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镁合金及其应用

镁的英文名称为Magnesium，它的命名取自希腊文，原意是“美格尼西亚”，因为在希腊的美格尼西亚城附近当时盛产一种名叫苦土的镁矿（就是氧化镁），古罗马人把这种矿物称为“美格尼西·阿尔巴（magnesia alba）”，“alba”的意思是“白色的”，即“白色的美格尼西亚”。我国则根据这个词的第一音节音译成镁。镁的元素符号为Mg。
引言：镁的发现和命名

目录
1 镁资源及原镁生产
2 镁合金的成分、组织和性能
3 镁合金强化处理
4 镁合金铸造
5 镁合金的塑性成形
6 镁合金的连接
7 镁合金的腐蚀及表面防护处理
8 废镁的回收及镁合金的安全生产
9 镁合金的应用

1 镁资源及原镁生产
1.1 概述
自19世纪末，由于人类文明的快速进步，金属材料的消耗与日俱增，某些金属矿产逐渐枯竭。而镁是地球上储量最丰富的元素之一，广泛存在于白云石、盐湖和海洋之中，可谓取之不尽，用之不竭。

1.2 镁资源
镁在地壳中的储量极其丰富，储量为2.77%，在地壳表层储量居第6位。最主要的镁资源是海水。
图1-1
表1-1

■世界菱镁矿储量和分布
菱镁矿（MgCO3）是最具工业价值的镁矿石之一。
表1-2

■中国的镁资源
我国是世界上镁资源最丰富的国家，储量居世界首位，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。
表1-3

白云石（MgCO3·CaCO3）也是具工业价值的镁矿石之一，其资源遍及全国各省市，已探明储量在40亿吨以上。
表1-4

1.3 镁的性质
■元素特征
元素符号：Mg
原子序数：12
自由原子中各轨道电子状态：1s22s22p63s2
相对原子质量：24.3050
原子体积：14.0cm3/mol
■品质特征
密度：1.738g/cm3(20℃), 1.65g/cm3(650℃), 1.58g/cm3(液态)
凝固体积变化：体积收缩为4.2%
冷却体积变化：从650℃冷却到 20℃体积收缩约为5%

■晶体结构
在大气压下，纯镁的晶体结构是密排六方。
图1-2

金属镁具有接近完美的密排结构，室温下所测c/a=1.6236与理想密排六方结构的理论预测值c/a=1.633非常接近。
纯镁的晶格常数随温度变化
表1-5
图1-3

■热·性能
熔点：标准大气压下，650℃±1℃。
沸点：标准大气压下，1090℃。
热膨胀：纯镁在较低温度下的热膨胀系数见下表
表1-7
热导率：在低、中温区，热导率在149～5700W/(m·k)之间。
燃点：在空气中加热，金属镁在632 ～635℃开始燃烧。

■力学性能
拉伸性能和硬度：

弹性模量(E)：金属镁在20℃下的弹性模量与纯度有关。
| 纯度 |
| 99.98% | 99.80%
静态弹性模量 | 40GPa | 43GPa
动态弹性模量 | 44GPa | 45GPa
泊松比：0.35
蠕变断裂值：蠕变行为及温度对蠕变行为的影响见下图。
图1-10

1.4 原镁生产方法
镁冶金的发展过程大体经历了金属还原镁的化合物，熔盐电解和热还原三个阶段。
镁冶金的现代方法主要分为两种：一是电解法；二是硅热法。
电解法炼镁可分为电解熔融氯化镁和电解溶于熔盐中的氧化镁。电解法又依氯化镁的制得方法不同分为四种：道乌法（DOW）、阿码克斯法（Amax）、诺斯克法（Norsk Hydro）和氧化镁氯化法。
硅热还原法分为皮江法（Pidgeon）、波皮扎诺法（Bolzano）和玛格尼特法（Magnetherm）三种。

■各种炼镁方法的比较
表1-14

2 镁合金的成分、组织和性能
2.1 概述
工业用镁的纯度可达99.9%，但是纯镁不能用做结构材料。在纯镁中加入Al、Zn、Li、Mn、Zr和稀土等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。
镁的发展经历了三个高峰期，第一个在20世纪20年代至30年代晚期，第二个在20世纪50年代，第三个从20世纪90年代至今。

