镁与位于其前的铍和位于其后的钙，锶，钡，镭同属于周期表中第二族。钙，钡，锶的氢氧化物具有碱性，化物则同氧化铝和重金属氧化一样，在水中溶解度很小又很难熔化。氧化铝和重金属氧化物开初被称为“土”氧，故这三个元素被称为碱土金属。镁，铍，和镭既然与钙，锶钡同属于族，于是也被称为碱土金属。
（一）镁及其性质
镁是最轻的结构金属。几种常用结构金属的密度（g·cm-3）(20o)如下：
AL Mg Ti Fe
Cu
2.70 1.74 4.51
7.87 8.96
可见镁的密度约分为Al,Ti,Fe,Cu的64%，39%，22%，19%。
由于镁的密度小，它的合金也以质轻著称。一般镁合金的密度在1.8g·cm-3以下，镁，锂合金的密度低于镁
1.6g·cm-3.某些超轻型镁.锂合金密度甚至低于1,比水还轻.镁得镁和金的低密度使其比性能提高.例如,20o时的弹性模量为45Gpa,比铝(70Gpa)和Ti(120Gpa)的低,但三者的比弹性模量相同(～26Gpa).镁和镁合金质量小的特点,使其在交通运输、航空工业和航天工业上具有巨大的应用前景.
镁的熔点为 651oC,沸点为1107oC.镁的蒸气压很高,627oC时为215.95Pa,727oC时为1037.1Pa,因此镁铍极易挥发.镁原子最外层的两个电子很易失去,是很活泼的金属.常温下镁能与F、CL、BR、I等元素作用生成相应化合物.加热时镁能与硫、氮作用生成MgS和Mg3N2。在空气中镁会慢慢氧化,失去银白光泽而变黑.若温度提高至400oC以上,镁的氧化速度增快,超过500oC以后氧化速度更快,会着火燃烧,此时会生成氧化镁和少量氮化镁.镁燃烧时会发出非常强烈的光亮.镁的这一特点,颇受人们的青睐.早期就被利用于摄影照明,给人们留下美好的形象和记忆.战争时期,被用来制造照明弹,把战场和目标照明得如同白昼.又被用于制造燃烧弹,点燃战区的物资装备,杀伤对方有生力量.人们还利用镁的这一特点,将镁粉、铝粉和其它原料制成烟花.每当节庆的夜晚,随着阵阵悦耳响声,人们可以看到”嫦娥奔月””天女散花”……各种形色的烟花在夜空飞舞,多彩多姿,给人们带来极大的欢乐.顺便提一下,镁的这种”牺牲自我””乐于助人”精神处处可见.例如它仗着活泼的电化学性质做了牺牲自我的阳极,保护着其它的金属和设备.它又作为原电池阳极,耗尽了自己,照亮了他人.
由于化学活泼性高,金属镁是耐腐蚀性能最差的金属之一.在酸性、中性和弱碱性溶液中它都会受到腐蚀而变成Mg2+离子.各种类型大气均会对镁产生程度不同的腐蚀作用.在干燥的空气中,它的表面上形成一层暗淡的的疏松多孔氧化膜,在潮湿大气中,生成的产物组成大致为Mgco3·3H2O+Mgso4·7H2o+Mg(OH)2.大气湿度增加,工为地区和海洋环境的大气中所含的二氧化硫和氯化物等物质,能加重镁的腐蚀.镁中氯化物杂质及铁杂质也会加速镁的腐蚀.因此,工业生产的镁锭必须镀膜钝化,涂油及以蜡纸包覆.
