镁合金简介

镁合金的特点在纯镁中加入某些有用的合金元素可获得不同的镁砂合金，它们不仅具有镁的各种特性，而且能大大改善镁的物理、化学和力学性能，扩大其应用领域。

目前，已开发出几十种不同性能的镁合金，形成了镁合金体系。

大多数镁合金具有以下特点：（1）镁合金的密度比纯镁（1.738g·cm-3）稍高，为1.74-1.85g·cm-3，比铝合金低36%，比锌合金低73%，仅为钢铁的1/4，因而其比强度、比刚度很高。

镁合金是目前世界上最轻的结构材料，采用镁合金制作零部件，可减轻结构重量，降低能源消耗，减少污染物排放，增大运输机械的载重量和速度，是航空航天和交通运输工具轻量化的良好材料。

（2）镁合金的比弹性模量与高强度铝合金、合金钢大致相同，用镁合金制造刚性好的整体构件，十分有利。

镁合金的焊接性能和抗疲劳性能也不错。

（3）镁合金弹性模量较低，当受外力作用时应力分布更为均匀，避免过高的应力集中。

（4）镁合金有高的振动阻尼容量，即高的减振性、低惯性。

（5）镁及其合金在高温和常温下都具有一定的塑性,因此可用压力加工的方法获得各种规格的棒材、管材、型材、锻件、模锻件和板材以及压铸件、冲压件和粉材等。

（6）镁合金具有优良的切削加工性能，其切削速度大大高于其他金属，因其较高的稳定性，铸件的铸造和加工尺寸精度高。

（7）镁在碱性环境下是稳定的，有抗盐雾腐蚀性能。

（8）镁与铁的反应性低，压铸时铸模熔损少，使用寿命长，镁的压铸速度比铝高。

（9）镁在铸造工业方面具有较大的适应性，几乎所有的特种铸造工艺都可以铸造。

与其他合金材料相比，镁合金也存在如下缺点：（1）镁的化学活性很强，在空气中易氧化，易燃烧，且生成的氧化膜疏松，所以镁合金必须在专门的熔剂覆盖下或保护气氛下熔炼。

加工车间和制粉车间要特别注意防火。

（2）抗盐水腐蚀能力差，因此必须进行防腐处理。

（3）同钢铁材料接触时，易产生电化学腐蚀。

（4）杨氏模量、疲劳强度和冲击值等零件设计方面的材料性能比铝低。

当代替铝合金制零件时，厚度要增加，有时得不到所期望的轻量效果。

（5）镁合金的铸造性差。

凝固时易产生显微气孔，因而降低铸件的力学性能。

（6）镁合金铸件的综合成本比铝合金高，加工件的价格远远高于铝合金。

镁合金分类镁合金的分类方法很多，各国不尽统一。

但总的来说，不外乎根据镁中所含的主要元素（化学成分）、成形工艺（或产品形式）和是否含锆等三种原则来分类。

（一）按合金成分分类镁合金可分为含铝镁合金和不含铝镁合金两大类。

因多数不含铝镁合金都添加锆以细化晶粒组织（Mg-Mn合金除外）。

因此，工业镁合金系列又可分为含锆镁合金和不含锆镁合金两大类。

以五个主要合金元素Mn、Al、Zn、Zr和稀土为基础，组成基本镁合金系：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。

Th也是镁合金中的一种主要合金元素，亦可组成镁合金系：Mg-Th- Zr、Mg-Th- Zn- Zr、Mg-Ag-Th- RE –Zr。

但因Th具有放射性，除个别情况外，已很少使用。

（二）根据加工工艺或产品形式分类工业镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金两大类：（1）铸造镁合金：1.普通铸造镁合金：①Mg- Al- Zn、②Mg- Zn –Zr③Mg- Zn-Al, Mg- Zn-Al-Ca(ZAX)④Mg- RE→Mg-RE-Mn2.压力铸造镁合金：（1）①Mg- Al- Zn（AZ91）②Mg- Al –Mn(AM50,AM60) ③Mg- Al –Si(AS41,AS21)④Mg- Al- RE(AE42) ⑤Mg- Al- Ca(AX51)：Mg- Al- Ca-RE(ACM522)和Mg- Zn-Al-Ca（2）Mg- RE- Zn(MEZ)2.变形镁合金：①锻造②挤压：1. Mg- Al- Zn 2. Mg- Zn –Zr 3. Mg- Zn - Mn 4 . Mg- Mn 5. Mg-Li→Mg-Li-Al:Mg-Li-Al-MM和Mg-Li-Al-Si ③轧制两者没有严格的区分，铸造镁合金AZ91、AM20、AM50、AM60、AE42等也可以作为变形镁合金。

