镁及其合金(图文教程)

一、概述

（一）镁及其合金的性能特点

    镁的密度小（1.74g/cm3），是铝的2/3，钢铁的1/4。镁合金是目前工业应用中最轻的工程材料，比强度和比刚度高，均优于钢和铝合金，可满足航空、航天、汽车及电子产品轻量化和环保的要求。此外，镁合金还具有铸造性能优良、阻尼减震性好、导电导热性好、电磁屏蔽性好以及原料丰富、切削加工简单和回收容易等优点，成为世界各地应用增长最快的材料之一，被誉为“21世纪的绿色工程结构材料”。

    镁的平衡电位较低（-2.34V），比铝的电位还负，在常用介质中的电位也都很低。镁表面的氧化膜一般都疏松多孔，不像氧化铝膜那样致密而有保护性，故镁及镁合金耐蚀性较差，具有极高的化学和电化学活性。其电化学腐蚀过程主要以析氢为主，以点蚀或全面腐蚀形势迅速溶解直至粉化。镁合金在酸性、中性和弱碱性溶液中都不耐蚀。在pH值大于11的碱性溶液中，由于生成稳定的钝化膜，镁合金是耐蚀的。如果碱性溶液中存在Cl-，使镁表面钝态破坏，镁合金也会腐蚀。在NaCl溶液中，镁在所有结构金属中具有最低电位。故其抗蚀能力很低，这严重制约了镁合金的应用。但是随着镁合金腐蚀防护研究的不断深入和新型耐蚀镁合金材料的开发，镁合金的应用领域必将进一步扩大。

（二）镁合金的分类

    根据生产工艺的不同，镁合金可分为铸造（包括压铸和砂型铸造）镁合金和变形镁合金。许多镁合金既可做铸造镁合金，又可做变形镁合金。经锻造和挤压后，变形镁合金比相同成分的铸造镁合金有更高的强度，可以加工成形状更复杂的零件。我国的镁合金牌号中，MB表示变形镁合金，ZM表示铸造镁合金，后面标以序号。

    根据化学成分的不同，镁合金可分为Mg-Al、Mg-Zn、Mg-RE、Mg-Li系镁合金。Mg-Al系镁合金是应用最广泛的耐热镁合金，压铸镁合金主要是Mg-Al系合金。以Mg-Al系合金为基础，添加一系列其它合金元素形成了新的AZ（Mg-Al-Zn）、AM（Mg-Al-Mn）、AS（Mg-Al-Si）、AE（Mg-Al-RE）系列镁合金。

二、变形镁合金

    镁为密排六方晶格，这就决定了镁的塑性低，且物理性能和力学性能均有明显的方向性，这使其在室温下的变形只能沿晶格底面（0001）进行滑移，这种单一滑移系使它的压力加工变形能力很低。镁只有在加热到225℃以上时，才能通过滑移系的增加使其塑性显著提高。因此，镁及镁合金的压力加工都是在热状态下进行的，一般不宜进行冷加工。

    常用变形镁合金的牌号和化学成分见表9-5，主要合金系为Mg-Mn、Mg-Zn-Zr、Mg-RE、Mg-Li系等。

表9-5 常用变形镁合金的化学成分（质量分数，%）

（一）Mg-Mn系合金

    Mg-Mn系合金的使用组织是退火组织，在固溶体基体上分布着少量β-Mn颗粒，有良好的耐蚀性和焊接性。随锰含量增加，合金的强度略有提高。MB1、MB2、MB8合金都属于Mg-Mn系合金。MB1合金高温塑性好，可生产板材、棒材、型材和锻件，其中板材用于焊接件，棒材用作汽油和润滑油系统附件及形状简单、受力不大的高抗蚀性零件。MB2合金主要用于生产形状较复杂的锻件和模锻件。在MB1合金基础上加入稀土元素，就成为MB8合金，细化了晶粒，提高了室温和高温强度，将工作温度由MB1合金的低于150℃提高了50℃。MB8合金有中等强度和较高的塑性（б0.2=167MPa，бb=245MPa，δ=18%），可生产管材、棒材、板材和锻件，目前已取代MB1合金，用于飞机的蒙皮、壁板及润滑系统的附件。

（二）Mg-Zn-Zr系合金

    Mg-Zn-Zr系合金是热处理强化变形镁合金，主要牌号有MB15、MB22、MB25。MB15合金为高强度变形镁合金，经过挤压后具有细晶组织，有较高的强度和塑性。挤压棒材经过固溶和人工时效后，б0.2=343MPa，бb=363MPa，δ=9.5%，而经过挤压和人工时效后，б0.2=324MPa，бb=355MPa，δ=16.7%。由于MB15合金强度高，耐蚀性好，无应力腐蚀倾向，且热处理工艺简单，能制造形状复杂的大型构件，如飞机上的机翼翼肋等，使用温度不得高于150℃。在MB15合金的基础上加入适量的稀土元素，就成为MB22和MB25合金，它们可以取代部分中等强度铝合金，用于制造飞机受力构件。

