1. 介绍
镁合金是一种基于镁的金属材料, 通过添加其他元素来增强特定特性，例如强度, 耐用性, 和耐腐蚀性.
密度大约 1.74 g/cm³, 镁是最轻的结构金属, 使其合金在减轻重量是关键因素的应用中具有很高的吸引力.
这种特征导致各个行业的兴趣激增, 包括航空航天, 汽车, 电子产品, 和消费品.
2. 什么是镁合金?
镁合金由镁组成 (毫克) 加上其他元素的约10wt％ (al, Zn, Mn, 稀土, ETC。), 旨在增强机械性能, 腐蚀行为, 和可铸性.
由于镁是最轻的结构金属 (密度≈ 1.75 g/cm³), 它的合金在减轻体重和振动阻尼的情况下找到关键的应用至关重要,
从汽车组件到航空航天结构和便携式电子设备的范围.
主要合金元素
| 合金元素 | 典型内容 | 主要角色 |
| 铝 (al) | 1–9 wt％ | 通过mg₁₇al₁₂沉淀增强; 提高AZ系列中的铸性和耐腐蚀性 |
| 锌 (Zn) | 0.3–2 wt％ | 促进年龄硬化; 在升高温度下增强蠕变阻力 |
| 锰 (Mn) | 0.1–1 wt％ | 清除铁杂质以提高整体腐蚀性能 |
| 稀土 (关于) | 1–5 wt % | 精炼谷物结构; 稳定WE系列中的高温阶段 |
| 锆 (ZR) | 0.1–0.5 wt％ | 在锻造合金中充当谷物炼油厂, 改善延展性和韧性 |
3. 主要镁合金家族
| 家庭 | 钥匙合金 | 作品 (大约) | 特征 | 典型用途 |
| 系列 | AZ31, AZ61, AZ91 | mg – al (3–9 %), Zn (1 %) | 出色的表现性 (AZ31); 高铸件强度 (AZ91) | 汽车面板, 身体框架 |
| AM系列 | AM60, AM80 | mg – al (6–8 %), Mn (0.2 %) | 良好的压铸表现, 中度延展性 | 压铸住房, 转向轮 |
| 我们系列 | WE43 | Mg – y (4 %), 关于 (3 %), Zn | 优质的高温强度和抗蠕变性 | 航空航天结构组件 |
| MRI-SAFE | QE22, WAS26 | mg – Zn – ca或mg – zn – ca – sr | 受控腐蚀速率; 生物相容性 | 可生物可吸收的医疗植入物 |
| 电子™ | 电子 21, 电子 675 | mg – re (3–10 %), Zn | 为极端环境的商标高RE内容 | 军事硬件, 高温工具 |
4. 镁合金的物理特性
镁合金结合了一套独特的物理特征 - 超光密度, 中等导电性, 和 出色的振动阻尼-将它们与亚铁和其他有色金属区分开.
一眼关键的物理特性
| 财产 | AZ31 | WE43 | 铝6061-T6 | 钛TI-6AL-4V |
| 密度 (g/cm³) | 1.77 | 1.80 | 2.70 | 4.43 |
| 融化范围 (°C) | 630 - 650 | 645 - 665 | 580 - 650 | 1 600 - 1 650 |
| 导热率 (w/m·k) | 72 | 60 | 155 | 7 |
| 电导率 (% IACS) | 40 | 35 | 45 | 1.2 |
| 弹性模量 (GPA) | 45 | 42 | 69 | 110 |
| 阻尼能力 | 出色的 | 出色的 | 缓和 | 低的 |
| 磁性行为 | 非磁性 | 非磁性 | 非磁性 | 顺磁性 |
5. 镁合金的机械性能
镁合金提供了引人入胜的混合 力量, 延性, 和 疲劳性抗性 - 属于工程师对重量敏感的利用, 高性能应用.
比较机械数据
| 财产 | AZ31-H24 | AZ91-HP | WE43-T6 | AZ61 | 单元 |
| 抗拉强度 (RM) | 260 | 200 | 280 | 240 | MPA |
| 产生强度 (RP0.2) | 145 | 110 | 220 | 170 | MPA |
| 休息时伸长 (一个) | 12 | 5 | 8 | 10 | % |
| 疲劳强度 (10⁷周期) | 〜95 | 〜70 | 〜120 | 〜85 | MPA |
| Brinell硬度 (HB) | 60 | 55 | 80 | 65 | HB |
6. 腐蚀行为 & 表面保护
不同环境中的固有腐蚀趋势
镁是一种高反应性金属, 镁合金具有在许多环境中腐蚀的固有趋势.
