镁合金及应用

材料科学与化学工程学院经典学术专著选读（读书心得）学号：S313107008专业：材料工程学生姓名：肖赢指导教师：巫瑞智指导教师评语：导师签字：年月日成绩《镁合金及应用》学习心得镁及镁合金具有密度小、比强度高、加工焊接、切削加工性好、导热性好、电磁屏蔽能力强和阻尼性能良好及尺寸稳定、价格低廉、可以回收利用等优点，在交通、通讯、电子和航空航天等领域的应用前景十分广泛，2003年世界和我国原镁产量已分别达到51万吨和34万吨，且以每年20%的速度迅速增长。中国是镁资源大国，储量居世界第一，目前原镁的生产量占全世界的2/3，是原镁最大的生产国和出口国，但并非为镁合金产品加工和应用的强国。国家科技部、发展改革委员会等部门和相关地方政府投入大量资金用于镁合金基础研究、应用开发及产业化发展。编著者参与了国家高新技术863“高强度变形镁合金研制及其应用研究”，“先进轻武器材料技术”，国家“十五”攻关“交通工具用镁合金零部件生产及应用共性关键技术研究开发及产业化”等项目，在进行项目研究过程中发现关于镁合金的专著较少，而且各自的侧重面有所差异。随着镁合金研究开发的不断深入，越来越多的人加入镁合金基础研究和产业化队伍中，为了方便相关读者了解镁合金的基础知识和研究现状，该书收集的资料进行了归纳整理，同时也将编著者们的研究成果和国内外最新的技术成果进行了介绍。本书从原镁生产、镁合金的制备、表面处理、回收利用以及安全生产到镁合金的应用进行了较为全面系统的分析和总结，概括了当前镁合金的发展情况。1、镁资源及原镁生产镁在地壳中的储藏量极其丰富，为2.77%，在地壳表层储量居第6位。在大多数国家都能发现镁矿石，已知镁矿多达60余种，然而最主要的资源还是海水，含量为0.13%。我国是世界上镁资源最丰富的国家，已探明的菱镁矿石保有储量30.09亿吨，约占世界探明储量的1/4.在我国，符合炼镁要求的I、II级矿占78%，主要分布的辽宁和山东、山西、宁夏、内蒙、河南等各省区。菱镁矿石经过燃烧，碳酸镁分解为氧化镁和二氧化碳。氧化镁具有较强的耐火性能和绝缘性能，广泛应用于冶金、建材、轻工、化工、医药、航空、航天、军工、电子、农牧等行业。在大气压下纯镁的晶体结构是密排六方形。镁的化合物是17世纪末发现的。1695年美国的物理学家葛留在埃蒲荪的矿泉中发现了硫酸镁，后来又发现了碳酸镁。1755年英国人布拉克正式确定了镁元素的存在，1808年英国化学家戴维电解汞和MgO的混合物，通过加热驱走了汞，分离出单体镁。1852年本生在实验室里对电解法进行了较为详细的研究，并由试验研究走向工业生产，1885年建立了工业电解槽。后来戴维等许多科学家对电解质、阳极和阴极材料、添加剂以及水分、硫酸盐等杂质对电解过程的影响作了详细的研究。1897年美国的贝尔达乌取得了电解熔融氯化镁与氯化钠的混合物抽取金属镁的专利权。电解熔融氯化物制取金属镁的方法在19世纪末已初具规模，金属镁成了工业金属。后来，电解熔融氯化物制取金属镁的方法在工艺设备方面又进行了一系列的改进。直到目前为止，电解法仍然是生产金属镁的主要工艺方法之一。自20世纪30年代开始，金属热还原法开始建立并极受重视，尤其是硅热法炼镁。由于具有工艺较简单、无污染、建厂快、投资省等优点，已成为生产金属镁的一种主要方法。我国镁工业赴较晚。镁冶金的现代方法主要分为两种：一是电解法；二是硅热法。2、镁合金的成分、组织和性能工业用镁的纯度可达到99.9%，但是纯镁不能用作结构材料。在纯镁中加入铝、锌、锂、猛、锆等稀土元素形成的镁合金具有较高的强度，可以作为结构材料广泛应用。在20世纪20年代至30年代晚期，镁合金的开发和应用达到第一个高峰；在20世纪50年代，达到第二个高峰；从20世纪90年代至今是第三个高峰。镁合金铸有多种方法，包括重力铸造和压力铸造；砂型铸造、永久模铸造、半永久模铸造、熔模铸造、挤压铸造、低压铸造和高压铸造。通常所说的压铸是指高压铸造，以区分重力铸造和低压铸造。