《航空工程材料（活頁式）》 課件 11 鎂及鎂合金

第8講鎂及其合金目錄1234鎂合金鎂合金的分類及牌號純鎂鎂合金應用一.純鎂鎂在地殼中的儲藏量極豐富，其蘊藏量為2.1%，僅次于鋁和鐵而占第三位。其特點如下：1、純鎂的比重小，只有1.74，是工業(yè)用金屬中最輕的一種。鎂合金具有比鋁合金更高的比強度，可達18.8左右。2、鎂的彈性模數(shù)E比較小，在室溫時E為45000MPa。1.1純鎂的特性一.純鎂3、純鎂的熔點為650土1℃。但鎂在熔化溫度時極易氧化甚至燃燒，故熔煉技術比較復雜。4、鎂具有密排六方點陣結構，其塑性變形能力比鋁小。5、純鎂的強度不高，大致與純鋁差不多。6、鎂具有很高的化學活潑性。其表面氧化鎂薄膜性很脆，而且不如氧化鋁薄膜致密，故鎂在潮濕的空氣中，特別在鹽水中的抗腐蝕性很差。一.純鎂1.2工業(yè)純鎂的牌號及分類工業(yè)純鎂牌號用漢語拼音字母M加順序號表示。如M1、M2、M3。號數(shù)愈低愈純。純鎂的主要用途是用于制造鎂合金和其他合金的合金元素，以及用在煙火工業(yè)和化學、石油等工業(yè)部門。工業(yè)純鎂的牌號及純度牌號代號Mg%Fe%Si%Ni%一號工業(yè)純鎂M199.950.020.01—二號工業(yè)純鎂M299.920.040.010.001三號工業(yè)純鎂M399.850.050.030.002

二.鎂合金2.1鎂合金的特點優(yōu)點

密度小（純Mg1.7

103kg/m3）

比強度高（強度比鋁合金低一般在400MPa以下）

抗震能力高

切削加工性和拋光性能好缺點抗蝕性差（在潮濕大氣、海水、鹽溶液中抗蝕差；但在氫氟酸、鉻酸、堿、礦物油中抗蝕性較好）熔鑄困難冷變形困難（六方金屬）通常鑄造和熱加工后使用鑄造Mg合金的用量比變形Mg合金的用量大二.鎂合金二.鎂合金2.2鎂合金中的合金元素及其作用1、鎂的合金化鎂的合金化原理與鋁的相似，主要是通過加入合金元素，產(chǎn)生固溶強化、過剩相強化、沉淀強化和細晶強化，以及提高合金的抗蝕性和耐熱性能。常用合金元素主要是鋁、鋅、稀土金屬、鋰、銀、鋯、釷、錳及微量鎳等。固溶強化和時效強化是鎂合金的主要強化手段，凡是能在Mg中大量固溶的元素，一般都是鎂合金的有效強化合金元素。二.鎂合金根據(jù)合金元素的作用和極限溶解度，大致分成三類：包晶反應類：Zr、Mn；起固溶強化、細化晶粒、提高抗蝕性和耐熱性的作用。共晶反應類：Ag、Al、Zn、Li、Th；是主要合金元素，起固溶強化和沉淀強化作用。共晶反應型元素是高強度鎂合金的主要合金元素，這類元素在Mg中有較大的溶解度變化，有明顯的時效硬化效應。Mg合金中的主要強化相有：Mg2Zn3相、γ-Mg17Al12相、Mg2RE相、Mg23Th6相、Mg12Nd2Ag相、A12Nd和A12Y相。稀土元素（RE）：Y、Nd、La、Ce、Pr、混合RE等，有提高抗蠕變性能的作用。二.鎂合金鋁：在鎂中具有較大的溶解度，故固溶強化效果顯著。由于其在共晶溫度437℃時的極限溶解度w(Al)=12.6％，室溫時為2.0%左右，所以可進行時效強化。變形鎂合金的鋁含量一般在3～5%。鋯：鋯是高熔點金屬，溶于鎂基固溶體，起相當?shù)墓倘軓娀饔谩ｄ喤c鎂同為密排六方點陣，鎂鋯合金在冷凝時，首先從液相中析出α-Zr，可作為鎂結晶時的非自發(fā)形核核心，使合金的凝固組織細化。二.鎂合金稀土元素：固溶的稀土元素（如鑭、鈰、釔、釹等）可以增強鎂合金的原子間結合力，降低合金中原子擴散速度，增加合金的熱穩(wěn)定性。鎂與稀土金屬形成一系列金屬間化合物，如Mg9RE、Mg12RE等。已知Mg9Nd的熱穩(wěn)定性高，有明顯的沉淀強化效果。鎂合金中的雜質以鐵、銅和鎳危害性最大，鐵含量大于0.016%就顯著降低鎂的抗蝕性。為消除鐵的有害影響，通常在鎂中加入一定量的錳（0.15～0.5%），錳能與鐵生成化合物并沉積于熔體底部。二.鎂合金2.3鎂合金的生產(chǎn)及熱處理特點1、鎂合金的生產(chǎn)純鎂的熔點為650土1℃。但鎂在熔化溫度時極易氧化甚至燃燒，故熔煉技術比較復雜。熔煉鎂合金都在650℃以下進行，通常是在溶劑（NaCl、KCl和MgCl的混合物）的覆蓋下，在坩堝中進行熔化。2、鎂合金的熱處理鎂沒有同素異構轉變，因此亦是通過淬火+時效處理進行強化。鎂合金的熱處理工藝與鋁合金相比較具有以下特點：1）鎂合金的淬火加熱溫度比較低。因為鎂合金的組織一般都比較粗大，而且組織達不到平衡狀態(tài)。處于不平衡狀態(tài)的合金熔點要比平衡狀態(tài)低些。

