铸造合金及过程控制读书报告

SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY

镁及镁合金的概述

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(c)

(d) (a) (b)

图1.1 镁的晶胞(a)原子位置(b)基面、晶面和[1210]晶带轴的主要晶面(c)[1100]晶带轴的主要晶面(d)主要晶向

镁及镁合金的概述

1. 绪论

20实际末，由于人们对节能、环保的共识和迫切需求，同时也由于镁的冶炼技术、表面保护技术的发展，世界各国对镁的开发和利用给予新的重视。镁属于轻金属，镁的密度约为铝的2/3，钢的密度的1/4。镁可以通过有效合金化制备合金，最轻的位Mg-Li 合金仅为0.95g/cm 3，可浮于水面。随着国际国内镁产品市场开发应用空间的增大，镁资源将发挥更重要的作用，镁可能会成为铜、铝后时代的第一接力棒。近年来，镁合金及其成型技术的研究应用已取得重要进展，镁合金的材料质量不断提高而生产成本得以下降，更能发挥其性能优势的在航空航天和其他高新技术领域有潜在的应用价值。迄今为止，主要的镁合金系有Mg-Al 系、Mg-Zn 系、Mg-Re 系合金，只要分成两大类铸造镁合金和变形镁合金。

2. 镁及镁合金的特性

2.1 纯镁的特性

镁的晶体结构和原子核外层的电子构造决定了镁具有特殊的物理化学性质和力学性能。镁单胞内沿主要晶面和晶轴方向的原子排布如图1.1所示。在标准大气压和室温下，镁的晶格常数分别为a=0.3202nm ，c=0.5199nm ，c/a=1.624。其中c/a 值非常接近由紧密堆积球体得到的理论比值 1.632，镁的这种物理结构对理解镁和镁合金的物理冶金非常重要。镁晶格常数a 和c 与温度的关系如图1.2所示。室温(293K)下镁的密度为

1.738g·cm -3，接近熔点(923K)时，固态镁的密度大约为 1.65g·cm -3，液态镁的密度约为

1.58g·cm -3。凝固结晶时，纯镁体积收缩率为4.2％。固态镁从923K 降温至293K 时，体积收缩率为5％左右。由于镁在铸造和凝固冷却时的收缩量大，从而会导致铸件中形成微孔，使铸件具有低韧性和高缺口敏感性。

2.2镁的合金化

纯镁的工程应用很少，主要以合金的方式应用。镁合金是最轻的金属结构材料，比重只有 1.8，分别为铝的2/3和铁的1/4，其比强度高达133，可以和钛的比强度相媲美，这使得镁合金可用作高强度材料。同时，镁合金因其优良的铸造、挤压、切削和弯曲加工等性能，可以广泛地应用于汽车、电子、纺织、建筑和军事领域。

2.2.1镁合金化的一般规律

固溶强化和沉淀强化是镁合金常规的主要强化手段。许多元素对镁的合金化作用是显著的，凡是在镁中能大量固溶以及固溶度随温度变化有明显变化的元素都是镁合金有效合金化元素。一些工业意义的元素与镁合成二元合金是可以分完三类。完全互溶类（Mg-Cd）；包晶反应类（Mg-In，Mg-Mn，Mg-Zr等），此类合金元素可以细化晶粒：共晶反应类（Mg-Al，Mg-Li，Mg-Nd等），此类元素主要强化作用。

合金元素对镁的力学性能有一定的影响。Al、Zn、Ca、Ag、Ce、Ga、Ni、Cu、Th 等这些元素既能提高强度又能提高塑性，Cd、Li等元素能够提高塑性但是对强度影响很小，Sn、Pb、Bi、Sb等元素能够提高强度但是会降低塑性。MgTi、MgAg和CeMg、SnMg 等金属间化合物为简单立方结构，而MgCu2、MgZn2、MgNi2金属件化合物为Laves相，还有Mg2Si、Mg2Sn等这类化合物为面心立方金属间化合物。

2.2.2合金化元素的影响

溶质原子固溶于基体金属中形成置换式固溶体或间隙式固溶体，可以产生固溶强化或在热处理过程中产生沉淀强化。在镁合金中加入的溶质原子大多形成了置换式固溶体。根据Hume-Rothery固溶度规则，当形成置换式固溶体的固溶原子的半径差超过15%时，原子的尺寸因素将不利于形成固溶体，比较镁原子半径与合金元素的半径的大小，大约有20个合金元素可以满足上述条件。

1）铝是镁合金的主要合金化元素，Mg-Al合金为镁合金的主要合金系，Mg-Al二元相图见图2.1。在平衡条件下铝在镁中的最大固溶度为11.5%，随着温度的下降固溶度明显下降。铝提高镁合金的抗拉强度、屈服强度和硬度，在10%以内随着铝含量的增加强度和延伸率均逐渐提高，但含量过高时，β相会在晶界上析出，从而降低合金抗蠕变性能和耐蚀性能，特别是会引起应力腐蚀。铝能改善合金的铸造性能，但是也会有较高的显微疏松倾向。综合兼顾各项性能，含量在8%～9%为宜。

图2.1镁-铝二元系平衡相图

2）锌锌是镁合金中一个重要的元素，相图如2.2.从Mg-Zn相图富Mg可见，Zn 在Mg中的最大固溶度为6.2%，但随温度下降溶解度变化比较小，在341℃时产生共晶

反应L→α（Mg）+MgZn。Mg和Zn还可以形成一系列化合物，Zn能改善合金的铸造性能，对Mg有一定的固溶强化作用，但没有沉淀强化作用。Zn一般都是和Al一起加入形成Mg-Al-Zn合金系，当镁铝合金中加入少量锌可显著提高铝在镁中的固溶度，增大合金的固溶强化作用，并提高合金的耐蚀性能。但是含量过高时会显著增加合金凝固时的结晶温度间隔，因而产生热裂和疏松倾向，对耐蚀性能也有不良影响，因此在Mg-Al 合金中Zn的含量一般控制在2.5%一下。

图2.2镁-锌二元系平衡相图

3）锰锰在镁中的固溶度比较小，最大固溶度为0.9%，在650℃产生包晶反应。Mg-Mn二元相图见图2.3。锰加入镁合金的作用主要是提高合金的耐蚀性能，因为Fe 在Mg中是严重降低合金耐蚀性的有害元素，Mn与Fe形成高熔点化合物而从镁熔体中沉淀出来，减小Fe对镁合金耐蚀性能的危害，在大多数情况下，只允许加入微量（0.15%）即可起到明显作用。Mn还能细化晶粒，改善合金性能，但易产生偏析和脆性相，降低合金塑形和韧性。

图2.3镁-锰二元系平衡相图

4）锂Li在镁中有很大的固溶度，在共晶成分范围形成（α+β）组织，当Li含量超过摩尔分数30%后可获得单相β组织，而β相位体心立方结构，因此此时的β合金结构产生了改变，大大提高了Mg合金的塑形。Li加入Mg中，可降低合金密度，提高塑性，产生固溶强化和时效强化，但是熔炼体的氧化和蒸发更为恶化，耐蚀性能严重降低，并产生应力腐蚀。

5）锆Mg-Zr二元相图如图2.4，在650℃时产生包晶反应，Zr早液态Mg中的最