《镁及镁合金》PPT课件.ppt

第2章 镁及镁合金,2.1 概述2.2 纯镁2.3 镁合金2.4 镁合金的应用,2.1 概述,1808年，英国戴维，钾还原氧化镁，制得镁。物理性质：银白色，密度1.74克/厘米3，熔点648.9，沸点1090。电离能7.65电子伏特。晶体结构：密排六方结构。原子半径：1.72 埃。具有延展性，无磁性，且有良好的热消散性。热导率:156 W/(mK)具有较强还原性，能与热水反应放出氢气，燃烧时能产生眩目的白光，镁与氟化物、氢氟酸和铬酸不发生作用，也不受苛性碱侵蚀，但极易溶解于有机和无机酸中，镁能直接与氮、硫和卤素等化合，包括烃、醛、醇、酚、胺、脂和大多数油类在内的有机化学药品与镁仅仅轻微地或者根本不起作用。来源：镁存在于菱镁矿、白云石、光卤石中。每立方英里海水含有约120亿磅镁。镁是在自然界中分布最广的十个元素之一，熔盐电解法：工业上利用电解熔融氧化镁 硅热还原法：在电炉中用硅铁等使其还原而制得金属镁。用途：置换钛、锆、铀、铍等金属。用于制造轻合金、烟火、闪光粉、镁盐等。结构性能类似于铝，用于飞机、导弹中。镁在汽油燃点可燃。,2.2 纯镁纯镁的牌号,镁为密排六方结构。熔点648.9。25时晶格常数为：a=0.3202nm，c=0.5199nm；c/a=1.6237。密度低，常用结构材料中最轻的金属：20时密度1.738g/cm3。体积热容比其他金属都低：20时的体积热容为1781 J/(dm3K)，铝：2430 钛：2394 镍：4192 铁：3521 铜：3459 锌：2727镁及其合金是加热升温与散热降温都比其他金属快。,2.2 纯镁纯镁的特性,化学活性高：潮湿大气、海水、无机酸及其盐类、有机酸、甲醇等介质中均会引起剧烈的腐蚀。干燥大气、碳酸盐、氟化物、铬酸盐、氢氧化钠溶液、苯、四氯化碳、汽油、煤油及不含水和酸的润滑油中很稳定。室温下，镁表面与大气中氧作用，形成氧化镁薄膜，但薄膜较脆，也不像氧化铝薄膜那样致密，故其耐蚀性很差。室温强度低、塑性差：纯镁单晶体临界切应力为4.8MPa左右，其多晶体的强度和硬度很低，不能直接用做结构材料。,2.2 纯镁纯镁的特性,镁物理性能的优点,2.2 纯镁纯镁的特性,2.2 纯镁纯镁的特性,生产铝合金：铝合金中的添加元素。2002年全世界共用了14.56万吨镁，占40%；我国2003年共用2.1万吨镁，占41%。镁与原铝的消费比率约为0.4%。压铸镁合金铸件：2002年原镁消费中，压铸占35%。在镁压铸中，北美、拉美、西欧用量最多。镁合金压铸件在汽车上的使用量上升了15%左右。炼钢脱硫：2002年世界有5.73万吨镁用于炼钢脱硫，占总量的15.70%。我国2003年钢铁脱硫用镁8000吨，占总消费量的15.62%。使用镁粒脱硫效果比碳化钙好，虽然镁价格比碳化钙高，但用量为碳化钙的1/61/7，镁脱硫比碳化钙经济。吨钢消耗镁粒0.40.5公斤，脱硫后含硫量0.0010.005%。金属还原剂：如稀土合金、钛等到。镁牺牲阳极保护阴极：防腐性能好、不需外加直流电源、安装后自动运行、不需维护、占地面积少、工程费用低、与外界环境不发生任何干扰。石油管道、天燃气、煤气管道和储罐；港口、船舶、海底管线、钻井平台；机场、停车场、桥梁、发电厂、市政建设、水处理厂、石化工厂、冶炼厂、加油站的腐蚀防护以及热水器、换热器、蒸发器、锅炉等设备。,2.2 纯镁纯镁的应用,2003年中国原镁消费量（单位：万吨）,2002年世界主要地区的三大用镁行业的原镁用量（单位：吨）,2.2 纯镁纯镁的应用,纯镁中加入Al、Zn、Mn、Zr及稀土等元素，制成镁合金。Mg-Mn系、Mg-Al-Zn 系、Mg-Zn-Zr系 和Mg-RE-Zr系等合金系。分为变形镁合金和铸造镁合金。,2.3 镁合金分类、牌号,变形镁合金：MB顺序号表示。MB1、MB8为Mg-Mn系合金：具有良好耐蚀性和焊接性，使用温度不超过150。主要用于制作飞机蒙皮、壁板及宇航结构件。