鎂的合金元素與雜質(zhì)

鎂合金元素與雜質(zhì)因?yàn)榧冩V的強(qiáng)度低，通過合金化，可使鎂的強(qiáng)度性能得到很大提高，還可以改善工藝性能、化學(xué)性能等。根據(jù)合金化元素對二元鎂合金力學(xué)性能的影響，通常把它們分為三類：可以同時提高強(qiáng)度和塑性的，Al、Zn、Ca、Ag、Ce、Ni、Cu、Th（提高由高到低），而改善塑性的順序（由高至低）則為Th、Ga、Zn、Ag、Ca、Al、Ni、Cu；提高塑性的作用大，但強(qiáng)化效果較小的元素有Cd、Ti、Li;強(qiáng)化效果明顯但使塑性下降的元素有Sn、Pb、Bi、Sb。鋁Al可與鎂形成的有限固溶體，是鎂合金最常用的合金化元素，也是用量最大的，在鎂合金用的合金化元素中，鋁的用量幾乎占55%左右。在共晶溫度時（710k），鋁在鎂中溶解度為12.7%，在提高合金強(qiáng)度性能的同時，可拓寬合金的凝固區(qū)間，改善鑄造性能。由于鋁在鎂中的固溶度隨著溫度的下降而顯著減小，所以鎂-鋁合金可以進(jìn)行熱處理。鎂合金中的最大鋁含量一般為10%，否則，合金的塑性會顯著下降，應(yīng)力腐蝕開裂傾向也加大。鋁含量為6%，強(qiáng)度與塑性可得到最佳的匹配。鎂可與鋁形成化合物Al12Mg17。銀Ag在鎂中的固溶度大，可達(dá)15.5%。銀與鎂的原子半徑相差11%，當(dāng)Ag溶入Mg中后，形成間隙式固溶體使晶格發(fā)生大的畸變，有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，銀可以提高鎂合金的高溫強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度，但降低其抗腐蝕性能。含銀的鎂合金獲得了商業(yè)應(yīng)用。鈹Be鎂及鎂合金熔體易氧化，添加0.001%Be~0.002%Be能有效地降低鎂合金熔體在熔煉鑄造時的表面氧化，不過含量稍多時會使晶粒粗化/因此砂型鑄件的鈹含量應(yīng)控制。鈣Ca向鎂合金添加鈣有不少優(yōu)點(diǎn)：可以降低熔體和鑄件熱處理時的氧化；細(xì)化合金晶粒；提高合金蠕變強(qiáng)度；降低合金的微電池效應(yīng)，從而可使陰極活性區(qū)縮??；少量鈣(S0.3%)可提高合金薄板的可軋制性能，若鈣含量〉0.3%，則薄板在焊接時易開裂；含2%Ca的快速凝固AZ91合金的腐蝕速度只有0.2mm/a，僅為不含鈣合金的1/4。不過含鈣的鎂合金也有一些不足之處：鈣在水溶液中不穩(wěn)定，在PH較高的溶液中會形成Ca(0H)2;此外，含鈣的鎂合金在鑄造時，鑄件易粘模和熱裂。銅Cu銅是鎂合金的一種雜質(zhì)，變形鎂合金的Cu含量應(yīng)＜0.5%，鑄造鎂合金的Cu含量應(yīng)＜0.20%或＜0.10%。銅對鎂合金的抗蝕性有較大影響，若其含量〉0.5%，則抗蝕性顯著下降，不過銅提高鎂合金的高溫強(qiáng)度。鐵Fe鐵對鎂及鎂合金的抗蝕性有顯著影響，是鎂合金應(yīng)于控制的雜質(zhì)元素，合金中的最大含量0.005%。鋰Li鋰是不常用的工業(yè)鎂合金化元素，由于鋰的密度小(0.534kg/t)，所以Mg-Li合金的密度比純鎂的還低。鋰可以顯著提高鎂合金的塑性變形能力，但卻降低其強(qiáng)度性能與抗蝕性。鋰在鎂中的固溶度隨著溫度的下降而減少，有一定的固溶強(qiáng)化效果。鋰增大鎂熔體蒸發(fā)與燃燒的傾向，因此，宜在真空或保護(hù)密封條件下熔煉。鎳Ni鎳是鎂合金的一種有害雜質(zhì)，它的作用與鐵的相傾，少量鎳會大大降低鎂合金的抗蝕性，其含量應(yīng)＜0.005%，個別鎂合金如MB1及MB8的最大含量可達(dá)0.01%。錳Mn錳是鎂合金的一種常用合金化元素，變形鎂合金的含量一般v3.0%,鑄造鎂合金的含量則＜0.5%。錳對鎂合金的抗拉強(qiáng)度沒有影響，但稍提高其屈服強(qiáng)度，錳細(xì)化鎂合金的晶粒，對其可焊性也有利。錳在鎂中的固溶度低。銻Sb銻可與鎂形成化合物Mg3Sb2它有高的熱穩(wěn)定性能有效地提高M(jìn)g-AI合金的室溫及高溫強(qiáng)度。銻可以細(xì)化Mg-Si合金的晶粒，其效果優(yōu)于鈣的，并改變Mg2Si的形貌。銻與少量混合稀土一同加入Mg-5AI-Zn-ISi合金中，可以明顯改善它的抗蝕性，制成室溫力學(xué)性能優(yōu)于AZ91合金的，而高溫力學(xué)性能甚至比AE42合金的還高。稀土元素RE稀土元素是指對周期表皿B族中的鈧、釔、鑭系等17個元素的總稱，常用R或RE表示。