《鎂合金及其應(yīng)用》PPT課件

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1、張弛 電話： 62797603 鎂合金及其應(yīng)用 鎂的英文名稱為 Magnesium，它的命名取 自希臘文，原意是“美格 尼西亞”，因?yàn)樵谙ＥD的 美格尼西亞城附近當(dāng)時(shí)盛 產(chǎn)一種名叫苦土的鎂礦 （就是氧化鎂），古羅馬 人把這種礦物稱為“美格 尼西 阿爾巴（ magnesia alba）”，“ alba”的意思 是“白色的”，即“白色 的美格尼西亞”。我國則 根據(jù)這個(gè)詞的第一音節(jié)音 譯成鎂。鎂的元素符號(hào)為 Mg。 引言：鎂的發(fā)現(xiàn)和命名 目錄 1 鎂資源及原鎂生產(chǎn) 2 鎂合金的成分、組織和性能 3 鎂合金強(qiáng)化處理 4 鎂合金鑄造 5 鎂合金的塑性成形 6 鎂合金的連接 7 鎂合金的腐蝕及表面防護(hù)處理

2、 8 廢鎂的回收及鎂合金的安全生產(chǎn) 9 鎂合金的應(yīng)用 1 鎂資源及原鎂生產(chǎn) 1.1 概述 自 19世紀(jì)末，由于人類文明的快速進(jìn)步，金屬材料的消 耗與日俱增，某些金屬礦產(chǎn)逐漸枯竭。而鎂是地球上儲(chǔ)量最 豐富的元素之一，廣泛存在于白云石、鹽湖和海洋之中，可 謂取之不盡，用之不竭。 1.2 鎂資源 鎂在地殼中的儲(chǔ)量極其豐富，儲(chǔ)量為 2.77%，在地殼表 層儲(chǔ)量居第 6位。最主要的鎂資源是海水。 圖 1-1 表 1-1 世界菱鎂礦儲(chǔ)量和分布 菱鎂礦（ MgCO3）是最具工業(yè)價(jià)值的鎂礦石之一。 表 1-2 中國的鎂資源 我國是世界上鎂資源最豐富的國家，儲(chǔ)量居世界首位，已 探明的菱鎂礦石保有儲(chǔ)量 30.09

3、億噸，約占世界探明儲(chǔ)量的 1/4。 表 1-3 白云石（ MgCO3CaCO3）也是具工業(yè)價(jià)值的鎂礦石之一， 其資源遍及全國各省市，已探明儲(chǔ)量在 40億噸以上。 表 1-4 1.3 鎂的性質(zhì) 元素特征 元素符號(hào)： Mg 原子序數(shù)： 12 自由原子中各軌道電子狀態(tài)： 1s22s22p63s2 相對(duì)原子質(zhì)量： 24.3050 原子體積： 14.0cm3/mol 品質(zhì)特征 密度： 1.738g/cm3(20 ), 1.65g/cm3(650 ), 1.58g/cm3(液態(tài) ) 凝固體積變化：體積收縮為 4.2% 冷卻體積變化：從 650 冷卻到 20 體積收縮約為 5% 晶體結(jié)構(gòu) 在大氣壓下，純鎂的

4、晶體結(jié)構(gòu)是密排六方。 圖 1-2 金屬鎂具有接近完美的密排結(jié)構(gòu)，室溫下所測(cè) c/a=1.6236與 理想密排六方結(jié)構(gòu)的理論預(yù)測(cè)值 c/a=1.633非常接近。 純鎂的晶格常數(shù)隨溫度變化 表 1-5 圖 1-3 熱 性能 熔點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下， 650 1 。 沸點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下， 1090 。 熱膨脹：純鎂在較低溫度下的熱膨脹系數(shù)見下表 表 1-7 熱導(dǎo)率：在低、中溫區(qū)，熱導(dǎo)率在 149 5700W/(mk)之間。 燃點(diǎn)：在空氣中加熱，金屬鎂在 632 635 開始燃燒。 力學(xué)性能 拉伸性能和硬度： 彈性模量 (E)：金屬鎂在 20 下的彈性模量與純度有關(guān)。 純度 99.98% 99.80% 靜

