鎂合金的特點(diǎn)

在純鎂中加入某些有用的合金元素可獲得不同的鎂砂合金，它們不僅具有鎂的各種特性，而且能大大改善鎂的物理、化學(xué)和力學(xué)性能，擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。目前，已開發(fā)出幾十種不同性能的鎂合金，形成了鎂合金體系。

     大多數(shù)鎂合金具有以下特點(diǎn)：

（1）鎂合金的密度比純鎂（1.738g·cm-3）稍高，為1.74-1.85g·cm-3，比鋁合金低36%，比鋅合金低73%，僅為鋼鐵的1/4，因而其比強(qiáng)度、比剛度很高。鎂合金是目前上輕的結(jié)構(gòu)材料，采用鎂合金制作零部件，可減輕結(jié)構(gòu)重量，降低能源消耗，減少污染物排放，增大運(yùn)輸機(jī)械的載重量和速度，是航空航天和交通運(yùn)輸工具輕量化的良好材料。

（2）鎂合金的比彈性模量與高強(qiáng)度鋁合金、合金鋼大致相同，用鎂合金制造剛性好的整體構(gòu)件，十分有利。鎂合金的焊接性能和抗疲勞性能也不錯(cuò)。

（3）鎂合金彈性模量較低，當(dāng)受外力作用時(shí)應(yīng)力分布更為均勻，避免過高的應(yīng)力集中。

（4）鎂合金有高的振動(dòng)阻尼容量，即高的減振性、低慣性。

（5）鎂及其合金在高溫和常溫下都具有一定的塑性,因此可用壓力加工的方法獲得各種規(guī)格的棒材、管材、型材、鍛件、模鍛件和板材以及壓鑄件、沖壓件和粉材等。

（6）鎂合金具有優(yōu)良的切削加工性能，其切削速度大大高于其他金屬，因其較高的穩(wěn)定性，鑄件的鑄造和加工尺寸精度高。

（7）鎂在堿性環(huán)境下是穩(wěn)定的，有抗鹽霧腐蝕性能。

（8）鎂與鐵的反應(yīng)性低，壓鑄時(shí)鑄模熔損少，使用壽命長(zhǎng)，鎂的壓鑄速度比鋁高。

（9）鎂在鑄造工業(yè)方面具有較大的適應(yīng)性，幾乎所有的特種鑄造工藝都可以鑄造。

     與其他合金材料相比，鎂合金也存在如下缺點(diǎn)：

（1）鎂的化學(xué)活性很強(qiáng)，在空氣中易氧化，易燃燒，且生成的氧化膜疏松，所以鎂合金必須在專門的熔劑覆蓋下或保護(hù)氣氛下熔煉。加工車間和制粉車間要特別注意防火。

（2）抗鹽水腐蝕能力差，因此必須進(jìn)行防腐處理。

（3）同鋼鐵材料接觸時(shí)，易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。

（4）楊氏模量、疲勞強(qiáng)度和沖擊值等零件設(shè)計(jì)方面的材料性能比鋁低。當(dāng)代替鋁合金制零件時(shí)，厚度要增加，有時(shí)得不到所期望的輕量效果。

（5）鎂合金的鑄造性差。凝固時(shí)易產(chǎn)生顯微氣孔，因而降低鑄件的力學(xué)性能。

（6）鎂合金鑄件的綜合成本比鋁合金高，加工件的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋁合金。

鎂合金分類

鎂合金的分類方法很多，各國(guó)不盡統(tǒng)一。但總的來說，不外乎根據(jù)鎂中所含的主要元素（化學(xué)成分）、成形工藝（或產(chǎn)品形式）和是否含鋯等三種原則來分類。

