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2.1 镁合金的分类

2.1.1 镁合金的牌号标示

镁合金的标记方法有多种,各国的标准也不一样,其中美国ASTM标准的标记规则应用最为广泛。按ASTM标准的标记规则,化学元素用1~2个字母标记,其后的数字表示该元素在合金中的名义成分,用质量分数表示,四舍五入到最接近的整数。字母的顺序按在实际合金中含量的多少排列,含量高的化学元素在前,如果两种元素的含量相同,则按英文字母的先后顺序排列。例如,AZ91表示合金Mg-9Al-lZn,但该合金的实际化学成分是 w (Al)=8.3%~9.7%和 w (Zn)=0.4%~1.0%。其局限性是不能表示出有意添加的其他元素。由于这个原因,这种体系需要改进。有时还用A、B、C、D等后缀表示同一牌号合金成分在某一特定范围内的改变。铝、镁合金中各字母所代表的化学元素见表2-1。由于ASTM标准中的标记既适用于镁合金也适用于铝合金,因此即使像铁那样在镁合金中仅以杂质形式出现的元素,但考虑到是铝合金中的合金元素,故也列于表2-1中。可见,ASTM标准的方法是按合金中所含有的主要化学成分标记镁合金之间的区别。

表2-1 ASTM标准中镁合金中的英文字母代号所代表的化学元素

我国对镁合金的标记方法比较简单,用两个汉语拼音字母和其后的合金顺序号(阿拉伯数字)组成。依据前两个汉语拼音字母将镁合金分为4类:变形镁合金、铸造镁合金、压铸镁合金和航空镁合金。合金的顺序号表示合金之间的化学成分差异。变形镁合金用MB两个汉语拼音字母表示,M表示镁合金,B表示变形;铸造镁合金用ZM两个汉语拼音字母表示,Z表示铸造,M表示镁合金;压铸镁合金虽然也属于铸造镁合金,但还是专用两个汉语拼音字母YM来表示,Y表示压铸,M表示镁合金。用于航空的铸造镁合金与其他铸造镁合金在牌号上略有区别,即ZM两个字母与代号的连接加一个横杠。例如,1号铸造镁合金用ZM1表示,2号变形镁合金用MB2表示,5号压铸镁合金用YM5表示,5号航空铸造镁合金用ZM-5表示。可见,我国对镁合金标记的特点是按成形工艺划分镁合金的。

目前,由于各国大多采用美国的ASTM标准,中国镁产品也基本上以ASTM标准规定的牌号供货,因此本书中也以ASTM标准为主,仅通过如下一些典型实例说明世界上几个主要国家镁合金表示方法上的区别,见表2-2。各种镁合金的化学成分见表2-3。

表2-2 几个主要国家Mg-Al系合金相近牌号的对照

表2-3 各种镁合金的化学成分

镁合金的性能不仅与其化学成分有关,而且与热处理和冷加工状态有关。对于镁合金铸件而言,铸态力学性能可通过固溶和时效的方式改善;对于锻件而言,既可单独,也可以并用冷加工、退火、固溶和时效等方式来进一步调整镁合金的力学性能。镁合金的热处理如此重要,以至于为了能更清楚地描述某一镁合金的特性,有时在给出镁合金牌号的同时,往往还需要给出其成形、加工或热处理状态的标记符号。镁合金加工或热处理状态通过在合金牌号之后加一横杠,接着再用一个英文字母(有时还要加一个数字)来表示。例如,ZK60A-T5、ZK60A表示名义化学成分为 w (Zn)=6%和 w (Zr)=0~0.5%的镁合金,不同之处是前者比后者多了一个表示热处理状态的符号T5,具体的热处理符号代码系统将在之后相关小节中单独列出。 jvZgAPxYV/a/TpSmLnlHoZcE/x39nJSGBO5WypE5IJWXVbFg1ce810GqsHIpXv8p



2.1.2 合金元素的作用

合金元素影响镁合金的力学、物理、化学和工艺性能。铝是镁合金中最重要的合金元素,通过形成Mg 17 Al 12 相能显著提高镁合金的抗拉强度;锌和锰具有类似作用;银能提高镁合金的高温强度;硅能降低镁合金的铸造性能并导致脆性;锆与氧的亲和力较强,能形成氧化锆质点细化晶粒;稀土元素Y、Nd和Ce等通过沉淀强化而大幅度提高镁合金强度;铜、镍和铁等因影响镁合金的耐蚀性而很少采用。下面分别介绍镁合金中常见合金元素的作用。

1.铝(Al)