5、態(tài)彈性模量 40GPa 43GPa 動(dòng)態(tài)彈性模量 44GPa 45GPa 泊松比： 0.35 蠕變斷裂值：蠕變行為及溫度對(duì)蠕變行為的影響見下圖。 圖 1-10 1.4 原鎂生產(chǎn)方法 鎂冶金的發(fā)展過程大體經(jīng)歷了金屬還原鎂的化合物，熔鹽 電解和熱還原三個(gè)階段。 鎂冶金的現(xiàn)代方法主要分為兩種：一是電解法；二是硅熱 法。 電解法煉鎂可分為電解熔融氯化鎂和電解溶于熔鹽中的氧 化鎂。電解法又依氯化鎂的制得方法不同分為四種：道烏法 （ DOW）、阿碼克斯法（ Amax）、諾斯克法（ Norsk Hydro） 和氧化鎂氯化法。 硅熱還原法分為皮江法（ Pidgeon）、波皮扎諾法 （ Bolzano）和瑪格尼

6、特法（ Magnetherm）三種。 各種煉鎂方法的比較 表 1-14 2 鎂合金的成分、組織和性能 2.1 概述 工業(yè)用鎂的純度可達(dá) 99.9%，但是純鎂不能用做結(jié)構(gòu)材料。 在純鎂中加入 Al、 Zn、 Li、 Mn、 Zr和稀土等元素形成的鎂合金 具有較高的強(qiáng)度，可以作為結(jié)構(gòu)材料廣泛應(yīng)用。 鎂的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)高峰期，第一個(gè)在 20世紀(jì) 20年代至 30 年代晚期，第二個(gè)在 20世紀(jì) 50年代，第三個(gè)從 20世紀(jì) 90年代 至今。 2.2 鎂合金成分對(duì)性能的影響 鎂合金化的特點(diǎn) 晶體結(jié)構(gòu)因素：根據(jù) Hume-Rothery Rules，鎘（ Cd）在高 溫（ 253 ）下，能與鎂形成無限固溶

7、體。 原子尺寸因素：溶質(zhì)和溶劑原子大小的相對(duì)差值在 15%以內(nèi) 才能形成無限固溶體。 圖 2-1 電負(fù)性： Darken-Gurry理論認(rèn)為，電負(fù)性差值大于 0.4的元素 不易形成固溶體。鎂形成 Laves（ AB2）型結(jié)構(gòu)化合物，其穩(wěn)定 性可用熔點(diǎn)來表示。如下圖所示， Mg-Al合金耐高溫性能較差， 而 Mg-Si耐高溫性能較好。 表 2-1 原子價(jià)因素：溶質(zhì)和溶劑的原子價(jià)相差越大，則溶解度越小。 與低價(jià)元素相比，較高價(jià)元素在鎂中溶解度較大。 鎂合金成分和牌號(hào) 采用美國實(shí)驗(yàn)材料協(xié)會(huì)（ ASTM）的標(biāo)記發(fā)法。鎂合金的牌 號(hào)由三部分組成：頭兩個(gè)字母為主要合金元素代號(hào)（見下圖）， 中間兩個(gè)數(shù)字表示

8、主要合金元素的名義質(zhì)量分?jǐn)?shù)，最后一個(gè)后綴 字母（ A、 B、 C、 D、 E等）是指成分和特定范圍純度的變化。 例如： AZ91E。 表 2-2 鎂合金的分類及熱處理 鎂合金的分類方式有三種： 化學(xué)成分：主要合金元素 Mn, Al， Zn， Zr和稀土為基礎(chǔ)，組 成基本合金系。 成形工藝：鑄造鎂合金和變形鎂合金。 圖 2-2 是否含鋯：含 Zr合金和不含 Zr合金。 國外在工業(yè)中應(yīng)用較廣泛的是壓鑄鎂合金，主要有以下 4個(gè) 系列： AZ， AM， AS和 AE系列。我國鑄造鎂合金主要有 ZK， Mg-Zn-Zr-RE和 AZ系列。變形鎂合金有 Mg-Mn， AZ和 ZK系列。 表 2-3 常見壓

9、鑄鎂合金和變形鎂合金的化學(xué)成分分別見下表。 表 2-4 表 2-5 鎂合金熱處理采用與鋁同樣的系統(tǒng)標(biāo)示。常用的回火有： T4 固溶處理， T5 人工時(shí)效， T6 固溶處理后人工時(shí)效。 合金元素對(duì)組織和性能的影響 加入不同的合金元素，可以改變鎂合金共晶化合物或第二 相的組成、結(jié)構(gòu)以及形態(tài)和分布，可能得到性能完全不同的鎂 合金。 圖 2-3 表 2-6 2.3 鑄造鎂合金組織和性能 鎂合金的鑄造方法有多種，包括重力鑄造和壓力鑄造。 通常所說的壓鑄（ Die Casting）是指高壓鑄造。 2.3.1 Mg-Al系合金組織 Mg-Al系鑄造合金的平衡狀態(tài)組織如下圖。 圖 2-4 改 Mg-Al-Zn