在水分和氧气的情况下, 镁反应在表面形成氢氧化镁.
然而, 该初始层是多孔的，无法有效保护基础金属.
在盐水环境中, 由于存在氯离子，镁合金甚至更快地腐蚀, 可以穿透表面膜并加速腐蚀过程.
电力和点蚀腐蚀机制
点腐蚀:
当镁合金上的表面膜被局部破坏时，就会发生点蚀, 允许下面的金属在小区域迅速腐蚀.
氯离子在启动镁合金中的蚀腐蚀方面特别有效. 一旦坑形成, 它可以更深越来越大, 可能导致组件故障.
电腐蚀:
当镁合金与更多贵金属接触时 (例如铜, 镍, 或不锈钢) 在电解质中 (例如水或盐水), 可以发生电腐蚀.
镁, 更具电体式, 充当阳极，优先腐蚀, 而较高的金属则作为阴极.
这种类型的腐蚀可以通过适当的设计来缓解, 例如避免在不同金属之间直接接触或使用绝缘材料.
常见的保护治疗: 阳极氧化 (毛), 转换涂层, 有机涂料
阳极氧化 (MAO-Micro-Arc氧化):
毛是一种形成厚的阳极氧化过程, 难的, 和镁合金表面上的多孔氧化物层.
该层具有良好的耐腐蚀性，也可以进一步密封或涂层以增强其性质.
MAO处理的镁合金用于各种应用, 从汽车组件到航空零件.
转换涂层:
转换涂层, 例如铬酸盐转换涂层 (尽管由于环境问题而被淘汰铬酸盐的使用)
和非碎屑替代品, 形成薄, 镁合金表面的粘附层.
这些涂层通过提供屏障并修饰表面化学来改善耐腐蚀性.
有机涂料:
有机涂料, 包括油漆, 粉末涂料, 和聚合物, 广泛用于保护镁合金.
他们为环境提供物理障碍, 防止水分和腐蚀性物质到达金属表面.
有机涂层也可以配制为具有特定特性, 例如抗紫外线或耐化学性, 取决于申请要求.
7. 制造业 & 处理技术
铸造方法: 高压铸造, 沙, 投资
高压铸造:
高压 铸造 是一种用于生产镁合金组件的广泛使用的方法.
在此过程中, 熔融镁合金在高压下被迫进入可重复使用的霉菌腔.
它提供高生产率, 良好的维度准确性, 以及用薄壁生产复杂形零件的能力.
这使其适用于汽车和电子行业中的批量生产组件, 例如发动机块和智能手机套管.
沙子铸造:
沙子铸造 涉及使用所需部分的图案在沙子混合物中形成模具腔.
然后将熔融镁合金倒入模具中. 砂铸件适合生产大型零件和具有复杂几何形状的零件，这些零件难以通过其他铸造方法产生.
然而, 与铸造相比，它通常具有较低的维度精度和表面表面.
投资铸造:
投资铸造, 也称为失去蜡铸, 用于生产具有复杂细节的高精度镁合金零件.
制作了零件的蜡模型, 涂有陶瓷壳, 蜡被融化了.
然后将熔融镁合金倒入产生的腔.
投资铸造允许生产具有出色表面表面和尺寸准确性的零件, 但这是一个更昂贵且耗时的过程，与铸造和沙子铸造相比.
锻炼: 滚动, 挤压, 锻造, 严重的塑性变形 (EPAP)
滚动:
滚动是镁合金的常见锻造过程. 可以在室温下进行 (冷滚动) 或温度升高 (热滚动).
冷滚动可以改善合金的强度和硬度，但降低了延展性, 而热滚动可以更好地提高性能.
滚动的镁合金板用于诸如汽车车身面板和电子设备套管等应用.
挤压:
挤压涉及迫使镁合金方块通过模具产生带有固定横截面的连续轮廓.
此过程适合创建诸如杆之类的产品, 管, 和各种结构曲线.
挤出镁合金产品用于航空航天, 汽车, 以及需要轻质和高强度组件的其他行业.
锻造:
锻造是通过施加压缩力来形成镁合金的过程, 通常使用锤子或压机.
它通过完善晶粒结构并消除内部缺陷来提高合金的机械性能.
锻造镁合金零件用于关键应用，例如航空航天结构组件和高性能汽车零件.
