镁及镁合金

2.2 纯镁－纯镁的牌号
化学成份 % 杂质元素不大于 牌号 Mg ≥ 其它 单个 杂质 0.005 0.005 0.01 0.0
Fe
Si
Ni
Cu
Al
Mn
Cl
Ti
Pb
Zn
Mg9998
99.98 99.95 99.90 99.80
0.002 0.003 0.04 0.05
0.003 0.01 0.02 0.03
2.3 镁合金－分类、牌号
变形镁合金：MB＋顺序号表示。 MB1 、 MB8 为 Mg-Mn 系合金：具有良好耐 蚀性和焊接性，使用温度不超过 150℃ 。主 要用于制作飞机蒙皮、壁板及宇航结构件。 MB2、MB3、MB5、MB6、MB7为Mg-Al－ Zn－Mn 系合金：具有好的室温力学性能和 焊接性。主要用于制造飞机舱门、壁板及导 弹蒙皮。 MB15 、 MB21 、 MB25 为 Mg-Zn－Zr 系合金： 具有较高拉伸与压缩屈服强度、高温瞬时强 度，及良好的成形和焊接性能，但塑性中等。 主要用于制造飞机长桁、操作系统的摇臂、 支座等。 为保证变形镁合金较高的塑性， Mg-Li系合金是一种新型的镁合金，它密度 其中合金元素的含量往往比较 小，强度高，塑性、韧性好，焊接性好，缺 低，要求在凝固组织中含有较 口敏感性低，在航空、航天工业中具有良好 少共晶相。 的应用前景。
元素 镁 铝 钛 铁
元素在周期 表中的排序 12 13 22 26
原子 重量 24.3 27.0 47.9 55.9
比重 1.7 2.7 4.5 7.9
熔点 650 660 1668 1530
%IACS （Cu=100） 40 64 3.1 18
镍
铜 锌
28
29 30
58.9
63.6 65.4
8.9
51
AM60 1.79
61
A380 DC
A356 T6
镁物理性能的优点
尼龙 1.4
0.33
ABS 1.05
0.28
钢 7.8
14
比重
传热系数
2.74
96
2.69
159
膨胀系数
减振性能 比热 熔化潜热 凝固范围 腐蚀失重 3天5% NaCl
26
29 1900 673 470-595 0.02
25.6
52
第2章 镁及镁合金
2.1 2.2 2.3 2.4 概述 纯镁 镁合金 镁合金的应用
2.1 概述
1808年，英国戴维，钾还原氧化镁，制得镁。 物理性质：银白色，密度1.74克/厘米3，熔点648.9℃，沸点1090℃。 电离能7.65电子伏特。 晶体结构：密排六方结构。原子半径：1.72 埃。 具有延展性，无磁性，且有良好的热消散性。 热导率: 156 W/(m· K) 具有较强还原性，能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，也不受苛性碱侵蚀，但极易 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、 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。 来源：镁存在于菱镁矿、白云石、光卤石中。每立方英里海水含有约 120亿磅镁。镁是在自然界中分布最广的十个元素之一， 熔盐电解法：工业上利用电解熔融氧化镁 硅热还原法：在电炉中用硅铁等使其还原而制得金属镁。 用途：臵换钛、锆、铀、铍等金属。用于制造轻合金 、烟火、闪光粉、 镁盐等。结构性能类似于铝，用于飞机、导弹中。镁在汽油燃点可燃。
22
21.5
1.2
34.5
76.5
12
2640 1066 540-615 0.05 540-595 0.1
2590
1200
℃
Mg/cm/d
555-615 0.5
2.2 纯镁－纯镁的特性
机械性能 拉拉强度 屈服强度(拉伸) 屈服强度(压缩) 剪切强度 疲劳强度 单位 MPa MPa MPa MPa MPa 5×108 cyc 条件 Ambient Ambient AZ 91D 230 150 165 140 82 60 214 145
加工状态 铸态 变形状态 σb／MPa σs／MPa E/ GPa ε(％) ψ(％) HBS
11.5 20.0
2.5 9.0
45 45
8 11.5
9 12.5
30 36
2.2 纯镁－纯镁的特性
物理性能
单位 g/cm3
W/m· k μm/m· k %@35MPa J/l· k kJ/l
AZ91 1.81
2.3 镁合金－强化方式
合金化强化机制：固溶强化、第二相强化（弥散强化、析出强化）
固溶强化： 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，还可提高抗蠕变性能。 第二 相强化： 超过溶解度的合金元素将与镁形成中间相，有下列三种类型： AB型－简单立方CsCl结构。如MgTi、MgAg、MgCe和MgSn。 AB2型－Laves相， 如：MgCu2；MgZn2 ；MgNi2 。 CaF2型－面心立方金属间化合物，如Mg2Si和Mg2Sn。 当合金元素在基体中的溶解度随温度降低而下降时，将从基体中析出第二 相阻碍位错运动和滑移，使屈服强度提高，产生析出强化（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。 弥散强化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的温度。
Mg9980
2.2 纯镁－纯镁的特性
镁为密排六方结构。熔点648.9℃。 25℃时晶格常数为：a=0.3202nm，c=0.5199nm；c/a=1.6237。
密度低，常用结构材料中最轻的金属： 20℃时密度1.738g/cm3。
体积热容比其他金属都低： 20℃时的体积热容为1781 J/(dm3· K)， 铝：2430 钛：2394 镍：4192 铁：3521 铜：3459 锌：2727 镁及其合金是加热升温与散热降温都比其他金属快。