10、合金 按組織可以分為兩種類型，典型的合金分別為： AZ92和 AZ63。 圖 2-6 由于凝固過程中出現(xiàn)的晶內(nèi)偏析，導(dǎo)致 Al和 Mg的含量在材 料內(nèi)分布不均，從而影響了材料的耐蝕性和力學(xué)性能。力學(xué)性 能隨著 Al含量的增加而提高。 圖 2-5 Mg-Al-Mn合金 典型組織除了 相和 相以外，還有含 Mn的中間相。隨含 Mn量的高低可能是： AlMn、 Al3Mn、 Al4Mn、 Al6Mn或 Al5Mn8。 圖 2-7 圖 2-8 上圖中，具有規(guī)則幾何形狀的白色相為 AlMn，可以看出其有 明顯的偏聚趨勢(shì)。 AZ61中的 AlMn粒子可能是由于在鎂合金的冶 煉過程中，為除去有害元素 Fe而

11、有意加入 Mn元素所致。 Mg-Al-RE合金 Mg-Al-RE合金（如 AE21、 AE41）的典型組織為 相、 相 和中間相 Al4MM（ MM指混合稀土）。合金中不存在三元 Mg-Al- RE相，這是因?yàn)?RE優(yōu)先與 Al結(jié)合。 Mg-Al-Si合金 AS系典型的合金為 AS41和 AS21，組織特征是在晶界處形 成細(xì)小彌散分布的穩(wěn)定析出相 Mg2Si。 AS系鎂合金的耐熱性能 較好，適用于較高溫度（ 150 ）下強(qiáng)度高的部件。 Mg-Al-Ca合金 Mg-Al-Ca合金組織特征是存在 Al2Ca和 Mg2Ca化合物。此類 合金具有較高的耐熱性和阻燃性，但是腐蝕性能有所降低。 2.3.2

12、 Mg-Zn系合金 Mg-Zn phase diagram Mg-Zn-MM（混合稀土）合金 由于加入 1.5%MM對(duì) Mg-8Zn合金組織有強(qiáng)烈的影響，所以 Mg-8Zn-1.5MM合金共晶組織有三種不同的共晶相： T相（主要 為 Mg52.6Zn39.5MM7.9或 (Mg,Zn)92.1MM7.9）、 Mg4Zn7相和 MgZn2 （ Laves相）。 Mg-Zn-Al（ -Ca）合金 組織特征是存在 MgxZnyAlz和 MgZn中間相。在含大約 2%Al的鎂合金里存在 MgZn化合物，但不存在 Al12Mg17化合物。 Ca的加入能夠提高合金的抗蠕變性能，其大量的存在于 MgxZny

13、Alz相中。 2.3.3 鑄造鎂合金的性能 表 2-8 表 2-9 表 2-10 2.4 變形鎂合金組織及性能 變形鎂合金經(jīng)過擠壓、軋制和鍛造等工藝后具有比相同成 分的鑄造鎂合金更高的力學(xué)性能。其工作溫度不超過 150 。 圖 2-9 變形鎂合金常用的是 Mg-Al系和 Mg-Zn-Zr系。 前者中強(qiáng)，塑性較高，后 者高強(qiáng)，塑性較低。 變形鎂合金組織 圖 2-10 圖 2-11 圖 2-12 變形鎂合金性能 變形鎂合金力學(xué)性能與加工工藝、熱處理狀態(tài)等大有關(guān)系。 表 2-11 表 2-12 表 2-13 2.5 鎂合金熱處理時(shí)效組織和性能 大部分鎂合金時(shí)效過程中都有一個(gè)與鎂點(diǎn)陣形成共格沉淀物 的

14、階段，這種沉淀物具有 DO19晶體結(jié)構(gòu)，其晶胞的 a軸為鎂基體 a軸的 2倍， c軸相同。 表 2-14 鎂合金時(shí)效過程復(fù)雜，可能出現(xiàn)的沉淀過程見下表 表 2-15 2.6 冶金缺陷對(duì)鎂合金性能的影響 鎂合金在熔煉鑄造時(shí)很容易氧化、燃燒和吸氣，其鑄錠常 存在一些空隙、氧化物夾雜或蝕坑等缺陷，它們尤其是夾雜物 對(duì)鎂合金的力學(xué)性能和腐蝕性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。 夾雜物：主要為 MgO 圖 2-17和表 2-16 鑄造缺陷（如空隙、夾雜物）是疲勞裂紋源。 圖 2-18 圖 2-19 3 鎂合金強(qiáng)化處理 3.1 概述 工業(yè)純美的塑性很差，純美多晶的強(qiáng)度和硬度也比較低， 不能直接用作結(jié)構(gòu)材料。目前應(yīng)用于鎂合

