《镁及镁合金材料的发展》(PPT48页)

1镁及镁合金材料的发展镁及镁合金材料的发展2二十一世纪对材料提出的新的要求二十一世纪对材料提出的新的要求轻质、高强度、绿色轻质、高强度、绿色资源：可持续发展；资源：可持续发展；环境：可回收，减少污染环境：可回收，减少污染,绿色材料；绿色材料；交通运输行业：减重、节能、降低排放；交通运输行业：减重、节能、降低排放；航空航天：轻量化；航空航天：轻量化；其它（通信、计算机、消费类电子）产品：其它（通信、计算机、消费类电子）产品：轻量化、小型化、高集成化。轻量化、小型化、高集成化。3一、镁及镁合金的特性一、镁及镁合金的特性 比重轻比重轻 镁镁(1.74)铝铝(2.70)铁铁(7.87)；比强度和比刚度比强度和比刚度 比铝、钢高；比铝、钢高；良好的阻尼减震性能；良好的阻尼减震性能；优良的导电、导热性能；优良的导电、导热性能；良好的电磁屏蔽性能；良好的电磁屏蔽性能；良好的机加工性能；良好的机加工性能；废料易回收重复使用；废料易回收重复使用；被誉为二十一世纪绿色工程材料被誉为二十一世纪绿色工程材料4镁材与几种常用工程材料力学性能比较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几种典型结构材料的比强度和比刚度对比5二、镁及镁合金产品的应用二、镁及镁合金产品的应用汽车、摩托车、飞机零件汽车、摩托车、飞机零件（减震、节能、提高驾乘舒适度）（减震、节能、提高驾乘舒适度）轿车用镁合金轮毂轿车用镁合金轮毂 直升机变速箱壳体直升机变速箱壳体6轿车用镁合金齿轮箱轿车用镁合金齿轮箱7 镁合金曲轴镁合金曲轴发动机左、右箱发动机左、右箱体盖；体盖；镁合金曲轴镁合金曲轴发动机后盖；发动机后盖；镁合金前、镁合金前、后轮毂；后轮毂；镁合金后扶镁合金后扶手；手；镁合金锁扣。镁合金锁扣。全镁概念摩托车，全镁概念摩托车，12个零部件个零部件用镁合金替代（减重用镁合金替代（减重6Kg）8 镁合金高比强度、良好电磁屏蔽镁合金高比强度、良好电磁屏蔽和散热能力，优越的装饰及易于回收和散热能力，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的特点，是制造电子产品外壳的理想材料。材料。9手机、电脑、笔记本电脑等手机、电脑、笔记本电脑等3C产品产品全镁合金手机、笔记本电脑等全镁合金手机、笔记本电脑等3C3C产品产品10办公用品办公用品11兵器（兵器（减重减重）12飞行器结构件飞行器结构件13压力容器压力容器14三、镁及镁合金研究发展历程三、镁及镁合金研究发展历程17551755年，英国年，英国D.BLACKD.BLACK正式确定镁的存在；正式确定镁的存在；18081808年，英国年，英国H.DAVYH.DAVY制得镁汞齐；制得镁汞齐；18281828年，法国年，法国A.BUSSYA.BUSSY用钾还原制得纯镁；用钾还原制得纯镁；19301930年，德国年，德国ALDERALDER工厂将镁合金用于汽车零件；工厂将镁合金用于汽车零件；19361936年，苏联将镁合金用于飞机零件；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；金主要用于汽车上；2020世纪世纪7070年代镁合金应用出现回落；年代镁合金应用出现回落；2020世纪世纪8080年代由于能源危机，镁合金的应用开始回年代由于能源危机，镁合金的应用开始回升，并有了长足的进步。升，并有了长足的进步。15世界镁合金消耗量正以每年世界镁合金消耗量正以每年20%速度飞速增长速度飞速增长从从19981998年到年到20002000年在汽车上的镁合金用量：年在汽车上的镁合金用量：北美由北美由5.935.93万吨增至万吨增至7.857.85万吨；万吨；欧洲由欧洲由1.681.68万吨增至万吨增至2.682.68万吨；万吨；日本由日本由0.630.63万吨增至万吨增至0.730.73万吨。万吨。西方目标：在每辆轿车上用镁合金西方目标：在每辆轿车上用镁合金3040Kg3040Kg。西方汽车商已把单量轿车用镁合金零件的多少作为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。衡量汽车科技含量的重要指标。16四、镁及镁合金研究现状及发展趋势四、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。那样，潜力与现实有如此大的颠倒。”17 目前，三种主要的镁合金系是目前，三种主要的镁合金系是Mg-AlMg-Al合金、合金、Mg-ZnMg-Zn合金及合金及Mg-REMg-RE合金，镁不具备象铝那样合金，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丰富的合金系列，需要开发大量新的镁合金系列。系列。镁合金材料根据生产方式的不同主要分为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。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国外专家认为镁合金研究与开发基本可分为为4 4个阶段：铸造镁合金、压铸镁合金、变形个阶段：铸造镁合金、压铸镁合金、变形镁合金、快速凝固镁合金。镁合金、快速凝固镁合金。18图图1-7 1-7 镁工业发展战略示意图镁工业发展战略示意图 国际镁协会（国际镁协会（IMAIMA）在）在20002000年提出的发展镁合金年提出的发展镁合金材料的战略示意图。材料的战略示意图。目前，主要是采用传目前，主要是采用传统铸造工艺生产镁合金；统铸造工艺生产镁合金；近期的研究工作主要近期的研究工作主要集中在镁合金压铸和集中在镁合金压铸和ThixomoldingThixomolding技术上；技术上；变形镁合金的发展是变形镁合金的发展是长远的目标和计划。长远的目标和计划。191、铸造镁合金、铸造镁合金 大量镁合金产品采用铸造工艺进行生产。