《金属材料及热处理09有色金属材料篇(4)教程》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属材料及热处理09有色金属材料篇(4)教程（47页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四节 镁及镁合金 Date1中南大学材料科学与工程学院 二十一世纪对材料提出的新的要求 轻质、高强度、绿色 资源：可持续发展； 环境：可回收，减少污染,绿色材料； 交通运输行业：减重、节能、降低排放； 航空航天：轻量化； 其它（通信、计算机、消费类电子）产品： 轻量化、小型化、高集成化。 Date2中南大学材料科学与工程学院 一、镁及镁合金的特性 比重轻 镁(1.74) 铝(2.70) 铁(7.87)； 比强度和比刚度 比铝、钢高； 良好的阻尼减震性能； 优良的导电、导热性能； 良好的电磁屏蔽性能； 良好的机加工性能； 废料易回收重复使用； 被誉为二十一世纪绿色工程材料 Date3中南大学材
2、料科学与工程学院 镁材与几种常用工程材料力学性能比较 几种典型结构材料的比强度和比刚度对比 Date4中南大学材料科学与工程学院 二、镁及镁合金产品的应用 汽车、摩托车、飞机零件 （减震、节能、提高驾乘舒适度） 轿车用镁合金轮毂 直升机变速箱壳体 Date5中南大学材料科学与工程学院 轿车用镁合金齿轮箱 Date6中南大学材料科学与工程学院 镁合金曲轴 发动机左、右箱 体盖； 镁合金曲轴 发动机后盖； 镁合金前、 后轮毂； 镁合金后扶 手； 镁合金锁扣 。 全镁概念摩托车，12个零部件 用镁合金替代（减重6Kg） Date7中南大学材料科学与工程学院 镁合金高比强度、良好电磁屏蔽 和散热能力，
3、优越的装饰及易于回收 的特点，是制造电子产品外壳的理想 材料。 Date8中南大学材料科学与工程学院 手机、电脑、笔记本电脑等3C产品 全镁合金手机、笔记本电脑等3C产品 Date9中南大学材料科学与工程学院 办公用品 Date10中南大学材料科学与工程学院 兵器（减重） Date11中南大学材料科学与工程学院 飞行器结构件 Date12中南大学材料科学与工程学院 压力容器 Date13中南大学材料科学与工程学院 鱼雷电池镁合金阳极薄板材料 Date14中南大学材料科学与工程学院 三、镁及镁合金研究发展历程 1755年，英国D.BLACK正式确定镁的存在； 1808年，英国H.DAVY制得镁汞
4、齐； 1828年，法国A.BUSSY用钾还原制得纯镁； 1930年，德国ALDER工厂将镁合金用于汽车零件； 1936年，苏联将镁合金用于飞机零件； 第一次世界大战期间，镁合金大量用于军事上； 第二次世界大战期间，镁合金用量激增。战后镁合 金主要用于汽车上； 20世纪70年代镁合金应用出现回落； 20世纪80年代由于能源危机，镁合金的应用开始回 升，并有了长足的进步。 Date15中南大学材料科学与工程学院 世界镁合金消耗量正以每年20%速度飞速增长 从1998年到2000年在汽车上的镁合金用量： 北美由5.93万吨增至7.85万吨； 欧洲由1.68万吨增至2.68万吨； 日本由0.63万吨增
5、至0.73万吨。 西方目标：在每辆轿车上用镁合金3040Kg。 西方汽车商已把单量轿车用镁合金零件的多少作为 衡量汽车科技含量的重要指标。 Date16中南大学材料科学与工程学院 四、镁及镁合金研究现状及发展趋势 “在材料领域中还没有任何材料像 镁那样，潜力与现实有如此大的颠倒。 ” Date17中南大学材料科学与工程学院 目前，三种主要的镁合金系是Mg-Al合金 、Mg-Zn合金及Mg-RE合金，镁不具备象铝那 样丰富的合金系列，需要开发大量新的镁合 金系列。 镁合金材料根据生产方式的不同主要分为 铸造镁合金与变形镁合金两大类。 国外专家认为镁合金研究与开发基本可分 为4个阶段：铸造镁合金、