15、金的強(qiáng)化處理方法主 要有合金化強(qiáng)化、熱處理強(qiáng)化、復(fù)合強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化。其中， 合金化強(qiáng)化為最基本，最常用和最有效的強(qiáng)化處理方法，使其 他方法的基礎(chǔ)。 3.2 合金化強(qiáng)化 鎂合金的強(qiáng)化一般都是利用固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和彌散 強(qiáng)化來提高合金的常溫和高溫力學(xué)性能，關(guān)鍵是選擇合適的 合金元素。 表 3-1 改 用顏色分類 固溶強(qiáng)化 合金化元素（溶質(zhì)）完全溶入基體金屬（溶劑）中，溶質(zhì)原 子在溶劑晶格點(diǎn)陣處取代溶質(zhì)原子，從而通過原子錯(cuò)排及溶質(zhì) 與溶劑原子之間彈性模量的不同而強(qiáng)化基體金屬。 要形成無限固溶體必須滿足三個(gè)條件：溶質(zhì)、溶劑原子尺 寸相差不超過 15%，相同的原子價(jià)和相似的晶體結(jié)構(gòu)。滿足以 上條件的有

16、 Cd。不滿足這些條件的形成有限固溶體。 隨著溶質(zhì)原子化合價(jià)的增大，鎂與之形成第二相或穩(wěn)定化合 物，而不再是固溶體。常見的化合物類型主要有： AB型 -簡(jiǎn)立方 CsCl結(jié)構(gòu)，如 MgTi、 MgAg、 CeMg、 SnMg等； AB2型 -Laves相：如 MgCu2、 MgZn2、 MgNi2等； CaF2型 -面心立方金屬間化合物：如 Mg2Si、 Mg2Sn等。 析出強(qiáng)化 機(jī)制是析出相阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和滑移，從而提高屈服強(qiáng)度。 為了增強(qiáng)鎂合金的析出強(qiáng)化，選擇合金元素應(yīng)考慮以下因素： 元素應(yīng)該在高溫下在鎂中有足夠的固溶度，且隨溫度的降低 而降低，以提高合金的時(shí)效強(qiáng)化能力； 析出相中應(yīng)含有較多的

17、鎂，在提高析出相百分含量的同時(shí)減 少所需的合金元素量； 元素在鎂中的擴(kuò)散速率應(yīng)較低，以減少過時(shí)效傾向和位錯(cuò)的 攀移。 彌散強(qiáng)化 與析出強(qiáng)化類似，但不同的是，析出相在高溫下迅速長大， 失去強(qiáng)化作用，彌散強(qiáng)化顆粒熱穩(wěn)定性好，在常溫和高溫下都 有強(qiáng)化作用。 3.3 熱處理強(qiáng)化 目的是改善合金的力學(xué)性能。 表 3-2 表 3-3 一般來說，鎂與其他合金元素形成二元共晶相圖，合金的 成分對(duì)合金的性能有所影響。 圖 3-1 3.4 復(fù)合強(qiáng)化 鎂基復(fù)合材料可提高鎂合金的力學(xué)性能，主要采用石墨纖 維、 Al2O3纖維、 SiC顆粒和 BC顆粒作為增強(qiáng)體。增強(qiáng)體與鎂 合金的界面特性對(duì)復(fù)合材料的影響極為重要。 表

18、 3-4 從表中看出，復(fù)合材料低的抗拉強(qiáng)度同高的界面剪切強(qiáng) 度存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系。 圖中是不同的基 體對(duì)應(yīng)的材料抗拉 強(qiáng)度的比較。 3.5 細(xì)晶強(qiáng)化 原理：合金的屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸的關(guān)系可用 Hall-Petch關(guān)系表 示： yield= 0+kd-1/2 其中： 0 晶格摩擦力 ； k Petch斜率； d 晶粒直徑。 細(xì)晶強(qiáng)化時(shí)，晶界是滑移傳遞的有效障礙，晶界前方的應(yīng)力 集中使得更多的滑移系被激活，合金的整體變形更加均勻，帶來合 金強(qiáng)度和韌性的提高。 當(dāng)鎂合金中的細(xì)晶粒（ 10m）達(dá)到一定比例時(shí)，合金就會(huì) 出現(xiàn)超塑性。 方法：變質(zhì)處理、熱加工、塑性變形和快速凝固等 變質(zhì)或過熱處理細(xì)化晶粒 變質(zhì)