2.2 镁合金成分对性能的影响
■镁合金化的特点
①晶体结构因素：根据Hume-Rothery Rules，镉（Cd）在高温（＞253℃）下，能与镁形成无限固溶体。
②原子尺寸因素：溶质和溶剂原子大小的相对差值在15%以内才能形成无限固溶体。
图2-1

③电负性：Darken-Gurry理论认为，电负性差值大于0.4的元素不易形成固溶体。镁形成Laves（AB2）型结构化合物，其稳定性可用熔点来表示。如下图所示，Mg-Al合金耐高温性能较差，而Mg-Si耐高温性能较好。
表2-1
④原子价因素：溶质和溶剂的原子价相差越大，则溶解度越小。与低价元素相比，较高价元素在镁中溶解度较大。

■镁合金成分和牌号
采用美国实验材料协会（ASTM）的标记发法。镁合金的牌号由三部分组成：头两个字母为主要合金元素代号（见下图），中间两个数字表示主要合金元素的名义质量分数，最后一个后缀字母（A、B、C、D、E等）是指成分和特定范围纯度的变化。例如：AZ91E。
表2-2

■镁合金的分类及热处理
镁合金的分类方式有三种：
①化学成分：主要合金元素Mn, Al，Zn，Zr和稀土为基础，组成基本合金系。
②成形工艺：铸造镁合金和变形镁合金。
图2-2
③是否含锆：含Zr合金和不含Zr合金。

国外在工业中应用较广泛的是压铸镁合金，主要有以下4个系列：AZ，AM，AS和AE系列。我国铸造镁合金主要有ZK，Mg-Zn-Zr-RE和AZ系列。变形镁合金有Mg-Mn，AZ和ZK系列。
表2-3

常见压铸镁合金和变形镁合金的化学成分分别见下表。
表2-4
表2-5

镁合金热处理采用与铝同样的系统标示。常用的回火有：T4——固溶处理，T5——人工时效，T6——固溶处理后人工时效。
■合金元素对组织和性能的影响
加入不同的合金元素，可以改变镁合金共晶化合物或第二相的组成、结构以及形态和分布，可能得到性能完全不同的镁合金。
图2-3

表2-6

2.3 铸造镁合金组织和性能
镁合金的铸造方法有多种，包括重力铸造和压力铸造。通常所说的压铸（Die Casting）是指高压铸造。

2.3.1 Mg-Al系合金组织
Mg-Al系铸造合金的平衡状态组织如下图。
图2-4 改

■Mg-Al-Zn合金
按组织可以分为两种类型，典型的合金分别为：AZ92和AZ63。
图2-6

由于凝固过程中出现的晶内偏析，导致Al和Mg的含量在材料内分布不均，从而影响了材料的耐蚀性和力学性能。力学性能随着Al含量的增加而提高。
图2-5

■Mg-Al-Mn合金
典型组织除了α相和β相以外，还有含Mn的中间相。随含Mn量的高低可能是：AlMn、Al3Mn、Al4Mn、Al6Mn或Al5Mn8。
图2-7

图 2-8
上图中，具有规则几何形状的白色相为AlMn，可以看出其有明显的偏聚趋势。AZ61中的AlMn粒子可能是由于在镁合金的冶炼过程中，为除去有害元素Fe而有意加入Mn元素所致。

■Mg-Al-RE合金
Mg-Al-RE合金（如AE21、AE41）的典型组织为α相、β相和中间相Al4MM（MM指混合稀土）。合金中不存在三元Mg-Al-RE相，这是因为RE优先与Al结合。

■Mg-Al-Si合金
AS系典型的合金为AS41和AS21，组织特征是在晶界处形成细小弥散分布的稳定析出相Mg2Si。AS系镁合金的耐热性能较好，适用于较高温度（150℃）下强度高的部件。

■Mg-Al-Ca合金
Mg-Al-Ca合金组织特征是存在Al2Ca和Mg2Ca化合物。此类合金具有较高的耐热性和阻燃性，但是腐蚀性能有所降低。

2.3.2 Mg-Zn系合金
Mg-Zn phase diagram

■Mg-Zn-MM（混合稀土）合金

各位师傅觉得这个方案怎么样？有更好的做法吗？