二.鎂合金2）鎂合金淬火加熱的保溫時間比鋁合金長得多。因為合金元素在鎂中的擴散速度非常慢，過剩相的溶解速度亦比較緩慢。3）淬火加熱速度不宜太快，通常需要采用分段加熱，以防止過燒。4）鎂合金淬火冷卻可采用空冷或在70～100℃水中冷卻，因為強化相從過飽和固溶體中析出速度緩慢。5）鎂合金一般都采用人工時效處理。6）鎂合金的熱處理切忌用硝鹽浴爐加熱，一般都在真空熱處理爐、箱式電爐或井式電爐中加熱。在高溫的硝鹽浴中鎂合金會發(fā)生劇烈的化學作用而引起爆炸。二.鎂合金3、狀態(tài)符號鎂合金常用的熱處理類型T1：鑄造或加工變形后，不再單獨固溶處理，直接人工時效工藝簡單，也有強化效果，特別對Mg-Zn系合金，因晶粒易長大，重新加熱晶粒粗化，時效后的綜合性能反而不如T1T2：為消除鑄件殘余應力及變形合金的冷作硬化而進行的退火處理ZM5 350℃

2.5h。T4：淬火處理（空冷），可以提高合金的抗拉強度和延伸率，ZM5常用T4。T6：淬火（空冷）+人工時效，目的提高合金的屈服強度，但塑性相應有所降低。T6主要應用于Mg-Al-Zn及Mg-RE-Zr系，高鋅的Mg-Zn-Zr系為充分發(fā)揮時效強化效果，也可以選用T6。T61：熱水淬火+人工時效，可提高時效強化效果。特別是對冷卻速度敏感性較高的Mg-RE-Zr合金。三.鎂合金的分類及牌號和鋁合金一樣，可以分為鑄造鎂合金和變形鎂合金兩大類。牌號采用漢語拼音字頭加順序號表示，如鑄造鎂合金ZM1、ZM3、ZM5及變形鎂合金MB1、MB1、MB3等。鎂合金具有較高的比強度和比剛度，并有高的抗震能力，能承受比鋁及其合金大的沖擊載荷，且切削加工性好，易于鑄造和鍛壓，所以在航天航空工業(yè)中獲得較大應用。三.鎂合金的分類及牌號3.1變形鎂合金1、鎂鋅鋯系合金(Mg-Zn-Zr)這類鎂合金是熱處理強化變形鎂合金。其中鎂合金MB15的w（Zn）=5.0％～6.0％，w（Zr）=0.3％～0.9％，w（Mn）=0.l％。其沉淀強化相為Mg2Zn3。MB15的缺點是焊接性差，不能做焊接件。由于其強度高，耐蝕性好，無應力腐蝕傾向，能制造形狀復雜的大型構件，如飛機上的機翼長絎、翼肋等，其使用溫度不超過150℃。

三.鎂合金的分類及牌號2、鎂錳(Mg-Mn)系合金鎂錳合金使用組織是退火組織，在固溶體基體上分布著少量β-Mn顆粒。常用的有MB1和MB8兩種。鎂錳合金有良好的耐蝕性和焊接性。MB1合金含有w(Mn)=1.3％～1.5％，經(jīng)過340～400℃退火，其σ0.2＝98MPa，

