第五章 铸造镁合金及其熔铸

第五章 铸造镁合金及其熔铸
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第一节 镁及其合金的基本特性
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第一节 镁及其合金的基本特性
一、纯镁的性能
镁为银白色金属，具有密排六方晶格，熔点 为651℃，密度为1.57~1.85g/cm3，为钢的1/4， 铝的2/3，是最轻的工程金属，具有较高的比 强度，切削加工性能比铁、钢好，能够进行 高速切削，承受冲击载荷的能力强，尺寸稳 定性能较高。
硫磺和镁液相遇时，首先受热蒸发为硫蒸气， 部分在镁液表面形成MgS保护膜，大部分硫和氧气反 应生成SO2，SO2又和镁液相遇产生下列放热反应
S + O2 = SO2 3Mg + SO2 = 2MgO + MgS
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第四节 镁合金的熔铸特点
MgO+MgS复合表面膜很致密，具有镁氧 化作用，但当温度大于750℃时，此膜失去保 护作用，SO2与镁剧烈反应而生成硫化物夹杂。 硼酸（H3BO3）受热后脱水变成硼酐 （B2O3），遇镁及MgO反应
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第一节 镁及其合金的基本特性
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第一节 镁及其合金的基本特性
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第一节 镁及其合金的基本特性
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第一节 镁及其合金的基本特性
三、镁合金的特点
1．性能特点
（1）比强度高 镁合金由于密度小，所以其比强度却比铝合金高。 （2）减震性好 （3）切削加工性好 （4）抗蚀性差
2．热处理特点
由于镁合金中原子扩散速度慢，所以固溶处理中加热时间较好，在 空气或热水中冷却也能保持固溶体不分解。
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第四节 镁合金的熔铸特点
（三）镁和其它气体（N2、CO、CO2） 的反应
氮气对于镁来说不是惰性的，它能与镁反 应生成Mg3N2，该膜疏松多孔，不能阻止反应 继续进行，当搅动镁液时，它还会混入镁液， 悬浮在镁液中，成为非金属夹杂物。
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第四节 镁合金的熔铸特点
（四）镁与保护剂（S、H3BO3、NH4F、 HF、NH4BF4）的反应
B2 O3 + 3Mg = 3MgO + 2 B
B2 O3 + MgO = MgO • B2 O3
2 B + 3Mg = Mg 3 B2
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第四节 镁合金的熔铸特点
生成致密的Mg3B2膜，MgO·B2O3 是严密的釉质保护膜，也具有保护作 用。NH4F·HF及NH4BF4与镁液相遇时 即行分解，在镁液周围形成NH3及HF 保护气体，并在镁液表面形成致密的 MgF2膜。
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第二节 镁铝锌合金
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第二节 镁铝锌合金
ZM5合金可进行各种类型的热处理，以T4和T6最常用。 T4处理工艺规范为：加热至370~380℃，保温2~4h，再升 温至415℃±5℃，保温12~16h，然后空冷。 T6状态：固溶处理后的零件再在175℃或200℃温度下保温 16~18上。时效温度的高低决定γ相析出方式。时效温度低时 （175℃），γ相主要以细小弥散方式析出；时效温度高时 （200℃），γ相主要以层百度文库状（类似铸铁中珠光体）析出。 ZM5合金广泛用于飞机、导弹、汽车发动机上的高负荷零 件，如飞机、导弹的壳体，电机及轿车齿轮传动变速箱箱体， 飞机轮毂等。
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第四节 镁合金的熔铸特点
另一种方法是往镁液中加入一些含碳物质， 如MgCO3、C2Cl6等，它们与镁液反应
MgCO 3 ∆MgO + CO 2
2Mg + CO2 = 2MgO + C
3C + 4 Al = Al 4 C 3
生成大量弥散分布的Al4C3质点，增加了结 晶晶核，使晶粒细化，Mg-Zn系合金通过加锆 来细化晶粒。
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第四节 镁合金的熔铸特点
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第四节 镁合金的熔铸特点
一、纯镁的物理化学特性
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第四节 镁合金的熔铸特点
（一）镁和氧的反应
镁的化学活性很高，固态的镁在空气中会和氧 反应
2Mg + O2 = 2MgO
生成的白色氧化膜（MgO）不致密，不能保护镁 不再氧化。镁液遇氧气会剧烈氧化而燃烧，发出耀 眼的白光，最高温度达2875℃。
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第四节 镁合金的熔铸特点
五、镁合金的型砂
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第四节 镁合金的熔铸特点
镁合金的浇注温度不高，热容量又小，不 会产生平生的粘砂、包砂等缺陷，因而型砂的 耐火度可以差一些，同时为了得到表面光洁的 铸件，砂的粒度尽可能细一些。镁合金的收缩 率较大，高温强度又低，容易产生热裂，为了 防止热裂，必须采用强度较低的型砂，特别是 型芯应有足够的退让性。
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第四节 镁合金的熔铸特点
二、镁合金的精炼
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第四节 镁合金的熔铸特点