19、處理：通過添加晶粒細(xì)化添加劑對(duì)液態(tài)鎂合金溶液進(jìn)行 處理，目前得到應(yīng)用的主要有含 Zr和含 C的晶粒細(xì)化劑。其中 含 C的晶粒細(xì)化劑主要用于 Mg-Al系。 圖 3-3 改加入晶體結(jié)構(gòu) 過熱處理：澆注前將熔體溫度升高并保溫一段時(shí)間后再降溫 到澆注溫度進(jìn)行澆注的工藝過程。研究表明，過熱處理對(duì) Mg-Al 系合金有明顯的細(xì)化作用。 半固態(tài)成形細(xì)化晶粒 它將原料加熱到固液相線之間的溫度，然后將其壓入型腔 成形，半固態(tài)成形工藝能產(chǎn)生細(xì)小的微觀結(jié)構(gòu)，減小微觀收縮， 使材料獲得較高的力學(xué)性能。例如： Mg-Zn-Al-Ca合金的半固 態(tài)成形。 快速凝固細(xì)化晶粒 由于快速凝固時(shí)的冷卻速度較大，因而可以獲得細(xì)小

20、的 粉末晶粒。將粉末晶粒除氣和熱壓固結(jié)后，再經(jīng)軋制、擠壓和 鍛造等成形工藝便可以得到細(xì)晶材料。 鑄錠變形細(xì)化晶粒 通過對(duì)鎂合金鑄錠進(jìn)行后續(xù)變形處理也可以細(xì)化晶粒，主 要方法如下： 等通道角擠壓（ ECAE）： 一種可以使鑄錠等冶金材料 均質(zhì)化、細(xì)晶化的技術(shù)。 設(shè)備見右圖。 圖 3-4 大比率擠壓：由于擠壓比很 大，晶粒被拉長以致斷裂成微 小的顆粒，晶粒之間的相互摩 擦加劇了破碎的過程。 4 鎂合金鑄造 4.1 概述 工業(yè)鎂合金按生產(chǎn)工藝分為鑄造鎂合金和變形鎂合金，其中 鑄造鎂合金約占鎂合金總量的 90%以上。 按性能特點(diǎn)可以分為高強(qiáng)鎂合金和耐熱鎂合金，高強(qiáng)鎂合金 主要以 AZ系和 ZK系為主，

21、耐熱鑄造鎂合金則大多以 EK系為主。 高強(qiáng)鑄造鎂合金一般具有較高的常溫強(qiáng)度和良好的鑄造工藝 性能，但是耐熱性差，長期工作溫度不超過 150 。而耐熱鎂合 金一般是指能在 150 以上溫度范圍內(nèi)長期工作的鎂合金。 4.2 鎂合金熔煉 特點(diǎn)：鎂合金暴露在大氣中 會(huì)迅速氧化，當(dāng)溫度超過熔點(diǎn) 時(shí)遇見氧即發(fā)生劇烈的燃燒， 最終發(fā)生爆炸。 圖 4-1 采取措施 : 以鹽類溶劑覆蓋于熔體上； 以抑制性元素添加在熔體上作為覆蓋層； 在反應(yīng)氣氛下處理熔體，在其上形成薄膜； 在惰性氣氛下處理熔體。 無論采取什么措施，均是利用某些成分隔絕高溫鎂與空氣的接 觸，阻止鎂的氧化。 4.2.1 熔煉過程中的阻燃保護(hù) 熔劑保

22、護(hù) 以低于 400 的熔融鹽覆蓋在鎂熔體表面，切斷鎂液與空 氣的接觸。目前國內(nèi)常用的是 RJ系列溶劑。 表 4-1 氣體保護(hù) SF6與空氣混合的氣體保護(hù)工藝， SF6的作用是使鎂合金液 面生成很薄、很致密的一層保護(hù)性膜。該膜的主要成分是 MgO， 并有少量的 MgF2存在。 優(yōu)點(diǎn)：大大提高了鎂合金液的純凈度，減少了鎂的熔煉損失； 缺點(diǎn)： SF6是溫室氣體，其溫室作用是 CO2的 23900倍。 合金化阻燃保護(hù) 通過加入合金元素提高鎂合 金的燃點(diǎn)，使熔煉和澆鑄時(shí) 不產(chǎn)生燃燒。 圖 4-2 4.2.2 鎂合金成形過程中的阻燃保護(hù) 主要采用氣相保護(hù)，致密膜保護(hù)和釉質(zhì)膜保護(hù)。 砂型鑄造過程中的阻燃保護(hù)

