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1、第第2章章镁及镁合金镁及镁合金2.1 2.1 2.1 2.1 概述概述概述概述2.2 2.2 2.2 2.2 镁的物理冶金镁的物理冶金镁的物理冶金镁的物理冶金2.3 2.3 2.3 2.3 镁合金的熔化和铸造镁合金的熔化和铸造镁合金的熔化和铸造镁合金的熔化和铸造2.4 2.4 2.4 2.4 镁合金镁合金镁合金镁合金海水含量为海水含量为0.12%。地壳中为。地壳中为2.3%，主要存在于：主要存在于：白云石白云石：dolomite(CaMg(CO3)2)菱镁矿菱镁矿：magnesite(MgCO3)光卤石光卤石：Carnallite(KMgCl3.6H2O).镁是在自然界中分布最广的十个元素之一
2、镁是在自然界中分布最广的十个元素之一纯度纯度99.8%镁的就可以应用，但纯镁很少应用于工程中。镁的就可以应用，但纯镁很少应用于工程中。dolomite白云石白云石Magnesite菱镁矿Carnallite光卤石光卤石镁的来源镁的来源2.1 2.1 2.1 2.1 概述概述概述概述镁是10种常用有色金属之一，其在地壳中的含量达到2.1%-2.7%，在所有元素中排第六位，是仅次于铝、铁、钙居第四位的金属元素。主要来自海水、天然盐湖水、白云岩、菱镁矿、水镁石和橄榄石等。全世界菱镁矿约为120亿吨，海水中的镁含量估计为61016吨，另外还有大量的白云石和盐湖镁资源。我国镁资源总储量占世界的22.5%
3、，居世界第一；菱镁矿储量34亿吨，占世界菱镁矿总储量的28.3%；原镁产量居于世界第一位，占世界总产量的70%以上。我国含镁白云石储量40亿吨以上；我国4大盐湖区镁盐矿产资源的远景储量达数十亿吨其中，柴达木盆地内大小不等的33个卤水湖、半干涸盐湖和干涸盐湖，蕴藏着储量占全国第一位的镁盐资源；我国海域水中的镁含量达0.13%。1775年：发现镁的化合物。年：发现镁的化合物。1808年，英国年，英国戴维用钾还原氧化镁，制得镁。戴维用钾还原氧化镁，制得镁。1886年：德国将镁应用于工业领域。年：德国将镁应用于工业领域。1909年：德国生产出镁合金铸件。年：德国生产出镁合金铸件。1916年：美国道屋化
4、学公司开始生产电解镁。年：美国道屋化学公司开始生产电解镁。19271930年：德国生产的汽车平均每辆用年：德国生产的汽车平均每辆用73.8公斤镁合金。公斤镁合金。19361940年：德国大众汽车（巴西）公司在年：德国大众汽车（巴西）公司在“甲壳虫甲壳虫”汽车上累计用了汽车上累计用了4万万吨镁合金吨镁合金（曲轴箱、传动箱壳体曲轴箱、传动箱壳体）。19481962年：美国采用热室压铸机生产了数百万件汽车镁压铸件。年：美国采用热室压铸机生产了数百万件汽车镁压铸件。20世纪世纪70年代：镁合金材料价格上扬，应用受阻。年代：镁合金材料价格上扬，应用受阻。20世纪世纪80年代：汽车轻量化年代：汽车轻量化，
5、镁压铸件应用增加。镁压铸件应用增加。20世纪世纪90年代中期：原镁产量大增，价格和铝相近，压铸工艺技术设备完年代中期：原镁产量大增，价格和铝相近，压铸工艺技术设备完善，镁应用进入成熟阶段，发展速度空前。善，镁应用进入成熟阶段，发展速度空前。1991年：全球汽车用镁压铸件年：全球汽车用镁压铸件2.5万吨。万吨。1995年：全球汽车用镁压铸件年：全球汽车用镁压铸件5.6万吨。万吨。2000年：全球汽车用镁压铸件近年：全球汽车用镁压铸件近15万吨，占全球镁压铸件的万吨，占全球镁压铸件的80%。2005年：全球镁压铸件比上年增长年：全球镁压铸件比上年增长8%。2010年年：全球镁产量超过全球镁产量超过
6、60万吨。万吨。镁的发展过程银白色，密度银白色，密度1.74g/3，熔点，熔点650，沸点沸点1090。电离能电离能7.65电子伏特电子伏特。晶体结构：密排六方结构。晶体结构：密排六方结构。具有延展性，无磁性，且有良好的热消散性。具有延展性，无磁性，且有良好的热消散性。热导率热导率:156W/(mK)还原性较强还原性较强，与热水反应放出氢气，燃烧时能产生眩目的白光，与热水反应放出氢气，燃烧时能产生眩目的白光，镁与氟化物、氢氟酸和铬酸不发生作用，不受苛性碱侵蚀，极易溶镁与氟化物、氢氟酸和铬酸不发生作用，不受苛性碱侵蚀，极易溶解于有机和无机酸中，镁能直接与氮、硫和卤素等化合，包括烃、解于有机和无机
7、酸中，镁能直接与氮、硫和卤素等化合，包括烃、醛、醇、酚、胺、脂和大多数油类在内的有机化学药品与镁仅仅轻醛、醇、酚、胺、脂和大多数油类在内的有机化学药品与镁仅仅轻微地或者根本不起作用。微地或者根本不起作用。我国镁合金压铸件应用进展我国镁合金压铸件应用进展20世纪世纪50年代，镁合金压铸件用于制造飞机结构件。年代，镁合金压铸件用于制造飞机结构件。20世纪世纪70年初，应用于风动工具。年初，应用于风动工具。20世纪世纪80年代，桑塔纳汽车变速器上下壳体用镁合金压铸件。年代，桑塔纳汽车变速器上下壳体用镁合金压铸件。物理性质物理性质镁及镁合金的特点镁及镁合金的特点重量轻重量轻：镁合金是最轻的工程结构材料
