第十章 镁合金

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1、第十章 镁合金1.1 引言镁合金从 19 世纪初应用到现在，已有近 200 年的历史。主要用于制备铝 合金、钢铁脱硫等，作为工程结构材料使用较少，主要应用于航空、航天领域。 随着社会的快速发展，金属材料的消耗日益增多，对铁、铝、铜等金属的需求持 续增长，常用的金属资源已经表现出逐年短缺的势态，而镁是世界上最丰富的矿 产资源之一，其在地壳中的储量极其丰富，约占地壳总储藏量的 2.77%，居第 8 位。在大多数国家都能发现镁矿石，但最主要的资源还是海水，海水中含有丰富 的镁，含量为0.13%，也就是说每立方米海水中约含有0.13 kg镁，因而海水为 人们提供了取之不尽的镁资源。从 20 世纪 80

2、 年代后开始，镁合金在工程领域的广泛应用越来越受到重 视，更是在 90 年代之后得到突飞猛进的发展。近 10 年来，全世界的镁产量翻 了一倍，世界各国纷纷把镁资源作为 21 世纪的重要战略资源进行规划。美、日、 欧等发达国家对此均极为重视，并为攻克镁合金在各个生产环节的关键技术进行 了大型的综合性研究。我国具有丰富的镁资源，菱镁矿储量、原镁产能、产量和出口均居世界首位， 目前原镁产量约占世界总产量的 70%。 但是在镁和镁合金的研究和应用领域， 我国与欧美发达国家之间的差距还相当大，一方面，我国的原镁产量高、但质量 差，镁合金锭的质量也很不尽人意，大多只能廉价出口，另一方面，镁合金在国 内的应

3、用较少，高性能镁合金的开发和应用就更为缺乏。因此，如何利用我国的 镁资源优势，将镁的资源优势转变为技术、经济优势，促进国民经济发展、增强 我国在镁行业的国际竞争力，是摆在我们面前的迫切任务。1.2 镁及镁合金的特点镁(Magnesium, Mg)，位于元素周期表IIA族，原子序数12,属于活泼性碱 金属，电子轨道分布1s22s22p63s2。纯镁具有密度小、化学性质活泼等特点，其 常见的物理、化学性质见表1.1。标准大气压下纯镁的晶体结构为密排六方结构，晶格常数a=0.321nm ，c=0.521, c/a=1.623 (非常接近密排系数1.633), a邙=90。, y=120，镁原子在晶胞

4、中的位置及各主要晶面和晶向如图 1.1 所示。表 1.1 纯镁的物理、化学性质Table 1.1 Physical and chemical properties of pure magnesium性质数值性质数值相对原子质量24.3050原子体积/cm3mol-114.0原子序数12热导率VWm-1K-1153.6556原子价2电阻率p/nOm47密度/kgm-31736电阻温度系数(273373 K)3.9x10-3熔点/C650多晶镁的杨氏模量/GPa45沸点/C1090多晶镁的泊松比0.35熔化潜热/kJ.kg-1360377结晶时的体积收缩率/%3.974.2再结晶温度/K423电化

5、学位/V-2.37c图 1.1 镁单胞的原子结构Fig. 1.1 Unit cell crystal of magnesium (a) atomic positions; (b) basal plane, a face plane and principal planes of 11-10 zone; (c) principal planes of 11- 00 zone; (d) principal directions6纯镁的机械性能差，20C时抗拉强度仅为90MPa，硬度为30HB。因此， 纯镁很少用于工程用途，通常将某些金属(常用的有Al、Zn、Mn、稀土等)加 入纯镁中，制成强度较高

6、的系列镁合金，如 Mg-Mn、 Mg-Al-Mn、 Mg-Al-Zn、 Mg-Al-Zn-Mn 等，以满足工程需要。镁合金主要具有以下优点：(1)轻质。加入合金元素后的镁合金密度一般为1.751.85 g/cm3之间，约为普通铝合金的 2/3、钢铁的 1/4，是目前最轻的商用金属结构材料。（2）比性能高。与普通的塑料、铝合金及钢铁比，镁合金的比强度和比刚 度更高，所以在实现同样强度和刚度零部件的情况下，镁合金的零部件能做得比 塑料、铝合金和钢铁轻，因此，镁合金件可以很好地实现减重。（3）高的阻尼和吸震、减震性能：镁合金具有极好的吸收能量的能力，可 吸收震动和噪音。另外，镁合金的阻尼性比铝合金大

