，主要的夾雜物是MgO，同時(shí)還有MgF2、MgCl2等。②精煉方法：加入C2Cl6、MgCO3和CaCO3等精煉溶劑。■變質(zhì)處理①目的：細(xì)化鑄態(tài)組織晶粒；②方法：碳素材料變質(zhì)處理法，常用的變質(zhì)劑為C2Cl6

。4.2.3鎂合金的精煉和變質(zhì)處理4.3鎂合金鑄造成形鎂合金成形主要通過鑄造和塑性變形兩種方式來實(shí)現(xiàn)。①常規(guī)壓鑄：鎂合金鑄造最主要的成形工藝；②真空壓鑄：通過在壓鑄過程中抽出型腔內(nèi)的氣體而減少或消除壓鑄件內(nèi)的氣孔和溶解氣體，提高壓鑄件的力學(xué)性能和表面質(zhì)量；③擠壓鑄造：北美壓鑄協(xié)會（NADAC）對擠壓鑄造的定義為采用低的充型速度和最小的擾動(dòng)，使金屬在高壓下凝固，以獲得科熱處理的高致密度鑄件的鑄造工藝。④半固態(tài)鑄造：對于從液相到固相凝固過程中的金屬熔體進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌，在熔體達(dá)到一定固相分?jǐn)?shù)時(shí)，對其進(jìn)行壓鑄或擠壓成形。4.3鎂合金鑄造成形鎂合金的鑄造缺陷表4-9鎂表4-94.4鎂合金的鑄造設(shè)備圖4-104-12圖4-13圖4-174.4鎂合金的鑄造設(shè)備圖4-104-12圖4-13圖4-1圖4-184-19圖4-20圖4-21圖4-184-19圖4-20圖4-215鎂合金的塑性成形5.1概述鎂具有hcp結(jié)構(gòu)，室溫下滑移系僅為三個(gè)，導(dǎo)致鎂合金的塑性很低，冷變形困難。當(dāng)成形溫度升高到180～240℃之間時(shí)，隨著孿晶的形成而有更多的附加滑移面產(chǎn)生，使鎂合金的塑性得到很大提高；而溫度進(jìn)一步升高達(dá)到300℃以上，即可出現(xiàn)再結(jié)晶過程，使鎂合金具有更好的成形性能。常用的成形方法有：擠壓成形、鍛造成形、軋制成形、等溫及超塑性成形和板料成形。5鎂合金的塑性成形5.1概述5.2鎂合金軋制技術(shù)表5-25.2鎂合金軋制技術(shù)表5-2表5-3表5-35.3鎂合金擠壓成形圖5-25.3鎂合金擠壓成形圖5-2表5-7表5-75.4鎂合金鍛造成形表5-11表5-125.4鎂合金鍛造成形表5-11表5-125.5鎂合金等溫成形圖5-9圖5-105.5鎂合金等溫成形圖5-9圖5-105.6鎂合金的超塑性表5-175.6鎂合金的超塑性表5-175.7鎂合金板材的成形成形鎂合金與成形鋼、鋁或銅的主要差別是成形溫度。雖然可在室溫下進(jìn)行某些鎂合金的成形，但使用最多的還是高溫。5.8鎂合金先進(jìn)的塑性成形技術(shù)鎂合金先進(jìn)的塑性成形技術(shù)主要有：等通道擠壓，快速凝固/粉末冶金，噴射沉積，鑄鍛復(fù)合成形，液態(tài)模鍛再鍛造，條料鑄軋和噴射+軋制/鍛造/擠壓。5.7鎂合金板材的成形圖5-19圖5-26圖5-19圖5-26圖5-18圖5-24圖5-18圖5-246鎂合金的連接6.1概述絕大多數(shù)鎂合金可以用氣焊、氬弧焊、電阻焊、電子束焊、釬焊等方法焊接，目前通常使用氬弧焊方法焊接。氬弧焊適用于一切鎂合金焊接，它能得到較高的焊縫強(qiáng)度系數(shù)，焊接變形比氣焊小，焊接時(shí)可以不用氣劑。且鑄件可用氬弧焊修補(bǔ)并能獲得滿意的焊接質(zhì)量。鎂合金因?yàn)闆]有適用的焊劑，不能用埋弧焊。鎂合金也可用粘接連接。6鎂合金的連接6.1概述6.2鎂合金焊接特點(diǎn)與焊接性■焊接特點(diǎn)（1）粗晶（2）氧化與蒸發(fā)（3）薄件的燒穿與塌陷（4）熱應(yīng)力（5）裂紋（6）氣孔鎂合金在沒有隔絕氧的條件下焊接，易燃燒，焊接時(shí)需用惰性氣體或焊劑保護(hù)。由于焊鎂時(shí)要求用大功率的熱源，當(dāng)接頭出溫度過高時(shí)，母材料將產(chǎn)生“過燒”現(xiàn)象。因此，焊鎂時(shí)必須控制好接頭溫度。6.2鎂合金焊接特點(diǎn)與焊接性■鎂合金的焊接性表6-1表6-2■鎂合金的焊接性表6-1表6-26.3鎂及鎂合金的焊接技術(shù)①氣焊：火焰的熱量散布范圍大，焊件加熱區(qū)域較寬。所以焊縫的收縮應(yīng)力大，容易產(chǎn)生裂紋等缺陷。主要用于不太重要的鎂合金薄板結(jié)構(gòu)的焊接及鑄件的焊補(bǔ)。②氬弧焊：熱影響區(qū)尺寸及變形比氣焊時(shí)小，焊縫的力學(xué)性能和耐腐蝕性能都比氣焊高，是目前焊接鎂合金最常用的方法。③電阻電焊：瞬時(shí)快速加熱，用于某些鎂合金框架、儀表艙、隔板的焊接。④釬焊：所用釬料為鎂合金釬料，釬劑一般用氯化物和氟化物混合粉末。6.3鎂及鎂合金的焊接技術(shù)6.4鎂合金的粘接鎂合金粘接已被廣泛應(yīng)用于軍用飛機(jī)蒙皮、面板的連接中，并在汽車裝配件的原型連接中應(yīng)用前景看好。表6-236.4鎂合金的粘接表6-237鎂合金的腐蝕及表面防護(hù)處理7.1概述鎂及鎂合金表面極易產(chǎn)生腐蝕形成疏松多孔的氧化鎂,耐腐蝕性差,制約了鎂合金的廣泛應(yīng)用.

影響鎂合金耐腐蝕性能的因素：氯化物溶劑夾雜；夾雜元素Fe，Ni，Co，Cu；合金的使用環(huán)境；加工工藝和組織狀態(tài)等。提高鎂合金耐腐蝕性能的方法：①提高合金的純凈度，最大限度地降低鎂合金中重金屬元素的含量；②采用各種表面處理方式，對合金表面進(jìn)行防護(hù)處理。7鎂合金的腐蝕及表面防