8、。镁的密度1.74，约为钢的1/4，铝的2/3，为工程塑料的1.5倍。比强度、比刚度高比强度、比刚度高：比强度明显高于铝合金和钢，比刚度与铝合金和钢相当，远高于工程塑料，为一般塑料的10倍。减振性好减振性好：相同载荷下，是铝的100倍，钛合金的300500倍。电磁屏蔽性佳。散热性好散热性好：金属的热传导性是塑料的数百倍，其热传导性略低于铝合金及铜合金，远高于钛合金，常用合金中比热最高。耐蚀性好耐蚀性好：为碳钢的8倍，铝合金的4倍，为塑料材料的10倍以上。质感佳：外观及触摸质感极佳，使产品更具豪华感。可回收性好可回收性好：花费相当于新料价格的4%，可回收利用镁合金制品及废料。生产铝合金：铝合金中
9、的添加元素。2002年全世界共用了14.56万吨镁，占40%；我国2003年共用2.1万吨镁，占41%。镁与原铝的消费比率约为0.4%。压铸镁合金铸件：2002年原镁消费中，压铸占35%。在镁压铸中，北美、拉美、西欧用量最多。镁合金压铸件在汽车上的使用量上升了15%左右。炼钢脱硫：2002年世界有5.73万吨镁用于炼钢脱硫，占总量的15.70%。我国2003年钢铁脱硫用镁8000吨，占总消费量的15.62%。使用镁粒脱硫效果比碳化钙好，虽然镁价格比碳化钙高，但用量为碳化钙的1/61/7，镁脱硫比碳化钙经济。吨钢消耗镁粒0.40.5公斤，脱硫后含硫量0.0010.005%。金属还原剂：如稀土合金
10、、钛等到。 镁牺牲阳极保护阴极：防腐性能好、不需外加直流电源、安装后自动运行、不需维护、占地面积少、工程费用低、与外界环境不发生任何干扰。石油管道、天燃气、煤气管道和储罐；港口、船舶、海底管线、钻井平台；机场、停车场、桥梁、发电厂、市政建设、水处理厂、石化工厂、冶炼厂、加油站的腐蚀防护以及热水器、换热器、蒸发器、锅炉等设备。纯镁的应用纯镁的应用机械性能单位条件AZ91DAM60A380压铸A356T6尼龙ABS钢拉断强度MPa23022032026219545330屈服强度(拉伸)MPa15016018517040200屈服强度(收缩)MPa165186剪切强度MPa140214205RB疲劳
11、强度MPa5x108cyc8260145900.1%蠕变强度MPa125度3434135无缺口冲击强度J6223.511有缺口冲击强度J1.53.2延伸率%38-154581730-50弹性模量GPa454572738.92.1207剪切模量GPa14272883布氏硬度65608080140泊松比0.350.350.330.30电子工业航空航天工业汽车工业镁合金的应用镁合金的应用用Al、Zn、Mn、稀土等进行合金化生产具有高的强度与密度比值的镁合金。镁与合金元素倾向于形成化合物而不是固溶体(因其较负的电负性）。因其HCP结构，室温下不易发生塑性变形。镁合金总量的8590%是铸造镁合金；Mg-
12、Al-Zn合金系的产品应用最广泛。因镁具有低的强度、韧性、抗蚀性，以及易与氧作用而燃烧，这就限制了镁的应用晶体结构：晶体结构：HCPHCP晶格常数：晶格常数：a = 0.3202, c = 0.5199, c/a = 1.624a = 0.3202, c = 0.5199, c/a = 1.624密度：密度： 1.74 g.cm1.74 g.cm-3-3熔点：熔点： 650 650 2.2 2.2 2.2 2.2 镁的物理冶金镁的物理冶金镁的物理冶金镁的物理冶金镁的基本特性镁的基本特性镁的基本特性镁的基本特性化学活性高：潮湿大气、海水、无机酸及其盐类、有机酸、甲醇等介质中均会引起剧烈的腐蚀。干
13、燥大气、碳酸盐、氟化物、铬酸盐、氢氧化钠溶液、苯、四氯化碳、汽油、煤油及不含水和酸的润滑油中很稳定。室温下，镁表面与大气中氧作用，形成氧化镁薄膜，但薄膜较脆，也不像氧化铝薄膜那样致密，故其耐蚀性很差。室温强度低、塑性差：纯镁单晶体临界切应力为4.8MPa左右，其多晶体的强度和硬度很低，不能直接用做结构材料。加工状态bMPasMPaE/GPa()()HBS铸态11.52.5458930变形状态20.09.04511.512.536物理性能物理性能单位单位AZ91AM60A380DCA356T6尼龙尼龙ABS钢钢比重比重g/cm31.811.792.742.691.41.05 7.8传热系数传热系
14、数W/mk5161961590.33 0.2814膨胀系数膨胀系数m/mk2625.62221.534.5 76.512减振性能减振性能%35MPa29521.2比热比热J/lk1900 26402590 1200熔化潜热熔化潜热kJ/l6731066 凝固范围凝固范围470-595540-615540-595555-615腐蚀失重腐蚀失重3天天5%NaClMg/cm/d0.020.050.10.5硅热还原法：粉末状硅铁与MgO置于反应罐中，真空条件下加热到1200，获得镁蒸汽，冷却凝固后得到镁。熔盐电解法(DOW工艺、IGFarben工艺、Magnola工艺)用盐酸处理沉淀物白云石和海水获得