23、 在型砂中加入氟化物和硼酸，在澆鑄過程中向金屬液流噴 硫粉阻燃。 壓鑄過程中的阻燃保護(hù) 采用真空壓鑄技術(shù)，以隔絕鎂與氧發(fā)生發(fā)應(yīng)。 4.2.3 鎂合金的精煉和變質(zhì)處理 精煉處理 背景：鎂的化學(xué)活性很強(qiáng)，熔煉過程中以產(chǎn)生非金屬夾雜，惡 化合金的力學(xué)性能，還伴生縮孔、氣孔等缺陷。鎂合金中主要的 氣體是氫，主要的夾雜物是 MgO，同時(shí)還有 MgF2、 MgCl2等。 精煉方法：加入 C2Cl6、 MgCO3和 CaCO3等精煉溶劑。 變質(zhì)處理 目的：細(xì)化鑄態(tài)組織晶粒； 方法：碳素材料變質(zhì)處理法，常用的變質(zhì)劑為 C2Cl6 。 4.3 鎂合金鑄造成形 鎂合金成形主要通過鑄造和塑性變形兩種方式來實(shí)現(xiàn)。 常

24、規(guī)壓鑄：鎂合金鑄造最主要的成形工藝； 真空壓鑄：通過在壓鑄過程中抽出型腔內(nèi)的氣體而減少或消 除壓鑄件內(nèi)的氣孔和溶解氣體，提高壓鑄件的力學(xué)性能和表面 質(zhì)量； 擠壓鑄造：北美壓鑄協(xié)會(huì)（ NADAC）對(duì)擠壓鑄造的定義為 采用低的充型速度和最小的擾動(dòng)，使金屬在高壓下凝固，以獲 得科熱處理的高致密度鑄件的鑄造工藝。 半固態(tài)鑄造：對(duì)于從液相到固相凝固過程中的金屬熔體進(jìn)行 強(qiáng)烈攪拌，在熔體達(dá)到一定固相分?jǐn)?shù)時(shí)，對(duì)其進(jìn)行壓鑄或擠壓 成形。 鎂 合 金 的 鑄 造 缺 陷 表 4-9 4.4 鎂合金的鑄造設(shè)備 圖 4-10 4-12 圖 4-13 圖 4-17 圖 4-18 4-19 圖 4-20 圖 4-21

25、5 鎂合金的塑性成形 5.1 概述 鎂具有 hcp結(jié)構(gòu)，室溫下滑移系僅為三個(gè)，導(dǎo)致鎂合金的 塑性很低，冷變形困難。當(dāng)成形溫度升高到 180 240 之間 時(shí)，隨著孿晶的形成而有更多的附加滑移面產(chǎn)生，使鎂合金 的塑性得到很大提高；而溫度進(jìn)一步升高達(dá)到 300 以上， 即可出現(xiàn)再結(jié)晶過程，使鎂合金具有更好的成形性能。 常用的成形方法有：擠壓成形、鍛造成形、軋制成形、等 溫及超塑性成形和板料成形。 5.2 鎂合金軋制技術(shù) 表 5-2 表 5-3 5.3 鎂合金擠壓成形 圖 5-2 表 5-7 5.4 鎂合金鍛造成形 表 5-11 表 5-12 5.5 鎂合金等溫成形 圖 5-9 圖 5-10 5.6

26、 鎂合金的超塑性 表 5-17 5.7 鎂合金板材的成形 成形鎂合金與成形鋼、鋁或銅的主要差別是成形溫度。雖 然可在室溫下進(jìn)行某些鎂合金的成形，但使用最多的還是高 溫。 5.8 鎂合金先進(jìn)的塑性成形技術(shù) 鎂合金先進(jìn)的塑性成形技術(shù)主要有：等通道擠壓，快速凝 固 /粉末冶金，噴射沉積，鑄鍛復(fù)合成形，液態(tài)模鍛再鍛造， 條料鑄軋和噴射 +軋制 /鍛造 /擠壓。 圖 5-19 圖 5-26 圖 5-18 圖 5-24 6 鎂合金的連接 6.1 概述 絕大多數(shù)鎂合金可以用氣焊、氬弧焊、電阻焊、電子束 焊、釬焊等方法焊接，目前通常使用氬弧焊方法焊接。氬弧 焊適用于一切鎂合金焊接，它能得到較高的焊縫強(qiáng)度系數(shù)，