σb=206MPa，δ=4％。其高溫塑性好，可生產(chǎn)板材、型材和鍛件。使用溫度在150℃以下。三.鎂合金的分類及牌號

3、鎂鋰(Mg-Li)合金屬于超輕型結構合金，其密度為1.30～1.65g／cm3。強度較低，但室溫和低溫塑性很好。鎂鋰合金加入強化元素鋁、鋅、錳、鎘、釹和鈰等，能提高強度和組織穩(wěn)定性。例如，美國的LA141合金（Mg-14Li-1.2Al-0.15Mn）可以焊接，經(jīng)固溶后穩(wěn)定處理，板材的σ0.2=95MPa，σb=115MPa，δ=10％，可作裝甲板和航天用結構件。三.鎂合金的分類及牌號4、鎂稀土系(Mg-RE)和鎂釷系(Mg-Th)耐熱鎂合金在鎂-釹合金中，Mg9Nd起沉淀強化作用。隨釹含量增加，室溫和高溫強度都可大幅度提高。釹含量在w(Nd)3％左右時，室溫強度達到最大值；在300℃下，抗拉強度仍能保持在147MPa以上。在鎂釹合金基礎上加入錳和微量鎳，錳可提高合金的蠕變性能，微量鎳可進一步降低蠕變速率，如MA11合金。鎂-釷系合金可產(chǎn)生沉淀強化相Mg23Th6，在過飽和固溶體脫溶時析出β″介穩(wěn)相，產(chǎn)生很強的沉淀強化作用。鎂-釷系合金在300℃以下的蠕變極限超過所有鎂合金。三.鎂合金的分類及牌號3.2鑄造鎂合金1、鎂-鋁-鋅系(Mg-Al-Zn)鑄造合金鎂-鋁-鋅系合金是應用最早、使用最廣的一類高強度鎂合金。常用的為ZM5，主要含W(Al)=7.5％～9.0％，w(Zn)=0.2％～0.8％，w(Mn）=0.15％～0.5％，密度為1.81g／cm3。合金的鑄造性好，可以焊接，但耐蝕性差。固溶+時效處理后，σ0.2=118Mpa，σb=250MPa，δ=3.5％?？捎糜谥圃祜w機機艙連接隔框，艙內隔柜等，以及發(fā)動機儀表和其他結構上承受載荷的零件。2、鎂-鋅-鋯系(Mg-Zn-Zr)鑄造合金屬高強度鎂合金，與鎂-鋁-鋅系合金相比，顯微疏松傾向小，鑄造性能好，屈服極限比高。常用的有ZM1、ZM2。合金中，鋅的主要作用是起固溶強化和沉淀強化的作用，如沉淀強化相Mg2Zn3。當鋅含量增加時，合金的強度升高，但w(Zn)超過6％時，強度提高不明顯，而塑性下降較多。加入少量鋯（0.5～0.8%）后可細化合金的晶粒，改善力學性能。加入鎘和銀后增大了固溶強化作用。ZM1的主要特點是強度高。而且壁厚效應小，主要用在航空工業(yè)，制造高強度、受沖擊載荷大的零件，如飛機輪殼、輪緣、支架等。在ZM1成分基礎上加入0.7～1.7%Ce，就發(fā)展為ZM2合金。加鈰的目的是增加合金中的共晶組織，減少顯微疏松與熱裂傾向，改善鑄造性能。同時鈰還有細化組織、提高合金的耐熱性能的作用。ZM2合金主要用于航空工業(yè)中，制造工作溫度較高（200℃以下）的零件，如發(fā)動機機座，電機殼體等。3、鎂-稀土-鋯系(Mg-RE-Zr)耐熱鑄造合金稀土金屬可使鑄造鎂合金質量得到改進，工作溫度升高。合金加入一定量鋯后可以進一步細化晶粒，保證顯微組織和性能的穩(wěn)定，并可改善耐蝕性。常用的牌號有ZM3、ZM6、QE22A、HK31A等。用于200～300℃范圍，具有良好的高溫強度。可以制造在250℃以下長期工作的零件，如發(fā)動機增壓機匣、壓縮機機匣及擴散器殼體等。QE22A（Mg-2.5Ag-2Nd-0.7Zr）是國外廣泛應用的耐熱高強度鑄造鎂合金。銀在鎂中的固溶度較大，起固溶強化作用，其σ0.2=185MPa，σb=240MPa，δ=2％，在250℃以下有高的屈服強度，可用于飛機起落架等部件。但由于價格原因，使用受到限制。3.3鎂合金的牌號1、我國牌號鎂合金牌號用漢語拼音加阿拉伯數(shù)字表示