7、数十倍，减震效果显著，适 合制备抗震零部件。（4）高导热性和电磁屏蔽能力：镁合金传热性能好，是工程塑料的 300 倍， 可以用于制造要求散热性能良好的电子产品。此外，镁合金是非磁性材料，电磁 屏蔽性能好，抗电磁波干扰能力强，可以用于制作手机等通讯产品的部件。（5）机加工性能好。镁合金比其他金属的切削阻力小，其切削阻力为铝合 金的0.56、黄铜的 0.43、铸铁的 0.29，所以在机加工时，对刀具的消耗很小，切削 功率很小，镁合金、铝合金、铸铁、低合金钢切削同样零件消耗的功率比值为 1： 1.8：3.5：6.3；加工镁合金的切削速度可以大大高于其他金属，生产效率高，而 且不需使用磨削、抛光就能得

8、到粗糙度很低的加工面。（6）良好的铸造性能。熔融镁对坩埚的侵蚀小，压铸时对压铸模的侵蚀小， 与铝合金压铸相比，压铸模使用寿命可以提高23倍，通常可以维持 20万次以 上。镁合金的铸造性能良好，镁合金压铸件的最小壁厚可达0.6 mm,而铝合金 的为1.21.5 mm。镁的结晶潜热比铝的小，在模具内凝固快，其生产率比铝压铸 件高。（7）无毒、易回收利用：镁及其化合物无毒，镁产品的使用不会造成环境 污染。废旧镁合金铸件有可回收再熔化利用的特性，并可作为二次材料进行再铸 造。正是由于镁合金的上述优点，使得镁合金在航空航天、交通运输、电子仪器 等领域有着广阔的应用前景。但是镁合金也有一定的不足，主要体现

9、在如下三个方面：（1）镁的化学性质活泼，与氧有极大的亲和力，在高温甚至在固态条件下， 就很容易与空气中的氧气发生反应，放出大量热量。其生成的产物氧化镁不仅导 热性差，热量不能及时发散，造成局部温度较高，引起燃烧和爆炸。而且生成的 氧化镁致密度低，疏松多孔，不能有效隔绝空气中氧的侵入，使氧化反应继续进 行。(2) 镁属于HCP结构，在室温下只有1个滑移面和三个滑移系，因此它的 塑性变形主要依赖于滑移与孪生的协调动作，但镁晶体中的滑移仅发生在滑移面 与拉力方向倾斜的某些晶体内，因而滑移过程将会受到极大地限制，而且在这种 取向下孪生很难发生，所以晶体很快就会出现脆性断裂。在温度超过225C时， 镁晶

10、体中的附加滑移面开始起作用，塑性变形能力有所增强，因此其塑性加工只 能在中高温下进行。(3) 镁的平衡电位低，与不同类金属接触时易发生电偶腐蚀，并充当阳极。 无论在空气、在淡水及海水中镁合金耐腐蚀性均不佳，需要进行防护。1.3 镁合金的牌号与分类1.3.1 镁合金成分与牌号的标记方法镁合金的标记方法有很多种，各国标准不一，目前普遍使用的是美国材料试 验协会(ASTM)的标记方法。根据ASTM标准，镁合金的牌号和品级由四部分 组成，第一部分为字母，标记合金中主要的合金元素，代表合金中含量较高的元 素的字母放在前面，如果两个主要合金元素的含量相等，两个字母就以字母顺序 排列；第二部分为数字，标记合

11、金中主要合金元素的质量百分含量，四舍五入取 整数；第三部分为字母，表明合金的品级；第四部分表明状态，由一个字母和一 个数字组成。举例说明：AZ91D-T6，表明该合金中含铝8.39.7wt.%，含锌 0.35l.Owt. %左右，D表明合金纯度要求，T6表明合金状态为固溶+时效。表1.2 为部分镁合金中使用的合金元素代码。表 1.2 镁合金牌号中的元素代码Table 1.2 Element designations for magnesium alloys英文字母一主处口 兀素付号中文名称英文字母一主处口 兀素付号中文名称AAl铝NNi镍BBi铋PPb铅CCu铜QAg银DCd镉RCr铬ERE混

