輕金屬第一講

1、 授課教師：吳紅艷授課教師：吳紅艷電電 話：話Email： 南京信息工程大學(xué)南京信息工程大學(xué)鎂鎂鈦鈦鋰鋰鋁鋁鈹鈹輕金屬材料輕金屬材料課程描述課程描述選修課總學(xué)時(shí)：32周學(xué)時(shí)：2授課方式：講授考核方式：出勤+課堂+考試課程內(nèi)容鋁、鎂及鈦的概況鑄造鎂合金及變形鎂合金鎂基合金材料及其成型方法 特種鎂合金及鎂合金的后處理及加工 鈦合金材料新技術(shù) 變形鋁合金及加工技術(shù) 參考教材 潘復(fù)生 ，輕合金材料新技術(shù)，化學(xué)工業(yè)出版社 ，2008張玉龍，實(shí)用輕金屬材料手冊實(shí)用輕金屬材料手冊 ，化學(xué)工業(yè)出版社 ，2006陳振華等， 鎂合金，化學(xué)工業(yè)出版社 , 2004 陳振華等， 變形鎂合金，

2、化學(xué)工業(yè)出版社 , 2004 鎂鎂 及其及其 合金合金 簡簡 介介鎂由菱鎂礦、光鹵石、鹽礦、鹵水以及海水中提煉制取，主要通過熔融氯化鎂（MgCl2）電解還原得到。在25時(shí)純鎂密度為1.76g/m3，密度比鋁小，熔點(diǎn)為650。 鎂具有密排六方結(jié)構(gòu)，滑移系較少。在250以上由于增加了滑移系，塑性較好。屈服強(qiáng)度和彈性模量較低。在大氣中有足夠的耐蝕性，在氫氟酸、堿和礦物油中也耐蝕，但在淡水、海水中耐蝕性差。鎂合金的特點(diǎn)鎂合金的特點(diǎn)p密度小、質(zhì)量輕；密度小、質(zhì)量輕；p比強(qiáng)度和比剛度高；比強(qiáng)度和比剛度高；p良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能；良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能；p良好的良好的電磁屏蔽能力；電磁屏蔽能力；p鎂的標(biāo)準(zhǔn)電極電位

3、比鋁還低，并且它的表面氧鎂的標(biāo)準(zhǔn)電極電位比鋁還低，并且它的表面氧化膜是不致密的，故化膜是不致密的，故抗蝕性較差抗蝕性較差，鑄件均需進(jìn)，鑄件均需進(jìn)行行表面氧化處理和涂層保護(hù)表面氧化處理和涂層保護(hù)。鎂合金的合金元素鎂合金的合金元素Mg合金的合金強(qiáng)化機(jī)制合金的合金強(qiáng)化機(jī)制與與Al合金大致相同合金大致相同，固溶強(qiáng)，固溶強(qiáng)化和時(shí)效硬化是主要強(qiáng)化手段，只是沒有化和時(shí)效硬化是主要強(qiáng)化手段，只是沒有Al合金那樣合金那樣明顯。因此，凡是能在明顯。因此，凡是能在Mg中大量固溶的元素，都是中大量固溶的元素，都是強(qiáng)化強(qiáng)化Mg合金的有效合金元素。合金的有效合金元素。合金元素主要有：合金元素主要有：Al、Zn、RE、Li

4、、Ag、Zr、Th、Mn、Ni等，在鎂合金中有等，在鎂合金中有固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、細(xì)固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化晶強(qiáng)化等作用。等作用。鎂合金的合金元素鎂合金的合金元素Ag(15.5)，Al (12.7%)，Zn（8.4），），Li（5.7），），Th（4.5）是是高強(qiáng)度高強(qiáng)度鎂合金的主要合金元素，鎂合金的主要合金元素，如如Mg-Al-Zn、Mg-Zn-Zr和和Mg-Nd-Ag系合金。系合金。這類元素形成的這類元素形成的Mg4Al3（Mg17Al12）、）、MgZn2、Mg23Th6和和Mg12Nd2Ag等在等在Mg中有明顯的溶解度變中有明顯的溶解度變化，是化，是Mg合金的主要強(qiáng)化相，有較強(qiáng)的合