MB2、MB3、MB5、MB6、MB7为Mg-AlZnMn系合金：具有好的室温力学性能和焊接性。主要用于制造飞机舱门、壁板及导弹蒙皮。MB15、MB21、MB25为Mg-ZnZr系合金：具有较高拉伸与压缩屈服强度、高温瞬时强度，及良好的成形和焊接性能，但塑性中等。主要用于制造飞机长桁、操作系统的摇臂、支座等。Mg-Li系合金是一种新型的镁合金，它密度小，强度高，塑性、韧性好，焊接性好，缺口敏感性低，在航空、航天工业中具有良好的应用前景。,为保证变形镁合金较高的塑性，其中合金元素的含量往往比较低，要求在凝固组织中含有较少共晶相。,铸造镁合金：ZM顺序号表示。ZM1、ZM2、ZM7、ZM8：Mg-Al-Zn 系ZM5：Mg-Zn-Zr系：较高的强度，良好的塑性和铸造工艺性能，耐热性较差，主要用于制造150以下工作的飞机、导弹、发动机中承受较高载荷的结构件或壳体。ZM3、ZM4和ZM6：Mg-RE-Zr系。良好铸造性能、常温强度和塑性较低、耐热性较高，主要用于制造250以下工作的高气密零件。,2.3 镁合金分类、牌号,铸造镁合金中合金元素含量高于变形镁合金，以保证液态合金具有较低的熔点，较高的流动性和较少的缩松缺陷等。如果还需要通过热处理对镁合金进一步强化，那么所选择的合金元素还应该在镁基体中具有较高的固溶度，而且这一固溶度还会随着温度的改变而发生明显的变化，并在时效过程中能够形成强化效果显著的第二相。铝在-Mg中的固溶度在室温时大约只有2，升至共晶温度436时则高达12.1，因此压铸AZ91HP合金具备了一定的时效强化能力，其强度有可能通过固溶和时效的方法得到进一步的提高。,合金化强化：合金元素的类型：包晶反应类元素：Zr(3.8%)，Mn(3.4%)：细化晶粒、净化合金、提高抗蚀性和耐热性。共晶反应类元素：Ag(15.5%)，Al(12.7%)，Zn(8.4%)，Li(5.7%)，Th(4.5%)：如MgAlZn和MgZnZr系合金等。这类元素在Mg中有明显的溶解度变化，可产生明显的时效硬化效应。稀土元素(RE）：Y(12.5%)，Nd(3.6%)，La(1.9%)，Ce(0.85%)，Pr(0.5%)，混合RE(以Ce或La为主)。多属共晶反应型元素，共晶温度比Mg-Al和Mg-Zn高，MgRE系的固溶体和稀土化合物耐热性高，原子扩散速度慢，利于抗蠕变，故Mg-RE-Zr和Mg-REMn系合金是耐热镁合金，可在150250工作。,2.3 镁合金强化方式,形变硬化、晶粒细化、合金化、热处理、陶瓷相增强镁合金,合金化强化机制：固溶强化、第二相强化（弥散强化、析出强化）固溶强化：根据原子尺寸、晶格类型、电化学性质和电子浓度等因素，镁和周期表中可形成合金的元素几乎只能形成有限固溶体；合金元素溶入基体中，通过原子错排、溶质与溶剂原子弹性模量的差异而强化基体；若溶质原子提高了合金熔点、增大弹性模量、减小原子自扩散，还可提高抗蠕变性能。第二 相强化：超过溶解度的合金元素将与镁形成中间相，有下列三种类型：AB型简单立方CsCl结构。如MgTi、MgAg、MgCe和MgSn。AB2型Laves相，如：MgCu2；MgZn2；MgNi2。CaF2型面心立方金属间化合物，如Mg2Si和Mg2Sn。当合金元素在基体中的溶解度随温度降低而下降时，将从基体中析出第二相阻碍位错运动和滑移，使屈服强度提高，产生析出强化（时效强化）。强化效果取决于尺寸、形状、物理性能和析出相与基体间的界面性质。弥散强化的颗粒是合金在凝固过程中产生，其熔点较高、不溶于镁基体、具有良好的热力学稳定性。弥散强化比析出强化可以保持到更高的温度。,2.3 镁合金强化方式,时效沉淀强化 镁合金时效硬化效应没有A1合金明显，与其结构变化特点有关。Mg-Al和MgAlZn系合金缓冷试样(空冷或油淬)在150一222时效，先从晶界或缺陷部位发生不连续沉淀，不经GP区阶段即直接析出片状平衡相Mg4Al3，沿一定取向向晶粒内生长。此时，沉淀区的基体浓度和晶格常数已达平衡状态，未发生沉淀反应的晶粒内部，晶格常数和浓度保持不变。