（一）   按合金成分分類

   鎂合金可分為含鋁鎂合金和不含鋁鎂合金兩大類。因多數(shù)不含鋁鎂合金都添加鋯以細(xì)化晶粒組織（Mg-Mn合金除外）。因此，工業(yè)鎂合金系列又可分為含鋯鎂合金和不含鋯鎂合金兩大類。以五個(gè)主要合金元素Mn、Al、Zn、Zr和稀土為基礎(chǔ)，組成基本鎂合金系：Mg-Mn、Mg- Al -Mn、Mg- Al- Zn -Mn、Mg-Zr、Mg- Zn -Zr、Mg- RE –Zr、Mg-Ag- RE –Zr、Mg- Y-RE –Zr。Th也是鎂合金中的一種主要合金元素，亦可組成鎂合金系：Mg-Th- Zr、Mg-Th- Zn- Zr、Mg-Ag-Th- RE –Zr。但因Th具有放射性，除個(gè)別情況外，已很少使用。

（二）   根據(jù)加工工藝或產(chǎn)品形式分類

   工業(yè)鎂合金可分為鑄造鎂合金和變形鎂合金兩大類：

（1）       鑄造鎂合金：

1.普通鑄造鎂合金：①M(fèi)g- Al- Zn、②Mg- Zn –Zr③Mg- Zn-Al, Mg- Zn-Al-Ca(ZAX)④Mg- RE→Mg-RE-Mn

2.壓力鑄造鎂合金：

（1）① Mg- Al- Zn（AZ91）② Mg- Al –Mn(AM50,AM60)③ Mg- Al –Si(AS41,AS21)    

④ Mg- Al- RE(AE42)⑤Mg- Al- Ca(AX51)：Mg- Al- Ca-RE(ACM522)和Mg- Zn-Al-Ca

（2）       Mg- RE- Zn(MEZ)

2.變形鎂合金：

①鍛造②擠壓：1. Mg- Al- Zn  2. Mg- Zn –Zr 3. Mg- Zn - Mn  4 . Mg- Mn  5. Mg-Li→Mg-Li-Al: Mg-Li-Al-MM和Mg-Li-Al-Si③軋制

兩者沒有嚴(yán)格的區(qū)分，鑄造鎂合金AZ91、AM20、AM50、AM60、AE42等也可以作為變形鎂合金。

鑄造鎂合金

鎂合金鑄造有多種方法，包括重力鑄造和壓力鑄造，可細(xì)分為砂型鑄造、模鑄造、半模鑄造、熔模鑄造、擠壓鑄造、低壓鑄造和高壓鑄造等。通常所說的壓鑄是指高壓鑄造，以區(qū)分重力鑄造和低壓鑄造。對(duì)于具體材料，應(yīng)根據(jù)其化學(xué)成分、工藝要求來選擇合適的鑄造方法。合金成分和鑄造工藝對(duì)重要的影響。合金元素，尤其是稀土元素RE引起中間相結(jié)構(gòu)的復(fù)雜變化，對(duì)鎂合金的組織和性能產(chǎn)生很大的影響。

鑄造鎂合金可分為普通鑄造（砂型鑄造、模鑄造）鎂合金和壓力鑄造（壓鑄）鎂合金。常見的普通鑄造鎂合金有：Mg-Al-Zn、Mg-Zn-Zr、Mg-Zn-Al（Mg-Zn-Al-Ca）、Mg-RE-Mn等系合金；常見的壓鑄鎂合金有：Mg-Al-Zn Mg-Al-Mn、Mg-Al-Si、Mg-Al-RE、Mg-Al-Ca、Mg-Al-Sr、Mg-RE-Zn等系合金。

鎂合金熔煉方法

根據(jù)變形鎂合金的特點(diǎn)，其熔煉工藝裝備大體分兩大類：火焰反射爐和坩堝爐。坩堝爐有電坩堝爐和燃料坩堝爐兩種。電坩堝爐又分工頻坩堝爐和電阻坩堝爐兩種。

在國(guó)外基本上是用5-12t火焰爐，或用坩堝爐熔制變形鎂合金。國(guó)內(nèi)既使用大型火焰反射爐，也采用工頻坩堝爐。坩堝爐更有利于提高金屬質(zhì)量和改善生產(chǎn)條件。

鎂合金熔鑄技術(shù)特點(diǎn)