铸造镁合金镁合金铸造有多种方法，包括重力铸造和压力铸造，可细分为砂型铸造、永久模铸造、半永久模铸造、熔模铸造、挤压铸造、低压铸造和高压铸造等。

通常所说的压铸是指高压铸造，以区分重力铸造和低压铸造。

对于具体材料，应根据其化学成分、工艺要求来选择合适的铸造方法。

合金成分和铸造工艺对重要的影响。

合金元素，尤其是稀土元素RE引起中间相结构的复杂变化，对镁合金的组织和性能产生很大的影响。

铸造镁合金可分为普通铸造（砂型铸造、永久模铸造）镁合金和压力铸造（压铸）镁合金。

常见的普通铸造镁合金有：Mg-Al-Zn、Mg-Zn-Zr、Mg-Zn-Al（Mg-Zn-Al-Ca）、Mg-RE-Mn等系合金；常见的压铸镁合金有：Mg-Al-Zn Mg-Al-Mn、Mg-Al-Si、Mg-Al-RE、Mg-Al-Ca、Mg-Al-Sr、Mg-RE-Zn等系合金。

镁合金熔炼方法根据变形镁合金的特点，其熔炼工艺装备大体分两大类：火焰反射炉和坩埚炉。

坩埚炉有电坩埚炉和燃料坩埚炉两种。

电坩埚炉又分工频坩埚炉和电阻坩埚炉两种。

在国外基本上是用5-12t火焰炉，或用坩埚炉熔制变形镁合金。

国内既使用大型火焰反射炉，也采用工频坩埚炉。

坩埚炉更有利于提高金属质量和改善生产条件。

镁合金熔铸技术特点（1）镁的化学活性很强烈，在熔态下，极易和氧、氮气及水气发生化学作用。

在熔体表面如不严加保护，接近800℃时就很快氧化燃烧。

为减少烧损、生产安全以及保证金属质量，在整个熔铸过程中，熔体始终需用熔剂加以保护，避免与炉气和空气中的氧、氮及水气接触。

因此，给工艺带来了许多问题，如大量熔盐给产品质量、人身健康和安全生产带来不少麻烦。

（2）除少数组元（元素），如Cd、Zn、Al、Ag、Li等外，其他组元在镁中的溶解度都非常小；此外，在难熔组元间又易形成高熔点化合物而沉析，因此在工艺上加入很困难。

