学习认识镁及其合金

镁在地壳中的储藏量非常丰富，约为2.5%。镁及镁合金不仅具有高比强度、优良的可切削加工性和耐冲击性能，并对碱、汽油及矿物油具有化学稳定性，广泛应用于汽车、电子、电器、航空航天、国防军工、交通等领域。

6.4.1 纯 镁

纯镁呈银白色，其密度为1.74 g/cm3，熔点为651 °C，沸点为（1100±10）°C，强度不高，与铝接近，其熔炼技术很复杂。镁具有密排六方晶格，其塑性变形能力比铝差，而且室温和低温塑性较低，容易脆断，但高温塑性较好，可进行各种形式的热变形加工。纯镁的电极电位很低，其抗蚀性较差，在潮湿大气、淡水、海水及绝大多数酸、盐溶液中易受腐蚀。镁的化学活性很强，在空气中容易氧化，尤其在高温条件下，如氧化反应放出的热量不及时散失，则很容易燃烧。

纯镁因强度低，一般不能单独用作结构材料，常用于制造照明弹、烟火、脱氧剂和镁合金原料。纯镁的牌号以“Mg＋数字”来表示，Mg后面的数字表示Mg的质量分数。

6.4.2 镁合金

在纯镁中加入Al、Zn、Si、Fe、Ni等合金元素，形成镁合金。镁合金作为“21世纪绿色工程材料”，具有高的比强度和比刚度，良好的尺寸稳定性、导热导电性，抗振能力强，切削加工性好，电磁屏蔽性佳，可承受较大冲击载荷，以及优异的铸造、切削加工性能和易回收利用，但耐蚀性差。通过合金元素产生固溶强化、时效强化、细晶强化及过剩相强化作用，来提高镁合金的力学性能、抗腐蚀性能和耐热性能。

镁合金可以按照化学成分或成型工艺两种方式分类。根据化学成分，以主要合金元素Mn、Al、Zn、Zr和RE（稀土元素）等为基础，可以组成合金系：二元系有Mg-Mn、Mg-Al、Mg-Zn、Mg-Zr、Mg-RE、Mg-Ag、Mg-Li、Mg-Th等；三元系有Mg-Al-Mn、Mg-Zn-Zr、Mg-RE-Zr、Mg-Mn-Ce等；多元系有Mg-Al-Zn-Mn、Mg-Ag-RE-Zr、Mg-Y-RE-Zr。按照有无Al，镁合金可分为含Al镁合金和不含Al镁合金；按照有无Zr，镁合金还可分为含Zr镁合金和不含Zr镁合金。根据成型工艺，镁合金则可分为铸造镁合金和变形镁合金两大类。

目前，国外工业中应用较广泛的镁合金是压铸镁合金，主要有以下四个系列：AZ系列Mg-Al-Zn（如AZ91）、AM系列Mg-Al-Mn（如AM60）、AS系列Mg-Al-Si（如AS21）和AE系列Mg-Al-RE（如AE42）。我国铸造镁合金主要有如下三个系列：Mg-Zn-Zr、Mg-Zn-Zr-RE和Mg-Al-Zn系。变形镁合金有Mg-Mn、Mg-Al-Zn和Mg-Zn-Zr系。

1.铸造镁合金

铸造镁合金包括高强铸造镁合金（如ZM1、ZM2和ZM5）和耐热铸造镁合金（如ZM3等）两类。铸造镁合金的牌号以“Z＋M＋数字”表示，其中Z是“铸造”汉语拼音的首字母；M表示镁合金；后面的数字表示顺序号，代表合金体系。

ZM1（ZMgZn5Zr）具有较高的抗拉强度和屈服强度，以及良好的耐蚀性、塑性、切削加工性和铸造流动性，且力学性能和壁厚效应小，但是热裂倾向大，焊接性差，用于制造断面均匀、形状简单、尺寸小的受力铸件及抗冲击载荷的零件，如飞机轮毂、支架等抗冲击件。

ZM2（ZMgZn4RE1Zr）具有良好的高温力学性能（优于ZM1）、铸造性能和耐蚀性，缩松和热裂倾向小，可焊接，但是常温力学性能低，用于制造长期在170～200 °C下工作的发动机、飞机零件。

ZM3（ZMgRE3ZnZr）是以混合稀土为主要合金元素的热强镁合金，具有良好的高温性能和气密性，而且热裂倾向小，用于制造在150～250 °C下长期工作的发动机部件、室温下高气密性铸件。