15、MgCl2，然后放入电解槽中电解得到Mg。镁的提取镁的提取熔盐电解法熔盐电解法：电解熔融氧化镁制得金属镁电解熔融氧化镁制得金属镁硅热还原法硅热还原法：电炉中用硅铁还原而制得金属镁电炉中用硅铁还原而制得金属镁炭热还原法炭热还原法:加热混有焦炭的加热混有焦炭的MgO即可分离出即可分离出MgDOW工艺工艺：将海水与煅烧白云石一起制成泥浆，与盐酸反应，生成氯化镁溶液，将其浓缩并干燥处理后生成MgCl23/2H20。IGFarben工艺工艺：将氢氧化镁与焦炭均匀混合在一起后放在竖炉内煅烧，然后进行氯化处理，生成电解用原料无水MgCl2，通过电解法得到镁，电解副产物Cl2可以回收利用。Magnola工艺工
16、艺：用浓盐酸浸泡石棉矿尾渣（硅酸镁）制备氯化镁溶液，通过调节pH值和离子交换技术生产浓缩的超高纯度MgCl2溶液，然后进行脱水和电解。MgCO3经锻烧得到MgO。MgO与石油焦炭混合，压制成固态压块。压块加热至2500得到Mg蒸汽，冷却至120得到Mg。炭热还原法炭热还原法皮江法工艺原理皮江法工艺原理：以煅烧白云石为原料、硅铁为还原剂、萤石为催化剂，以煅烧白云石为原料、硅铁为还原剂、萤石为催化剂，配料、粉磨后压制成球团。将球团装入还原罐中，加热到配料、粉磨后压制成球团。将球团装入还原罐中，加热到1200，内部抽，内部抽真空至真空至13.3Pa或更高，则产生镁蒸气。镁蒸气在还原罐前端的冷凝器中形
17、或更高，则产生镁蒸气。镁蒸气在还原罐前端的冷凝器中形成结晶粗镁。再经熔剂精炼得到商品精镁锭。成结晶粗镁。再经熔剂精炼得到商品精镁锭。化学反应式为：化学反应式为：（1）白云石煅烧：皮江法炼镁生产工序皮江法炼镁生产工序（1 1）白云石煅烧：白云石在窑炉中加热至）白云石煅烧：白云石在窑炉中加热至12001200，烧成煅白（，烧成煅白（MgOCaOMgOCaO）。）。（2 2）配料制球：煅白、硅铁粉和萤石粉计量配料、粉磨，然后压制成球团。）配料制球：煅白、硅铁粉和萤石粉计量配料、粉磨，然后压制成球团。（3 3）还原：料球团在）还原：料球团在12001200、13.3Pa13.3Pa的还原罐中保持的还原
18、罐中保持8 81010小时，氧化镁还原小时，氧化镁还原成镁蒸气，冷凝后成为粗镁。成镁蒸气，冷凝后成为粗镁。（4 4）精炼铸锭：将粗镁加热熔化，在约）精炼铸锭：将粗镁加热熔化，在约710710高温下，用溶剂精炼后，铸成精高温下，用溶剂精炼后，铸成精镁锭。镁锭。（5 5）酸洗：将镁锭用硫酸或硝酸清洗表面，除去表面夹杂。）酸洗：将镁锭用硫酸或硝酸清洗表面，除去表面夹杂。（2）罐中的还原反应硅热还原法硅热还原法(皮江法皮江法)不溶的不溶的Mg(OH)2从白云石从白云石和海水中沉淀析出，然后和海水中沉淀析出，然后用盐酸处理得到用盐酸处理得到MgCl2。MgCl2加入电解槽电解得加入电解槽电解得到到Mg。
19、电解法电解法镁合金的熔化镁合金的熔化镁合金的加工镁合金的加工 铸造：砂型铸造、铸造：砂型铸造、 压铸、触融压铸压铸、触融压铸 成形工艺成形工艺 ：轧制、锻造：轧制、锻造 、挤压、挤压2.3 2.3 镁合金的生产镁合金的生产镁在低碳钢坩埚中熔化、合金化、精炼或净化镁在低碳钢坩埚中熔化、合金化、精炼或净化,因为镁与钢因为镁与钢的反应很缓慢的反应很缓慢。镁及镁合金与氧极易反应，并在空气中激烈燃烧。镁及镁合金与氧极易反应，并在空气中激烈燃烧。氧化膜氧化膜加速了氧化过程的进行。加速了氧化过程的进行。熔化阶段熔化阶段：用含有氯化物的混合熔剂如用含有氯化物的混合熔剂如MgCl2、KCl或或NaCl覆盖。覆盖
20、。在浇铸前必须去除氯化物，以避免影响耐蚀性。在浇铸前必须去除氯化物，以避免影响耐蚀性。合金化、精炼阶段合金化、精炼阶段：用混有用混有CaF2、MgF2和和MgO的混合物的混合物形成覆盖层以隔绝空气。形成覆盖层以隔绝空气。常用硫的氟化物常用硫的氟化物SF6、SO2保护熔体，以降低熔体的氧化保护熔体，以降低熔体的氧化烧损和制造成本。烧损和制造成本。镁合金的熔化高压铸造广泛用于镁合金零件- 热室压铸- 冷室压铸挤压铸造铸造设备和成型方向垂直安放-直接挤压铸造-间接挤压铸造触变铸造Thixocasting比较新的工艺：比较新的工艺： 基于半液态合金具有的触变特性。基于半液态合金具有的触变特性。镁合金的
21、铸造镁合金的铸造高压压铸高压压铸应用最广和最经济的镁合金加工方法：-低的铸造温度650680。-低的热容量：比铝熔化快50%。-高的铸造精度和表面加工性能-不侵蚀模具，模具具有长的使用寿命。-良好的机械性能。-高的充型速度。凝固速度快和生产效率高。可生产薄壁、近净形零件。细化组织可得到高的机械性能。热室压铸机带有一个与充型浇道相通的空腔，这个空腔位于化镁炉内并始终充满熔融金属。 在活塞作用下，熔融镁合金注入模具中。该法适用于薄壁零件。生产效率高( 100 件/hr)，这是因为镁优异的铸造性能和快的凝固速度。压铸机： 900 ton压力：150-120 bar成型零件要求： 5-6 kg典型壁厚
