《航空工程材料（活頁式）》 課件 11 鎂及鎂合金

第8講鎂及其合金目錄1234鎂合金鎂合金的分類及牌號(hào)純鎂鎂合金應(yīng)用一.純鎂鎂在地殼中的儲(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1.74，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45000MPa。1.1純鎂的特性一.純鎂3、純鎂的熔點(diǎn)為650土1℃。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)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。一.純鎂1.2工業(yè)純鎂的牌號(hào)及分類工業(yè)純鎂牌號(hào)用漢語拼音字母M加順序號(hào)表示。如M1、M2、M3。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)Mg%Fe%Si%Ni%一號(hào)工業(yè)純鎂M199.950.020.01—二號(hào)工業(yè)純鎂M299.920.040.010.001三號(hào)工業(yè)純鎂M399.850.050.030.002

二.鎂合金2.1鎂合金的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)

密度?。僊g1.7

103kg/m3）

比強(qiáng)度高（強(qiáng)度比鋁合金低一般在400MPa以下）

抗震能力高

切削加工性和拋光性能好缺點(diǎn)抗蝕性差（在潮濕大氣、海水、鹽溶液中抗蝕差；但在氫氟酸、鉻酸、堿、礦物油中抗蝕性較好）熔鑄困難冷變形困難（六方金屬）通常鑄造和熱加工后使用鑄造Mg合金的用量比變形Mg合金的用量大二.鎂合金二.鎂合金2.2鎂合金中的合金元素及其作用1、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、鋯、釷、錳及微量鎳等。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，一般都是鎂合金的有效強(qiáng)化合金元素。二.鎂合金根據(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。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：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，有提高抗蠕變性能的作用。二.鎂合金鋁：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437℃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%。鋯：鋯是高熔點(diǎn)金屬，溶于鎂基固溶體，起相當(dāng)?shù)墓倘軓?qiáng)化作用。鋯與鎂同為密排六方點(diǎn)陣，鎂鋯合金在冷凝時(shí)，首先從液相中析出α-Zr，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。二.鎂合金稀土元素：固溶的稀土元素（如鑭、鈰、釔、釹等）可以增強(qiáng)鎂合金的原子間結(jié)合力，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Mg9RE、Mg12RE等。已知Mg9Nd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、銅和鎳危害性最大，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錳（0.15～0.5%），錳能與鐵生成化合物并沉積于熔體底部。二.鎂合金2.3鎂合金的生產(chǎn)及熱處理特點(diǎn)1、鎂合金的生產(chǎn)純鎂的熔點(diǎn)為650土1℃。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650℃以下進(jìn)行，通常是在溶劑（NaCl、KCl和MgCl的混合物）的覆蓋下，在坩堝中進(jìn)行熔化。2、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)殒V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。

二.鎂合金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70～100℃水中冷卻，因?yàn)閺?qiáng)化相從過飽和固溶體中析出速度緩慢。5）鎂合金一般都采用人工時(shí)效處理。6）鎂合金的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。二.鎂合金3、狀態(tài)符號(hào)鎂合金常用的熱處理類型T1：鑄造或加工變形后，不再單獨(dú)固溶處理，直接人工時(shí)效工藝簡單，也有強(qiáng)化效果，特別對(duì)Mg-Zn系合金，因晶粒易長大，重新加熱晶粒粗化，時(shí)效后的綜合性能反而不如T1T2：為消除鑄件殘余應(yīng)力及變形合金的冷作硬化而進(jìn)行的退火處理ZM5 350℃

2.5h。T4：淬火處理（空冷），可以提高合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率，ZM5常用T4。T6：淬火（空冷）+人工時(shí)效，目的提高合金的屈服強(qiáng)度，但塑性相應(yīng)有所降低。T6主要應(yīng)用于Mg-Al-Zn及Mg-RE-Zr系，高鋅的Mg-Zn-Zr系為充分發(fā)揮時(shí)效強(qiáng)化效果，也可以選用T6。T61：熱水淬火+人工時(shí)效，可提高時(shí)效強(qiáng)化效果。特別是對(duì)冷卻速度敏感性較高的Mg-RE-Zr合金。三.鎂合金的分類及牌號(hào)和鋁合金一樣，可以分為鑄造鎂合金和變形鎂合金兩大類。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。三.鎂合金的分類及牌號(hào)3.1變形鎂合金1、鎂鋅鋯系合金(Mg-Zn-Zr)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％～0.9％，w（Mn）=0.l％。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)翼長絎、翼肋等，其使用溫度不超過150℃。

