材料进展-镁合金

Mg 合金中的元素及其作用
纯Mg 作为结构材料没有应用, 需要在Mg 中加入其他合金元 素提高Mg 的强度及力学性能。Mg合金中除了人为加入某些合 金元素(如Al , Zn ,Mn , Si , Zr , Ca , RE) 外, 在冶炼过程中还有 一些有害的杂质元素(Fe , Co , Ni , Cu) 引入。
人工时效 ：部分镁合金经过铸造或加工成形后不进行固
溶处理而直接进行人工时效。如MB15合金，人工时效制 度为（433±5）K/10h, 空冷，强度得到大幅度提高。
固溶和时效 固溶处理＋人工时效：固溶处理后人工时效（T6）可以提
高镁合金的屈服强度，但会降低部分塑性，这种工艺主要应 用于Mg-Al-Zn和Mg-RE-Zr合金。此外，含锌量高的 Mg-Zn Zr合金也可以选用T6处理以充分发挥时效强化效果。 进行T6处理时，固溶处理获得的过饱和固溶体在人工时效过 程中发生分解并析出第二相。时效析出过程和析出相的特点 受合金系、时效温度以及添加元素的综合影响，情况十分复 杂。 如： ZM5 合 金 （ Mg-Al-Zn系 ） ，固溶处 理温度为 ： 683～ 688K，保温时间8～20h，保温时间的长短根据晶粒尺寸和工 件尺寸大小确定；高铝低锌镁合金晶粒长大倾向严重，其时 效温度为458～473K，低温时效时基体晶粒会析出细小的沉淀 相，提高合金的屈服强度而降低其塑性。
我国变形镁合金的成分
常见变形镁合金化学成分及基本特性
Mg的化学特性
镁合金阻燃抗氧化方法
溶剂保护阻燃法。在镁合金整个熔炼过程中，在溶剂保护 下隔绝大气进行。现在普遍使用的熔剂由无水光卤石 (MgCl2-KCl) 为主，添加一些氟化物、氯化物组成。镁合金 采用溶剂保护防燃使用最早也最广泛，具有工业应用价值。
完全退火
完全退火：完全退火可以消除镁合金在塑性变形过程中产 生的加工硬化效应，恢复和提高其塑性，以便进行后续 变形加工。 变形镁合金完全退火工艺
合金牌号 MB1 MB2 温度/K 613～673 623～673 时间/h 3～5 3～5 合金牌号 MB8 MB15 温度/K 553～593 653～673 时间/h 2～3 6～8
在AZ91 合金中, Mg17Al12析出量很高。在铸造Mg 合金中Al 的 含量一般控制在7 %～8 % , 而变形Mg 合金中Al 的含量控制在 3 %～5 %之间。
Mg 合金中的元素及其作用
Zn:
在Mg 合金中的固溶度约为6. 2 %, 其固溶度随温度的降低而 降低。 Zn 的含量大于2. 5 %时则对合金的防腐蚀性能产生负面影响, 因此, 原则上控制合金中的Zn 含量在2 %以下。 Zn 在合金中的作用是能提高铸件的抗蠕变性能。
镁合金的沉淀强化相
SSSS:过饱 和固溶体
镁合金的分类 变形镁合金 （MB） 铸造镁合金 (ZM)
镁合金
铸造镁合金
代号：ZM＋顺序号表示。 Mg-Al-Zn系的ZM5和Mg-Zn-Zr系的ZM1、ZM2、ZM7、 ZM8具有较高的强度，良好的塑性和铸造工艺性能，但耐热性 较差，主要用于制造150℃以下温度工作的飞机、导弹、发动机
热处理缺陷及其消除方法
氧化：镁合金工件进行热处理时易发生局部氧化甚至起火燃烧。 通常向热处理炉内通入(0.5~1.5%)%SO2或(3~5%)%CO2(体积分 数)或惰性气体保护。 过烧：加热速度过快、加热温度超过了合金固溶温度极限，以 及合金中存在较多低熔点物质时，工件易出现过烧现象，通常 采用分段加热、控制高温区升温速度以及降低低熔点相来避免 镁合金工件的过烧。 晶粒异常长大：逐层凝固时使用冷铁，导致局部冷却太快，如 果随后热处理时没有预先消除热应力则容易导致镁合金出现晶 粒异常长大。热处理前进行消除应力处理、合理使用冷铁及固 溶处理时采用间断加热法可以有效避免镁合金晶粒的异常长大 性能不均匀：炉温不均匀、厚截面工件的固溶处理时间不够和 工件冷却速度不均匀等是导致镁合金工件性能不均匀的主要原 因。主要防止措施：用标准热电偶校对炉温、装炉时必须保证 炉内充分的热循环、对于厚截面工件适当延长固溶处理时间以 获得完全均匀一致的组织、必要时进行二次热处理。