27、 焊接變形比氣焊小，焊接時(shí)可以不用氣劑。且鑄件可用氬弧 焊修補(bǔ)并能獲得滿意的焊接質(zhì)量。 鎂合金因?yàn)闆]有適用的焊劑，不能用埋弧焊。 鎂合金也可用粘接連接。 6.2 鎂合金焊接特點(diǎn)與焊接性 焊接特點(diǎn) （ 1）粗晶 （ 2）氧化與蒸發(fā) （ 3）薄件的燒穿與塌陷 （ 4）熱應(yīng)力 （ 5）裂紋 （ 6）氣孔 鎂合金在沒有隔絕氧的條件下焊接，易燃燒，焊接時(shí)需用 惰性氣體或焊劑保護(hù)。由于焊鎂時(shí)要求用大功率的熱源，當(dāng)接 頭出溫度過高時(shí)，母材料將產(chǎn)生“過燒”現(xiàn)象。因此，焊鎂時(shí) 必須控制好接頭溫度。 鎂合金的焊接性 表 6-1 表 6-2 6.3 鎂及鎂合金的焊接技術(shù) 氣焊：火焰的熱量散布范圍大，焊件加熱區(qū)域較寬

28、。所以焊 縫的收縮應(yīng)力大，容易產(chǎn)生裂紋等缺陷。主要用于不太重要的 鎂合金薄板結(jié)構(gòu)的焊接及鑄件的焊補(bǔ)。 氬弧焊：熱影響區(qū)尺寸及變形比氣焊時(shí)小，焊縫的力學(xué)性能 和耐腐蝕性能都比氣焊高，是目前焊接鎂合金最常用的方法。 電阻電焊：瞬時(shí)快速加熱，用于某些鎂合金框架、儀表艙、 隔板的焊接。 釬焊：所用釬料為鎂合金釬料，釬劑一般用氯化物和氟化物 混合粉末。 6.4 鎂合金的粘接 鎂合金粘接已被廣泛應(yīng)用于軍用飛機(jī)蒙皮、面板的連接中， 并在汽車裝配件的原型連接中應(yīng)用前景看好。 表 6-23 7 鎂合金的腐蝕及表面防護(hù)處理 7.1 概述 鎂及鎂合金表面極易產(chǎn)生腐蝕形成疏松多孔的氧化鎂 ,耐 腐蝕性差 ,制約了鎂合

29、金的廣泛應(yīng)用 . 影響鎂合金耐腐蝕性能的因素：氯化物溶劑夾雜；夾雜 元素 Fe， Ni， Co， Cu；合金的使用環(huán)境；加工工藝和組織 狀態(tài)等。 提高鎂合金耐腐蝕性能的方法：提高合金的純凈度， 最大限度地降低鎂合金中重金屬元素的含量；采用各種表 面處理方式，對(duì)合金表面進(jìn)行防護(hù)處理。 7.2 鎂的電化學(xué)特性及耐腐蝕性 鎂的電化學(xué)特性 鎂的平衡電位在金屬中是非常低的，其腐蝕電位依介質(zhì)而 異，一般在 +0.5 -1.64V之間。在自然環(huán)境中的腐蝕電位為 -1.3 -1.5V。 表 7 1 鎂在室溫下的腐蝕熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué) 圖 7 1 Mg H2O MgO H2 Mg 2 H2O MgO 2H Mg=M

30、g2+ +2e 鎂的負(fù)差數(shù)效應(yīng) 隨著電位正移，鎂的析氫反而加速，這與 Fe和 Zn的析氫 行為截然相反。 圖 7 2 氧化鎂膜的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn) MgO的晶格屬于 n-型半導(dǎo)體。 MgO晶體中存在多余的 Mg 2 ，以間隙離子的形式存在其中，同時(shí)還存在負(fù)電子。 在一定的激活能下，金屬離子 Mg 2 和電子將通過間隙擴(kuò)散。 高溫氧化時(shí)，間隙離子 Mg 2 和電子 e向 MgO/O2界面遷移， 并于氧反應(yīng)生成 MgO，這樣的結(jié)果是在 MgO/O2界面上氧化 鎂增長。 鎂在室溫不同環(huán)境下的腐蝕 大氣中：立即氧化形成灰色的 MgO膜； 潮濕大氣： MgO將轉(zhuǎn)化為 Mg(OH)2； 水溶液中：在酸性、中性或弱

31、堿性溶液中，鎂被腐蝕而生 成 Mg 2 離子，但是在 PH值為 11 12或以上的堿性區(qū)，容易 生成穩(wěn)定的 Mg(OH)2膜而達(dá)到鈍化耐蝕， 鎂在高溫下的氧化腐蝕 在高溫時(shí)，鎂在空氣中極易氧化，氧化膜失去保護(hù)性。 表 7 2 表 7 3 7.3 鎂合金的腐蝕類型 金屬腐蝕可以分為全面腐蝕和局部腐蝕。從工程技術(shù)上看， 全面腐蝕相對(duì)局部腐蝕危險(xiǎn)性要小些，局部腐蝕往往在沒有任 何征兆的情況下，金屬結(jié)構(gòu)就突然發(fā)生斷裂，可能造成嚴(yán)重的 事故。 鎂合金腐蝕的主要類型： 全面腐蝕與電偶腐蝕 電偶腐蝕是鎂合金在腐 蝕環(huán)境中產(chǎn)生的一種電化 學(xué)腐蝕，在宏觀上表現(xiàn)為 全面腐蝕。 表 7 4 應(yīng)力腐蝕開裂（ SCC）