三.鎂合金的分類及牌號(hào)2、鎂錳(Mg-Mn)系合金鎂錳合金使用組織是退火組織，在固溶體基體上分布著少量β-Mn顆粒。常用的有MB1和MB8兩種。鎂錳合金有良好的耐蝕性和焊接性。MB1合金含有w(Mn)=1.3％～1.5％，經(jīng)過340～400℃退火，其σ0.2＝98MPa，

σb=206MPa，δ=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。三.鎂合金的分類及牌號(hào)

3、鎂鋰(Mg-Li)合金屬于超輕型結(jié)構(gòu)合金，其密度為1.30～1.65g／cm3。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、錳、鎘、釹和鈰等，能提高強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性。例如，美國的LA141合金（Mg-14Li-1.2Al-0.15Mn）可以焊接，經(jīng)固溶后穩(wěn)定處理，板材的σ0.2=95MPa，σb=115MPa，δ=10％，可作裝甲板和航天用結(jié)構(gòu)件。三.鎂合金的分類及牌號(hào)4、鎂稀土系(Mg-RE)和鎂釷系(Mg-Th)耐熱鎂合金在鎂-釹合金中，Mg9Nd起沉淀強(qiáng)化作用。隨釹含量增加，室溫和高溫強(qiáng)度都可大幅度提高。釹含量在w(Nd)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。在鎂釹合金基礎(chǔ)上加入錳和微量鎳，錳可提高合金的蠕變性能，微量鎳可進(jìn)一步降低蠕變速率，如MA11合金。鎂-釷系合金可產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化相Mg23Th6，在過飽和固溶體脫溶時(shí)析出β″介穩(wěn)相，產(chǎn)生很強(qiáng)的沉淀強(qiáng)化作用。鎂-釷系合金在300℃以下的蠕變極限超過所有鎂合金。三.鎂合金的分類及牌號(hào)3.2鑄造鎂合金1、鎂-鋁-鋅系(Mg-Al-Zn)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(Al)=7.5％～9.0％，w(Zn)=0.2％～0.8％，w(Mn）=0.15％～0.5％，密度為1.81g／cm3。合金的鑄造性好，可以焊接，但耐蝕性差。固溶+時(shí)效處理后，σ0.2=118Mpa，σb=250MPa，δ=3.5％?？捎糜谥圃祜w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-鋯系(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ZM1、ZM2。合金中，鋅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Mg2Zn3。當(dāng)鋅含量增加時(shí)，合金的強(qiáng)度升高，但w(Zn)超過6％時(shí)，強(qiáng)度提高不明顯，而塑性下降較多。加入少量鋯（0.5～0.8%）后可細(xì)化合金的晶粒，改善力學(xué)性能。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0.7～1.7%Ce，就發(fā)展為ZM2合金。加鈰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)鈰還有細(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-鋯系(Mg-RE-Zr)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。合金加入一定量鋯后可以進(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200～300℃范圍，具有良好的高溫強(qiáng)度?？梢灾圃煸?50℃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σ0.2=185MPa，σb=240MPa，δ=2％，在250℃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。3.3鎂合金的牌號(hào)1、我國牌號(hào)鎂合金牌號(hào)用漢語拼音加阿拉伯?dāng)?shù)字表示

純Mg：Mg－1（一號(hào)鎂） 含Mg99.95

Mg－2（二號(hào)鎂） 含Mg99.92Mg－3（三號(hào)鎂） 含Mg99.85雜質(zhì)：Ni、Fe、Cu、Si、Sn（純Mg一般不用于加工產(chǎn)品）Mg合金：ZMx（鑄造Mg合金），MBx（變形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、美國牌號(hào)

