鎂及鎂合金課件

新型金屬材料——鎂及鎂合金純鎂的特性室溫（293k）下鎂的密度為1.738g*cm-3，接近熔點（923k）時，固態(tài)鎂密度大約是1.65g*cm-3，液態(tài)鎂密度為1.58g*cm3。凝固結晶時鎂的體積收縮率為4.2%。固態(tài)鎂從923K降溫到293k時，體積收縮率為5%左右。由于鎂在鑄造和凝固冷卻時的收縮量大，會導致鑄件中形成微孔，使鑄件具有低韌性和高缺口敏感性。純鎂力學特性室溫下鎂的拉伸性能和壓縮性能見下表室溫下（20度）鎂的典型力學性能室溫下鎂純度最高為99.98%時.動態(tài)彈性模量為44GPa，靜態(tài)彈性模量為40GPa。鎂純度為99.8%時，動態(tài)彈性模量為45GPa，靜態(tài)彈性模量為43GPa。隨溫度的增加，鎂的彈性模量下降。試樣規(guī)格σb/MPaσ0.2/MPaσ0.2（壓縮）/MPaσ/%硬度HREHB砂型鑄件φ13擠壓件φ13冷軋薄板退火薄板90165~205180~220160~1952169~105115~14090~1052134~55105~11569~832~65~82~103~15162648~5437~39303545~4740~41鎂的合金化由于鎂的強度很低，很少做為結構材料在工業(yè)上應用。經(jīng)過適當?shù)暮辖鸹?，鎂的強度可以得到顯著的提高。合金元素的作用鋁鋁和鎂形成有限固溶體，因其熔點與鎂接近，易于冶煉。由于鋁的密度也較小，因此加入鋁后合金密度增加不大，而單位重量的原子數(shù)多，強化效果好，所以鋁市鎂合金最主要的合金元素之一。在工業(yè)生產(chǎn)中，合金中鋁的含量一般不超過10%。雖在其最大溶解度范圍內，但在凝固過程中由于鋁在α-Mg固溶體中擴散速度緩慢，從而導致晶內偏析和成分偏析。鋅鋅熔點較低，具有和鎂相同的晶體結構。鋅在鎂中的溶解度為6.2wt%，除了固溶強化作用外，時效強化也是很有效的。錳錳作為主要的合金元素早已在變形鎂合金中應用。在鑄造Mg-Al-Zn系合金中，通常含有0.15%~0.5%的錳，錳與合金中的雜質貼生成化合物，可使合金的耐蝕性得到提高。鈣少量的鈣能夠改善鎂合金的冶金質量，減少熔煉和熱處理過程中的氧化。鎂合金中添加鈣的主要作用有兩點：一是在合金澆注前加入，課明顯增加合金融融狀態(tài)下及后續(xù)熱處理過程中的抗氧化能力;二是細化Mg-Al合金纖維組織，提高鎂合金的蠕變抗力，并可以提高鎂板的可軋性。鈣的添加量需控制在0.3wt%以下，否則鎂板在焊接過程中容易開裂。此外，適量鈣的加入還可以降低鎂合金的微電池效應，有利于鎂合金的耐蝕性能的提高。銻