这种片层状不连续反应结构又称珠光体型沉淀。这种组织中的Mg4Al3相弥散度低，片间距大(200nm)，基体浓度低，无共格或中共格应力场，故强化效果低。当不连续沉淀向晶内发展到一定程度后，晶粒内部才能发生连续分解。此时，细小的片状Mg4Al3 相一边析出和长大，固溶体浓度和晶格常数也发生连续变比，最终达到与时效温度相适应的平衡状态。这种沉淀的特点是基体浓度和晶格常数是连续变化的，即连续沉淀。这两种合金的显微组织，一般是由连续和不连续反应组织组成。但两类组织所占比例的大小，则由合金的浓度和热处理制度来决定。合金的过饱和度低，固溶体浓度不均匀(偏折)，时效不足或温度低时，不连续沉淀将占优势，反之，铝浓度高，进行了充分均匀比处理，淬火速度快，时效温度高，连续沉淀则占主要地位，因为不连续沉淀是由于沉淀相结构与基体相差较大，沉淀应变能过高，只能从晶界开始逐渐向晶内发展：如果时效温过高(250以上)，原子扩散能力强，不连续沉淀也可能不发生，只出现连续沉淀。,2.3 镁合金强化方式,晶粒细化 S=0+kd0.5镁合金：k=280320MPa m 0.5铝合金：k=68MPa m 0.5 通过下列手段控制镁合金晶粒尺寸，以提高镁合金强度和塑性。变质处理或过热处理镁合金熔体细化晶粒 向镁合金熔液中添加晶粒细化剂如含Zr细化剂、含C细化剂。凝固时锆以六方晶型Zr质点形式析出，弥散分布于镁合金熔体中作为镁的结晶核心，使镁合金组织明显细化；加入的C与铝形成Al4C3，其晶格类型属于六方晶系、晶格常数均与镁相近，同样作为镁的结晶核心。将镁合金过热到850左右保温30分钟，然后快冷到铸造温度浇注的过程即为过热处理。这种处理最适于含Al、Mn和杂质Fe的镁合金。细化原因可能是过热处理时产生了六方晶格MnAl4等高熔点化合物在结晶过程中起晶核作用，从而细化晶粒。铸锭塑性变形细化晶粒快速凝固细化晶粒半固态成形细化晶粒,2.3 镁合金强化方式,热处理强化 铸态镁合金的力学性能可通过热处理的方法改善；锻造态镁合金可用冷加工、退火、固溶和时效等方式来提高镁合金的力学性能。,Mg 8%Zn二元合金（MPa）,溶解度c点附近的合金，时效强化效果最高。成分向左或向右偏离c点，强化效果都将降低。合金成分向左偏离时，由于固溶体的过饱和度降低，故淬火时效效果减小。合金成分位于b点以左时，合金不再可能通过热处理进行强化。合金成分向右偏离c点，淬火时效强化效果也将降低。因为时效过程是在固溶体中进行的，根据杠杆定律，合金成分向右偏离c点越远，其所含固溶体的量越少，故强化效果越低。但如果第二相不太脆，合金的强度也可能有所增加，因为第二相的硬度往往高于固溶体，其含量增多势必增大合金的强度。,2.3 镁合金强化方式,镁基复合材料：将SiC、A12O3或石墨的粉末、纤维或晶须加入熔融的镁合金 中采用压铸或挤压铸造等方法制得。镁合金与陶瓷增强相表面的氧和氮的反应，有利于提高与基体镁合金之间的润湿性。如SiC可与镁反应生成Mg2Si。镁基复合材料具有比镁合金高得多的力学性能。如挤压铸造方法制备体积分数=16%A12O3纤维增强镁合金AZ91复合材料在180的疲劳极限比原来提高了1倍。当(A12O3)=30%时，其弹性模量也增加1倍。镁基复合材料的基体可以是铸造镁合金，也可以是锻造镁合金。,复合强化,2.3 镁合金强化方式,铸造和变形镁合金均可进行退火(T2)、时效(T1)、淬火(T4)和人工时效（T6，T61)，规范和应用范围与铸造铝合金基本相同，只是镁合金的扩散速度，淬火敏感性低。镁合金可用静止或流动的空气淬火，也有时用热水淬火(如T61)，强度比空冷的T6高。绝大多数镁合金对自然时效不敏感，淬火后在室温能长期保持淬火状态，即使人工时效，时效温度也要比铝合金高（达175-250）。镁合金加热时的氧化倾向比铝合金高，为了防止燃烧，加热炉应保持中性气氛或通人SO2气体。