5、金的主要強(qiáng)化相，有較強(qiáng)的時(shí)效硬化效時(shí)效硬化效應(yīng)應(yīng)。鎂合金的合金元素鎂合金的合金元素Zr（3.8），），Mn（3.4）主要作用是細(xì)化）主要作用是細(xì)化晶粒，但也有凈化合金（消除雜質(zhì)晶粒，但也有凈化合金（消除雜質(zhì)Fe），提），提高抗蝕性和耐熱性的作用。高抗蝕性和耐熱性的作用。稀土元素（稀土元素（RE）：）：Y（12.5），），Nd（3.6），），La（1.9），），Ce（0.85），），Pr（0.5%），混合），混合RE（以（以Ce或或La為主）。為主）。鎂合金的合金元素鎂合金的合金元素稀土元素與鎂不僅共晶溫度比Mg-Al和Mg-Zn系高，Mg-RE系的固溶體和稀土化合物（Mg9Nd，Mg9Ce等）

6、的耐熱性也高，原子擴(kuò)散速度慢，有利于抗蠕變性能，故Mg-RE-Zr和Mg-RE-Mn系合金是耐熱Mg合金，可在150250工作。 RE除了提高耐熱性外，還能降低液、固二態(tài)合金的氧化速度，改善鑄造和變形性能。Nd的綜合作用最佳，能同時(shí)提高室溫和高溫強(qiáng)化效應(yīng)；Ce和混合RE次之，有改善耐熱性的作用，但常溫強(qiáng)化效果很弱；La的效果較差，比不上Nd和Ce。 鎂合金的分類鎂合金的分類分為兩類分為兩類，變形鎂合金和鑄造鎂合金。不過，變形鎂合金和鑄造鎂合金。不過，許多鎂合金既可做鑄造合金，也可做變形合金。許多鎂合金既可做鑄造合金，也可做變形合金。經(jīng)鍛造和擠壓后，變形合金比同成分的鑄造合經(jīng)鍛造和擠壓后，變形合

7、金比同成分的鑄造合金有更高的強(qiáng)度。金有更高的強(qiáng)度。鎂合金的熱處理類型鎂合金的熱處理類型T1部分固溶加自然時(shí)效；部分固溶加自然時(shí)效； T2 鑄后退火；鑄后退火；T3 固溶加冷加工；固溶加冷加工； T4 固溶處理加自然時(shí)效；固溶處理加自然時(shí)效；T5 人工時(shí)效；人工時(shí)效； T6 固溶處理加人工時(shí)效；固溶處理加人工時(shí)效；T7 固溶處理加穩(wěn)定化處理；固溶處理加穩(wěn)定化處理； T8 固溶處理、冷加工加人工時(shí)效。固溶處理、冷加工加人工時(shí)效。鎂合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用鎂合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用鎂合金在鎂合金在3C工業(yè)中的應(yīng)用工業(yè)中的應(yīng)用DVD外殼外殼手機(jī)外殼D E L L :D E L L : 支 撐支 撐TFT

8、LCDTFT LCD面板面板的 上 蓋 和 機(jī)的 上 蓋 和 機(jī)身 底 座 下 蓋身 底 座 下 蓋皆為鎂合金皆為鎂合金鎂合金在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用鎂合金在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用美軍美軍B-36重型轟炸重型轟炸機(jī)：每架用機(jī)：每架用4086Kg鎂合金簿板。鎂合金簿板。鎂合金牌號鎂合金牌號變形鎂合金牌號冠以，鑄造鎂合金冠以，后面標(biāo)以序號。國際上按美國ASTM（American Society for Testing Materials）標(biāo)準(zhǔn)劃分鎂合金。合金牌號用四位數(shù)表示,前兩位為英文字母，代表合金系中的主合金化元素，后兩位數(shù)字則分別代表各合金元素的名義成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。合金中字母與所對應(yīng)的元素為：A鋁，B