由于铁难溶于镁中，故在镁合金的熔铸过程中，可使用不加任何涂层的铁制工具。

（3）在有些镁合金铸锭中，易于发生局部晶粒大小悬殊现象。

同时晶粒尺寸较大，晶粒形状易于出现柱状晶和扇形晶，严重影响压力加工性能和制品的力学性能。

因此，对不同合金要采取相应的变质处理方法来细化晶粒，并适当改变晶粒形状。

由于镁合金晶粒粗化倾向较大，对镁合金铸锭晶粒的尺寸大小和形状原则上不作严格要求。

（4）镁合金的氧化夹杂、熔剂夹渣和气体溶解度远比铝合金多。

因此，需要进行净化处理。

目前，在我国多采用熔剂精炼法，有些国家也采用气体精炼法，并研发了一些新的净化技术。

镁合金的净化剂都是沉降型的，这点不同于铝合金和其他有色金属，这就给工艺和制品质量带来许多麻烦。

因此，在净化后需要有充分的静置时间。

在炉底还需另设排渣口，扒底渣的工序亦不容忽视。

在整个熔铸过程中，需要使用大量的熔剂，同时外加大量的化工材料（加入组元和变质处理用），它们的质量好坏，直接影响合金质量，为此，对熔剂和熔盐应有严格要求。

（5）〔H〕对镁合金也有一定影响。

除了能影响含锆-镁合金中锆的溶解度外，当氢含量超过某一限额时（16㎝3/100g镁），将在铸锭上出现不同程度的显微气孔。

因此，对氢含量也不应忽视。

（6）由于镁合金热含量较低，当加入高熔点组元或批量较大的化工材料时，将使熔体温度降低较大。

所以，镁合金的熔炼温度应比铝合金高。

熔体过热会使晶粒粗化，而且氧化、氮化及热裂纹倾向性等，都随着过热温度的提高趋于严重。

因此，在工艺中应尽力避免熔体过热。

在镁-铝系合金中有金属过热细化晶粒的效应。

但用这种方法细化晶粒将引起其他缺陷，效果不好。

同时细化效应时间也是短暂的，熔体停留时间稍长则晶粒又复粗化。

（7）镁合金远比铝合金熔炼工艺复杂，但在研究方面却比铝合金差。

因此，许多机理问题还有待确证。

如熔盐性质、净化机理、变质处理等重要工艺，在机理方面许多还只是些假说，有些尚未经确证。

（8）镁合金的安全技术问题是很重要的。

大多数熔盐都有潮解性，大多数化工材料都有结晶水。

在工艺过程中，液态金属直接见水就产生飞溅性爆炸，务必严加注意。

此外，有害气体和粉尘，都应妥善处理。

（9）金属组元、金属镁以及加入的大多数化工材料，多数都是昂贵稀缺的原料。

在工艺过程中烧损较大，实收率较低，严重影响制品的经济效果。

（10）为了保证镁合金制品有高而均匀的性能，对铸锭的致密度和成分区域偏析也应重视。

（11）镁合金的热裂纹倾向较大，因此铸造时的结晶速度不宜过高。

但结晶速度较小时，又将促进金属中间化合物的形成和发展。

可见，热裂纹和金属中间化合物，二者在工艺上有矛盾，这也是工艺复杂和困难的原因所在。

必须全面考虑，适当选择。

但由于镁合金的弹性模量比铝合金小得多（镁的E=45000MPa,铝的E=72000 MPa）,因此，镁合金铸锭的内应力远小于铝合金，其冷裂纹倾向性要比铝合金小得多。

变形镁合金的特点许多镁合金既可做铸造镁合金又可做变形镁合金。

变形镁合金经过挤压、轧制和锻造等工艺加工后，具有比相同成分的铸造镁合金更高的力学性能。

变形镁合金制品有轧制薄板、挤压件（如棒、型材和管材）和锻件等。

这些产品具有更像成本、更高强度和延展性以及多样化的力学性能等优点。

其工作温度不超过150℃。

在变形镁合金中，常用的合金系是Mg-Al系与Mg-Zn-Zr系。

Mg-Al系变形合金一般属于中等强度，塑性较高的变形镁材料，铝含量约为0—8%，典型的合金为AZ31、AZ61和AZ80A合金，由于Mg-Al合金具有良好的强度、塑性和耐腐蚀综合性能，而且价格较低，因此是最常用的合金系列。

Mg-Zn-Zr系合金一般属于高强度材料，变形能力不如Mg-Al系合金，常要用挤压工艺生产，典型合金为ZK60A合金。

常用变形镁合金有AZ31B、AZ61A、AZ80A和ZK60A等。

典型的含先稀土的变形镁合金有ZE10A（Mg-1.5Zn-0.2RE）。

由于变形镁合金的开发与应用还不够充分，有关稀土对其组织和性能影响的研究远不如在铸造镁合金中那么深入，只有少量相关报道。

在镁中加锂元素能获得超轻变形镁锂合金，它是迄今为止最轻的金属结构，具有极优的变形性能和较好的超塑性能，已应用在航天和航空器上。

镁合金一般均在300至500℃进行挤压、轧制和模压加工，由于镁合金的上述变形特点，产品质量有下列特性：（1）六方结构的Mg晶体弹性模量（E）各向异性不明显，织构对塑性加工产品的E值影响不大。

（2）挤压温度较低时，﹛0001﹜和﹤10ī0﹥倾向于与挤压方向平行；轧制时基面﹛0001﹜倾向于与板面平行，﹤10ī0﹥与压向相同。