ZM4（ZMgRE3Zn2Zr具有良好的抗蠕变性能和气密性，以及较高的持久强度，而且热裂倾向小，室温强度高于ZM3，用于制造在150～250 °C下长期工作的零件。

ZM5（ZMgAl8Zn）是应用最广泛的合金之一，具有较高的强度和良好的铸造性、焊接性和切削加工性能，而且成本较低，用于制造中等载荷的零件，如机舱隔框、增压机匣等高载荷零件。

ZM6（ZMgRE2ZnZr）具有优良的综合性能和高温强度，其高温性能优于ZM3和ZM4，用于制造在250 °C下长期工作的高强度、高气密性零件。(www.xing528.com)

ZM7（ZMgZn8AgZr）具有很高的室温拉伸强度、屈服极限和疲劳极限，以及良好的塑性、铸造充型性，但是其疏松倾向较大，用于制造要求高强度的形状简单的各种受力构件，不宜用于制作耐压零件。

ZM10（ZMgAl10Zn）的含铝量高，具有良好的耐蚀性，适于压铸，用于制造无较高要求的普通零件。

2.变形镁合金

变形镁合金不同于铸造镁合金的液态成型，它是通过在300～500 °C温度下采用挤压、轧制、锻造的方法固态成型的。由于变形加工不仅消除了铸造组织缺陷，而且细化了晶粒，因此与铸造镁合金相比，变形镁合金具有更高的强度、更好的延展性和力学性能，以及更低的生产成本。

合金元素对变形镁合金的性能有显著的影响。铝和锌可以提高变形镁合金的机械性能，当其含量较高时，可形成Mg4Al3、MgZn等金属间化合物；Mn的主要作用是提高耐蚀性，并细化晶粒；Zr不仅可以细化晶粒，还可以提高变形镁合金的机械性能；加入稀土元素铈后，在晶界上析出金属间化合物Mg9Ce，起强化晶界作用。含铈较高的镁合金，如MB14（含2%锰、3%铈）属于热强镁合金，其最高工作温度可达200 °C。

加工工艺、热处理状态等因素影响变形镁合金的力学性能，尤其是加工温度的影响较大。在400 °C以下进行挤压，合金发生再结晶；在300 °C以下进行冷挤压，材料内部保留了许多冷加工的显微组织特征，如高密度位错或孪晶，在再结晶温度以下进行挤压，可使压制品获得更好的力学性能。

6.4.3 镁合金应用的发展

汽车车重每轻100 kg，消耗的燃料可减少5%。目前，汽车仪表、座椅架、方向操纵系统部件、引擎盖、变速箱、进气歧管、轮毂、发动机和安全部件上都有压铸和变形镁合金产品的应用。近年来，大众帕萨特轿车的用镁量从14 kg（占车重1%）增加到30～50 kg，奥迪A6轿车用镁量从14.2 kg增加到50～80 kg。如图6-19所示为镁合金轮毂。日本、韩国和中国台湾着重利用镁合金轻质、易回收、导热、抗电磁干扰等特性以及较好的薄壁件压铸技术，生产了便携式计算机壳体、手机与照相机壳体和体育生活用品（射箭的弓、自行车、残疾人用车、摩托车零件等）。目前，全世界便携式计算机壳体的1/3是用镁合金压铸而成的。

我国的歼击机、轰炸机、直升机、运输机、民用机、机载雷达、地空导弹、运载火箭、人造卫星、飞船上均选用了镁合金构件。我国研制的“昆仑号”发动机附件机匣采用ZM5镁合金，某型直升机主减速器主机匣选用ZM6镁合金，可在海洋环境下使用。如图6-20所示为镁合金制造的某型直升机尾部减速机匣。另外，中南大学和长春应用化学研究所等单位开发出高强高韧稀土镁合金、高性能压铸镁合金和稀土镁合金批量生产技术，成功应用于航空、航天、国防军工、汽车、电子产品等领域，大幅降低了稀土镁合金产品的成本，提升了市场竞争力，填补了国内相关领域的空白。表6-8列出了常用镁合金的牌号、化学成分、特性及用途。

图6-19　镁合金轮毂

图6-20　某型直升机尾减速机匣

表6-8　常用镁合金的牌号、化学成分、性能及用途