（1）鎂的化學(xué)活性很強(qiáng)烈，在熔態(tài)下，極易和氧、氮?dú)饧八畾獍l(fā)生化學(xué)作用。在熔體表面如不嚴(yán)加保護(hù)，接近800℃時(shí)就很快氧化燃燒。為減少燒損、生產(chǎn)安全以及保證金屬質(zhì)量，在整個(gè)熔鑄過程中，熔體始終需用熔劑加以保護(hù)，避免與爐氣和空氣中的氧、氮及水氣接觸。因此，給工藝帶來了許多問題，如大量熔鹽給產(chǎn)品質(zhì)量、人身健康和安全生產(chǎn)帶來不少麻煩。

（2）除少數(shù)組元（元素），如Cd、Zn、Al、Ag、Li等外，其他組元在鎂中的溶解度都非常??；此外，在難熔組元間又易形成高熔點(diǎn)化合物而沉析，因此在工藝上加入很困難。由于鐵難溶于鎂中，故在鎂合金的熔鑄過程中，可使用不加任何涂層的鐵制工具。

（3）在有些鎂合金鑄錠中，易于發(fā)生局部晶粒大小懸殊現(xiàn)象。同時(shí)晶粒尺寸較大，晶粒形狀易于出現(xiàn)柱狀晶和扇形晶，嚴(yán)重影響壓力加工性能和制品的力學(xué)性能。因此，對(duì)不同合金要采取相應(yīng)的變質(zhì)處理方法來細(xì)化晶粒，并適當(dāng)改變晶粒形狀。由于鎂合金晶粒粗化傾向較大，對(duì)鎂合金鑄錠晶粒的尺寸大小和形狀原則上不作嚴(yán)格要求。

（4）鎂合金的氧化夾雜、熔劑夾渣和氣體溶解度遠(yuǎn)比鋁合金多。因此，需要進(jìn)行凈化處理。目前，在我國(guó)多采用熔劑精煉法，有些國(guó)家也采用氣體精煉法，并研發(fā)了一些新的凈化技術(shù)。鎂合金的凈化劑都是沉降型的，這點(diǎn)不同于鋁合金和其他有色金屬，這就給工藝和制品質(zhì)量帶來許多麻煩。因此，在凈化后需要有充分的靜置時(shí)間。在爐底還需另設(shè)排渣口，扒底渣的工序亦不容忽視。在整個(gè)熔鑄過程中，需要使用大量的熔劑，同時(shí)外加大量的化工材料（加入組元和變質(zhì)處理用），它們的質(zhì)量好壞，直接影響合金質(zhì)量，為此，對(duì)熔劑和熔鹽應(yīng)有嚴(yán)格要求。

（5）〔H〕對(duì)鎂合金也有一定影響。除了能影響含鋯-鎂合金中鋯的溶解度外，當(dāng)氫含量超過某一限額時(shí)（16㎝3/100g鎂），將在鑄錠上出現(xiàn)不同程度的顯微氣孔。因此，對(duì)氫含量也不應(yīng)忽視。

（6）由于鎂合金熱含量較低，當(dāng)加入高熔點(diǎn)組元或批量較大的化工材料時(shí)，將使熔體溫度降低較大。所以，鎂合金的熔煉溫度應(yīng)比鋁合金高。熔體過熱會(huì)使晶粒粗化，而且氧化、氮化及熱裂紋傾向性等，都隨著過熱溫度的提高趨于嚴(yán)重。因此，在工藝中應(yīng)盡力避免熔體過熱。在鎂-鋁系合金中有金屬過熱細(xì)化晶粒的效應(yīng)。但用這種方法細(xì)化晶粒將引起其他缺陷，效果不好。同時(shí)細(xì)化效應(yīng)時(shí)間也是短暫的，熔體停留時(shí)間稍長(zhǎng)則晶粒又復(fù)粗化。

（7）鎂合金遠(yuǎn)比鋁合金熔煉工藝復(fù)雜，但在研究方面卻比鋁合金差。因此，許多機(jī)理問題還有待確證。如熔鹽性質(zhì)、凈化機(jī)理、變質(zhì)處理等重要工藝，在機(jī)理方面許多還只是些假說，有些尚未經(jīng)確證。

（8）鎂合金的安全技術(shù)問題是很重要的。大多數(shù)熔鹽都有潮解性，大多數(shù)化工材料都有結(jié)晶水。在工藝過程中，液態(tài)金屬直接見水就產(chǎn)生飛濺性爆炸，務(wù)必嚴(yán)加注意。此外，有害氣體和粉塵，都應(yīng)妥善處理。