,2.3 镁合金热处理,2.4 镁及镁合金的应用,航空航天工业、军工领域、交通领域（包括汽车工业、飞机工业、摩托车工业、自行车工业等）、3C领域等。镁合金的特点可满足于航空航天等高科技领域对轻质材料吸噪、减震、防辐射的要求，可大大改善飞行器的气体动力学性能和明显减轻结构重量。从20世纪40年代开始，镁合金首先在航空航天部门得到了优先应用。B-36重型轰炸机每架用4086kg镁合金簿板；洛克希德F-80喷气式歼击机镁板机翼，使结构零件从47758个减少到16050个；“大力神”火箭使用了600kg的变形镁合金；“季斯卡维列尔”卫星中使用了675kg的变形镁合金；直径约1米的“维热尔”火箭壳体是用镁合金挤压管材制造的。我国的歼击机、轰炸机、直升机、运输机、民用机、机载雷达、地空导弹、运载火箭、人造卫星、飞船上均选用了镁合金构件：一个型号的飞机最多选用了300-400项镁合金构件；一个零件的重量最重近300kg；一个构件的最大尺寸达2m多。在军工方面需要镁合金板材以提高结构件强度,减轻装备重量,提高武器命中率。,国防工业领域 由于镁及镁合金耐冲击，如果能够开发出与铝合金耐蚀性能相当的镁合金，则其在兵器等各种军用领域将有着广阔的应用前景。如照明弹用镁粉、穿甲弹用高比强度镁合金弹托材料，以及可用变形镁合金制造的战术航空导弹舱段、副翼蒙皮、壁板和雷达、卫星上用的镁合金井字梁、相机架和外壳等零件。武器轻量化是现代兵器的发展趋势，利用镁合金取代现有武器上的一些零部件正成为各国研究的热点。有关单位已分别通过锻造或铸造成型方式开发出了变形镁合金冲锋枪机匣、枪尾、提把、前扶手、枪托体、大托弹板、瞄具座、小弹匣座以及军用铸造合金发动机进出水管和发动机滤座等军品武器用零部件，其中部分对耐蚀耐磨有较高要求的军用镁合金零部件还被通过协和涂层的方法进行了相应的表面处理。目前，这些研制生产出的军用镁合金零部件已进入实际演示验证和考核阶段，预计不久将得到初步应用。,2.4 镁及镁合金的应用,2.4 镁及镁合金的应用,镁合金在汽车工业的应用 镁合金汽车零件的好处可简单归纳为：密度小，可减轻整车重量，间接减少燃油消耗量；镁比强度高于铝合金和钢，比刚度接近铝合金和钢，能承受一定负荷；镁具有良好的铸造性和尺寸稳定性，容易加工，废品率低；镁具有较高阻尼系数，减振量大于铝合金和铸铁，用于壳体可降低噪声，用于座椅、轮圈可以减少振动，提高汽车的安全性和舒适性。早在1930年镁合金就用于一辆赛车上的活塞和欧宝汽车上的油泵箱。上世纪六十年代在有的车上用量达到23千克，主要用作阀门壳、空气清洁箱、制动器、离合器、踏板架等；上世纪八十年代初，严格控制铁、铜、镍等杂质含量，镁合金的耐蚀性得到了解决，同时，成本下降又大大促进了镁合金在汽车上的应用。从上世纪九十年代开始，欧美、日、韩开始把镁合金用于汽车零件上。镁合金压铸件在汽车上的应用已经显示出长期的增长态势。在过去十年里，其年增长速度超过15%。在欧洲，已经有300种不同的镁制部件用于组装汽车，每辆欧洲生产的汽车上平均使用2.5kg镁。每辆汽车对镁的需求将提高至70120kg。目前，汽车仪表、座位架、方向操纵系统部件、引擎盖、变速箱、进气歧管、轮毂、发动机和安全部件上都有镁合金压铸产品的应用。,重庆长安集团公司：完成了JL462Q发动机变速器上、下壳体用镁合金替代铝合金的产品试制，已形成年产1500t汽车变速器压铸的生产能力。2003年底，变速器上下壳体、箱体延伸体和缸罩等7个零件已批量装车，并通过了小批量装车试验，目前正在进行批量生产前的最后中批量装车考核中；此外，该公司还打算用镁合金取代更多的零部件，如方向盘、座椅内架等，逐步使每辆车用量达到20Kg。一汽集团：试制成功了气门室罩盖、变速箱盖、发动机油喷等镁合金压铸件，其中气门室罩盖已通过装车试验。东风汽车公司：以镁合金变速箱上盖的产业化应用为重点突破对象，完成了10万次规范的台架试验，并顺利通过考核；同时对已装车的真空助力器中间隔板、左右脚踏步的应用情况调查表明其应用效果良好。,2.4 镁及镁合金的应用,