12、合稀土SSi硅FFe铁TSn锡HTh钍WY钇KZr锆YSb锑LLi锂ZZn锌MMn锰XCa钙1.3.2 镁合金的分类一般来说，镁合金的分类依据主要有三种，分别为：合金化学成分、成形工 艺和是否含锆。按化学成分，一般根据镁与其中的一个主要合金元素将其划分为 Mg-Al、 Mg-Mn、Mg-Zn、Mg-RE、Mg-Li 等二元系，以及 Mg-Al-Zn(AZ)、Mg-Al-Mn (AM)、Mg-Zn-Zr (ZK)、Mg-Gd-Y (GW)等三元系及其他多元系。主要合金元素在镁中的作用总结如下：Al：铝元素在镁中的极限固溶度为12.7%，并且随着温度的降低显著减少， 室温下的固溶度为 2.0%左右

13、，利用其固溶度的明显变化可以对合金进行热处理。 Al元素的含量对合金性能的影响极大，随着Al元素含量的增加，合金的结晶温 度范围变小、流动性变好、晶粒变细、热裂及缩松现象等倾向明显得到改善，而 且随着含铝量的增加，抗拉强度和疲劳强度得到提高。但是 Mg17Al12 在晶界上 析出会降低其蠕变抗力，特别是在AZ91、AZ80合金中Mgl7Al12的析出量很高。 在铸造镁合金中含铝量可达到 7%9%，而变形镁合金中含铝量一般控制在 3%5%。Zn：锌元素在镁中固溶度约为6.2%，其固溶度随温度降低而显著减少。锌 提高合金应力腐蚀的敏感性与镁合金疲劳极限。锌元素含量大于 2.5%时则会对 合金的防腐

14、性能产生不利影响，原则上含Al镁合金中，锌元素含量一般控制在 2%以下。Mn：在镁合金中添加Mn并不能提高合金的抗拉强度，但是能稍微提高屈 服强度。Mn通过除去镁合金液中的铁及其他重金属元素、避免产生有害的金属 间化合物来提高Mg-Al合金和Mg-Al-Zn合金的抗海水腐蚀能力，在熔炼过程中 部分有害的金属间化合物会分离出来。镁合金中锰的含量通常低于 1.5%，而在 含铝的镁合金中，锰的固溶度仅为 0.3%。此外，锰还可以细化晶粒，提高可焊 性。Si：硅可改善压铸件的热稳定性能与抗蠕变性能。因为Si可与Mg在晶界处 形成细小弥散的析出相Mg2Si，它具有CaF2型面心立方晶体结构，有较高的熔

15、点和硬度。Zr：最有效的晶粒细化剂，对于含Zn，Ag，RE, Y，Th的镁合金，可添加 Zr细化晶粒，改善性能；但对于含有Al，Mn的镁合金不能加Zr进行晶粒细化。 因为Zr可以清除熔体中的Al，Mn和Si元素。Ca:可细化组织,Ca与Mg形成具有六方MgZn2型结构的高熔点Mg2Ca相， 使蠕变抗力有所提高并进一步降低成本。但是，Ca含量超过1%时容易产生热裂 倾向。 Ca 对腐蚀性能不利。RE：向镁合金中添加微量稀土元素可以起到细化晶粒的作用，稀土元素与 合金元素形成强化相，可提高合金的室温性能和高温抗蠕变性能，因而常用作镁 合金的变质剂。某些稀土元素在镁中有很大的固溶度，如Gd、Y等，是开发热 处理强化型镁合金的有益元素。其缺点是价格偏高。另外，根据是否含锆可划分为无锆镁合金和含锆镁合金两大类。根据成形工 艺，镁合金则可分为铸造镁合金和变形镁合金，两者在成分、组织性能上存在很 大差异。下面，将对这两种镁合金进行简单介绍。（1 ）铸造镁合金 铸造镁合金是目前应用最多的镁合金，其铸造方法主要有：砂型铸造、永久 模铸造、半永