9、鉍，C銅，D鎘，E稀土，F(xiàn)鐵，H釷，K鋯，L鋰，M錳，N鎳，P鉛，Q銀，S硅，T錫，W釔，Z鋅。例如AZ91表示Mg-Al-Zn系合金，其中Al的名義成分為9%，Zn的名義成分為1%。變形鎂合金變形鎂合金主要合金系：主要合金系：Mg-Zn-Zr、Mg-Al-Zn、Mg-RE-Zr、Mg-Mn、Mg-Li系。系。Mg-Zn-Zr系合金系合金 這類合金是熱處理強(qiáng)化變形鎂合金。MB15為其中的一種。成分：w(Zn)=56%，w(Zr)=0.30.9%，w(Mn)=0.1%。強(qiáng)化相是Mg2Zn3，當(dāng)加熱到400左右，強(qiáng)化相溶于基體。但使質(zhì)點(diǎn)Zr溶解，要加熱到更高溫度，一般固溶處理溫度為505-515，

10、時(shí)效溫度160-180。從液態(tài)析出的Zr強(qiáng)烈細(xì)化晶粒。熱處理：固溶+人工時(shí)效；熱變形+人工時(shí)效。后者可提高合金的塑性。 Mg-Zn-Zr系合金系合金應(yīng)用應(yīng)用：MB15為高強(qiáng)度變形鎂合金，耐蝕性好，熱處理工藝簡單，制作形狀復(fù)雜的大型構(gòu)件，如飛機(jī)上的機(jī)翼長桁、翼肋等，使用溫度不超過150。缺點(diǎn)缺點(diǎn)是焊接性差，不能做焊接件。加入稀土元素Nd-提高耐蝕性和強(qiáng)度；加Y-提高強(qiáng)度；加La-提高室溫強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度和焊接性。Mg-Mn系合金系合金合金中過飽和固溶體析出相為-Mn，故熱處理強(qiáng)化作用小。一般使用退火組織。具有較好的耐蝕性和焊接性。MB1的成分：w(Mn)=1.31.5%，高溫塑性好。在MB1合金基

11、礎(chǔ)上加入少量Ce（0.150.35%），成為MB8。Ce與鎂形成化合物Mg9Ce，并呈細(xì)小彌散分布于基體中，起強(qiáng)化合金和細(xì)化晶粒的作用。MB8有中等強(qiáng)度和較高的塑性?？缮a(chǎn)管材、板材、鍛件，目前已取代MB1鎂合金，用于生產(chǎn)飛機(jī)的蒙皮、壁板及潤滑系統(tǒng)的附件。使用溫度低于200。Mg-RE系耐熱鎂合金系耐熱鎂合金Nd、Y、Ce等稀土元素可顯著等稀土元素可顯著提高鎂合金的提高鎂合金的工作溫度工作溫度。重要的合金系有Mg-Nd， 可利用Mg9Nd的沉淀強(qiáng)化作用。Nd含量在3時(shí)室溫強(qiáng)度可達(dá)到最大值。加Mn和Ni可進(jìn)一步提高M(jìn)g-Nd合金的蠕變性能。鑄造鎂合金鑄造鎂合金主要合金系：主要合金系：Mg-Zn-

12、Zr、Mg-Al-Zn、Mg-RE-Zr、Mg-Th-Zr、Mg-Nd-Ag系。系。含稀土元素的鑄造鎂合金總數(shù)的比例，除個(gè)別國家含稀土元素的鑄造鎂合金總數(shù)的比例，除個(gè)別國家外，都占半數(shù)以上。外，都占半數(shù)以上。鑄造鎂合金中加鑄造鎂合金中加RE元素，可提高鎂合金熔體的流動(dòng)元素，可提高鎂合金熔體的流動(dòng)性，降低微孔率，減輕疏松和熱裂傾向，并提高耐性，降低微孔率，減輕疏松和熱裂傾向，并提高耐熱性。熱性。Mg-Al-Zn系合金系合金Mg-Al合金中鋁含量高于4%才有足夠數(shù)量的Mg17Al12強(qiáng)化相，故一般鋁含量要高于7%才能保證合金有足夠的強(qiáng)度。 加入Zn提高合金的固溶度，有效提高合金的屈服強(qiáng)度。加入Mn