（9）金屬組元、金屬鎂以及加入的大多數(shù)化工材料，多數(shù)都是昂貴稀缺的原料。在工藝過程中燒損較大，實(shí)收率較低，嚴(yán)重影響制品的經(jīng)濟(jì)效果。

（10）為了保證鎂合金制品有高而均勻的性能，對(duì)鑄錠的致密度和成分區(qū)域偏析也應(yīng)重視。

（11）鎂合金的熱裂紋傾向較大，因此鑄造時(shí)的結(jié)晶速度不宜過高。但結(jié)晶速度較小時(shí)，又將促進(jìn)金屬中間化合物的形成和發(fā)展?？梢?，熱裂紋和金屬中間化合物，二者在工藝上有矛盾，這也是工藝復(fù)雜和困難的原因所在。必須全面考慮，適當(dāng)選擇。但由于鎂合金的彈性模量比鋁合金小得多（鎂的E=45000MPa,鋁的E=72000 MPa）,因此，鎂合金鑄錠的內(nèi)應(yīng)力遠(yuǎn)小于鋁合金，其冷裂紋傾向性要比鋁合金小得多。

變形鎂合金的特點(diǎn)

許多鎂合金既可做鑄造鎂合金又可做變形鎂合金。變形鎂合金經(jīng)過擠壓、軋制和鍛造等工藝加工后，具有比相同成分的鑄造鎂合金更高的力學(xué)性能。變形鎂合金制品有軋制薄板、擠壓件（如棒、型材和管材）和鍛件等。這些產(chǎn)品具有更像成本、更高強(qiáng)度和延展性以及多樣化的力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)。其工作溫度不超過150℃。

    在變形鎂合金中，常用的合金系是Mg-Al系與Mg-Zn-Zr系。Mg-Al系變形合金一般屬于中等強(qiáng)度，塑性較高的變形鎂材料，鋁含量約為0—8%，典型的合金為AZ31、AZ61和AZ80A合金，由于Mg-Al合金具有良好的強(qiáng)度、塑性和耐腐蝕綜合性能，而且價(jià)格較低，因此是常用的合金系列。Mg-Zn-Zr系合金一般屬于高強(qiáng)度材料，變形能力不如Mg-Al系合金，常要用擠壓工藝生產(chǎn)，典型合金為ZK60A合金。常用變形鎂合金有AZ31B、AZ61A、AZ80A和ZK60A等。

    典型的含先稀土的變形鎂合金有ZE10A（Mg-1.5Zn-0.2RE）。由于變形鎂合金的開發(fā)與應(yīng)用還不夠充分，有關(guān)稀土對(duì)其組織和性能影響的研究遠(yuǎn)不如在鑄造鎂合金中那么深入，只有少量相關(guān)報(bào)道。

在鎂中加鋰元素能獲得超輕變形鎂鋰合金，它是迄今為止輕的金屬結(jié)構(gòu)，具有極優(yōu)的變形性能和較好的超塑性能，已應(yīng)用在航天和航空器上。

   鎂合金一般均在300至500℃進(jìn)行擠壓、軋制和模壓加工，由于鎂合金的上述變形特點(diǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量有下列特性：

（1）六方結(jié)構(gòu)的Mg晶體彈性模量（E）各向異性不明顯，織構(gòu)對(duì)塑性加工產(chǎn)品的E值影響不大。

（2）擠壓溫度較低時(shí)，﹛0001﹜和﹤10ī0﹥傾向于與擠壓方向平行；軋制時(shí)基面﹛0001﹜傾向于與板面平行，﹤10ī0﹥與壓向相同。

（3）壓力與基面﹛0001﹜平行時(shí)易生孿晶，所以Mg合金受壓應(yīng)力時(shí)縱向屈服強(qiáng)度比受拉應(yīng)力時(shí)低。兩種屈服強(qiáng)度的比值位于0.5至0.7間，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（包括抗彎性能設(shè)計(jì)在內(nèi)）時(shí)要考慮抗壓強(qiáng)度的影響。因此，這個(gè)比值是評(píng)價(jià)Mg合金質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，但該值因合金而異，并且隨晶粒變細(xì)而增大。