32、 應(yīng)力腐蝕開裂（ SCC， Stress Corrosion Cracking）是指材 料在特定的腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力共同作用下發(fā)生的脆性斷裂。由 電化學(xué)腐蝕加上應(yīng)力的作用導(dǎo)致裂紋形成，裂紋的發(fā)展主要由 力學(xué)因素引起，直至斷裂。 腐蝕疲勞 在 20世紀(jì)初期 Moore就進(jìn)行了 Elektron鎂合金旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞 壽命試驗(yàn)，但此后這方面的研究進(jìn)展緩慢。影響鎂合金疲勞極 限的因素有：合金元素，加載頻率，工作介質(zhì)等。 其他腐蝕 圖 7 3 圖 7 4 7.4 影響鎂和鎂合金耐腐蝕性的因素 影響因素 純度及合金元素種類：氫過電位低的雜質(zhì)如 Fe， Ni， Cu， Co 的存在，會(huì)強(qiáng)烈加速鎂的腐蝕。 Cd，

33、 Zn， Ca， Ag對(duì)腐蝕速率 有輕微的中等加速的影響。重金屬雜質(zhì)還常常導(dǎo)致與緊固件或 非同類金屬連接件的一般性點(diǎn)狀腐蝕。 熱處理：一般情況下凡是導(dǎo)致析出金屬間化合物的熱處理通 常都會(huì)降低鎂合金的耐蝕性。 冷加工：如拉伸和彎曲，對(duì)腐蝕速率無明顯影響。 提高鎂合金耐腐蝕性能的途徑 減少鎂合金中的有害雜質(zhì)元素，使鎂合金高純化； 采用快速凝固工藝，擴(kuò)大固溶度限制和細(xì)化晶粒； 通過合適的表面處理。 7.5 鎂合金的表面處理 當(dāng)前商業(yè)應(yīng)用的鎂合金表面處理方法主要為陽極氧化、 化學(xué)轉(zhuǎn)化膜以及鍍鎳，使鎂合金表面形成一層新的保護(hù)膜。鎂 合金表面形成含 MgO、 MgAl2O4、 MgF2、 Mg17Al12

34、等的保護(hù)膜 均有利于提高鎂合金表面的耐蝕性。 8 廢鎂回收及鎂合金安全生產(chǎn) 8.1 概述：鎂合金廢料主要產(chǎn)生于壓鑄產(chǎn)品的生產(chǎn)和加工 圖 8 1 .8.2 壓鑄廢鎂合金的分類 表 8 1 8.3 鎂合金廢料的處理 對(duì)鎂合金廢料進(jìn)行前期處理然后熔煉。 圖 8 3 8.4 鎂合金安全生產(chǎn) 鎂具有非常活潑的化學(xué)性質(zhì)，鎂粉、鎂屑又極具易燃、易 爆性，這是安全生產(chǎn)和防范的關(guān)鍵。 圖 8 4 圖 8 5 9 鎂合金的應(yīng)用 9.1 概述 鎂合金被譽(yù)為“ 21世紀(jì)綠色工程材料”，世界鎂產(chǎn)業(yè)以每 年 15 25的幅度增長，這在近代工程金屬材料的應(yīng)用中是 前所未有的。 鎂合金具有優(yōu)異的性能（低密度、比剛度和比強(qiáng)度高）， 因而廣泛應(yīng)用于航空、航天、交通工具、 3C產(chǎn)品、紡織和印刷 行業(yè)等。 9.2 鎂合金在汽車工業(yè)上的應(yīng)用 圖 9 1 圖 9 2 9.3 鎂合金在摩托車上的應(yīng)用 圖 9 4 圖 9 5 鎂合金摩托車輪 圖 9 8 圖 9 9 圖 9 11 9.4 鎂合金在自行車上的應(yīng)用 鎂合金自行車 鎂合金自行車架 9.5 鎂合金在航空上的應(yīng)用 表 9 1 圖 9 16 圖 9 18 9.6 鎂合金在 3C產(chǎn)品上的應(yīng)用 圖 9 20 圖 9 21 鎂合金諾基亞 3310手機(jī)殼 鎂合金外殼 MP3 9.7 鎂合金在武器中的應(yīng)用 圖 9 22 9.8 鎂及鎂合金在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用 圖 9 23