8.9 7.1
1453
1083 693
18
100 -
2.2 纯镁－纯镁的特性
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。
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1/6～1/7，镁脱硫比 碳化钙经济。吨钢消耗镁粒0.4～0.5公斤，脱硫后含硫量0.001～0.005%。
金属还原剂：如稀土合金、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
0.0005 0.001 0.001 0.002
0.0005 0.002 0.004 0.02
0.004 0.01 0.02 0.05
0.002 0.01 0.03 0.05
0.002 0.003 0.005 0.005
0.001 — — —
0.001 — — —
— 0.01
Mg9995
Mg9990
铸造镁合金：ZM＋顺序号表示。 ZM1、ZM2、ZM7、ZM8： Mg-Al-Zn 系 ZM5： Mg-Zn-Zr系：较高的强度，良好的塑性和铸造工艺性能，耐热 性较差，主要用于制造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。 ZM3 、 ZM4 和 ZM6 ： 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。
消费领域 铝合金 压铸 炼钢脱硫 稀土合金 金属还原 其它 合计
消费量
2.10
1.02
0.80
0.40
0.30
0.50
5.12
2002年世界主要地区的三大用镁行业的原镁用量（单位：吨） 用镁行业 铝合金 压铸 炼钢脱硫 北美 56165 60649 27697 拉美 4899 4972 4650 西欧 42943 43602 21048 亚洲 大洋洲 31984 18215 3650 非洲与 中东 9622 365 340 总量 145613 127803 57385 占总消 费量% 40.00 35.00 15.70
纯镁中加入Al、Zn、Mn、Zr及稀土等元素， 制成镁合金。 Mg-Mn系、Mg-Al-Zn 系、Mg-Zn-Zr系 和 Mg-RE-Zr系等合金系。 分为变形镁合金和铸造镁合金。
牌号 抗拉强度（Mpa） ZM1 235
伸长率％ 5
用
途
飞机轮毂、支架等抗冲击件
ZM2
ZM3 ZM5 MB1 MB2 MB8 MB15
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。
2.2 纯镁－纯镁的应用
2003年中国原镁消费量（单位：万吨）
34
22 3.2 8-15 45
135
3.5 ຫໍສະໝຸດ Baidu1
4 72 27
5 73 28 80
8 8.9
17 2.1
30-50 207 83 140
Ambient Ambient
45 14 65
60
80
泊松比
0.35
0.35
0.33
0.30
2.2 纯镁－纯镁的应用
生产铝合金：铝合金中的添加元素。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
185
118 225 210 250 260 335
2.5
1.5 5 8 20 7 9
200℃以下工作的发动机零件等
高温高压下工作的发动机匣等 机舱隔框、增压机匣等高载荷零件 形状简单受力不大的耐蚀零件 飞机蒙皮、壁板及耐蚀零件 形状复杂的锻件和模锻件 室温下承受大载荷的零件，如机翼等
2.3 镁合金－分类、牌号
AM 60
A380 压铸 合金 320 160
A356 T6 262 185 186 205 90
尼龙 195 170
ABS 45 40
钢 ~330 ~200
220
0.1%蠕变强度
无缺口冲击强度 有缺口冲击强度 延伸率 弹性模量 剪切模量 布氏硬度
MPa
J J % GPa GPa
125℃
34
6 1.5 3
铸造镁合金中合金元素含量高于变形镁合金，以保证液态合金 具有较低的熔点，较高的流动性和较少的缩松缺陷等。如果还 需要通过热处理对镁合金进一步强化，那么所选择的合金元素 还应该在镁基体中具有较高的固溶度，而且这一固溶度还会随 着温度的改变而发生明显的变化，并在时效过程中能够形成强 化效果显著的第二相。铝在α-Mg中的固溶度在室温时大约只有2 ％，升至共晶温度436℃时则高达12.1％，因此压铸AZ91HP合 金具备了一定的时效强化能力，其强度有可能通过固溶和时效 的方法得到进一步的提高。
2.3 镁合金－强化方式
形变硬化、晶粒细化、合金化、热处理、 陶瓷相增强镁合金
合金化强化： 合金元素的类型： 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。 共晶反应类元素： Ag(15.5%)，Al(12.7%)，Zn(8.4%)，Li(5.7%)，Th(4.5%)：如Mg－Al－Zn 和Mg－Zn－Zr系合金等。这类元素在Mg中有明显的溶解度变化，可产生明显 的时效硬化效应。 稀土元素(RE）： Y(12.5%)，Nd(3.6%)，La(1.9%)，Ce(0.85%)，Pr(0.5%)，混合RE(以Ce或La 为主)。多属共晶反应型元素，共晶温度比Mg-Al和Mg-Zn高，Mg－RE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Mg-RE-Zr和MgRE－Mn系合金是耐热镁合金，可在150～250℃工作。