它們名稱及化學(xué)符號為：鈧Sc、釔Y、鑭La、鈰Ce、錯Pr、釹Nd、钷Pm、釤Sm、銪Eu、釓Gd、鋱卩、￥商Dy、欽H0、鉺Er、銩Tu、鐿Yb、镥Lu。通常把鑭、鈰、錯、釹、钷、釤、銪稱為輕稀土或鈰組稀土，釓鋱、￥商、欽、鉺、銩、鐿、镥、釔稱為重稀土或釔稀土。稀土這個名字的由來也有一個小故事，是一個歷史遺留的名稱，它們在18世紀(jì)末葉開始被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時化學(xué)界通常把不溶于水的固體氧化物稱作土，例如把氧化鋁叫鋁土/把含氧化鋁的礦物叫鋁土礦’氧化鎂叫苦土。稀土是以氧化狀態(tài)分離同來，又稱稀罕，因而得名稀土。稀土是一類很重要的合金化元素,研發(fā)稀土高溫鎂合金是當(dāng)前鎂業(yè)界的熱門課題，成為冶金科學(xué)家與化學(xué)界的熱點(diǎn)研究。稀土元素在鎂中的固溶度和時效強(qiáng)化效果隨著它們原子序數(shù)的上升而增加，因此稀土元素對鎂的力性能的影響大體上是按鑭、鈰、富鈰混合稀土、錯、釹的順序遞升。加入鎂合金中的混合稀土元素分為兩類：含鈰為主的混合稀土，另一類為不含鈰的混合稀土/前者是一種天然的稀土混合物，由鑭、釹和鈰組成，其中鈰含量往往大于50%，后者錯與釹的含量約為85%。稀土元素在鎂中的擴(kuò)散能力差，既可以提高鎂合金的再結(jié)晶溫度又可以延緩再結(jié)晶過程，還可以形成極為穩(wěn)定的彌散均勻分布的化合物相質(zhì)點(diǎn)，從而能大幅度提高鎂合金的高溫強(qiáng)度性能和蠕變抗力。鎂合金中的稀土元素為兩個或多于兩個時，能降低彼此在鎂中的固溶度，并相互影響其過飽和固溶體的沉淀杵出動力學(xué)，有附加強(qiáng)化作用。此外，稀土元素可使鎂合金的凝固溫度區(qū)間縮小，并且能降低焊縫開裂敏感性和提高鑄件致密性。錫Sn與鋁一起向鎂合金中添加錫是有益的。錫能提高鎂合金的塑性，降低熱加工時的開裂傾向，對鍛造極為有利。硅Si硅是工業(yè)鎂合金中的一種雜質(zhì)，通常變形鎂合金的含量應(yīng)＜0.15%，鑄造鎂合金中的應(yīng)＜0.30%，不過也有個別鑄造鎂合金把硅作為合金元素，如俄羅斯的MM含1.0%Si~1.5%Si。硅加入鎂合金可提高熔體的流動性若同時含有鐵，會降低鎂合金的抗蝕性。硅可與鎂形成高熔點(diǎn)(1085°C)、低密度(1.9g/cm3)、高強(qiáng)性模量(120GN/mm2)和低熱膨脹系數(shù)(7.5x10-6/C的化合物Mg2Si,是一種有效的強(qiáng)化相。若與稀土一同添加，可以形成穩(wěn)定的化合物，對改善鎂合金的高溫強(qiáng)度和蠕變性能有利，卻會降低合金的抗蝕性。釷Th向鎂合金添加釷可以提高其在370C以上的蠕變強(qiáng)度。常規(guī)鎂合金可以含2%~3%釷，它能提高鎂合金的可焊性能，也是提高鎂合金高溫強(qiáng)度和需變性能的有效元素，不過它是一種放射性元素，使用時應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)。釔Y釔也是一種稀土元素，雖然常規(guī)鎂合金不含釔，但現(xiàn)在制成了幾種有商業(yè)價值的含釔高的鎂合金WE54、WE43，故單列聊聊，這兩種鎂合金含4%~5%Y,它們在250工以上有良好的高溫性能。二元Mg-Y合金的塑性由高向脆轉(zhuǎn)變，含8%Y的合金就脆得元實(shí)用價值。Y不但價格高，而且不易熔于鎂熔體中，蘇聯(lián)在研發(fā)Mg-Y合金領(lǐng)域居世界前列。鋅Zn鋅是鎂合金的重要合金化元素之一，是除鋁以外的第二大合金化元素，常用的鎂合金幾站都含鋅，最大大含量為6%，鋅在鎂中的最大固溶度為6.2%,有固溶強(qiáng)化與時效強(qiáng)化作用。若鎂合金的鋁含量為7%~10%，同時鋅含量大于1%，則其熱脆性明顯上升。鋅也可以與鋯、稀土或釷形成化合物，使鎂合金有相當(dāng)強(qiáng)的沉淀強(qiáng)化作用。含鋅量高的鎂合金的凝固溫度間隔甚寬熔體流動性差，鑄造性能明顯變環(huán)。此外，鋅能中和鐵、鎳所引起的腐蝕作用。鋯Zr大多數(shù)鑄造鎂合金都含鋯，鋯的最大含量為 1.0%，鋯不能添加到Mg-AI-Zn合金中，因?yàn)樗梢耘c鋁、鋅形成穩(wěn)定的化合物從固溶體中析出，不能細(xì)化晶粒，只有固溶的那小部分鋯有細(xì)化晶粒作用。鋯在鎂中的固溶度甚低，在包晶溫度時僅0.58%,有很強(qiáng)的晶粒細(xì)化作用,因a-Zr的晶格常數(shù)(a=0.323mn、C=0.514nm)與鎂的(a=0.321nm、C=0.521nm)非常接近，凝固時先