22、： 1 mm热室压铸热室压铸冷室压铸冷室压铸 储存金属液体的空腔位于熔炉的外部。熔融金属从附近的熔化炉中泵入水平放置的空腔。然后金属液体在高压活塞作用下注入模腔中。 该法适用于厚壁大型铸件。这就要有更高的压力以弥补铸件的较大的收缩。压力：4,500ton成型压力：300-900bar成型零件小于：60kg.壁厚：1.5-2.5mm.真空压铸压铸过程：压铸过程：1) 1) 金属液体到达型腔入口处；金属液体到达型腔入口处；2) 2) 充填型腔；充填型腔；3) 3) 建立压力。建立压力。充型时存在气垫，形充型时存在气垫，形成气孔成气孔浇道和模具处于真浇道和模具处于真空状态，减少影响空状态，减少影响充
23、型的气体或气垫；充型的气体或气垫；但成本较高。但成本较高。挤压铸造优点： 降低孔隙度。 防止具有宽结晶温度范围合金产生热裂纹。 晶粒细化，缺陷少，提高了强度和韧性。 可热处理。 难铸造的合金可进行铸造。 研发新型合金。 生产镁合金复合材料间接挤压铸造液态金属以液态金属以0.5m/s(压铸：压铸：30m/s)的速度流过一个较大管道的速度流过一个较大管道注入模具中注入模具中;低充型速度可阻止空气的卷低充型速度可阻止空气的卷入，防止气泡的形成入，防止气泡的形成；凝固时的压力和温度可控，凝固时的压力和温度可控，可使用带有型芯或插入式配件的可使用带有型芯或插入式配件的模具；模具；为渗透预制件（纤维或颗粒
24、）为渗透预制件（纤维或颗粒）提供了条件；提供了条件；当控制结晶过程时，可消除当控制结晶过程时，可消除显微收缩和缩松。显微收缩和缩松。缺点缺点:挤压通道与零件连接挤压通道与零件连接区域面积大，分离时要浪费许多区域面积大，分离时要浪费许多材料。材料。直接挤压铸造直接挤压铸造 压力施加于上冲头，铸件从另一端挤出。压力施加于上冲头，铸件从另一端挤出。模具简单，无需要锁模力，降低了成本。模具简单，无需要锁模力，降低了成本。必须填充较准确的液态金属量。必须填充较准确的液态金属量。另加冲头或型芯可制造出复杂零件。另加冲头或型芯可制造出复杂零件。可生产致密零件。可生产致密零件。注：模具和压头的温度影响结晶过程
25、。注：模具和压头的温度影响结晶过程。触融压铸 在液相线温度以下20，合金为固相和液相的混合物。 半固态金属成型：半固态时合金中存在枝晶和球状晶。 强烈搅拌使技晶变为球晶结构。ViscosityShearingstrain触压铸造工艺过程 板坯按一定尺寸切割，然后将坯料加热到接近液相线板坯按一定尺寸切割，然后将坯料加热到接近液相线温度，获得液相温度，获得液相/固相比率约为固相比率约为3040的混合熔体。的混合熔体。加热后的坯料送到触变成形机。加热后的坯料送到触变成形机。所施加的压力转变为剪应力，降低了粘度，坯料表现所施加的压力转变为剪应力，降低了粘度，坯料表现出流体的特性。出流体的特性。电磁搅拌
26、作用可避免枝晶生长。电磁搅拌作用可避免枝晶生长。触变成形触变成型是一种特殊的触变铸造，但使用的是注塑机，而不是压铸机。工艺过程：在螺旋输送机内熔化触变成型的颗粒（温度为560-620）；半固态金属压入模具。加热和冷却时，注射装置用氩保护，以防止与空气接触。生产过程完全实现自动化；生产过程完全实现自动化；生产效率高；生产效率高；能耗低，节省能量；能耗低，节省能量；较高的模具使用寿命；较高的模具使用寿命；无气孔、夹杂物、可焊接的零件；无气孔、夹杂物、可焊接的零件；低的冷却收缩、无气孔；低的冷却收缩、无气孔；性能优异；性能优异；可生产薄壁零件；可生产薄壁零件；近终形零件。近终形零件。Thin-wal
27、ledMgalloyAZ91Dcastingproducedbythixo-moulding触变铸造的优点晶粒细化砂型铸造时金属液体冷却速度慢，凝固组织晶粒粗大，为提高性能，要进行晶粒细化处理；高压铸造、挤压铸造、触变铸造无必要。含Al镁合金(Mg-Al,Mg-Al-Zn)：用孕育剂（六氯乙烷或六六代苯中的碳与金属液体中的铝形成Al4C3，起异质形核作用）细化晶粒。Zr与Al形成金属间化合物，因而不能用Zr作为含Al镁合金细化剂。不含铝的镁合金：Zr可产生异质形核，细化镁合金。镁合金的牌号：GB/T5153-2003纯镁：Mg+数字（纯度的数字（纯度的%）镁合金：英文字母（两个）英文字母（两个
28、）+ +数字（两个）数字（两个） + +英文字母英文字母2.4 2.4 2.4 2.4 镁合金镁合金镁合金镁合金标识代号，用以标识各具体组成元素相异或元素含量有微小差别的不同合金。表示两个主要合金元素的含量：第一个数字：第一个字母的重量%；第二个数字：第二字母的重量%。第一个字母：含量最大的合金元素；第二个字母：含量为第二的合金元素；镁中加入镁中加入AlAl、ZnZn、MnMn、ZrZr及稀土等制成镁合金及稀土等制成镁合金: :Mg-Mg-MnMn系、系、Mg-Al-Zn Mg-Al-Zn 系、系、Mg-Zn-Mg-Zn-ZrZr系和系和Mg-RE-Mg-RE-ZrZr系系分为分为形变镁合金形