6、压铸镁合金、变形 镁合金、快速凝固镁合金。 Date18中南大学材料科学与工程学院 图1-7 镁工业发展战略示意图 国际镁协会（IMA）在 2000年提出的发展镁合金 材料的战略示意图。 目前，主要是采用传 统铸造工艺生产镁合金； 近期的研究工作主要 集中在镁合金压铸和 Thixomolding技术上； 变形镁合金的发展是 长远的目标和计划。 Date19中南大学材料科学与工程学院 1、铸造镁合金 大量镁合金产品采用铸造工艺进行生产。尤其 是采用压铸工艺（Die Casting）生产。压铸工艺 生产镁合金具有生产效率高、精度高、凝固组织优 良和可生产薄壁及复杂形状铸件。 最常见的压铸镁合金是M
7、g-Al系合金，用铝合 金化可提高合金的强度并具有更好的铸造性能。 通过控制杂质含量，可通过压铸工艺生产出力 学、耐腐蚀等综合性能优良的镁合金铸件，如最常 见、使用量最大的AZ91合金。 Date20中南大学材料科学与工程学院 金属镁化学性质活泼，温度在 723K以上时氧化开始加剧。熔融状态 下，镁液极易和空气中的氧、氮、水 气发生化学反应，在接近1073K温度 时会很快氧化燃烧 。因此，镁合金 熔炼铸造过程中需要进行保护。 Date21中南大学材料科学与工程学院 镁合金阻燃抗氧化方法 (1) 熔剂保护阻燃法。在镁合金整个熔炼过程中，在 熔剂保护下隔绝大气进行。镁合金采用熔剂保护防燃 使用最早
8、也最广泛，具有工业应用价值。 (2) 气体保护阻燃法。常用气体为SF6、CO2和SO2。其 中SF6为无色无味无毒气体，是最常用的镁合金保护气 氛。 但SF6、CO2等气体具有强烈的“温室效应”，由 于它们对环境的污染需要找到一种合适的替代气体。 (3) 添加合金元素阻燃法。在镁合金中只需加入少量 的Be、Ca，可制备出燃点很高的阻燃镁合金。Be与O2 生成BeO膜致密，也有明显的阻燃作用，但Be、Ca的 加入量需要严格控制，否则会强烈恶化组织，造成晶 粒长大和热裂倾向加大。 Date22中南大学材料科学与工程学院 高温应用的铸造镁合金 普通Mg-Al、Mg-Zn系铸造镁合金使用温度限于150
9、200C 。应用于更高温度下的耐热镁合金主要是Mg-RE、Mg-Th系合金 。 钍是提高镁合金高温性能最有效的合金元素，但钍的低放 射性限制了Mg-Th合金的应用。 Haughton和Prytherch等最早报道了提高高温抗拉强度的Mg -Ce合金。 Leontis的工作证明Mg-RE合金的高温性能按La、Ce、MM（ 富Ce混合稀土）、Nd的序列提高。 Sauerward发现了Mg-RE合金中锆（Zr）的晶粒细化作用。 Payne等发现银的加入明显改善Mg-RE合金的时效硬化效应 。 添加钪、钇对镁合金的有益影响是又一个非常重要的发现 ，Drits等开发了一系列耐热高强WE型镁合金。该类合金
10、良好的 力学性能使其广泛应用于赛车及飞行器变速箱壳体上。 Date23中南大学材料科学与工程学院 2、变形镁合金 与铸造镁合金相比 ，变形镁合金材料比铸 造镁合金材料具有更高 的强度，更好的延展性 ，更多样化的力学性能 ，从而满足更多样的结 构件的需求。研究与开 发新型变形镁合金，开 发变形镁合金生产新工 艺，是国际镁协会（IMA ）在2000年提出的发展 镁合金材料的最重要、 最具挑战性且是最长远 的目标和计划。 变形镁合金与铸造、 压 铸镁合金性能比较 Date24中南大学材料科学与工程学院 镁及镁合金塑性变形结构特性 金属镁的晶体结构 225C以下仅限于0001滑移及锥面1012 孪生。
11、在较高温度下可出现1011滑移。 加入Li、In、Ag等使c/a1.618可激活棱柱面1010 滑移。 Date25中南大学材料科学与工程学院 主要的变形镁合金材料 常用变形镁合金Mg-Al-Zn系、Mg-Zn-Zr 、Mg-Mn系； AZ31、AZ61、AZ80、ZK60、M1A； 超轻Mg-Li系变形镁合金； LA141、Mg-40%Li ( 1.0 g/cm3) Date26中南大学材料科学与工程学院 1、发达国家十分重视镁合金研究与开发。 美国的镁合金材料体系研制较为完备，合金系列 有Mg-Al、Mg-Zn、Mg-RE（稀土）、Mg-Li、Mg- Th等，包括铸造（压铸）件以及板、棒、