（三）Mg-RE系合金

    Mg-RE系合金是超过200℃应用的镁合金。常用的稀土元素是Y、Nd、Ce、Dy、Gd等，此外还有混合稀土。加入稀土元素是提高镁合金性能最为直接的方法，可以有效提高镁合金的室温和高温力学性能，因此稀土元素在镁合金中的应用十分广泛。

（四）Mg-Li系合金

    Mg-Li系合金采用密度只有0.53g/cm3的Li作合金元素，可得到比镁还要轻的合金，因此具有超轻合金之称。Mg-Li合金具有较好的塑性和较高的弹性模量，且阻尼减震性好，易于切削加工，是航空工业理想的材料。

三、铸造镁合金

    镁在高温下极易氧化，其氧化膜非但无保护性，反而会促进进一步的氧化。镁合金的熔炼都在650℃以下进行，温度高会使氧化加剧，在850℃以上表面有火焰出现或发生爆裂。因此镁合金熔炼前，所用各种原材料均要烘干以免带入水分；熔炼时要通入惰性气体或加覆盖剂进行保护，避免发生氧化和燃烧；浇注前要搅拌以出去氧化物和氯化物夹杂，防止其降低合金的耐蚀性，且铸型也要充分烘干，以免浇注时发生爆炸。

    常用铸造镁合金的牌号和化学成分见表9-6，主要合金系为Mg-Zn-Zr、Mg-Al-Zn、Mg-RE、Mg-Th系等。

表9-6 常用铸造镁合金的化学成分（质量分数，%）

（一）Mg-Zn-Zr系合金

    Mg-Zn-Zr系合金中含有Mg2Zn3相，其介稳相MgZn2有沉淀强化效果。当锌含量增加时，合金的强度升高，但锌含量超过6%时，合金的强度提高不明显，而塑性下降较多。加入少量锆后可细化晶粒，改善力学性能。早期使用的ZM1合金，采用铸件直接进行人工时效，其 б0.2=167MPa，бb=275MPa，δ=7.5%。在ZM1合金的基础上加入适量的混合稀土，使其铸造性和焊接性得到改善，就成为ZM2合金，其高温蠕变强度、瞬时强度和疲劳强度均得到明显提高，可在170-200℃下工作，用于制造飞机的发动机和导弹的各种铸件。

（二）Mg-Al-Zn系合金

    Mg-Al-Zn系合金中的铝含量一般要高于7%，才能保证合金有足够高的强度。加入少量锌可提高合金元素的固溶度，加强热处理强化效果，有效的提高合金的屈服强度。加入少量锰是为了提高耐蚀性，消除杂质铁对耐蚀性的不良影响。根据高锌的Mg-Al-Zn合金的优良铸造性能，发展了AZ88（Mg-8Al-8Zn）合金，它比AZ81（Mg-8Al-0.5Zn）合金和AZ91（Mg-9Al-0.5Zn）合金有更好的耐蚀性和可铸性，用于制造压铸件。常用的Mg-Al-Zn合金为ZM5，由于铝含量不高，故合金的流动性好，可以焊接。通常在415-420℃固溶处理，在热水中或空气中冷却，再经175℃或200℃时效处理。其力学性能б0.2=118MPa，бb=250MPa，δ=3.5%，用于制造飞机机舱连接隔框、舱内隔框等，以及发动机、仪表和其他结构上承受载荷的零件。

（三）Mg-RE系合金

    Mg-RE系合金是在高温下应用的镁合金。由于稀土元素对铸造镁合金质量的改进和工作温度的升高，形成了以稀土元素为主要合金元素的Mg-RE系合金，用于200-300℃范围，具有良好的高温强度。常用的Mg-Al-Zn合金为ZM5，由于铝含量不高，故合金的流动性好，可以焊接。ZM6合金经540℃固溶处理，205℃时效，室温下б0.2=157MPa，бb=245MPa，δ=4%，200℃时强度仍保持较高水平，其б0.2=108MPa，бb=196MPa，可在250℃下长期工作。应用最广的是QE22（Mg-2.5Ag-2Nd-0.7Zr），经525℃固溶4-8h水冷，200℃时效8-16h，其б0.2=185MPa，бb=240MPa，δ=2%，在250℃以下有较高的屈服强度，可用于制造飞机起落架等部件。

（四）Mg-Th系合金

    Mg-Th系合金中的QH21（Mg-2.5Ag-1Nd-1Th-0.7Zr），由于加入了钍元素，降低了钕在镁中的溶解度，促使时效析出更为细小的沉淀强化相，并且不易聚集长大，因而有比QE22合金更为优越的蠕变性能。但钍具有放射性，这限制了它的使用。