29、变镁合金和和铸造镁合金铸造镁合金。镁合金镁合金镁合金镁合金分类分类形变镁合金形变镁合金：M2M、ME20M：良良好好耐耐蚀蚀和和焊焊接接性性能能，使使用用温温度度150。用用于于制制作作飞飞机机蒙蒙皮皮、壁板及宇航结构件。壁板及宇航结构件。AZ40M、 AZ41M、 AZ61M、 AZ62M、AZ80M：好好的的室室温温力力学学和和焊焊接接性性能能。用用于制造飞机舱门、壁板及导弹蒙皮。于制造飞机舱门、壁板及导弹蒙皮。ZK61M：较较高高拉拉伸伸与与压压缩缩屈屈服服强强度度、高高温温瞬瞬时时强强度度及及良良好好成成形形和和焊焊接接性性能能，塑塑性性中中等等。用用于于制制造造飞飞机机长长桁桁、操操
30、作作系系统统的摇臂、支座等。的摇臂、支座等。Mg-Li系合金系合金：密度小，强度高，塑性、：密度小，强度高，塑性、韧性好，焊接性好，缺口敏感性低，在韧性好，焊接性好，缺口敏感性低，在航空、航天工业中具有良好的应用前景。航空、航天工业中具有良好的应用前景。为保证形变镁合金较高的塑性，为保证形变镁合金较高的塑性，其中合金元素的含量往往比较其中合金元素的含量往往比较低，要求在凝固组织中含有较低，要求在凝固组织中含有较少共晶相。少共晶相。形变镁合金形变镁合金镁为HCP，因此镁合金塑性变形能力有限：1000面沿方向滑移；温度大于250时，滑移可以孪晶方式进行。在更高的温度(300500)下具有更好的加工
31、性能。形变镁合金的产品锻造镁合金锻造镁合金优点：强度高，具有与载荷方向平行的变形织构。 锻后组织致密，用于制造受压、密封的零件。镁合金组织的晶粒尺寸、多相结构是锻造的主要问题。这可以通过附加的挤压工艺加以克服，以满足锻造的要求。复杂几何形状零件可由多个锻造工步实现。锤锻而成的直升机齿轮箱盖牌号抗拉强度（MPa）伸长率用途M2M2108形状简单受力不大的耐蚀零件AZ40M25020飞机蒙皮、壁板及耐蚀零件ME20M2607形状复杂的锻件和模锻件ZK61M3359室温下承受大载荷的零件，如机翼等铸造镁合金MgAl铸造合金MgAlZn铸造合金MgZn铸造合金和MgZnCu铸造合金MgZnZr铸造合金
32、和MgREZnZr铸造合金高温铸造镁合金铸造镁合金铸造镁合金：ZM顺序号表示。ZM1、ZM7：Mg-Zn-Zr系系ZM5、ZM10：Mg-Al-Zn系：较高的强度，良好的塑性和铸造性能，耐热性较差，用于制造150以下工作的飞机、导弹、发动机中承受较高载荷的结构件或壳体。ZM2、ZM3、ZM4、ZM6、ZM8：Mg-RE-Zr系。良好铸造性能、常温强度和塑性较低、耐热性较高，主要用于制造250以下工作的高气密零件。铸造镁合金中合金元素含量高于变形镁合金，以保证金属液体具有较低的熔点、较高的流动性和较少的缩松缺陷等。需热处理强化的铸造镁合金，所加入的合金元素在镁基体中具有较高的固溶度，固溶度并随温
33、度改变而发生明显的变化，在时效过程中能够形成强化效果显著的第二相。铝在Mg中的固溶度在室温为2，共晶温度437时为12.7，AZ91HP合金具备了一定的时效强化能力，其强度可通过固溶和时效的方法得到进一步的提高。Mg-Al 铸造合金Al提高强度、铸造性能和耐蚀性。在437的最大固溶度为12.7%；该类合金密度小、韧性高。这类合金因固溶处理时产生分散、粗大颗粒平衡相Mg17Al12，无GP区形成，不产生固溶强化。密度小、强度高、耐蚀性能和铸造性能好；加入Zn，既产生固溶强化，又产生时效强化，提高强度：Rm达214241MPa，A达18%。铸态组织中，存在在晶界上、呈网状的Mg17Al12或相降低
34、了强度和塑性。缓冷时，合金中存在不连续的相，GBs存在胞状或珠光体型结构。T6回火，Mg17Al12可细化并均匀分布，改善性能。AZ91具有细小、均匀的铸态组织， 是应用最广泛的镁合金。冷铸合金中晶界存在的相Mg17Al12缓冷时的不连续析出相AZ80合金Mg-Al-Zn 铸造合金Mg-Al 和 Mg-Al-Zn 铸造镁合金的化学成分及典型应用Mg-Al 和Mg-Al-Zn 铸造合金的机械性能Mg-Zn 和 Mg-Zn-Cu 铸造合金MgZn合金：Zn可产生时效强化效应（MgZn2形成GP区）；对细化晶粒无作用；易产生显微缩松。Mg-Zn-Cu合金：Cu的加入可显著改善韧性、扩大时效强化的效果
35、；Rel：130160MPa，Rm：215260MPa，A：38%；Cu的加入也提高了共晶温度，扩大了Zn的溶解度。晶界处和技晶臂间的Mg-Zn化合物二元Mg-Zn合金经3308h处理Cuaddition片状结构Mg-6Zn-1.5Cu经430/8h固溶处理Mg-Zn-Mg-Zn-ZrZr 和和 Mg-RE-Zn-Mg-RE-Zn-ZrZr铸造合金铸造合金ZK51和ZK61用于砂型铸造，加入56%Zn产生时效强化、加入1%Zr细化晶粒。其应用受到限制，因为它们易受铸造显微组织影响，而且Zn含量高不可焊接。Mg-Zn-Zr合金Mg-RE-Zn-Zr合金加入RE(Ce,Nd)形成的EZ33和ZE4
