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鎂合金的特點

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?????? 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、化學和力學性能,擴大其應用領域。目前,已開發出幾十種不同性能的鎂合金,形成了鎂合金體系。

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鎂合金的特點


大多數鎂合金具有以下特點:

?????? (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,因而其比強度、比剛度很高。鎂合金是目前世界上最輕的結構材料,采用鎂合金制作零部件,可減輕結構重量,降低能源消耗,減少污染物排放,增大運輸機械的載重量和速度,是航空航天和交通運輸工具輕量化的良好材料。

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

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?????? (3)鎂合金彈性模量較低,當受外力作用時應力分布更為均勻,避免過高的應力集中。

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?????? (4)鎂合金有高的振動阻尼容量,即高的減振性、低慣性。

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?????? (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。

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

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?????? (7)鎂在堿性環境下是穩定的,有抗鹽霧腐蝕性能。

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

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

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與其他合金材料相比,鎂合金也存在如下缺點:

?????? (1)鎂的化學活性很強,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氣氛下熔煉。加工車間和制粉車間要特別注意防火。

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?????? (2)抗鹽水腐蝕能力差,因此必須進行防腐處理。

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?????? (3)同鋼鐵材料接觸時,易產生電化學腐蝕。

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?????? (4)楊氏模量、疲勞強度和沖擊值等零件設計方面的材料性能比鋁低。當代替鋁合金制零件時,厚度要增加,有時得不到所期望的輕量效果。

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

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?????? (6)鎂合金鑄件的綜合成本比鋁合金高,加工件的價格遠遠高于鋁合金。

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鎂合金分類

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?????? 鎂合金的分類方法很多,各國不盡統一。但總的來說,不外乎根據鎂中所含的主要元素(化學成分)、成形工藝(或產品形式)和是否含鋯等三種原則來分類。

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鎂合金的特點


(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。因多數不含鋁鎂合金都添加鋯以細化晶粒組織(Mg-Mn合金除外)。因此,工業鎂合金系列又可分為含鋯鎂合金和不含鋯鎂合金兩大類。以五個主要合金元素Mn、Al、Zn、Zr和稀土為基礎,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,除個別情況外,已很少使用。

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(二)?? 根據加工工藝或產品形式分類

?????? 工業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:①Mg- Al- Zn、②Mg- Zn –Zr③Mg- Zn-Al, Mg- Zn-Al-Ca(ZAX)④Mg- RE→Mg-RE-Mn

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?????? 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

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??(2) Mg- RE- Zn(MEZ)

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?????? 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-Si ③軋制兩者沒有嚴格的區分,鑄造鎂合金AZ91、AM20、AM50、AM60、AE42等也可以作為變形鎂合金。

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鑄造鎂合金

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?????? 鎂合金鑄造有多種方法,包括重力鑄造和壓力鑄造,可細分為砂型鑄造、永久模鑄造、半永久模鑄造、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,以區分重力鑄造和低壓鑄造。對于具體材料,應根據其化學成分、工藝要求來選擇合適的鑄造方法。合金成分和鑄造工藝對重要的影響。合金元素,尤其是稀土元素RE引起中間相結構的復雜變化,對鎂合金的組織和性能產生很大的影響。

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?????? 鑄造鎂合金可分為普通鑄造(砂型鑄造、永久模鑄造)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。

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鎂合金熔煉方法

?????? 根據變形鎂合金的特點,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。

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鎂合金的特點


?????? 在國外基本上是用5-12t火焰爐,或用坩堝爐熔制變形鎂合金。國內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量和改善生產條件。

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鎂合金熔鑄技術特點

?????? (1)鎂的化學活性很強烈,在熔態下,極易和氧、氮氣及水氣發生化學作用。在熔體表面如不嚴加保護,接近800℃時就很快氧化燃燒。為減少燒損、生產安全以及保證金屬質量,在整個熔鑄過程中,熔體始終需用熔劑加以保護,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,如大量熔鹽給產品質量、人身健康和安全生產帶來不少麻煩。

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?????? (2)除少數組元(元素),如Cd、Zn、Al、Ag、Li等外,其他組元在鎂中的溶解度都非常小;此外,在難熔組元間又易形成高熔點化合物而沉析,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。

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?????? (3)在有些鎂合金鑄錠中,易于發生局部晶粒大小懸殊現象。同時晶粒尺寸較大,晶粒形狀易于出現柱狀晶和扇形晶,嚴重影響壓力加工性能和制品的力學性能。因此,對不同合金要采取相應的變質處理方法來細化晶粒,并適當改變晶粒形狀。由于鎂合金晶粒粗化傾向較大,對鎂合金鑄錠晶粒的尺寸大小和形狀原則上不作嚴格要求。

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

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?????? (5)〔H〕對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,當氫含量超過某一限額時(16㎝3/100g鎂),將在鑄錠上出現不同程度的顯微氣孔。因此,對氫含量也不應忽視。