（4）Mg合金用卷筒卷取時(shí)，能產(chǎn)生交變的拉、壓應(yīng)變，在受壓應(yīng)變時(shí)則產(chǎn)生大量孿晶，使抗拉強(qiáng)度明顯降低。

鎂合金熱處理

鎂合金分鑄造用和變形用兩類，兩類合金均可進(jìn)行退火、自然時(shí)效、淬火和人工時(shí)效等等熱處理，其狀態(tài)符號(hào)和應(yīng)用范圍與鑄造鋁合金基本相同，只是Mg合金的擴(kuò)散速度慢，淬火敏感性低，可用靜止或流動(dòng)空氣淬火，在個(gè)別情況下也用熱水淬火（如T61）,冷卻強(qiáng)度比空冷的T61高。值得指出的是，絕大多數(shù)的Mg合金對(duì)自然時(shí)效不敏感，淬火后在室溫能長(zhǎng)期保持淬火狀態(tài)，即使人工時(shí)效，時(shí)效溫度也要比AL合金高（達(dá)175-250℃）。另外，Mg合金的氧化傾向比AL合金高，為了防止燃燒，加熱爐應(yīng)保持中性氣氛或通入SO2氣體保護(hù)（0.5%至1.0% SO2）。

   Mg合金與AL合金不同，還可采用氫化（氣）處理，以改善組織和性能。

鎂合金應(yīng)用

一、鎂合金在運(yùn)輸系統(tǒng)中的應(yīng)用

①航空應(yīng)用：目前鎂合金在航空的應(yīng)用領(lǐng)域包括各種民用、飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、螺旋槳、齒輪箱、支架結(jié)構(gòu)及火箭、和衛(wèi)星的一些零部件等。

②汽車應(yīng)用：鎂合金壓鑄件在所有壓鑄合金中輕，現(xiàn)在的汽車業(yè)大量的鎂合金零部件被生產(chǎn)出來，以代替塑料、鋁合金，甚至鋼制零件。
③摩托車和自行車應(yīng)用：整車應(yīng)用的話比鋁合金壓鑄件重量上要輕。
自行車是鎂合金全新的應(yīng)用領(lǐng)域，主要用作自行車架。
④輪椅應(yīng)用：選用AZ31鎂合金制作輪椅架或除車輪外其余部件基本上都用鎂合金制造。

⑤船舶應(yīng)用：鎂合金在造船工業(yè)和海洋工程中主要用于航海儀器、水中兵器、海水電池、潛水服、犧牲陽(yáng)極、定時(shí)裝置等。
二、鎂合金在電子業(yè)的應(yīng)用
目前用鎂合金制作零部件的電器產(chǎn)品有照相機(jī)、攝影機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦、移動(dòng)電話、電視機(jī)、等離子顯示器、硬盤驅(qū)動(dòng)器等。
三、鎂合金在國(guó)防工業(yè)中的應(yīng)用
鎂及其合金由于質(zhì)量輕而被廣泛地應(yīng)用于國(guó)防、航空航天產(chǎn)品中。主要應(yīng)用于兵器及坦克裝甲車輛、防空反導(dǎo)系統(tǒng)、戰(zhàn)術(shù)、光電器械、引信及通信器材等。
四、鎂合金用作犧牲陽(yáng)極

廣泛應(yīng)用于延長(zhǎng)家庭或工業(yè)熱水器、地下鐵制管道、電纜、塔基、石油儲(chǔ)罐、海水蒸餾器、輪船殼體和海洋環(huán)境中的鋼樁等的壽命。
五、其他方面
鎂及鎂合金還被用于電力工業(yè)、家庭消費(fèi)品、家具、辦公室設(shè)備、光學(xué)設(shè)備、運(yùn)動(dòng)器械、車床設(shè)備等領(lǐng)域。如手提箱、打字機(jī)框架、鉛筆刀、印刷機(jī)部件、雙筒望遠(yuǎn)鏡、乒乓球拍等。