36、1（砂型铸造)具有好的铸造性能，因凝固时低熔点共晶体呈网状分布在晶界，并形成缩松。锌还从过渡相中脱溶形成稳定的MgZnRE相，导致强度降低。析出顺序 是主要的强化析出相。40048h处理后的Mg-RE-Zn-Zr合金Mg-Zn-Zr和Mg-RE-Zn-Zr铸造合金的成分、性能和应用高温铸造镁合金早期用于200250、Rm要求不低于240MPa的航空航天。QE系列镁合金：具有较高的高温强度和蠕变抗力。QE22用于航空工业，如降落架的车轮、齿轮箱壳体。QE22：2.5%Ag、2%RE如Nd和其它重稀土：具有显著强化效应；200以下具有较高强度。Ag显著影响Mg-RE合金的析出行为。Mg9R化合物与
37、细小的析出相Mg12Nd2Ag一起分布在镁基体上。WE镁合金：固溶度达12.5wt%的Mg-Y合金可时效强化，温度到300时还具有高强度、高蠕变抗力。Y昂贵，熔点高1500，易于氧化；钍有显著的时效强化和细晶强化，改善高温性能，但因有轻微放射性而无法商业化应用。WE43：4%Y、2.25%Nd、1%重稀土、0.3%Zr：改善高温性能；经200长时间保温后仍具有250MPa的拉伸强度；用于航空工业。牌号抗拉强度（MPa）伸长率用途ZM12355飞机轮毂、支架等抗冲击件ZM21852.5200以下工作的发动机零件等ZM31181.5高温高压下工作的发动机匣等ZM52255机舱隔框、增压机匣等高载荷
38、零件合金化强化：合金化强化：合金元素的类型：合金元素的类型：包晶反应类元素包晶反应类元素：Zr(3.8%)，Mn(3.4%)：细化晶粒、净化合金、提高抗蚀性和耐热性。：细化晶粒、净化合金、提高抗蚀性和耐热性。共晶反应类元素共晶反应类元素：Ag(15.5%)，Al(12.7%)，Zn(8.4%)，Li(5.7%)，Th(4.5%)：如：如MgAlZn和和MgZnZr系合金等。这类元素在系合金等。这类元素在Mg中有明显的溶解度变化，中有明显的溶解度变化，可产生明显的时效硬化效应。可产生明显的时效硬化效应。稀土元素稀土元素(RE）：Y(12.5%)，Nd(3.6%)，La(1.9%)，Ce(0.85
39、%)，Pr(0.5%)，混合，混合RE(以以Ce或或La为主为主)。多属共晶反应型元素，共晶温度比。多属共晶反应型元素，共晶温度比Mg-Al和和Mg-Zn高，高，MgRE系的固溶体和稀土化合物耐热性高，原子扩散速度慢，利于抗蠕变，系的固溶体和稀土化合物耐热性高，原子扩散速度慢，利于抗蠕变，故故Mg-RE-Zr和和Mg-REMn系合金是耐热镁合金，可在系合金是耐热镁合金，可在150250工作。工作。镁合金镁合金镁合金镁合金的的的的强化方式强化方式形变硬化、晶粒细化、形变硬化、晶粒细化、合金化合金化、热处理、热处理、陶瓷相增强镁合金陶瓷相增强镁合金固溶强化固溶强化：根据原子尺寸、晶格类型、电化学性
40、质和电子浓度等因素，镁和周根据原子尺寸、晶格类型、电化学性质和电子浓度等因素，镁和周期表中可形成合金的元素几乎只能形成有限固溶体；合金元素溶入基体期表中可形成合金的元素几乎只能形成有限固溶体；合金元素溶入基体中，通过原子错排、溶质与溶剂原子弹性模量的差异而强化基体；若溶中，通过原子错排、溶质与溶剂原子弹性模量的差异而强化基体；若溶质原子提高了合金熔点、增大弹性模量、减小原子自扩散，还可提高抗质原子提高了合金熔点、增大弹性模量、减小原子自扩散，还可提高抗蠕变性能。蠕变性能。第二第二相强化相强化：超过溶解度的合金元素与镁形成中间相：超过溶解度的合金元素与镁形成中间相：AB型型简立方简立方CsCl结
41、构，如结构，如MgTi、MgAg、MgCe和和MgSn；AB2型型Laves相，相，如：如：MgCu2、MgZn2、MgNi2；CaF2型型面心立方金属间化合物，如面心立方金属间化合物，如Mg2Si和和Mg2Sn。基体中合金元素溶解度随温度降低而下降，从基体中析出第二相基体中合金元素溶解度随温度降低而下降，从基体中析出第二相阻碍位错运动和滑移，提高屈服强度，产生阻碍位错运动和滑移，提高屈服强度，产生析出强化（析出强化（时效强化）；强时效强化）；强化效果取决于尺寸、形状、物理性能和析出相与基体间的界面性质。化效果取决于尺寸、形状、物理性能和析出相与基体间的界面性质。弥散强化弥散强化的颗粒是合金在
42、凝固过程中产生，其熔点较高、不溶于镁的颗粒是合金在凝固过程中产生，其熔点较高、不溶于镁基体、具有良好的热力学稳定性。弥散强化比析出强化可以保持到更高基体、具有良好的热力学稳定性。弥散强化比析出强化可以保持到更高的温度。的温度。合金化强化机制合金化强化机制时效沉淀强化时效沉淀强化 镁合金时效硬化效应没有A1合金明显，与其结构变化特点有关。Mg-Al和MgAlZn系合金缓冷后在150220时效，在晶界或缺陷处，不经不经GP区直接析出一定取向并向晶内生长的片状平衡相区直接析出一定取向并向晶内生长的片状平衡相Mg4Al3；发生沉淀的基；发生沉淀的基体浓度和晶格常数已达平衡状态，未沉淀晶粒的晶格常数和浓