气体保护阻燃法。常用气体为SF6、CO2和SO2。其中SF6为 无色无味无毒气体，是最常用的镁合金保护气氛。但SF6、 CO2等 气体具有强烈的“温室效应”，由于它们对环境的污 染需要找到一种合适的替代气体。
添加合金元素阻燃法。在镁合金中只需加入少量的Be、Ca， 可制备出燃点很高的阻燃镁合金。 Be 与O2生成BeO膜致密， 也有明显的阻燃作用，但Be、Ca的加入量需要严格控制，否 则会强烈恶化组织，造成晶粒长大和热裂倾向加大。
Mn:
在Mg 中加入Mn 对合金的力学性能的影响不大, 但能降低合 金的塑性。 在Mg 合金中加入1 %～2. 5 %Mn 的主要目的是提高合金的 抗应力腐蚀的倾向, 从而提高耐腐蚀性能和改善合金的焊接性能。 Mn能略微提高合金的熔点, 在含Al 的Mg 合金中可形成 MgFeMn 化合物, 提高合金的耐热性。
Al: 是形成Mg 合金含量最高的元素, 它在固态Mg 中具有较大的固溶度, 其极限固溶度为12. 7 % , 然而随着温度的降低其溶解度显著下降。在 室温时其固溶度只有2. 0 %左右。
Al 能提高Mg合金的强度, 改善压铸件的可铸造性。但是, 在晶
界上析出Mg17Al12的金属间化合物会降低其合金的抗蠕变性能。
镁的比强度仅次于钛， 比刚度则是几种材料中最高的。
二 镁合金的分类与性质
二 镁合金的分类与性质
纯镁：ρ：1.74 g/cm3，Tm：651℃，密排六方结构hcp。
纯镁强度不高，室温塑性较低，耐蚀性较差，易氧化。
工业纯镁代号用M＋顺序号表示。纯镁主要用于配制镁合金 和其它合金，还可用作化工与冶金的还原剂。
去应力退火
：既可以减小或消除变形镁合金制品在冷热加工、成形、 校正和焊接过程中产生的残余应力，也可以消除铸件或 铸锭中的残余应力。 变形镁合金常用的去应力退火工艺
合金牌号 MB1 MB2 MB3 MB15 板材 温度/K 478 423 523~553 时间/h 1 1 0.5 － 冷挤压件和锻件 温度/K 533 533 — 533 时间/h 0.25 0.25 _ 0.25
Mg 合金中的元素及其作用
Si , Zr , Ca
用于改善压铸件的热稳定性和抗蠕变性能; Zr 可以细化晶粒, 减小热裂倾向,提高力学强度和耐蚀性能。在Mg合 金中加入0. 5 %～0. 8 %的Zr , 其晶粒细化的效果最好。Ca也能 细化组织, 提高抗蠕变能力, 并且能降低生产成本。
稀土元素(RE) 在Mg 合金中添加稀土元素有许多的作用, 它
镁合金：纯镁中加入Al、Zn、Mn、Zr及稀土等元 素，制成镁合金。主要有Mg-Mn系、Mg-Al-Zn 系、 Mg-Zn-Zr系 和Mg-Re-Zr系等合金系。它们分为变形 镁合金和铸造镁合金两大类。
合金化元素的介绍
固溶强化
锌
铝
沉淀强化
锂
稀土金属
镁
细晶强化
锰
钍
镍
过剩相强化
银 锆
镁中合金元素的分类
同时提高镁合金的强度与塑性的元素, 按强度递增顺 序为:
Al 、Zn、Ca 、Ag、Ce 、Ga 、Ni 、Cu、Th
按塑性递增顺序为: Tb、Ga 、Zn、Ag、Ce 、Ca 、Al 、Ni 、Cu 只提高镁的塑性, 而对强度影响很小, 有
Cd、Tl 和Li 牺牲塑性, 而提高镁强度的元素, 有
Sn、Pb、Bi 和Sb
研究与开发新型变形镁 合金，开发变形镁合金生 产新工艺，是国际镁协会 （IMA）在2000年提出的 发展镁合金材料的最重要、 最具挑战性且是最长远的 目标和计划。
变形镁合金与砂型铸造、压 铸镁合金性能比较
变形镁合金
代号：MB＋顺序号表示。MB1、MB8为Mg-Mn系合
金，具有良好的耐蚀性和焊接性，使用温度不超过
镁合金热处理的最主要特点是：固溶和时效处理时间长， 其原因是因为合金元素的扩散和合金相的分解过程及其 缓慢。
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镁合金的热处理类型
镁合金热处理类型：
T1 ：冷却后自然时效 T2：退火态（仅指铸件） T3：固溶处理后冷加工 T4：固溶热处理 T5：冷却和人工时效 T6：固溶处理和人工时效 T61：热水中淬火和人工时效 T7：固溶处理和稳定化处理 T8：固溶处理、冷加工和人工时效 T9：固溶处理、人工时效和冷加工 T10：冷却、人工时效和冷加工