对于具体材料，就根据其化学成分、工艺要求来选择合适的铸造方法。合金成分和铸造工艺对组织结构有重要的影响。合金元素，尤其是稀土元素RE引起中间相结构的复杂变化，对镁合金的组织和性能产生很大的影响。许多镁合金既可做铸造镁合金又可做变形镁合金。变形镁合金经过挤压、轧制和锻造等工艺后具有比相同成分的铸造镁合金更高的力学性能。变形镁合金制品有轧制薄板、挤压件和锻件等。这些产品具有更低成本、更高强度和延展性以及多样化的力学性能等优点。其工作温度不超过150℃。在镁中加锂元素能获得超轻变形镁锂合金，它是迄今为止最轻的金属结构材料，具有极优的变形性能和较好的超塑性能，已应用在航天和航空器上。镁合金在熔炼铸造时很容易氧化、燃烧和吸气，其铸锭常常存在一些空隙、氧化物夹杂或蚀坑等缺陷，它们尤其是夹杂物对镁合金的力学性能和腐蚀性能产生严重的影响。3、镁合金强化处理工业纯镁的室温塑性很差，如纯镁单晶体的临界切应力只有4.8~4.9MPa，此外，纯镁多晶体的强度和硬度也比较低，不能直接用作结构材料。通过形变硬化、晶粒细化、合金化、热处理、镁合金与陶瓷相复合等多种方法或这些方法的综合应用，镁的力学性能会得到大幅度改善。国内外在镁及其合金的强化方面进行了大量的研究，并取得了积极的成果。目前已应用于镁合金的强化处理方法主要有合金化强化、热处理强化、复合强化和细晶强化。在这些强化处理方法中，以合金化强化为最基本、最常用和最有效的强化处理方法，其他方法均建立在合金化强化的基础上。3.1镁的合金化处理镁的合金化一般都是利用固溶强化、沉淀强化和弥散强化来提高合金的常温和高温力学性能，因此其合金化设计应从晶体学、原子的相对大小、原子价以及电化学因素等方面进行考虑。选择的合金化元素应在镁基体中有较高的固溶度，并且随温度变化有明显变化，在时效过程中合金化元素能形成强化效果比较突出的过渡相，除了对力学性能进行优化外，还要考虑合金化元素对抗蚀性、加工性能及抗氧化性能的影响。3.2镁的热处理镁合金热处理的目的是在不同程度上改善其力学性能，如抗拉强度、屈服强度、伸长率、塑性、硬度和冲击韧性等。而有些热处理则是为了减少铸件的铸造内应力或淬火应力和在高温下工作时这些应力的生长倾向，达到稳定尺寸的目的。其热处理的特点是：镁固溶体的扩散和分解过程缓慢，因此固溶处理和时效处理时需要保持较长的时间，其铸态力学性能可通过热处理的方法改善，对于锻件，既可单独也可以交用冷加工、退火、固溶和时效等方式来提高镁合金的力学性能。3.3镁合金的细晶强化处理镁合金的细晶强化主要是通过控制镁合金晶粒度的方法实现。细晶强化时，晶界是滑移传递的有效障碍，晶界前方的应力集中使得更多的滑移系被激活，合金的整体变形更加均匀，带来合金强度和韧性的提高。获得细小等轴的晶粒可以改善合金的性能，根据以往的研究结果表明，目前镁合金的晶粒度可通过变质处理、热加工、塑性变形和快速凝固等方法控制。4、镁合金铸造工业镁合金按生产工艺可以分为铸造镁合金和变形镁合金，其中铸造镁合金约占镁合金总量的90%以上，按性能特点可分为高强镁合金和耐热镁合金，高强铸造镁合金一般具有较高的常温强度和良好的铸造工艺性能，但耐热性较差，长期工作温度不超过150℃。高强铸造镁合金具有均衡的力学性能、铸造性能和耐腐蚀性能，其屈服强度也较高，是目前应用最广泛的铸镁合金。耐热镁合金指能在150℃以上温度范围内长期工作，比一般高强镁合金的使用温度高出50~200℃，一般耐热镁合金都是通过添加稀土元素提高镁合金高温性能。5、镁合金的塑性成形变形镁合金的塑性成形方法与变形铝合金的塑性成形方法基本相同，常用的成形方式有：挤压成形、锻造成形、轧制成形、等温及超塑成形和板料成形。由于镁具有密排六方晶体结构，在室温条件下变形只有基面{0001}产生滑移，滑移系数仅为3个，晶面产生滑移的可能性相当有限，因而导致镁合金的塑性很低，冷态变形十分困难，必须升高成形温度以实现镁合金的塑性成形。