合金元素对镁合金性能影响

合金元素对镁合金性能影响

【摘要】镁合金具有优异的性能，随着关键应用技术的不断发展，其应用潜力巨大。本文简要说明了镁合金的分类，介绍了一些常用合金化元素，如Al、Zn、Mn、Si、Ca、Zr和RE等元素对镁合金性能的影响及机理。这些合金元素单独或共同影响着镁合金组织和性能。

【关键词】镁合金；分类；合金元素

0 前言

镁合金是以镁为基加入其他元素组成的合金。加入Al、Zn、Li、Mn、Zr和稀土等元素形成的镁合金具有较高的强度。镁合金具有以下特点：1）重量轻；2）比强度、比刚度高；3）耐冲击，阻尼吸震性能优良；4）散热性好；5）防电磁波干扰，屏蔽性能良好；6）铸造成型性优良；7）良好的电化学作用，主要用于牺牲阳极。所以，镁合金主要应用于航空航天工业、汽车工业、摩托车和自行车、船舶工业、通讯电子工业、国防工业、牺牲阳极和其他方面。[1]

目前，镁合金在各领域的应用不断拓宽，市场对镁的需求大幅增长。作为21世纪令人瞩目的绿色工程材料，汽车轻量化将成为镁应用的主要领域，镁取代铝是汽车材料应用发展的必然趋势，关键应用技术的突破是唯一的短期障碍。

[2]全球镁资源量巨大，而且可完全回收再利用，随着其他金属矿产资源的日渐枯竭，金属镁必将成为继铁、铝之后的第三大金属材料。

1 镁合金分类与各成分影响

1.1 镁合金的分类

镁合金分类通常采用三种方式：化学成分、是否含Al和Zr和成形工艺。

根据化学成分，以五个主要合金元素Mn、Al、Zn、Zr和RE为基础，组成基本合金系：Mg-Mn，Mg-Al-Mn，Mg-Al-Zn-Mn，Mg-Zr，Mg-Zn-Zr，Mg-RE-Zr，Mg-Ag-RE-Zr，Mg-Y-RE-Zr。

按有无Al，分为含Al镁合金和不含Al镁合金。按有无Zr，可分含Zr合金和不含Zr合金。

根据加工工艺划分，镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金两大类（图1）。两者没有严格的区分，铸造镁合金如AZ91、AM20、AM50、AM60、AE42等也可以作为锻造镁合金。[3]

1.2 镁合金各成分对性能的影响

合金元素对镁合金组织和性能有着重要影响。加入不同合金元素，可以改变镁合金共晶化合物或第二相的组成、结构以及形态和分布，可得到性能完全不同的镁合金。镁合金的主要合金元素有Al、Zn、Mn、Zr、Si和RE等，有害元素有Fe、Ni和Cu等。

1.2.1 铝

在固态镁中具有较大的固溶度，其极限固溶度为12.7%，而且随温度的降低显著减少，在室温时的固溶度为2.0%左右。Mg-Al系铸造合金组织在平衡状态下是由α（Mg）相和β（Mg17Al12）相组成的（图2）。经过固溶时效处理后的镁合金，β（Mg17Al12）析出相大多为细长板条状形态存在。[4]

铝可改善压铸件的可铸造性，提高铸件强度。但是，Mg17Al12在晶界上析出会降低抗蠕变性能。在铸造镁合金中铝含量可达到7%～9%，而在变形铝合金中铝含量一般控制在3%～5%。铝含量越高，耐蚀性越好。但是，应力腐蚀敏感性随铝含量的增加而增加。

1.2.2 锌

锌在镁合金中的固溶度约为 6.2%，其固溶度随温度的降低而显著减少。Mg-Zn系合金组织特征是可能含有Mg51Zn20、Mg7Zn3、MgZn、Mg2Zn3或MgZn2等共晶化合物。根据Mg-Zn二元相图（图3），共晶反应的结果产生了大量的共晶沉淀物Mg51Zn20和与之相应的Mg7Zn3。有时能发现在晶界上粗大的Mg51Zn20。共晶相里还存在一些较小的沉淀相，通过电子衍射证实这种相有着与MgZn2拉弗斯相相同的晶体结构。[5]在共晶区域里共有三种不同的组织形貌，除了Mg51Zn20沉淀粒子外，还有另外两种不同形貌的化合物：一种形貌是片状沉淀MgZn相，它是在凝固冷却过程中Mg51Zn20部分分解产生的，另一种形貌是由在共晶体粒子外层的Mg51Zn20分解为片状的α（Mg）和MgZn相，及在此共晶体粒子里层的Mg51Zn20分解为α（Mg）+MgZn相构成的。

锌可以提高铸件的抗蠕变性能。锌含量大于2.5%时对防腐性能有负面影响。原则上锌含量一般控制在2%以下。锌能提高应力腐蚀的敏感性，可以明显提高了镁合金的疲劳极限。[6]

1.2.3 锰

在镁中的极限溶解度为3.4%。Mn在镁合金中存在有两类作用：一是，作为合金元素，可以提高镁合金的韧性，如AM60，此类合金中Mn含量较高；二是，形成中间相AlMn和AIMnFe，此类合金中Mn含量较低。迄今为止，镁合金中含AlMn相的结构还不很清楚。根据合金中Al的含量高低，这种中间相可能是AlMn、Al3Mn、Al4Mn、Al6Mn或A15Mn8。压铸Mg-Al基镁合金中Mn相根据形态分两类：一种为花瓣形，另一种为等轴或短棒状。AlMn相在挤压镁合金AM60组织中的结构为具有规则外形的等轴状。

在镁中加入锰对合金的力学性能影响不大，但降低塑性，在镁合金中加入1%～2.5%锰的主要目的是提高合金的抗应力腐蚀倾向，从而提高耐腐蚀性能和改善合金的焊接性能。锰略微提高合金的熔点，在含铝的镁合金中可形成MgFeMn化合物，可提高镁合金的耐热性。由于冶炼过程中带入较多的元素Fe，通常有意加入一定的合金元素Mn来去除Fe。所以不但Mg-Al-Mn合金存在AlMn 粒子，而且Mg-Al-Zn合金中也可能存在AlMn粒子（图4）。

1.2.4 硅

镁合金中加入Si可改善压铸件的热稳定性能与抗蠕变性能。因为在晶界处可形成细小弥散的析出相Mg2Si，它具有Ca2F型面心立方晶体结构，较高的熔点（1085℃）、硬度（460HV0.3）和较低的密度（1.9g /cm3）。但在铝含量较低时，共晶Mg2Si相易呈汉字型，大大降低合金的强度和塑性。硅对应力腐蚀无影响。