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鎂鋁合金

鎂鋁合金

鎂鋁合金是合金中的一種,一般密度在1.8g·cm-3左右,鎂和鋁的合金的低密度使其比性能提高。鎂鋁合金具有很好的強度、剛性和尺寸穩定性。

簡介


鎂(magnesium)是最輕的結構金屬。幾種常用結構金屬的密度(g·cm-3)(20o)如下:AL Mg Ti Fe Cu2.70 1.74 4.51 7.87 8.96可見鎂的密度約分為Al,Ti,Fe,Cu的64%,39%,22%,19%。

性質


由於鎂的密度小,它的合金也以質輕著稱。例如,20℃時的彈性模量為45Gpa,比鋁(70Gpa)和Ti(120Gpa)的低,但三者的比彈性模量相同(~26Gpa)。鎂和鎂合金質量小的特點,使其在交通運輸、航空工業和航天工業上具有巨大的應用前景。
鎂的熔點為 651℃,沸點為1107℃。鎂的蒸氣壓很高,627℃時為215215。95Pa,727℃時為1037。1Pa,因此鎂鈹極易揮發。鎂原子最外層的兩個電子很易失去,是很活潑的金屬。常溫下鎂能與F、CL、BR、I等元素作用生成相應化合物。加熱時鎂能與硫、氮作用生成MgS和Mg3N2。在空氣中鎂會慢慢氧化,失去銀白光澤而變黑。若溫度提高至400℃以上,鎂的氧化速度增快,超過500℃以後氧化速度更快,會著火燃燒,此時會生成氧化鎂和少量氮化鎂。鎂燃燒時會發出非常強烈的光亮。鎂的這一特點,頗受人們。早期就被利用於攝影照明,給人們留下美好的形象和記憶。戰爭時期,被用來製造照明彈,把戰場和目標照明得如同白晝。又被用於製造燃燒彈,點燃戰區的物資裝備,殺傷對方有生力量。人們還利用鎂的這一特點,將鎂粉、鋁粉和其它原料製成煙花。每當節慶的夜晚,隨著陣陣悅耳響聲,人們可以看到”嫦娥奔月””天女散花”……各種形色的煙花在夜空飛舞,多彩多姿,給人們帶來極大的歡樂。順便提一下,鎂的這種”犧牲自我””樂於助人”精神處處可見。例如它仗著活潑的電化學性質做了犧牲自我的陽極,保護著其它的金屬和設備。它又作為原電池陽極,耗盡了自己,照亮了他人。
由於化學活潑性高,金屬鎂是耐腐蝕性能最差的金屬之一。在酸性、中性和弱鹼性溶液中它都會受到腐蝕而變成Mg2+離子。各種類型大氣均會對鎂產生程度不同的腐蝕作用。在乾燥的空氣中,它的表面上形成一層暗淡的的疏鬆多孔氧化膜,在潮濕大氣中,生成的產物組成大致為Mgco3·3H2O+Mgso4·7H2o+Mg(OH)2。大氣濕度增加,工為地區和海洋環境的大氣中所含的二氧化硫和氯化物等物質,能加重鎂的腐蝕。鎂中氯化物雜質及鐵雜質也會加速鎂的腐蝕。因此,工業生產的鎂錠必須鍍膜鈍化,塗油及以蠟紙包覆。

鎂簡介


鎂是地殼中分佈最廣的元素之一,佔地殼重量的2.77%,為第四個最豐富的金屬元素(位於Al、Fe、Ca)之後。在自然界中鎂只能以化合物的形態存在。在已知的1500多種礦物中,含鎂礦物的有200多種,主要為碳酸鹽硅酸鹽硫酸鹽、氧化物。海洋及鹽湖中的鎂比陸地上更多,是鎂的主要來源。海水中含有10多種元素,鎂的含量排第三,位居Na、K之後。海水中含鎂0.13%每立方千米海水中有130萬t鎂,相當於世界鎂年消耗量的4倍(見表2.8)鹽湖水的鎂濃度比海水更高。以東以色列、約旦之間的”死海”(實為另一內陸湖),受到千萬乾旱氣候的造化,湖水極濃,含鎂竟高達4%.僅此一處的鎂,就能滿足全世界2.2萬年的需要。
純鎂不適合做結構材料。作為結構材料應用的鎂主要是鎂合金和鋁-鎂合金。全世界約有千種鋁合金牌號,若按化學成份歸類的話,約為300多種。這300多種鋁合金幾乎都含有鎂,其中以鎂作為主要添加劑的鋁-鎂合金(鎂含量為10.5%)約為40種。全世界各國鎂合金品牌共有200多種,這些品牌按化學成份可歸為30多種。共中變形鎂合金黃色10多種,鑄造鎂合金20多種,鑄造鎂合金主要有以下3個體系。1) 鎂-鋁合金。這種合金自第一次世界大戰被德國使用以來,成了最廣泛使用的鑄造鎂合金的基礎。大部份含有8%~9%的鋁及少量的鋅(使拉伸性能有某些提高)和錳(改善抗蝕性)2) 鎂-鋁-鋅合金。鎂-鋁合金中加鋅會產生一定的強化作用,其中高含鋅量的合金具有很吸引人的壓鑄特性。如Mg-8AL-8ZN,具有足夠大的流動性,可用於壓鑄件,而且流動性和抗蝕性超過傳統鋁-鋅合金。3) 含鋯鎂合金。鋯能細化晶粒,改善鎂合金的拉伸性能,提高鎂合金蠕變能力,以滿足航空和航天工業的需要。屬於這一系列的合金有鎂-鋅-鋯合金,鎂-稀土-鋅-鋯合金,以及鎂-釷係為基和鎂-銀係為基的含ZR合金。這種含稀土金屬和或含釷的合金都可焊。釷也能改善鑄造性能。銀可以進一步提高拉伸性能。
鎂是密排六方晶系的金屬,可以承受的形變數有限(特別是在低溫下)。其變形材料主要在300~500℃溫度範圍內通過擠壓、軋制和壓力鍛造進行生產。變形合金可以按照它們是否含鋯而分成兩類。按照變形產品種類可分為三類:1薄板和厚板軋制金。如AZ31(Mg-Al-Z系),ZM21(Mg-Zn-Mn系)和ZE10(Mg-Zn-RE系),這三種合金都可焊,后兩種強度較低。LA141A(Mg-Li-Al)等也屬這一類,前面已作詳細介紹。屬於這一類的還有含釷的HK31(Mg-Th-Zr系)以及隨後研製的HM21(Mg-Th-Mn等),它們的高溫強度更高。2擠壓合金。這類合金含鋁量大多在1%~8%之間。