熔炼时镁液与炉气中的H2O反应生成MgO夹杂， 镁液和N2接触也生成Mg3N2，当在熔剂保护下熔化时， 镁液中也会产生熔剂夹杂。所以镁合金和铝合金一样， 必须进行精炼。合金的精炼采取的是“下部熔剂法”， 即用专门的勺子将镁液上下循环流动，把经充分脱水 烘烤的由氯盐、氟盐组成的精炼熔剂撒在液面上，使 其随着上下翻动的液流和镁液充分接触，多次循环把 悬浮在镁液中的夹杂物俘获、沉淀到坩埚底部，静置 10min，镁液呈“镜面”状，这样合金中的气体、氧化 夹杂和熔剂夹杂将大大减少。
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第一节 镁及其合金的基本特性
二、镁的合金化
纯镁的力学性能很差，不能用于做结构材料，但镁 经过合金化及热处理之后，其强度大大提高，在航 空、航天、汽车、机械及建筑业上得到广泛应用。 镁合金中主要合金元素是铝、锌、锰和稀土，它们 在镁中都有溶解度的变化，这就有可能利用热处理 方法（固溶＋时效）使镁合金化。
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第四节 镁合金的熔铸特点
四、镁合金的熔剂
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第四节 镁合金的熔铸特点
熔剂的性能应包括：熔点、密度、粘度、 夹杂物含量、化学稳定性、对人应无毒。镁合 金熔炼时用的熔剂分覆盖剂和精炼剂二大类。 传统的熔剂都是用无水光卤石（MgCl2 44%~52%，KCl32%~46%）添加BaCl2、CaF2构 成，覆盖、精炼的效果尚可，但由于熔剂的不 断下沉，需持续添加。
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第三节 镁锌锆合金
ZM1合金的铸态基体组织为δ（Mg）固溶体，晶 内有树木年轮状（花朵状）的偏析，少量的 γ ′(MgZn ) 分 γ′ 布在晶界上。T6处理后，原先晶界上的 相全部溶入 基体，然后在基体上以弥散质点形式析出。 ZM1合金一般在T1状态下使用（175℃±5℃， 28~32h或195℃±5℃，16h）。只有含锌高的合金， 为了充分发挥MgZn相的强化作用，才进行T6处理。 ZM1合金用来制造高强度、受冲击载荷大的零件， 如飞机的轮毂、轮缘、隔框和支架等。
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第三节 镁锌锆合金
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第三节 镁锌锆合金
和Mg-Al-Zn合金相比，Mg-Zn-Zr 合金具有较高的屈服强度和组织致密 性，壁厚效应较轻，但该合金的铸造 工艺性能较差，氧化和热裂倾向高于 Mg-Al-Zn系合金，焊接性能也较差。
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第三节 镁锌锆合金
国标中的ZM1合金，含Zn3.5%~5.5%和 Zr0.5%~1.0%。锌是该合金的主要组元，从Mg-Zn二元 相图可知，在344℃产生共晶反应：L→α＋Mg7Zn3， 330℃时，发生共析转变：Mg7Zn3→α＋MgZn。MgZn 化合物具有六方晶格，熔点为349℃。在共晶温度下， 锌在镁中溶解度为8.4%，300℃时为6.0%，250℃时为 3.3%，200℃时为2.0%，150℃时为1.7%，室温下则小 于1.0%。在Mg-Zn系合金中强化相为MgZn，它对合金 性能的影响与Mg17Al12对Mg-Al系影响相似，但 MgZn在Mg-Zn系合金中强化效果更大一些。随着含锌 量的增加，合金的强度（σb、σ0.2）逐步提高，在 Zn6%处达到最大值。
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第四节 镁合金的熔铸特点
（二）镁和水汽反应
镁和水汽的反应比镁和氧化的反应更激烈，这是因为
Mg + H 2 O = MgO + H 2 ↑ +Q1
Mg + 2 H 2 O = Mg (OH ) 2 + H 2 ↑ +Q2
室温下反应缓慢，高温时反应剧烈，生成的氢气和空 气中的氧气迅速混和反应，以及液态的水受热而迅速 汽化，导致猛烈的爆炸，引起镁液飞溅，危害极大。
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第二节 镁铝锌合金
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第二节 镁铝锌合金
Mg-Al-Zn系合金是工 业上应用最广的一种 镁合金，ZM5为其代 表。该合金的特点是 强度高、塑性好、铸 造性能好。
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第二节 镁铝锌合金
合金中含有0.2%~0.8%的锌。随着锌 量的增加，合金的抗腐蚀能得到提高，由 于锌的固溶强化作用，合金的抗拉强度σb σ 也得到提高。但随着锌量增加，合金的结 晶温度间隔变大，铸件的缩松倾向加剧， 所以锌的含量必须小于1%。
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第二节 镁铝锌合金
由于锰能降低铁在镁液中的溶解度，以Mn-Fe化 合物的形式沉淀出来，减少了合金中有害于抗蚀性的 铁，而且锰溶入δ相，提高了它的电极电位，使其不 易腐蚀。 ZM5合金的铸态组织为以δ(Mg)固溶体为基体， 沿δ相晶界以不连续网状分布γ（Mg17Al12）相，以及 散布在δ相中的细小的Mn-Al化合物质点。固溶处理时， γ相逐渐溶入δ固溶体中，有时会有少量的γ相仍留在晶 界上。Mn-Al化合物的小质点固溶处理时，基本上没 变化。
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第四节 镁合金的熔铸特点
三、镁合金的变质
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第四节 镁合金的熔铸特点
未经变质处理的镁合金，晶粒比较粗大，在厚处 更为明显。晶粒粗大将使合金的缩松和热裂倾向大大 加剧，力学性能下降很多，所以需对镁合金液进行变 质处理，使δ（Mg）基体细化。对于含铝的ZM5合金， 可采用“过热变质”，即把精炼后的镁液升温到 850~900℃，保温10~15min，然后迅速冷却到浇注温 度进行浇注。“过热变质”必须是Mg-Al中含有一定 量的铁。其机理可能是随着温度上升，铁在镁中的溶 解量增加，迅速降温时，这些铁就以大量不溶于镁液 的Mg-Al-Fe或Mg-Al-Fe-Mn化合物细小质点析出，成 为镁合金凝固时的结晶核心，使晶粒细化。