严重的塑性变形 (ECAP平等通道角压迫):
ECAP是镁合金的一种相对较新的加工技术. 它涉及将合金造成大型塑性变形而不改变其横截面区域.
ECAP可以在镁合金中产生非常细粒的微结构, 导致强度和延展性等机械性能的显着改善.
增材制造前景 (SLM, EBM)
选择性激光熔化 (SLM):
SLM是一种增材制造技术.
它具有高精度生产复杂几何形状的潜力，可用于快速原型制作和定制组件的生产.
然而, 诸如粉末处理之类的挑战, 孔隙度控制, 并确保需要解决印刷零件的机械性能.
电子束熔化 (EBM):
EBM使用电子梁融化和融合镁合金粉末层. 它在真空中运行, 这有助于减少氧化并提高制成部分的质量.
EBM适合生产大型组件，在某些情况下，与SLM相比，处理速度更快的优势.
可加工性, 焊接挑战, 和焊接维修
可加工性:
CNC加工镁合金由于其低密度和高反应性可能会具有挑战性.
他们有长期形成的趋势, 切割过程中的碎屑, 会干扰加工过程.
特殊切割工具和技术, 例如使用锋利的工具, 高切割速度, 和适当的冷却液, 有效地机镁合金需要.
焊接挑战:
焊接镁合金很难，因为它们的反应性很高, 低熔点, 并趋于形成氧化物.
孔隙率等问题, 破裂, 焊缝区域中机械性能的丧失很常见.
不同的焊接技术, 例如激光焊接, 提格焊接, 我焊接, 和摩擦搅拌焊接, 被用来克服这些挑战.
焊接维修:
镁合金的焊缝维修需要仔细准备并使用适当的焊接程序.
维修过程需要确保修复区域的机械性能和耐腐蚀性恢复到可接受的水平.
8. 加入 & 集会
焊接 (激光, 提格, 我) 和固态技术 (摩擦搅拌焊接)
激光焊接:
激光焊接提供高速加工和狭窄的热影响区域, 这有助于最大程度地减少失真并维持镁合金的机械性能.
然而, 它需要精确控制参数，例如激光功率, 焊接速度, 和焦点位置.
在一项关于AZ31镁合金激光焊接的研究中, 适当的参数选择导致关节具有拉伸强度到达 85% 碱金属强度.
提格 (钨惰性气) 焊接:
TIG焊接可以很好地控制焊接过程, 允许生产高质量的焊缝. 它适用于薄壁镁合金组件.
然而, 它的焊接速度相对较低，需要熟练的操作员. 氩气屏蔽对于防止在镁合金的TIG焊接过程中氧化至关重要.
我 (金属惰性气体) 焊接:
与TIG焊接相比，MIG焊接是一个更加自动化和更快的过程, 使其适合大规模生产.
它使用易于的电线电极, 这也可以引入合金元素以提高焊接质量.
但, 它可能会产生更多的飞溅，需要仔细调整参数以确保良好的融合.
摩擦搅拌焊接 (FSW):
FSW是一种固态焊接技术，对镁合金显示了很大的希望.
它通过旋转工具和工件之间的摩擦产生热量, 不融化材料.
这导致具有出色机械性能的焊缝, 低孔隙度, 和良好的耐腐蚀性.
FSW越来越多地用于航空航天和汽车行业来加入镁合金组件, 特别是对于传统融合焊接方法可能引起严重失真的大规模结构.
悬挂和焊接的注意事项
镁合金的焊料和焊接需要仔细选择填充材料和磁通量.
填充材料的熔点应低于镁合金的熔点，以确保正确粘结而不融化倒数金属.
通量用于去除表面氧化物并促进润湿.
例如, 镁合金可以使用银基腌制填充金属, 但是它们需要特定的通量以防止在泡沫过程中氧化.
焊接, 另一方面, 更适合连接薄壁或小型镁合金组件.
通常使用具有适当通量的基于锡的焊料, 但是与焊接和焊接相比，关节强度通常更低.
粘合粘合和机械固定策略
机械固化:
机械固定方法，例如螺钉, 螺栓, 铆钉通常用于连接镁合金组件.
使用螺钉和螺栓, 自攻螺钉通常是优选的，因为镁合金相对较软.
然而, 应避免过度触及以防止材料的螺纹剥离或破裂.
铆钉可以提供强大可靠的关节, 特别是在存在振动和剪切力的应用中.