鎂合金


鎂合金都具有密度小的特點,特別是某些鎂-鋰合金(見前),密度甚至低於1。美英俄等國正在研製含釔鎂合金。一種Mg-8.5Y-1.25Zn-0.5Zr合金,其密度小於1.9g·cm-3 ,抗拉強密度420Mpa, 0.2%屈服強度360Mpa,比現有任何一種變形鎂合金的都高,同高強度鋁合金強度相當。
鎂鋁合金分子式:Mg4Al3分子量:178.22顏色為灰褐色,比重約為2.15g/cm3,熔點463℃,燃燒時產生的溫度達2000℃-3000℃。在煙花生產過程中起著非常重要的還原劑作用,也可作為白光劑和照明劑。鎂鋁合金是用鎂錠和鋁錠在保護氣體中高溫熔融而成。長期以來關於鎂鋁合金的結構有兩種說法。一種說法是鎂鋁合金是簡單物理混合;另一種說法是鎂鋁合金內部改變了晶體結構,不是簡單的物理混合。鎂錠和鋁錠在高於1150K時,部分鋁與空氣中的氧氣反應,生成a-Al2O3,氧化鋁的此種晶體化學性質呈惰性,起著屏障、隔離作用。低於1150K時,生在B-Al2O3而這種晶體與酸反應,保護不了內部的鎂鋁合金。
標準的鎂鋁合金中鎂、鋁的含量各約為50%。活性鋁含量的多少對煙花的安全生產和產品的質量有很大的影響。但是生產鎂鋁合金的企業多為私營企業,鋁錠比鎂錠貴,受利益的驅動,大多未按國標生產。鎂鋁合金粉中鋁的含量普遍低於50%,有的鋁含量低到了40%。鎂含量的增加使得鎂鋁合金的性質接近鎂粉的性質,使得煙火藥的撞擊感度、摩擦感度增加,煙火劑更加敏感,從而增加隱患。我們可能以用下面的化學機理來檢驗鎂鋁合金中鋁的含量。鎂錠在鎂鋁合金中的應用:鎂鋁合金由鎂錠和鋁錠在保護氣體中高溫熔融而成,其組成有:簡單的物理混合與已改變晶體結構的物理混合兩種說法。

現有應用

鎂合金DVD門蓋板良好的剛性、尺寸穩定性和導熱性不僅比塑料門蓋板更為輕薄,同時也避 免因受熱引起老化變形而導致的功能性故障。
鎂合金DVD門蓋板
鎂合金DVD門蓋板
更輕更薄的筆記本電腦無一不將鎂合金外殼做為其首選,不僅因為鎂合金有好的強度、剛性和尺寸穩定性,優良的電磁屏蔽性和導熱性更能保護電腦長時間正常穩定地工作。
鎂鋁合金電腦框架
鎂鋁合金電腦框架
手機的發展趨勢是越來越薄,越來越輕,大的顯示屏更成為了時尚,鎂合金密度小、強度高、剛性好正符合了其要求,同時優良的電磁屏蔽性也減輕了電磁輻射對人體的傷害。
鎂合金手機框架
鎂合金手機框架

成型原理

將鎂合金粒料吸入料管中,加熱的同時通過螺桿的高速運轉產生觸變現象,射出時以層流的方式充填模具,形成結構緻密的產品。

定位

近十年來,中國鎂的產量大幅度增長,據統計,2011年中國鎂產量佔全球總產量的80%以上,鎂的生產工藝逐步成熟、完善,鎂的應用開發也取得不小進展,在一些應用領域甚至還出現了與鋁競爭的現象。這種情況下,以鎂替代鋁的話題也不時浮出水面,有段時間甚至甚囂塵上,一度引起社會的廣泛關注。那麼鎂在未來能否替代鋁,鎂業分會會長徐晉湘在一次採訪中糾正“替代”概念,他表示,鎂和鋁不存在替代的問題,它倆各自的應用角色與其它材料一樣,都是在歷史發展過程中逐漸形成的,這些角色可能在某些領域的某段時間出現相互轉換,但不是“代替”而是“接替”。從理論上講,任何材料都有其獨有的、別的材料無法替代的性能,人類使用數千年的陶土和木材仍不能被別的材料所完全替代,更何況性能極其優越的鋁及鋁合金材料。角色的定位應是在“正視現實”、著眼發展”的辯證基礎上用“兩點論”而不能用“一點論”來定義。徐會長並談到,從消費量來看,全球鋁年產消費量超過5000萬噸,在人類生活的各個領域都得到了廣泛的應用,而全球鎂的產量才有區區的80萬噸,因此用鎂代替鋁是不現實的,也不是鎂業發展追求的方向,但從市場的角度,鎂和鋁在某些領域內即便出現一定競爭也是正常的,因鎂及鎂合金材料各自有其獨特的性能優勢。