43、度保持不变，即基体浓度和晶格常数已达平衡状态，未沉淀晶粒的晶格常数和浓度保持不变，即基体浓度和晶格常数呈不连续变化，这就是体浓度和晶格常数呈不连续变化，这就是不连续沉淀不连续沉淀。这种片层状不连续结构又称珠光体型沉淀。该组织中的Mg4Al3相弥散度低，片间距大(200nm)，基体浓度低，无共格或半共格应力场，故强化效果差。当不连续沉淀向晶内发展到一定程度后，晶粒内部才能发生连续分解。此时，不连续沉淀向晶内发展到一定程度后，晶粒内部才能发生连续分解。此时，细小的片状细小的片状Mg4Al3一边析出和长大，固溶体浓度和晶格常数也发生连续变比，一边析出和长大，固溶体浓度和晶格常数也发生连续变比，最终达
44、到与时效温度相适应的平衡状态。这种沉淀的特点是基体浓度和晶格常数最终达到与时效温度相适应的平衡状态。这种沉淀的特点是基体浓度和晶格常数是连续变化的，即是连续变化的，即连续沉淀连续沉淀。时效沉淀强化时效沉淀强化 时效后的镁合金显微组织由连续与不连续沉淀组织组成。两类组织相对量由合金含量和热处理制度决定。合金的过饱和度低，固溶体浓度不均匀(偏析)，时效不足或温度低时，不连续沉淀将占优势；反之，铝浓度高，进行了充分均匀化处理，淬火速度快，时效温度高，连续沉淀将占优势，因为不连续沉淀是由于沉淀相结构与基体相差较大，沉淀应变能过高，只能从晶界开始逐渐向晶内发展：如果时效温过高(250以上)，原子扩散能力
45、强，不连续沉淀也可能不发生，只出现连续沉淀。Rel=Rel0+kd0.5镁合金：k=280320MPam-0.5；铝合金：k=68MPam-0.5提高镁合金强度和塑性的手段：提高镁合金强度和塑性的手段：变质处理或过热处理镁合金熔体细化晶粒变质处理或过热处理镁合金熔体细化晶粒镁合金液中加入晶粒细化剂如含Zr细化剂、含C细化剂。凝固时锆以六方晶型Zr质点形式析出，加入的C与铝形成六方晶系的Al4C3，这些六方晶型质点弥散分布于镁合金液中作为镁的结晶核心，使镁合金组织明显细化。将镁合金过热到850左右保温30分钟，然后快冷到浇注温度的过程即为过热处理。这种处理可细化含Al、Mn和杂质Fe的镁合金组织
46、。细化原因可能是过热处理时产生了六方晶格MnAl4等高熔点化合物在结晶过程中起晶核作用，从而细化晶粒。铸锭塑性变形细化晶粒铸锭塑性变形细化晶粒快速凝固细化晶粒快速凝固细化晶粒半固态成形细化晶粒半固态成形细化晶粒晶粒细化晶粒细化加工状态加工状态0.2b原始加工态原始加工态7575170170固溶处理固溶处理7575190190固溶固溶+175+175 16h16h时效时效175175240240铸态镁合金的力学性能可通过热处理的方法改善；锻造镁合金可用冷加工、退火、固溶和时效等方式来提高镁合金的力学性能。Mg8%Zn二元合金（MPa）溶解度溶解度c点附近的合金，时效强化效点附近的合金，时效强化效
47、果最高。成分向左或向右偏离果最高。成分向左或向右偏离c点，强化点，强化效果都将降低。效果都将降低。合金成分向左偏离时，固溶体的过饱和度降低，淬火时效效果减小。合金成分位于b点以左时，合金不能热处理进行强化。合金成分向右偏离c点，淬火时效强化效果也将降低。因为时效过程是在固溶体中进行的，根据杠杆定律，合金成分向右偏离c点越远，其所含固溶体的量越少，故强化效果越低。但如果第二相不太脆，合金的强度也可能有所增加，因为第二相的硬度往往高于固溶体，其含量增多势必增大合金的强度。热处理强化热处理强化镁基复合材料：将SiC、A12O3或石墨的粉末、纤维或晶须加入熔融的镁合金中采用压铸或挤压铸造等方法制得。镁
48、合金与陶瓷增强相表面的氧和氮的反应，有利于提高与基体镁合金之间的润湿性。如SiC可与镁反应生成Mg2Si。镁基复合材料具有比镁合金高得多的力学性能。如挤压铸造方法制备体积份数为16%A12O3纤维增强镁合金AZ91复合材料在180的疲劳极限比原来提高了1倍。当体积份数(A12O3)为30%时，其弹性模量也增加1倍。镁基复合材料的基体可以是铸造镁合金，也可以是锻造镁合金。复合强化复合强化铸造和变形镁合金均可进行退火、时效、淬火和人工时效，规范和应用范围与铸造铝合金基本相同，只是镁合金的扩散速度、淬火敏感性低。镁合金可用静止或流动的空气淬火，也有时用热水淬火(如T61)，强度比空冷的T6高。绝大多
49、数镁合金对自然时效不敏感，淬火后在室温能长期保持淬火状态，即使人工时效，时效温度也要比铝合金高（达175250）。镁合金加热时的氧化倾向比铝合金高，为了防止燃烧，加热炉应保持中性气氛或通人SO2气体。镁合金镁合金镁合金镁合金的的的的热处理热处理镁及镁合金的应用镁及镁合金的应用航空航天工业、军工领域、交通领域（包括汽车工业、飞机工业、摩托车工业、自行车工业等）、3C领域等。 镁合金的吸噪、减震、防辐射等特点可满足航空航天等的要求；镁合金的轻质可改善飞行器气体动力学性能和显著减轻结构重量。 从上世纪40年代开始，镁合金首先在航空航天部门得到了优先应用。B-36重型轰炸机：翼展70.2米，长度49.