粘合键合:
粘合键为镁合金提供了几个优势, 包括键合材料的能力, 降低应力浓度, 并提供光滑的表面饰面.
基于环氧树脂的粘合剂由于其高强度和良好的耐化学性而广泛使用.
表面制备对于成功的粘合键至关重要.
诸如喷砂之类的过程, 化学蚀刻, 底漆施用可以改善粘合剂和镁合金表面之间的粘附.
在汽车内部应用中, 粘合镁合金组件可以降低重量和噪声水平.
9. 镁合金的关键应用
镁合金在众多行业中被珍视 出色的强度与重量比, 电磁屏蔽, 和 振动阻尼特性.
作为 最轻的结构金属 (密度〜1.74 g/cm³), 在重量敏感的应用中，他们越来越代替钢甚至铝等较重的材料.
汽车行业
汽车行业是 最大的消费者 镁合金, 受燃油效率和降低排放目标的全球目标驱动.
关键应用程序:
- 动力总成组件: 传输案例, 离合器外壳, 石油锅
- 底盘和悬架: 跨成员, 转向轮, 刹车踏板
- 身体部位: 仪表板, 座椅框架, 屋顶面板 (滚动的MG床单)
航天
镁的低密度, 良好的刚度, 出色的可加工性使其适用于航空航天组件 节省重量至关重要.
申请:
- 飞机室内装饰: 座椅框架, 顶部垃圾箱, 地板面板
- 机身结构: 直升机变速箱, 机翼访问面板
- 国防系统: 无人机 (无人机) 机身
电子产品 & 消费者设备
镁合金提供 EMI屏蔽, 出色的导热率, 和轻巧 - 理想的紧凑型, 热敏设备.
典型用途:
- 笔记本电脑 & 平板电脑底盘
- 智能手机外壳
- 相机外壳
- 高性能服务器和路由器的冷却外壳
医疗应用
生物相容性镁合金, 尤其 mg – ca 和 mg – Zn 系统, 正在革命 可吸收医疗植入物.
例子:
- 骨科螺丝和盘子 (在12-24个月以上的率)
- 心血管支架
- 脚手架工程
建筑和工业硬件
镁用于选择的结构和功能组件 轻的, 耐腐蚀 表现:
- 门把手, 铰链, 和锁
- 电动工具壳
- 电梯和自动扶梯的结构支撑
体育用品 & 生活方式产品
镁合金越来越多地用于 优质体育用品, 在哪里表现, 疲劳性抗性, 和体重很重要.
常见项目:
- 自行车框架和车轮
- 网球球拍和高尔夫俱乐部头
- 射箭设备和钓鱼卷轴
- 太阳镜框架, 手提箱, 和公文包
海军陆战队 & 离高速公路使用
而镁对盐水有反应, 保护涂料 和 合金 启用其使用:
- 乘船轮子和座椅架
- 非公路车辆组件 (ATV, 雪地摩托)
- 军事海军部门 牺牲阳极设计
10. 优势 & 镁合金的局限性
镁合金的优势
- 超轻量级
镁是 最轻的结构金属 (〜1.74 g/cm³), 比铝轻33％， 75% 比钢轻. - 高强度重量比
相对于其质量提供出色的机械性能, 航空航天和汽车应用的理想. - 良好的可加工性
与其他金属相比，可以高速加工工具磨损, 减少生产时间和成本. - 出色的振动阻尼
自然会吸收振动, 使其对汽车零件和电子产品很有价值. - 优质电磁屏蔽
有效阻止电磁干扰 (EMI), 电子设备外壳必不可少的. - 回收
镁合金完全可回收，并且性能最小的降解. - 生物相容性
某些镁合金 (例如。, mg – ca, mg – Zn) 可吸收并适合临时医疗植入物. - 改善了压铸特征
非常适合薄壁的复杂形零件; 比铝更快.
镁合金的局限性
- 高腐蚀敏感性
没有适当的涂料或合金, 镁腐蚀很容易 - 尤其是在盐水环境中. - 室温有限
在形成或撞击过程中容易开裂; 合金和热机械处理有助于减轻这种情况. - 粉末形式的易燃风险
镁尘或细芯片是易燃的; 在加工期间需要严格的消防安全协议. - 具有挑战性的可焊性
氧化物形成, 孔隙率, 在焊接过程中可能发生破裂; 需要专门的技术 (例如。, 提格, 摩擦搅拌焊接). - 在高温下降低蠕变
与铝或钛合金相比，在长时间的热量和压力下，性能更快地降解了. - 合金元素的成本
使用稀土元素的合金 (例如。, 我们系列) 或锆可能很昂贵.