镁是地壳中分布最广的元素之一,占地壳重量的2.77%,为第四个最丰富的金属元素(位于Al、Fe、Ca)之后.在自然界中镁只能以化合物的形态存在.在已知的1500多种矿物中,含镁矿物的有200多种,主要为碳酸盐、硅酸盐、硫酸盐、氧化物.海洋及盐湖中的镁比陆地上更多,是镁的主要来源.海水中含有10多种元素,镁的含量排第三,位居Na、K之后.海水中含镁0.13%每立方千米海水中有130万t镁,相当于世界镁年消耗量的4倍(见表2.8)盐湖水的镁浓度比海水更高.以东以色列、约旦之间的”死海”(实为另一内陆湖),受到千万干旱气候的造化,湖水极浓,含镁竟高达4%.仅此一处的镁,就能满足全世界2.2万年的需要.
镁工业生产的原镁,各国际标准略有不同.此国际化标准化组织的牌号及成份如表3.1所列.
表3.1
国际标准化组织镁牌号和化学成份
| 名称 |
牌号
|
杂质含量/(%),(不大于) |
| AL
Mn Zn
Si
Cu
Fe
Ni
其它
杂质含量 |
| 一般用途的重熔用镁锭 |
Mg－99.8
|
0.05
0.1
－
0.05
0.02
0.05
0.002
略
0.02 |
| |
Mg－99.95
|
0.01
0.01
0.01
0.01
0.005
0.003
0.001
略
0.05 |
| 特殊用途的重溶用镁锭 |
Mg－99.98 |
0.004
0.004
0.005
0.005
0.0005
0.002
0.0005
略
0.02 |
(2)镁合金
纯镁不适合做结构材料.作为结构材料应用的镁主要是镁合金和铝－镁合金.全世界约有千种铝合金牌号,若按化学成份归类的话,约为300多种.这300多种铝合金几乎都含有镁,其中以镁作为主要添加剂的铝－镁合金(镁含量最高为10.5%)约为40种.全世界各国镁合金品牌共有200多种,这些品牌按化学成份可归为30多种.共中变形镁合金黄色10多种,铸造镁合金20多种,铸造镁合金主要有以下3个体系.
1)
镁－铝合金.这种合金自第一次世界大战被德国使用以来,成了最广泛使用的铸造镁合金的基础.大部份含有8%～9%的铝及少量的锌(使拉伸性能有某些提高)和锰(改善抗蚀性)
2)
镁－铝－锌合金.镁－铝合金中加锌会产生一定的强化作用,其中高含锌量的合金具有很吸引人的压铸特性.如Mg－8AL－8ZN,具有足够大的流动性.,可用于压铸件,而且流动性和抗蚀性超过传统铝－锌合金.
3)
含锆镁合金.锆能细化晶粒,改善镁合金的拉伸性能,提高镁合金蠕变能力,以满足航空和航天工业的需要.属于这一系列的合金有镁－锌－锆合金,镁－稀土－锌－锆合金,以及镁－钍系为基和镁－银系为基的含ZR合金.这种含稀土金属和或含钍的合金都可焊.钍也能改善铸造性能.银可以进一步提高拉伸性能.一些铸造镁合金的性能示于表3.2.
镁是立方晶格的金属,可以承受的形变量有限(特别是在低温下).其变形材料主要在300～500oC温度范围内通过挤压、;轧制和压力锻造进行生产.变形合金可以按照它们是否含锆而分成两类.按照变形产品种类可分为三类:1薄板和厚板轧制金.如AZ31(Mg-Al-Z系),ZM21(Mg-Zn
-Mn系)和ZE10(Mg-Zn-RE系),这三种合金都可焊,后两种强度较低.LA141A(Mg-Li-Al)等也属这一类,前面已作详细介绍.属于这一类的还有含钍的HK31(Mg-Th-Zr系)以及随后研制的HM21(Mg-Th-Mn等),它们的高温强度更高.2挤压合金.这类合金含铝量大多在1%～8%之间.