尤其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（是采用压铸工艺（Die CastingDie Casting）生产。压铸工艺）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。良和可生产薄壁及复杂形状铸件。最常见的压铸镁合金是最常见的压铸镁合金是Mg-AlMg-Al系合金，用铝合系合金，用铝合金化可提高合金的强度并具有更好的铸造性能。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、使用量最大的见、使用量最大的AZ91AZ91合金。合金。20 金属镁化学性质活泼，温度在金属镁化学性质活泼，温度在723K723K以上时氧化开始加剧。熔融状态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、水下，镁液极易和空气中的氧、氮、水气发生化学反应，在接近气发生化学反应，在接近1073K1073K温度温度时会很快氧化燃烧时会很快氧化燃烧 。因此，镁合金。因此，镁合金熔炼铸造过程中需要进行保护。熔炼铸造过程中需要进行保护。21 镁合金阻燃抗氧化方法镁合金阻燃抗氧化方法(1)(1)熔剂保护阻燃法。在镁合金整个熔炼过程中，在熔剂保护阻燃法。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也最广泛，具有工业应用价值。使用最早也最广泛，具有工业应用价值。(2)(2)气体保护阻燃法。常用气体为气体保护阻燃法。常用气体为SFSF6 6、COCO2 2和和SOSO2 2。其。其中中SFSF6 6为无色无味无毒气体，是最常用的镁合金保护气为无色无味无毒气体，是最常用的镁合金保护气氛。氛。但但SFSF6 6、COCO2 2等气体具有强烈的等气体具有强烈的“温室效应温室效应”，由，由于它们对环境的污染需要找到一种合适的替代气体。于它们对环境的污染需要找到一种合适的替代气体。(3)(3)添加合金元素阻燃法。在镁合金中只需加入少量添加合金元素阻燃法。在镁合金中只需加入少量的的BeBe、CaCa，可制备出燃点很高的阻燃镁合金。，可制备出燃点很高的阻燃镁合金。BeBe与与O O2 2生成生成BeOBeO膜致密，也有明显的阻燃作用，但膜致密，也有明显的阻燃作用，但BeBe、CaCa的加的加入量需要严格控制，否则会强烈恶化组织，造成晶粒入量需要严格控制，否则会强烈恶化组织，造成晶粒长大和热裂倾向加大。长大和热裂倾向加大。22高温应用的铸造镁合金高温应用的铸造镁合金 普通普通Mg-AlMg-Al、Mg-ZnMg-Zn系铸造镁合金使用温度限于系铸造镁合金使用温度限于150200150200C C。应用于更高温度下的耐热镁合金主要是应用于更高温度下的耐热镁合金主要是Mg-REMg-RE、Mg-ThMg-Th系合金。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射性限制了Mg-ThMg-Th合金的应用。合金的应用。HaughtonHaughton和和PrytherchPrytherch等最早报道了提高高温抗拉强度的等最早报道了提高高温抗拉强度的Mg-CeMg-Ce合金。合金。LeontisLeontis的工作证明的工作证明Mg-REMg-RE合金的高温性能按合金的高温性能按LaLa、CeCe、MMMM（富（富CeCe混合稀土）、混合稀土）、NdNd的序列提高。的序列提高。SauerwardSauerward发现了发现了Mg-REMg-RE合金中锆（合金中锆（ZrZr）的晶粒细化作用。）的晶粒细化作用。PaynePayne等发现银的加入明显改善等发现银的加入明显改善Mg-REMg-RE合金的时效硬化效应。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，添加钪、钇对镁合金的有益影响是又一个非常重要的发现，DritsDrits等开发了一系列耐热高强等开发了一系列耐热高强WEWE型镁合金。该类合金良好的力型镁合金。该类合金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。学性能使其广泛应用于赛车及飞行器变速箱壳体上。232、变形镁合金、变形镁合金 与铸造镁合金相比，与铸造镁合金相比，变形镁合金材料比铸造变形镁合金材料比铸造镁合金材料具有更高的镁合金材料具有更高的强度，更好的延展性，强度，更好的延展性，更多样化的力学性能，更多样化的力学性能，从而满足更多样的结构从而满足更多样的结构件的需求。研究与开发件的需求。研究与开发新型变形镁合金，开发新型变形镁合金，开发变形镁合金生产新工艺，变形镁合金生产新工艺，是国际镁协会（是国际镁协会（IMAIMA）在）在20002000年提出的发展镁合年提出的发展镁合金材料的最重要、最具金材料的最重要、最具挑战性且是最长远的目挑战性且是最长远的目标和计划。标和计划。变形镁合金与铸造、变形镁合金与铸造、压压 铸镁合金性能比较铸镁合金性能比较24镁及镁合金塑性变形结构特性镁及镁合金塑性变形结构特性金属镁的晶体结构金属镁的晶体结构 225C以下仅限于以下仅限于0001滑移及锥面滑移及锥面1012孪生。在较高温度下可出现孪生。在较高温度下可出现1011滑移。滑移。加入加入Li、In、Ag等使等使c/a1.618可激活棱柱面可激活棱柱面1010滑移。滑移。25主要的变形镁合金材料主要的变形镁合金材料 常用变形镁合金常用变形镁合金Mg-Al-Zn系、系、Mg-Zn-Zr、Mg-Mn系；系；AZ31、AZ61、AZ80、ZK60、M1A；超轻超轻Mg-Li系变形镁合金；系变形镁合金；LA141、Mg-40%Li(1.0 g/cm3)261、发达国家十分重视镁合金研究与开发。、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，合金系列美国的镁合金材料体系研制较为完备，合金系列有有Mg