11. 镁合金与竞争材料的比较
| 财产 / 特征 | 镁合金 | 铝合金 | 钛合金 | 锌合金 | 工程塑料 |
| 密度 (g/cm³) | 〜1.74 | 〜2.70 | 〜4.43 | 〜6.6–7.1 | 〜0.9–1.5 |
| 抗拉强度 (MPA) | 150–350 | 200–550 | 600–1000+ | 150–400 | 50–200 |
| 杨的模量 (GPA) | 〜45 | 〜70 | 〜110 | 〜85 | 〜2–5 |
| 导热率 (w/m·k) | 〜60–160 | 〜120–230 | 〜7–16 | 〜90–120 | 〜0.2–0.5 |
| 耐腐蚀性 | 贫穷至中度 | 搭配涂料 | 出色的 | 缓和 | 出色的 |
| 可加工性 | 出色的 | 好的 | 贫穷至中度 | 非常好 | 好的 |
| 回收 | 出色的 | 出色的 | 中度到良好 | 出色的 | 有限的 (取决于类型) |
| 生物相容性 | 出色的 (特定等级) | 好的 | 出色的 | 贫穷的 | 变化很大 |
| 每公斤费用 (美元) | $2 - $ 4 | $2 - 5美元 | $20 - 40美元 | $1.5 - $ 3 | $1 - $ 10 (聚合物各不相同) |
| 节省重量优势 | ⭐⭐⭐⭐ | ⭐⭐⭐ | ⭐⭐ | ⭐ | ⭐⭐⭐⭐⭐ |
| 死亡能力 | 出色的 | 好的 | 贫穷的 | 出色的 | N/A。 |
关键的比较见解
- 镁与. 铝:
镁合金比铝轻约35％，更容易机加工, 但是除非处理过，否则它们提供较低的强度和较差.
铝具有更好的高温稳定性，并且在航空航天中更广泛使用. - 镁与. 钛:
钛合金具有较高的强度和耐腐蚀性，但非常昂贵且难以加工.
镁明显更轻松, 但不适合高压力, 高温环境. - 锌 vs. 镁合金:
锌合金较重，尺寸更稳定, 具有出色的铸造性.
镁更轻，更适合需要减轻体重的应用, 虽然更容易腐蚀. - 镁与. 工程塑料:
塑料较轻，防腐蚀，但缺乏镁的机械强度和热性能.
镁提供更好的电磁屏蔽和结构完整性.
12. 结论
镁合金自初步开发以来已经走了很长一段路, 演变成具有广泛应用的多功能材料类别.
它们独特的属性组合, 例如高强度重量比率, 振动阻尼特性, 和电磁屏蔽, 使其在从航空航天和汽车到电子和医学的行业中高价.
然而, 仍然需要解决诸如腐蚀敏感性和低室温延展性之类的挑战.
通过持续的研发工作, 在合金化学等领域取得了重大进展, 制造过程, 表面保护, 并加入技术.
新型合金化学, 晚期表面处理, 新兴的制造技术提供了有希望的解决方案来克服这些局限性并进一步扩大镁合金的应用范围.
常见问题解答
什么是镁合金?
镁合金是通过将镁与铝等元素结合而成的轻质结构金属, 锌, 锰, 和稀土.
它们提供出色的体重，并用于汽车, 航天, 电子产品, 和医疗领域.
镁合金胜于铝?
取决于应用程序:
- 镁 〜33％轻，更容易机加工.
- 铝 更强壮，更耐腐蚀.
选择镁 轻量级需求, 和铝 力量和耐用性.
什么是最好的镁合金?
“最佳”合金因行业而异. 这是一些表现最好的人:
- AZ91D - 最常用的铸造合金具有良好的强度, 耐腐蚀性, 和可铸性.
- ZK60 - 航空航天和赛车组件中使用的高强度锻造合金.
- 电子 21 / 电子WE43 - 先进的稀土合金，具有高蠕变性和航空航天的热稳定性.
- AZ31B - 多才多艺的, 可焊接, 并广泛用于卷纸和挤压.
镁合金比钛强?
不. 钛更强大，更耐腐蚀, 但也更重，更昂贵. 当使用镁时使用 节省重量 比 最大强度.