用英文字母和阿拉伯?dāng)?shù)字表示，前兩個(gè)字母表示主要合金化元素，接著的兩位數(shù)字分別表示前兩個(gè)字母所代表元素的百分含量（重量百分?jǐn)?shù)），后綴A、B、C等表示在標(biāo)準(zhǔn)成分范圍內(nèi)成分有所變化，但字母X表示實(shí)驗(yàn)合金。例如：AZ91表示Mg-9Al-1Zn字母代表元素字母代表元素AAl鋁MMn錳BBi鉍NNi鎳CCu銅PPb鉛DCd鎘QAg銀ERE稀土RCr鉻FFe鐵SSi硅HTh釷TSn錫KZr鋯YSb銻LLi鋰ZZn鋅中國鎂合金牌號(hào)與美國鎂合金牌號(hào)對(duì)比四.鎂合金的應(yīng)用與發(fā)展鎂合金的特點(diǎn)可滿足于航空航天等高科技領(lǐng)域?qū)p質(zhì)材料吸噪、減震、防輻射的要求，可大大改善飛行器的氣體動(dòng)力學(xué)性能和明顯減輕結(jié)構(gòu)重量。從20世紀(jì)40年代開始，鎂合金首先在航空航天部門得到了優(yōu)先應(yīng)用。B-36重型轟炸機(jī)每架用4086kg鎂合金簿板；洛克希德F-80噴氣式殲擊機(jī)鎂板機(jī)翼，使結(jié)構(gòu)零件從47758個(gè)減少到16050個(gè)；“大力神”火箭使用了600kg的變形鎂合金；“季斯卡維列爾”衛(wèi)星中使用了675kg的變形鎂合金；直徑約1米的“維熱爾”火箭殼體是用鎂合金擠壓管材制造的。我國的殲擊機(jī)、轟炸機(jī)、直升機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、民用機(jī)、機(jī)載雷達(dá)、地空導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭、人造衛(wèi)星、飛船上均選用了鎂合金構(gòu)件：一個(gè)型號(hào)的飛機(jī)最多選用了300-400項(xiàng)鎂合金構(gòu)件；一個(gè)零件的重量最重近300kg；一個(gè)構(gòu)件的最大尺寸達(dá)2m多。四.鎂合金的應(yīng)用與發(fā)展在軍工方面需要鎂合金板材以提高結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度,減輕裝備重量,提高武器命中率。國防工業(yè)領(lǐng)域

由于鎂及鎂合金耐沖擊，如果能夠開發(fā)出與鋁合金耐蝕性能相當(dāng)?shù)逆V合金，則其在兵器等各種軍用領(lǐng)域?qū)⒂兄鴱V闊的應(yīng)用前景。如照明彈用鎂粉、穿甲彈用高比強(qiáng)度鎂合金彈托材料，以及可用變形鎂合金制造的戰(zhàn)術(shù)航空導(dǎo)彈艙段、副翼蒙皮、壁板和雷達(dá)、衛(wèi)星上用的鎂合金井字梁、相機(jī)架和外殼等零件。四.鎂合金的應(yīng)用與發(fā)展武器輕量化是現(xiàn)代兵器的發(fā)展趨勢，利用鎂合金取代現(xiàn)有武器上的一些零部件正成為各國研究的熱點(diǎn)。有關(guān)單位已分別通過鍛造或鑄造成型方式開發(fā)出了變形鎂合金沖鋒槍機(jī)匣、槍尾、提把、前扶手、槍托體、大托彈板、瞄具座、小彈匣座以及軍用鑄造合金發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出水管和發(fā)動(dòng)機(jī)濾座等軍品武器用零部件，其中部分對(duì)耐蝕耐磨有較高要求的軍用鎂合金零部件還被通過協(xié)和涂層的方法進(jìn)行了相應(yīng)的表面處理。目前，這些研制生產(chǎn)出的軍用鎂合金零部件已進(jìn)入實(shí)際演示驗(yàn)證和考核階段，預(yù)計(jì)不久將得到初步應(yīng)用。四.鎂合金的應(yīng)用與發(fā)展鎂合金在汽車工業(yè)的應(yīng)用鎂合金汽車零件的好處可簡單歸納為：

密度小，可減輕整車重量，間接減少燃油消耗量；

鎂比強(qiáng)度高于鋁合金和鋼，比剛度接近鋁合金和鋼，能承受一定負(fù)荷；

鎂具有良好的鑄造性和尺寸穩(wěn)定性，容易加工，廢品率低；

鎂具有較高阻尼系數(shù)，減振量大于鋁合金和鑄鐵，用于殼體可降低噪聲，用于座椅、輪圈可以減少振動(dòng)