当成形温度升高到180~240℃之间时，随着孪晶的形成而有更多和附加滑移面产生，使镁合金的塑性得到很大的提高；而温度进一步升高达到300℃以上，即可出现再结晶过程，使镁合金具有更好的成形性能。因此，镁合金的塑性成形加工一般均是在热态条件下完成的。镁合金可采用与铝合金相同的加热方式，一般是采用在箱式电阻炉中加热。镁合金有良好的导热性，任何开关和尺寸的毛坯或铸锭均可不经预热而直接放入炉膛加热。由于对镁合金进行塑性成形加工时，加热温度远低于合金的熔点温度，加热时不需要惰性气体或还原气氛保护。但必须保证炉温均匀，在预加热阶段必须避免出现大的温度梯度，防止坯料局部过热。若装有鼓风机等强制空气循环装置对坯料均匀加热是极为有利的。同时，加热炉应有可靠的温度控制精度，避免镁合金发生燃烧的危险。6、镁合金的连接绝大多数镁合金可以用气焊、氩弧焊、电阻焊、电子束焊、钎焊等方法焊接，目前通常用氩弧焊方法焊接。氩弧焊适用于一切镁合金焊接，它能得到较高的焊缝强度系数，焊接变形比气焊小，焊接时可不用气剂。且铸件可用氩弧修补并能获得满意的焊接质量。镁合金因为没有适用的焊剂，不能用埋弧焊。镁合金也可粘接连接。7、镁合金的腐蚀及表面防护处理镁及镁合金表面极易腐蚀形成疏松多孔的氧化镁，耐蚀性较差，制约了镁合金的广泛应用。这一问题一下受到人们的极大关注。影响镁合金耐蚀性能的因素有许多，镁合金铸件或铸锭中的氯化物溶剂夹杂可导致镁合金制品的耐腐蚀性能大幅度降低。合金中的夹杂元素铁、镍、钴、铜对镁合金的耐蚀性影响最大；镁合金在海洋气候环境下或酸雨环境中的抗蚀性也会大大降低：除此以外，影响镁合金腐蚀性的因素还有加工工艺、组织状态等。为了提高镁合金的耐腐蚀性能，一方面要提高镁合金的纯净度，最大限度地降低镁合金中重金属杂质元素的含量，研究熔炼高纯镁合金；另一方面应当采用各种表面处理方式，对镁合金表面进行防护处理。当然，只有在合理设计和正确装配连接的情况下，镁合金件才能取得理想的防护效果。另外，利用镁电位低、极易腐蚀的特点，镁及其合金可以用作船舶壳体、埋地管线和钢架等结构保护的牺牲阳极。8、废镁回收及镁合金安全生产镁及镁合金废料主要产生于压铸产品的生产和加工，而2000年以前我国的镁合金压铸业没有得到发展，因而产生的镁及镁合金废料也很少。2000年约3000多吨，2000年以后，日本、韩国以及我国台湾地区在中国建立了笔记本电脑、移动电话、台式电脑等大量电子产品的生产基地。由于这些产品的外壳大多采用镁合金压铸件生产，因而极大地带动了我国镁合金压铸业的发展。镁合金压铸件的另一个重要应用领域是汽车和摩托车部件，重庆已建成镁合金生产基地，主要产品是汽车和摩托车配件。国外一些镁厂也已经将生产基地转移到中国，主要发展方向就是镁合金压铸业，预计到2005年我国的镁及镁合金废料将达到1万吨左右。在压铸过程中所产生的废料有两种：一种是在压铸过程中产生的过剩镁合金，如料饼、流道、溢边、废零件、冒口结块、飞边、切屑、熔渣等。另一种是在机械加工中、喷漆过程中产生的废件。在压铸过程，仅有30%~50%的给料用于成形，剩下的50%~70%的给料都浪费在料柄和流道上了。因此，要达到减少环境污染和降低成本的目的，就必须找到回收料柄和流道等过剩镁合金和废品的方法。对于压铸成形件大多需要进行高精密两次机械加工以达到最终尺寸与性能要求，削去多余的料、钻空、抛光，严格按技术要求进行机械加工，但在机械加工中由于加工的尺寸没控制好也要产生废件；对于机械加工合格件要进行表面处理和喷漆，在喷漆时由于没有控制好也将产生废品。9、镁合金的应用全球范围掀起的镁合金开发应用热潮始于20世纪90年代。镁由于性能独特，正成为继钢铁、铝之后第三大金属工程材料，被誉为“21世纪绿色工程材料”，世界镁产业以每年15%~25%的幅度增长，这在近代工程金属材料的应用中是前所未有的。镁合金具有优异的性能（低密度、比刚度和比强度高），因而广泛应用于航空、航天、交通工具、3C产品、纺织和印刷行业等。镁合金零部件运动惯性低，应用到调整运动零部件上时效果尤为明显。另外