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?????? (6)由于鎂合金熱含量較低,當加入高熔點組元或批量較大的化工材料時,將使熔體溫度降低較大。所以,鎂合金的熔煉溫度應比鋁合金高。熔體過熱會使晶粒粗化,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重。因此,在工藝中應盡力避免熔體過熱。在鎂-鋁系合金中有金屬過熱細化晶粒的效應。但用這種方法細化晶粒將引起其他缺陷,效果不好。同時細化效應時間也是短暫的,熔體停留時間稍長則晶粒又復粗化。

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

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?????? (8)鎂合金的安全技術問題是很重要的。大多數熔鹽都有潮解性,大多數化工材料都有結晶水。在工藝過程中,液態金屬直接見水就產生飛濺性爆炸,務必嚴加注意。此外,有害氣體和粉塵,都應妥善處理。

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?????? (9)金屬組元、金屬鎂以及加入的大多數化工材料,多數都是昂貴稀缺的原料。在工藝過程中燒損較大,實收率較低,嚴重影響制品的經濟效果。

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

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?????? (11)鎂合金的熱裂紋傾向較大,因此鑄造時的結晶速度不宜過高。但結晶速度較小時,又將促進金屬中間化合物的形成和發展。可見,熱裂紋和金屬中間化合物,二者在工藝上有矛盾,這也是工藝復雜和困難的原因所在。必須全面考慮,適當選擇。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,鎂合金鑄錠的內應力遠小于鋁合金,其冷裂紋傾向性要比鋁合金小得多。

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變形鎂合金的特點

?????? 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。這些產品具有更像成本、更高強度和延展性以及多樣化的力學性能等優點。其工作溫度不超過150℃。

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?????? 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合金具有良好的強度、塑性和耐腐蝕綜合性能,而且價格較低,因此是最常用的合金系列。Mg-Zn-Zr系合金一般屬于高強度材料,變形能力不如Mg-Al系合金,常要用擠壓工藝生產,典型合金為ZK60A合金。常用變形鎂合金有AZ31B、AZ61A、AZ80A和ZK60A等。

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?????? 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與應用還不夠充分,有關稀土對其組織和性能影響的研究遠不如在鑄造鎂合金中那么深入,只有少量相關報道。

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?????? 在鎂中加鋰元素能獲得超輕變形鎂鋰合金,它是迄今為止最輕的金屬結構,具有極優的變形性能和較好的超塑性能,已應用在航天和航空器上。

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?????? 鎂合金一般均在300至500℃進行擠壓、軋制和模壓加工,由于鎂合金的上述變形特點,產品質量有下列特性:

?????? (1)六方結構的Mg晶體彈性模量(E)各向異性不明顯,織構對塑性加工產品的E值影響不大。

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

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?????? (3)壓力與基面﹛0001﹜平行時易生孿晶,所以Mg合金受壓應力時縱向屈服強度比受拉應力時低。兩種屈服強度的比值位于0.5至0.7間,所以結構設計(包括抗彎性能設計在內)時要考慮抗壓強度的影響。因此,這個比值是評價Mg合金質量的一項重要指標,但該值因合金而異,并且隨晶粒變細而增大。

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?????? (4)Mg合金用卷筒卷取時,能產生交變的拉、壓應變,在受壓應變時則產生大量孿晶,使抗拉強度明顯降低。

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鎂合金熱處理

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

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?????? 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。

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鎂合金應用

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一、鎂合金在運輸系統中的應用
?????? ①航空應用:目前鎂合金在航空的應用領域包括各種民用、軍用飛機的發動機零部件、螺旋槳、齒輪箱、支架結構及火箭、導彈和衛星的一些零部件等。


?????? ②汽車應用:鎂合金壓鑄件在所有壓鑄合金中最輕,現在的汽車業大量的鎂合金零部件被生產出來,以代替塑料、鋁合金,甚至鋼制零件。

?????? ③摩托車和自行車應用:整車應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用領域,主要用作自行車架。

?????? ④輪椅應用: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。

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?????? ⑤船舶應用:鎂合金在造船工業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、犧牲陽極、定時裝置等。


鎂合金的特點


二、鎂合金在電子業的應用
?????? 目前用鎂合金制作零部件的電器產品有照相機、攝影機、數碼相機、筆記本電腦、移動電話、電視機、等離子顯示器、硬盤驅動器等。

三、鎂合金在國防工業中的應用
?????? 鎂及其合金由于質量輕而被廣泛地應用于國防、航空航天產品中。主要應用于兵器及坦克裝甲車輛、防空反導系統、戰術導彈、光電器械、引信及通信器材等。

四、鎂合金用作犧牲陽極

?????? 廣泛應用于延長家庭或工業熱水器、地下鐵制管道、電纜、塔基、石油儲罐、海水蒸餾器、輪船殼體和海洋環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、家庭消費品、家具、辦公室設備、光學設備、運動器械、車床設備等領域。如手提箱、打字機框架、鉛筆刀、印刷機部件、雙筒望遠鏡、乒乓球拍等。

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