三 镁合金的制备
镁合金的成型技术
铸造技术 砂型铸造、金属型铸造、挤压铸造、 低压铸造、高压铸造、熔模铸造、半 固态触变铸造 变形技术 挤压技术、轧制技术、锻造成形等
半固态触变铸造
RS—快速凝固
四 镁合金的热处理
镁合金的热处理
热处理是改善或调整镁合金力学性能和加工性能的重要 手段。
热水中淬火＋人工时效：
镁合金淬火时通常采用空冷，也可以采用热水淬
火T61来提高强化效果。特别是对冷却速度敏感 性较高的Mg-RE-Zr系合金常常采用热水淬火。 如：Mg-(2.2~2.8)%Nd-(0.4~1.0)%Zr(0.1~0.7)%Zn合金经过T6处理后其强度比相应的 铸态合金高（ 40～50 ）％，而T61处理后可以提 高( 60～70 )％且伸长率仍保持原有水平。
们能显著提高Mg 合金的耐热性, 具有细化晶粒, 减小显微疏松和 热裂倾向, 改善铸造性能和焊接性能, 提高合金的韧性。常用的稀 土元素有Ce , La , Nd , Pr 和Y等。
Fe , Co , Ni , Cu：这4 种元素在Mg 合金中的固溶量很小, 在
其质量分数小于0. 2 %时就能对Mg 合金产生非常有害的影响。 大大提高合金的腐蚀速率 。
镁合金铸件的去应力退火工艺
合金 状态 工艺 合金 状态 工艺
Mg-Al-Mn Mg-Al-Zn
所有 所有
533K/h 533K/h
ZK61K ZE41A
T5 所有
603K/2h+403K/48h 603K/2h
固溶和时效 固溶处理 ：由于镁合金中原子扩散慢，因而需要较长的
加热（固溶）时间以保证强化相充分溶解。镁合金砂型厚 壁铸件的固溶时间最长，其次是薄壁铸件或金属型铸件， 变形镁合金的最短。如Mg-Al-Zn合金，经过固溶处理后 Mg17Al12 相溶解到基体镁中，合金性能得到较大幅度提高。
150℃。主要用于制作飞机蒙皮、壁板及宇航结构件。 Mg-Li系合金是一种新型的镁合金，它密度小，强度 高，塑性、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。
主要的变形镁合金材料
常用变形镁合金 Mg-Al-Zn系、 Mg-Zn –Zr、 MgMn系： AZ31、AZ61、AZ80、ZK60、M1A； 超轻Mg-Li系变形镁合金： LA141、Mg-40%Li(ρ＜1.0cm3)
中承受较高载荷的结构件或壳体。
Mg-Re-Zr的ZM3、ZM4和ZM6具有良好的铸造性能，常温
强度和塑性较低，但耐热性较高，主要用于制造250℃以下温度
工作的高气密零件。
铸造镁合金的主要化学成分
变形镁合金
与铸造镁合金相比，变 形镁合金材料比铸造镁合 金材料具有更高的强度、 更好的延展性、更多样化 的力学性能，从而满足更 多样的结构件的需求。
材料科学进展
——第三部分 镁及其合金
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主要内容
一 简介 二 镁合金的分类与性质
三 镁合金的制备
四 镁合金的热处理 五 镁合金的腐蚀与防护
六 镁合金的应用
一、简
介
一
24.305。
简 介
1774年人们首次发现镁，并以希腊古城Magnesia命名。 镁为元素周期表中ⅡA族碱土金属元素，相对原子质量 在所有的结构金属中，镁的密度最低，纯镁的密度仅为 1.738g/cm3。 Mg是自然界中分布最广的元素之一，居第八位，约占地 壳的2.5% ，海水中居第3位(Cl－,Na＋） 。
我国是世界上镁储量最为丰富的国家，近年来也是原镁产
量最大的国家之一，占全球的40％，其中80％的原镁用于出 口。
价格： 1.2-1.6万元/t。
一
简 介
“一轻一高三好”的特点——
比重轻 比强度高 导热性、阻尼性及切削加工性好易于回收
“21世纪绿色工程材料”
镁材与几种常用工程材料力学性能比较
镁合金的常规热处理工艺分为退火和固溶时效两大类。
可热处理强化的铸造镁合金有六大系列，即：Mg-Al-Mn 系， Mg-Al-Zn系， Mg-Zn -Zr系， Mg-RE-Zn -Zr系， Mg-Ag-RE -Zr系和Mg-Zn -Cu系。 可热处理强化的变形镁合金有三大系列： Mg-Al-Mn系， Mg-Al-Zn系和Mg-Zn-Cu系。