純Mg：Mg－1（一號鎂） 含Mg99.95

Mg－2（二號鎂） 含Mg99.92Mg－3（三號鎂） 含Mg99.85雜質：Ni、Fe、Cu、Si、Sn（純Mg一般不用于加工產(chǎn)品）Mg合金：ZMx（鑄造Mg合金），MBx（變形Mg合金）例：ZM1 4.5Zn、0.75Zr ZM2 4.25Zn、0.75Zr、1.2RE ZM5 0.5Zn、0.33Mn、8.25Al例：MB1 1.3－2.5Mn MB2 3.0－4.0Al、0.2－0.8Zn、0.15－0.5Mn MB8 1.5－25Mn、0.15－0.35Ce MB15

5.0－6.0Zn、0.3－0.9Zr2、美國牌號

用英文字母和阿拉伯數(shù)字表示，前兩個字母表示主要合金化元素，接著的兩位數(shù)字分別表示前兩個字母所代表元素的百分含量（重量百分數(shù)），后綴A、B、C等表示在標準成分范圍內成分有所變化，但字母X表示實驗合金。例如：AZ91表示Mg-9Al-1Zn字母代表元素字母代表元素AAl鋁MMn錳BBi鉍NNi鎳CCu銅PPb鉛DCd鎘QAg銀ERE稀土RCr鉻FFe鐵SSi硅HTh釷TSn錫KZr鋯YSb銻LLi鋰ZZn鋅中國鎂合金牌號與美國鎂合金牌號對比四.鎂合金的應用與發(fā)展鎂合金的特點可滿足于航空航天等高科技領域對輕質材料吸噪、減震、防輻射的要求，可大大改善飛行器的氣體動力學性能和明顯減輕結構重量。從20世紀40年代開始，鎂合金首先在航空航天部門得到了優(yōu)先應用。B-36重型轟炸機每架用4086kg鎂合金簿板；洛克希德F-80噴氣式殲擊機鎂板機翼，使結構零件從47758個減少到16050個；“大力神”火箭使用了600kg的變形鎂合金；“季斯卡維列爾”衛(wèi)星中使用了675kg的變形鎂合金；直徑約1米的“維熱爾”火箭殼體是用鎂合金擠壓管材制造的。我國的殲擊機、轟炸機、直升機、運輸機、民用機、機載雷達、地空導彈、運載火箭、人造衛(wèi)星、飛船上均選用了鎂合金構件：一個型號的飛機最多選用了300-400項鎂合金構件；一個零件的重量最重近300kg；一個構件的最大尺寸達2m多。四.鎂合金的應用與發(fā)展在軍工方面需要鎂合金板材以提高結構件強度,減輕裝備重量,提高武器命中率。國防工業(yè)領域

由于鎂及鎂合金耐沖擊，如果能夠開發(fā)出與鋁合金耐蝕性能相當?shù)逆V合金，則其在兵器等各種軍用領域將有著廣闊的應用前景。如照明彈用鎂粉、穿甲彈用高比強度鎂合金彈托材料，以及可用變形鎂合金制造的戰(zhàn)術航空導彈艙段、副翼蒙皮、壁板和雷達、衛(wèi)星上用的鎂合金井字梁、相機架和外殼等零件。四.鎂合金的應用與發(fā)展武器輕量化是現(xiàn)代兵器的發(fā)展趨勢，利用鎂合金取代現(xiàn)有武器上的一些零部件正成為各國研究的熱點。有關單位已分別通過鍛造或鑄造成型方式開發(fā)出了變形鎂合金沖鋒槍機匣、槍尾、提把、前扶手、槍托體、大托彈板、瞄具座、小彈匣座以及軍用鑄造合金發(fā)動機進出水管和發(fā)動機濾座等軍品武器用零部件，其中部分對耐蝕耐磨有較高要求的軍用鎂合金零部件還被通過協(xié)和涂層的方法進行了相應的表面處理。目前，這些研制生產(chǎn)出的軍用鎂合金零部件已進入實際演示驗證和考核階段，預計不久將得到初步應用。四.鎂合金的應用與發(fā)展鎂合金在汽車工業(yè)的應用鎂合金汽車零件的好處可簡單歸納為：

密度小，可減輕整車重量，間接減少燃油消耗量；

鎂比強度高于鋁合金和鋼，比剛度接近鋁合金和鋼，能承受一定負荷；

鎂具有良好的鑄造性和尺寸穩(wěn)定性，容易加工，廢品率低；

鎂具有較高阻尼系數(shù)，減振量大于鋁合金和鑄鐵，用于殼體可降低噪聲，用于座椅、輪圈可以減少振動