13、提高耐蝕性，消除雜質(zhì)Fe對耐蝕性的不良影響。Mg-Al-Zn系合金系合金Al和Zn含量對模鑄性能的影響，如圖9-17（P138）。在Mg-Al合金中Zn含量在一定范圍內(nèi)易引起熱裂。ZM5（一種常用鎂鋁鋅合金）經(jīng)固溶處理+時(shí)效，具有較好的力學(xué)性能，用于制作飛機(jī)機(jī)艙連接隔框、發(fā)動(dòng)機(jī)、儀表上的承受載荷的結(jié)構(gòu)件。加稀土的ZM5合金，鑄造性能好、減少疏松和熱裂傾向，提高了在200下的蠕變抗力和耐蝕性（與變形鎂合金影響相同），用于生產(chǎn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)前艙和離心機(jī)匣。Mg-Zn-Zr系合金系合金Mg-Zn合金中有沉淀強(qiáng)化相合金中有沉淀強(qiáng)化相Mg2Zn3 ，其介穩(wěn)相，其介穩(wěn)相MgZn2有強(qiáng)化效果。有強(qiáng)化效果。當(dāng)當(dāng)Z

14、n含量含量 時(shí)，合金強(qiáng)度時(shí)，合金強(qiáng)度 。但超過。但超過6時(shí)，強(qiáng)度提時(shí)，強(qiáng)度提高不明顯，而塑性下降較多。高不明顯，而塑性下降較多。加少量加少量Zr可細(xì)化合金組織，改善力學(xué)性能；加可細(xì)化合金組織，改善力學(xué)性能；加Cd和和Ag可增大固溶強(qiáng)化作用；加可增大固溶強(qiáng)化作用；加RE可改善工藝性能，可改善工藝性能，但力學(xué)性能稍有下降。但力學(xué)性能稍有下降。Mg-RE-Zr系耐熱鑄造合金系耐熱鑄造合金添加添加稀土稀土使鎂合金的工作溫度提高到使鎂合金的工作溫度提高到250300 ，具有具有良好的高溫強(qiáng)度良好的高溫強(qiáng)度。Mg-Nd中中Mg9Nd有穩(wěn)定有穩(wěn)定的沉淀強(qiáng)化效應(yīng)，介穩(wěn)相的沉淀強(qiáng)化效應(yīng)，介穩(wěn)相- -Mg3Nd抗

15、聚集長大能力強(qiáng)，即使在高溫也能抗聚集長大能力強(qiáng)，即使在高溫也能保持較高強(qiáng)度。保持較高強(qiáng)度。加入一定量加入一定量Zr可進(jìn)一步細(xì)化晶粒，使組織和性能更可進(jìn)一步細(xì)化晶粒，使組織和性能更穩(wěn)定，并改善耐蝕性。穩(wěn)定，并改善耐蝕性。鑄造鎂合金的生產(chǎn)特點(diǎn)鑄造鎂合金的生產(chǎn)特點(diǎn)熔煉鎂合金在熔煉鎂合金在650以下進(jìn)行，要用以下進(jìn)行，要用惰性氣體惰性氣體和保護(hù)溶渣和保護(hù)溶渣。 熔煉含鋁的鎂合金（易吸氫）要熔煉含鋁的鎂合金（易吸氫）要進(jìn)行脫氫處進(jìn)行脫氫處理理，否則易產(chǎn)生鑄造疏松。，否則易產(chǎn)生鑄造疏松。 常用細(xì)化晶粒的方法是加六氯乙烷，加入量常用細(xì)化晶粒的方法是加六氯乙烷，加入量為為0.025-0.1%。 鎂加工性能的優(yōu)點(diǎn) 1溶化成本只有鋁的232壓鑄生產(chǎn)效率比鋁高25，金屬模鑄造比鋁高300500K，消失模鑄造比鋁高2003鎂鑄件的表面質(zhì)量和外觀明顯比鋁好(因?yàn)槟＞叩臒彷d荷減小，可降低檢查頻率)4模具壽命是鋁的2倍(或更多，根據(jù)模腔形狀)5鎂脫棋斜角可很小(可取消隨后的機(jī)加工)，而且表面成形好(因?yàn)殒V的粘度低)1和鋁金屬模鑄造相比，鎂壓鑄生產(chǎn)有較高的殘余廢料率鎂壓鑄生產(chǎn)有較高的殘余廢料率(和鋁壓鑄廢料產(chǎn)出率相比)2鎂壓鑄或THIXOMOLD的生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)設(shè)備投資投資很高很高。和鋁重力低壓硝模等工藝比，鎂壓鑄機(jī)很貴(因?yàn)樾枰^高的鎖模力和充型射料速度)，當(dāng)然它的生產(chǎn)率也是前者的