銻與鎂能生成高熱穩(wěn)定性的化合物Mg3Sb2，是Mg-Al合金中一種很有效的室溫及高溫強化相。此外，銻可細化含硅鎂合金的晶粒，并改變Mg2Si相的形貌，使之由粗大的漢字狀變?yōu)榧毿〉念w粒狀，其晶粒細化效果比鈣更為顯著。鋯鋯在鎂中溶解度很小，在包晶溫度時為0.58%。有事六方α鋯的晶格常數(shù)和鎂的晶格常數(shù)很近，故認為鋯或鋯的氧化物可起鎂合金晶核的作用。從而顯著細化鎂合金的鑄造組織，提高組織的均勻性和性能的穩(wěn)定性。但由于鋯易于與鋁、錳形成穩(wěn)定化合物，使鋯失去細化晶粒作用，所以產(chǎn)生了含鋯的鑄造和變形鎂合金系列中一般不含錳和鋁。稀土金屬稀土金屬不僅能改善鎂合金的綜合性能，而且與鎂形成重要的耐熱合金系。稀土金屬元素在鎂中的固溶度隨原子序數(shù)的增加而增加，因而固溶和時效強化效果也隨之提高。由于Mg-RE系合金的固相線溫度及再結晶溫度較高，稀土原子半徑較大，在鎂中擴散能力差，因此稀土元素的加入既可以提高鎂合金再結晶溫度并減緩再結晶過程，又可以析出熱穩(wěn)定性較高的彌散顆粒從而大幅提高鎂合金的高溫強度和蠕變能力。硅硅添加到鎂合金中可以提高金屬在熔融狀態(tài)下的流動性，與鐵共存時，會降低鎂合金的耐蝕性能。硅與鎂反應生成的Mg2Si具有高熔點低密度高彈性模量和低熱膨脹系數(shù)。是一種非常有效的高溫強化相，但通常只適合于冷卻速度較快的壓鑄生產(chǎn)中。在較慢的冷卻速度下，Mg2Si會呈現(xiàn)粗大的漢字狀，對合金力學性能不利，必須與鈣、銻等合金元素一起加入，改善Mg2Si形貌。銅銅是影響鎂合金耐蝕性的元素，通常添加量超過0.05wt%時，會顯著降低鎂合金的抗蝕性能。但銅的加入可以改善鎂合金的高溫強度，在要求耐高溫的服役條件下，通常會考慮在鎂合金中加入銅元素。鋰鋰在鎂中的固溶度相對較高，可產(chǎn)生固溶強化效應。由于鋰具有較低的密度，作為合金能顯著降低合金密度，甚至能得到比純鎂還低的鎂合金。此外，鋰的加入可以改善鎂合金的延展性，特別是鎂合金中鋰含量達到11wt%時，便可以形成具有體心立方結構的β相，從而大幅提高鎂合金的塑形變形能力。雖然鋰能提高鎂合金的延展性，但也可以降低強度和耐蝕性。Mg-Li合金雖然能產(chǎn)生時效強化效應，但在稍高一點溫度下（60攝氏度）會出現(xiàn)過時效現(xiàn)象。此外，鋰增大了鎂蒸發(fā)和燃燒的危險，只能在保護密封條件下冶煉。迄今為止Mg-Li合金的應用非常有限，僅限于軍事國防等特殊行業(yè)。鈹

合金中鈹加入量一般不超過0.001%~0.002%，但它對降低合金在熔融狀態(tài)下的氧化性卻起很大作用，含量過多會引起晶粒粗化。雜質元素合金中常見的雜質元素有鐵、硅、鎳、銅等，這些元素會大大降低合金的耐蝕性，因此，除非特殊情況，一般鎂合金中嚴格限制這些元素含量。鎂合金性能基本特征在現(xiàn)有工程用金屬中，鎂合金的密度最小，依合金成分不同，通常在1.75~1.90g/cm3范圍內，約為鋁的64%，鋼的23%。雖然鎂合金的強度、彈性模量比鋁合金、合金鋼低，但比強度明顯高于鋁合金和鋼，比剛度則與鋼和鋁合金大致相同。與鋁合金具有相同剛度的鎂合金，其重量約減輕了25%。工程塑料尤其是纖維增強塑料比強度很高，但是其彈性模量很小，比剛度遠小于鎂合金，且工程塑料很難回收利用。因此鎂合金制造剛度要求更高的結構材料零件比工程塑料更適宜。耐蝕性差曾是鎂合金擴大應用的一大障礙。由于鎂在潮濕空氣、水中的化學性是不穩(wěn)定的，與大多數(shù)無機酸作用強烈。鎂的氧化膜與氧化鋁膜不同。是不致密的，不能保護內部金屬不再繼續(xù)腐蝕。在普通工業(yè)氣氛中，鎂的耐腐蝕能力與中碳鋼相當。但是，表面處理技術的發(fā)展以及高純鎂合金額問世，已使這一障礙被很好地克服?，F(xiàn)有的高純壓鑄鎂合金在鹽霧試驗中的耐蝕性已超過壓鑄鋁合金A380，比低碳鋼好很多。此外，鎂合金也并非如人們想象那樣容易燃燒，將裝潢好的鎂合金框架汽車座椅用煤氣燃燒，座椅中的塑料和填充物很快就燒毀，而鎂合金框架用了26分鐘才開始燃燒，并且燃燒并不猛烈，用水澆潑即可熄滅。鎂合金的應用