表3.2 某些铸造镁合金的名义成分和性能
| ASTM |
名义成份 |
拉伸性能 |
| 标示 |
AL |
|
|
|
|
|
|
|
屈服能力
60.2/Mpa |
拉伸强度6b/Mpa |
伸长率
δ/(% |
| Az63 |
6 |
3 |
0.3 |
|
|
|
|
|
75-110 |
180-230 |
2-4 |
| Az81 |
8 |
0.5 |
0.3 |
80 |
140 |
3 |
|
|
80 |
220 |
7 |
| Az91 |
9.5 |
0.5 |
0.3 |
|
|
|
|
|
80-120 |
95-230 |
2-4 |
| Zk51 |
|
4.5 |
|
0.7 |
|
|
|
|
140 |
235 |
5 |
| Zk61 |
|
6 |
|
0.7 |
|
|
|
|
175 |
275 |
5 |
| ZE41 |
|
4.2 |
|
0.7 |
1.3 |
|
|
|
135 |
180 |
2 |
| Ze33 |
|
2.7 |
|
0.7 |
3.2 |
|
|
|
95 |
140 |
3 |
| HK31 |
|
|
|
0.7 |
|
|
3.2 |
|
90 |
185 |
4 |
| HZ32 |
|
2.2 |
|
0.7 |
|
|
3.2 |
|
90 |
185 |
4 |
| OE22 |
|
|
|
0.7 |
|
2.5 |
|
2.5 |
185 |
240 |
2 |
| QH21 |
|
|
|
0.7 |
|
1 |
1 |
2.5 |
185 |
240 |
2 |
AZ81(Mg－Al－Zn－Mn系)具有最高的高温强度.ZK61(Mg－Zn－Zr系)室温强度最高.含钍合金HK31和HM21也可归人这一类,它们在高温下(350oC)能抗蠕变.3.锻造合金.变形镁合金中锻件占一小部份,一般用于那些要求重量轻但强度比铸件高的复杂形状.室温使用的锻件倾向于用强度较高的AZ80(MG－AL－ZN系)或ZK60(MG－ZN－ZR)来制造,高温使用的用HK31或ZK(MG－ZN－ZR系)来制造,高温使用的用HK31或HM21制造.某些变形镁合金的名义成分及性能列于表3.3.
表3.3 某些变形镁合金的名义成分和性能
| ASTM |
名义成份 |
拉伸性能 |
| 标示 |
AL |
Zn |
Mn |
Zr |
Th |
Li |
|
屈服能力
60.2/Mpa |
拉伸强度6b/Mpa |
伸长率
δ/(% |
| M1 |
|
|
1.5 |
|
|
|
|
70-130 |
200-230 |
4 |
| AZ31 |
3 |
1 |
0.3 |
|
|
|
|
105-160 |
200-250 |
4-11 |
| AZ61 |
6.5 |
1 |
0.3 |
|
|
|
|
180-160 |
260-275 |
7 |
| AZ80 |
8.5 |
0.5 |
0.2 |
|
|
|
|
200 |
290 |
6 |
| ZM21 |
|
2 |
1 |
|
|
|
|
120-165 |
200-240 |
6-11 |
| LA141 |
1.2 |
|
0.15(最少） |
|
|
|
14 |
95 |
115 |
10 |
| ZK31 |
|
3 |
|
0.6 |
|
|
|
210 |
295 |
8 |
| ZK61 |
|
6 |
|
0.8 |
|
|
|
210-240 |
275-305 |
4-7 |
| ZK31 |
|
|
|
0.7 |
3.2 |
|
|
170-180 |
230-225 |
4 |
| HM21 |
|
|
0.8 |
|
2 |
2.5 |
|
135-180 |
215-225 |
3-6 |
| HZ11 |
|
0.6 |
|
0.6 |
0.8 |
1 |
|
120-130 |
215-230 |
6-7 |
镁合金都具有密度小的特点，特别是某些镁-锂合金（见前），密度甚至低于1。美英俄等国正在研制含钇镁合金。一种Mg-8.5Y-1.25Zn-0.5Zr合金，其密度小于1.9g·cm-3
，抗拉强密度420Mpa， 0.2%屈服强度360Mpa，比现有任何一种变形镁合金的都高，同高强度铝合金强度相当。
|