12、型材和锻件 ，并且开发出了快速凝固高性能变形镁合金、非晶态 镁合金及镁基复合材料等。 美国与世界最大的镁生产企业挪威Novsk Hydro公司签订了长期合作关系，以保证在21世纪前 期镁原料和镁产品的充足稳定的供应。 Date27中南大学材料科学与工程学院 日本在1999年由教育部、科技部、体育部和文化 部共同组织实施的历时四年的 “Platform Science and Technology for Advanced Magnesium Alloy”。 着重研究镁的新合金、新工艺，开发出超高强变形镁 合金材料和可冷压加工的镁合金板材。 德国于1997年由政府教育部组织，全国60余家企 业，
13、6所大学耗资2500万马克制订了“高新制造技术发 展计划”，以解决镁合金生产中各种技术难题。 英国开发出Mg-Al-B挤压镁合金用于Magnox核反应 堆燃料罐。 以色列最近也研制出用于航天飞行器上兼具优良 力学性能和耐蚀性能的变形镁合金。 法国和俄罗斯都生产出鱼雷动力电池用变形镁合 金阳极薄板材料。 Date28中南大学材料科学与工程学院 2、先进镁合金材料发展方向 镁合金的晶粒细化 多晶体镁结构特征中晶粒细化对其屈服强度与延 展性改善的巨大作用与潜力。根据Hall-Petch公式： 镁的Hall-Petch系数Ky=280MPam-1/2，为铝的 相应系数Ky=68MPam-1/2的4.1
14、倍。这说明晶粒细化 对镁的强化作用远远大于铝的。 晶粒细化对镁力学性能的提高，其潜力远远大 于铝合金。是开发镁合金最重要的因素之一。 Date29中南大学材料科学与工程学院 晶粒尺寸对镁、铝合金强度 的影响 晶粒尺寸对镁的塑性的影 响 Date30中南大学材料科学与工程学院 镁合金的Thixomolding技术 Thixomolding 镁合金设备 Date31中南大学材料科学与工程学院 在Thixomolding工艺中。以镁合金屑为原料， 在机器套筒中镁合金原料通过电加热成为半固态状态 ，通过向半固态合金施加剪切力，把枝晶固体分解成 球状颗粒，使其粘度降低而流动性提高。整个工艺可 以不使用S
15、F6气体和防氧化剂，而且不产生废渣、废 气和工业废物。 与压铸工艺比较，该技术的优点在于： （1）铸件内部质量高，减少气孔，提高铸件致密度 ； （2）产品尺寸精确度高，半固态浆料的低温比熔化 的金属冷却时由热到冷引起的收缩小； （3）力学性能优良，该技术冷却速度比压铸快很多 ，组织细小； （4）耐蚀性好。 Date32中南大学材料科学与工程学院 快速凝固在镁合金 PFC工艺 Allied Signal公司的平面流铸造工艺PFC制备快速凝固镁合金 采用PFC工艺生产的变形镁合金型材成为迄今报道过 的性能最好的镁合金。 Date33中南大学材料科学与工程学院 Osprey工艺 Mg-8.5Al-2
16、Ca-0.6Zn-0.2Mn合金。 b =360MPa, 0.2 =305MPa, =9.5% KIC=35MPam1/2 晶粒325m。 Mg17Al12，Al2Ca优先在晶界沉淀。 Date34中南大学材料科学与工程学院 GA工艺： Mg-16%Li（40at%）合金。 用气体雾化开发体心立方的Mg-Li合 金具有潜力。 气体雾化时加入氢，开发出Mg-16Li- 0.12H合金。 Date35中南大学材料科学与工程学院 LDC工艺： Mg-Zn-Zr合金在413C固溶5h，205C 时效，未再结晶及粗化，存在Al3Zr之故。 非晶镁合金 镁基复合材料 Date36中南大学材料科学与工程学院 RS变形镁合金开发原理： 1、晶粒细化； 2、化学均匀性增加，大大改善耐损坏性； 3、晶粒细化对Hall-Patch强化的影响； 4、形成多相弥散体系。 Date37中南大学材料科学与工程学院 与常规工业镁合金及现有铝合金比较，快 速凝固镁