1鎂合金在汽車工業(yè)上的開發(fā)與應用

目前，在汽車工業(yè)中鎂合金用量較大的地區(qū)和國家主要是北美、歐洲、日本和韓國。目前鎂合金主要用來制造以下汽車部件：車內構件（儀表盤、轉向盤、車罩馬達、剎車與離合器踏板）、車體構件（門框、車尾、車頂框、車頂板）、發(fā)動機及傳動系統(tǒng)（閥蓋凸輪蓋手動換擋變速器離合器外殼活塞）地盤（輪轂引擎托架前后吊桿、尾盤支架）2鎂合金在軌道交通工具上的應用

在列車和其他軌道交通工具上使用鎂材，目的是減少噪和震動，規(guī)整部件和防止塑料老化，提高壽命等。主要應用實例（儀表盤支撐梁、發(fā)動機閥蓋、密封結構件、高速器、發(fā)動機承受臺。3鎂材在船舶工業(yè)中的應用

鎂材在船舶制造業(yè)中早有一席之地，但是份額很小。鎂合金具有良好的耐蝕性，用于制作把手、連接件、閥蓋、氣缸蓋登零件鎂鋯合金用來制作減震器和消音器等。4鎂合金在航空航天工業(yè)上的應用

航空材料減重帶來的經(jīng)濟效益和性能改善十分顯著。在質量減輕相同的情況下，商用飛機節(jié)省的燃油費用是汽車的近100倍。而戰(zhàn)斗機的燃油費節(jié)省又是商用飛機的10倍，更重要的是其機動性能的改善可以極大地提高戰(zhàn)斗力和生存能力。6鎂合金材料在核工業(yè)上的開發(fā)和應用

鎂的熱中子吸收界面非常小。大約只有鋁的四分之一。英國將鎂合金作為燃料的包殼材用于二氧化碳氣體冷卻的反應堆。核反應堆用包裹套管要能承受反應堆的惡劣條件：高溫、表面熱流、強烈的γ射線輻射及套管內表面受到的某些破碎片的轟擊等。大量試驗表明，鎂合金套管作為包裹材料用于出口氣溫最高溫度為400~500℃的反應堆是完全勝任的。而對CO2的相容性極限溫度可達500℃，滿足反應堆工作時的安全要求。7鎂犧牲陽極產(chǎn)品的開發(fā)與應用

金屬浸泡在電解液里容易發(fā)生化學反應，根據(jù)電化學原理可知，金屬周圍電解液成分、黏附雜質、盈利和透氣性等都可能引起電化學腐蝕。在電化學腐蝕過程中，金屬本身形成很多原電池，某些部位充當陰極，另一些部位充當陽極，從而形成電流回路，導致陽極的腐蝕。

鋼結構的陰極保護，就是使被保護的鋼結構成為陰極，電負性更高的其他金屬如鎂作為陽極，電子就從陽極流向作為陰極的鋼結構，使鋼不能變?yōu)檎x子進入溶液，這樣就得到了保護。鎂陽極主要用來保護浸泡在海水中的鋼構件或埋在土壤里的石油管道;鎂陽極還大量用于熱水槽的保護。目前大多數(shù)家用熱水器內膽都采用鎂陽極保護。鎂陽極的有效印記電熱差遠大于鋅陽極，而且鎂與鋼之間的電熱差與電解液的pH值無關，這是鎂陽極相對鋁陽極和鋅陽極的一大優(yōu)點。8鎂在煙火和照明中的應用

鋁含量超過30%的鎂鋁合金微細粉末燃燒時會產(chǎn)生耀眼的白光，因此沒得早期工業(yè)應用是制造耀眼的白光。另外，白光比自然光更適合于攝影。因此鎂被用于攝影閃光燈。鎂粉還廣泛用于夜空攝影的煙火，這種禮花、軍用信號彈、照明彈、燃燒彈等。鎂合金市場發(fā)展的幾點問題

1下游市場環(huán)境較差目前，還未形成真正的鎂合金板材市場，因此鎂合金板材、型材等深加工產(chǎn)品在市面流通量很小。大部分生產(chǎn)鎂合金汽車或電子產(chǎn)品的廠商都配套有鎂合金生產(chǎn)加工生產(chǎn)廠。這些廠商只需購買金屬鎂錠，自己生產(chǎn)鎂合金，再加工成所需的零配件即可個別鎂合金生產(chǎn)廠商直接與國外汽車生產(chǎn)商成為合作伙伴，為其生產(chǎn)鎂合金汽車零部件，生產(chǎn)的產(chǎn)品直接出口。由此導致了一些鎂合金生產(chǎn)廠商無利可圖。2投資較大鎂合金深加工項目一般投資較大，5萬t的項目投資在5億元人民幣左右，10萬t項目