50、4米，高度为14.26米，重量186140公斤，每架用4086kg镁合金簿板； 洛克希德F-80喷气式歼击机镁板机翼，使结构零件从47758个减少到16050个； “大力神”火箭使用了600kg的变形镁合金； “季斯卡维列尔”卫星中使用了675kg的变形镁合金； 直径约1米的“维热尔”火箭壳体是用镁合金挤压管材制造的。我国的歼击机、轰炸机、直升机、运输机、民用机、机载雷达、地空导弹、运载火箭、人造卫星、飞船上均选用了镁合金构件：某型号飞机选用了300400项镁合金构件；镁合金零件的重量最重近300kg；构件最大尺寸达2m多。在军工方面需要镁合金板材以提高结构件强度,减轻装备重量,提高武器命中率
51、。国防工业领域国防工业领域由于镁及镁合金耐冲击，如果能够开发出与铝合金耐蚀性能相当的镁合由于镁及镁合金耐冲击，如果能够开发出与铝合金耐蚀性能相当的镁合金，则其在兵器等各种军用领域将有着广阔的应用前景。如金，则其在兵器等各种军用领域将有着广阔的应用前景。如照明弹用镁粉照明弹用镁粉、穿甲弹用高比强度穿甲弹用高比强度镁合金弹托镁合金弹托材料，以及可用变形镁合金制造的材料，以及可用变形镁合金制造的战术航空导战术航空导弹舱段、副翼蒙皮、壁板和雷达、卫星上用的镁合金井字梁、相机架和外壳弹舱段、副翼蒙皮、壁板和雷达、卫星上用的镁合金井字梁、相机架和外壳等零件。等零件。武器轻量化是现代兵器的发展趋势，利用镁合
52、金取代现有武器上的一些武器轻量化是现代兵器的发展趋势，利用镁合金取代现有武器上的一些零部件正成为各国研究的热点。有关单位已分别通过锻造或铸造成型方式开零部件正成为各国研究的热点。有关单位已分别通过锻造或铸造成型方式开发出了变形镁合金发出了变形镁合金冲锋枪机匣、枪尾、提把、前扶手、枪托体、大托弹板、冲锋枪机匣、枪尾、提把、前扶手、枪托体、大托弹板、瞄具座、小弹匣座瞄具座、小弹匣座以及军用铸造合金以及军用铸造合金发动机进出水管发动机进出水管和和发动机滤座等发动机滤座等军品武军品武器用零部件，其中部分对耐蚀耐磨有较高要求的军用镁合金零部件还被通过器用零部件，其中部分对耐蚀耐磨有较高要求的军用镁合金零
53、部件还被通过用涂层的方法进行表面处理。目前，这些研制生产出的军用镁合金零部件已用涂层的方法进行表面处理。目前，这些研制生产出的军用镁合金零部件已进入实际演示验证和考核阶段，预计不久将得到初步应用。进入实际演示验证和考核阶段，预计不久将得到初步应用。2.4镁及镁合金的应用镁及镁合金的应用镁合金在汽车工业的应用镁合金在汽车工业的应用镁合金汽车零件的好处可简单归纳为：密度小，可减轻整车重量，间接减少燃油消耗量；镁比强度高于铝合金和钢，比刚度接近铝合金和钢，能承受一定负荷；镁具有良好的铸造性和尺寸稳定性，容易加工，废品率低；镁具有较高阻尼系数，减振量大于铝合金和铸铁，用于壳体可降低噪声，用于座椅、轮圈
54、可以减少振动，提高汽车的安全性和舒适性。1930年镁合金就用于一辆赛车上的活塞和欧宝汽车上的油泵箱。上世纪六十年代在有的车上用量达到23千克，主要用作阀门壳、空气清洁箱、制动器、离合器、踏板架等；上世纪八十年代初，严格控制铁、铜、镍等杂质含量，镁合金的耐蚀性得到了解决，同时，成本下降又大大促进了镁合金在汽车上的应用。从上世纪九十年代开始，欧美、日、韩开始把镁合金用于汽车零件上。镁合金压铸件在汽车上的应用已经显示出长期的增长态势。在过去十年里，其年增长速度超过15%。在欧洲，已经有300种不同镁制部件用于汽车，每辆欧洲生产的汽车上平均使用2.5kg镁。每辆汽车对镁的需求将提高至70120kg。目
55、前，汽车仪表、座位架、方向操纵系统部件、引擎盖、变速箱、进气歧管、轮毂、发动机和安全部件上都有镁合金压铸产品的应用。重庆长安集团公司重庆长安集团公司：JL462Q发动机变速器上、下壳体发动机变速器上、下壳体：已形成年产已形成年产1500t汽车变速器压铸的生产能力。汽车变速器压铸的生产能力。2003年底，变速器上下年底，变速器上下壳体、箱体延伸体和缸罩等壳体、箱体延伸体和缸罩等7个零件已批量装车，并通过了小批量装车试验，个零件已批量装车，并通过了小批量装车试验，目前正在进行批量生产前的最后中批量装车考核中；此外，该公司还打算用目前正在进行批量生产前的最后中批量装车考核中；此外，该公司还打算用镁合
56、金取代更多的零部件，如方向盘、座椅内架等，逐步使每辆车用量达到镁合金取代更多的零部件，如方向盘、座椅内架等，逐步使每辆车用量达到20Kg。一汽集团一汽集团：试制成功了气门室罩盖、变速箱盖等镁合金压铸件，其中气门室罩盖已通过试制成功了气门室罩盖、变速箱盖等镁合金压铸件，其中气门室罩盖已通过装车试验。装车试验。东风汽车公司：东风汽车公司：以镁合金变速箱上盖的产业化应用为重点突破对象，完成了以镁合金变速箱上盖的产业化应用为重点突破对象，完成了10万次规范的台万次规范的台架试验，并顺利通过考核；同时对已装车的真空助力器中间隔板、左右脚踏架试验，并顺利通过考核；同时对已装车的真空助力器中间隔板、左右脚踏步的应用情况调查表明其应用效果良好。步的应用情况调查表明其应用效果良好。作业1、镁及镁合金有那些牌号？2、简述纯镁的特性和典型用途。3、简述镁合金的强化方式及其强化机制。4、简述镁合金的合金化强化机制。5、镁合金细晶强化的方法；为什么镁合金的细晶强化效果大于铝合金？6、分析镁合金成分对热处理强化效果的影响。7、镁合金是如何分类的?8、镁合金有那些典型的应用。9、镁合金常温塑性变形能力较低，为什么?10、镁的提取方法有几种？简述它们的提取原理。