铝是镁合金中最常用的合金元素,同时它也是压铸镁合金的主要构成元素之一。由Mg-Al相图可知,铝在液态镁中具有较大的固溶度,其极限固溶度为12.7%,但随着温度的降低,固溶度迅速减小,在室温时固溶度减小为2.0%左右。铝可明显改善镁合金的铸造性能,提高合金的强度,铝的质量分数达到6%时,可获得令人满意的强度和韧性指标。但是在晶界上析出的Mg 17 Al 12 热稳定性差,会降低合金的抗蠕变性能。在铸造镁合金中铝的质量分数可达到7%~9%,而在变形镁合金中铝的质量分数一般控制在3%~5%。

2.锌(Zn)

锌是镁合金中常用的合金元素之一,常与铝或锆、钍或稀土元素联合使用。锌在镁中的固溶度约为6.2%,其固溶度随着温度的降低而显著减小。锌可以提高铸件的抗蠕变性能,但当 w (Zn)>2.5%时,合金的耐蚀性显著下降,所以原则上锌的质量分数不超过2.0%。

3.钙(Ca)

钙可以细化合金组织,在合金中添加钙可提高合金的蠕变抗力。这是一种成本低廉且有效改善合金抗蠕变性能的方法,这主要是因为Mg 2 Ca替代了Mg 17 Al 12 ,提高了合金的热稳定性。另外,钙可以作为镁合金熔炼及随后热处理过程中的脱氧剂,还可以改善板材的可轧制性,但其质量分数超过0.3%将有损于合金的焊接性。此外,当添加的Ca含量超过1%时,镁合金热裂倾向增大。

4.锂(Li)

锂是唯一能减轻镁合金密度的元素,其在镁中的固溶度高达5.5%,在室温时锂的固溶度仍保持较大。锂在镁合金中形成的β相为体心立方结构,使镁合金锻件制品出现α+β相或β相。在镁合金中添加锂可降低合金强度,但提高韧性,弹性常数也有一定程度的改善。

5.锰(Mn)

锰在镁中的极限溶解度为3.4%,锰可提高镁合金的抗拉强度,但降低其塑性。在镁合金中加入1.5%~2.5%(质量分数)的锰可有效改善合金的抗应力腐蚀倾向,从而提高合金的耐蚀性,改善合金的焊接性能。锰通常不单独使用,而是与其他元素一起加入镁合金中。例如,在含铝的镁合金中加锰,可形成MnAl、MnAl 6 或MnAl 4 化合物,另外还可形成MgFeMn化合物,降低铁在镁合金中的固溶度,提高镁合金的耐热性。

6.硅(Si)

硅元素可用来改善合金的热稳定性和抗蠕变性,增强熔融合金的流动性,当有铁存在的情况下,可使合金的抗腐蚀能力有所减弱。到目前为止,添加硅的镁合金很少,仅有AS41和AS21。

7.锆(Zr)

锆在镁中的极限溶解度为3.8%,锆可细化晶粒,减少合金热裂倾向,提高合金的力学性能和耐热性能。在镁合金中添加0.5%~0.8%(质量分数)的锆,其细化效果最好。锆可以添加到含有锌、钍、稀土等元素的镁合金中,发挥良好的细化作用;但是,不能添加到含有铝或锰的镁合金中,这是由于锆与铝或锰能形成稳定的化合物,抑制锆的细化作用。锆只有固溶在镁基体中,才能发挥出细化晶粒的效果。另外,锆还可以与镁合金固溶体中的铁、硅、碳、氮、氧、氢反应生成稳定的化合物,显著削弱锆的细化作用。

8.稀土元素(RE)

稀土元素可显著提高镁合金的耐热性,明显改善合金的高温强度和抗蠕变性能,并可细化晶粒,减少显微疏松和热裂倾向,改善铸造性能和焊接性能,一般无应力腐蚀倾向,其耐蚀性不亚于其他镁合金。常用稀土元素有铈(Ce)、镧(La)、钕(Nd)、镨(Pr)、钇(Y),其中,钇和钕能细化晶粒,通过改变形变机制(孪生和滑移),改善了合金的韧性。

9.其他元素

铍(Be)的固溶度很小,其抗氧化能力强,在镁合金熔炼过程中可减少镁的氧化烧损,其副作用是引起晶粒粗大。铜能提高合金的高温强度,但其质量分数超过0.05%时将影响合金的耐蚀性。铁、铜、镍、钴这四种元素在镁中的固溶度都很小,但均是镁合金熔炼过程中的有害元素,当铁、镍或钴的质量分数大于0.005%时,就会大大降低镁合金的抗腐蚀能力。 jvZgAPxYV/a/TpSmLnlHoZcE/x39nJSGBO5WypE5IJWXVbFg1ce810GqsHIpXv8p

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