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1、1.2 铝和铝合金,最早关于铝的记载,传说在古罗马，一天，一个陌生人去拜见罗马皇帝泰比里厄斯，献上一只金属杯子，杯子像银子一样闪闪发光，但是分量很轻。它是这个人从黏土中提炼出的新金属。但这个皇帝表面上表示感谢，心里却害怕这种光彩夺目的新金属会使他的金银财宝贬值，就下令把这位发明家斩首。从此，再也没有人动过提炼这种“危险金属”的念头，这种新金属就是现在大家非常熟悉的铝。aluminum一词就是从古罗马语alumen(明矾)衍生而来的。,法国皇帝拿破仑三世，为显示自己的富有和尊贵，命令官员给自己制造一顶比黄金更名贵的王冠铝王冠。他戴上铝王冠，神气十足地接受百官的朝拜，这曾是轰动一时的新闻。拿破仑三
2、世在举行盛大宴会时，只有他使用一套铝质餐具，而他人只能用金制、银制餐具。即使在化学界，铝也被看成最贵重的。 英国皇家学会为了表彰门捷列夫对化学的杰出贡献，不惜重金制作了一只铝杯，赠送给门捷列夫。 俄罗斯作家车尔尼雪夫斯基曾在他的小说怎么办中写到：终有一天，铝将代替木材，甚至可能代替石头。看，这一切是多么奢侈，到处都是铝。,银色的金子,铝在自然界中的存在形式,在地壳中含量：7.73% 含量最多的金属元素 存在形式： 长石、云母（铝硅酸盐矿物 ）、铝土矿（Al2O3）、明矾石,19世纪前期，为什么叫铝为“银色的金子”？,铝的价值贵贱，完全取决于炼铝工业的水平。随着铝产量的增加，铝价也就下降。,古代
3、，人们曾用一种称为明矾（意思是结合）的矿物作染色固定剂。 中世纪，在欧洲有好几家生产明矾的作坊。 16世纪，德国医生兼自然科学历史学家帕拉塞斯研究了许多物质和金属，其中也包括明矾（硫酸铝），证实它们是“某种矾土盐”。 1754年，德国化学家马格拉夫终于能够分离“矾土”了。 1825年丹麦化学家奥斯德发表实验制取铝的经过。1827年，德国化学家维勒重复了奥斯德的实验，并不断改进制取铝的方法。 1854年，德国化学家德维尔利用钠代替钾还原氯化铝，制得成锭的金属铝。,铝的冶炼史,十二水硫酸铝钾,工业炼铝的方法,铝在生产过程中有四个环节构成一个完整的产业链： 铝矿石开采氧化铝制取电解铝冶炼铝加工生产。
4、,一般而言，两吨铝矿石生产一吨氧化铝；两吨氧化铝生产一吨电解铝。,1 奥地利化学家拜耳于18891892年发明的一种从铝土矿中提取氧化铝的方法。一百多年来在工艺技术方面已经有了 许多改进，但基本原理并未发生变化。拜耳法包括两个主要过程：首先是在一定条件下氧化铝自铝土矿中的溶出，然后是氢氧化铝自过饱和的铝酸钠溶中水解析出的过程。拜耳法的实质就是以湿法冶金的方法，从铝土矿中提取氧化铝。,2 而目前工业生产原铝的唯一方法是霍尔埃鲁铝电解法。,1.2.1 工业纯铝,铝：原子序数为13，原子量为26.98，面心立方结构，熔点660，密度2.702 ，晶格常数4.05，原子直径2.86 ，标准电极电位1.
5、67V 高的耐大气腐蚀性：铝在大气中极易和氧作用生成一层牢固致密的氧化膜，厚度约为50100 ，可防止铝继续氧化；即使在熔融状态，仍然能维持氧化膜的保护作用。因此，铝在大气环境中是抗蚀的。Al2O3膜具有酸、碱两重性，因此，纯铝除在氧化性的浓硝酸(8098)中有极高的稳定性外(优于NiCr系不锈钢)，在硫酸、盐酸、碱、盐和海水中均不稳定。 良好的低温性能、无低温脆性：在摄氏零度以下随着温度的降低，其强度和塑性提高。 高的导电性：位于银、铜、金之后。 高的导热性：热交换器。 无磁性：冲击不产生火花，用于制作如仪表材料、电气设备的屏蔽材料，易燃、易爆物的生产器材等。 低强度、高塑性：强度为 80M
6、Pa130MPa， 延伸率3050 % ，铝箔。,纯铝的应用,高纯铝主要用于科研、化学工业、电子工业以及其它一些特殊用途。日常生活用品用1050A(L3)制造。大部分纯铝用于熔制铝合金，有些纯度不高的铝有时也用来加工成各种半成品。,1A50 食品、化学和酿造工业用挤压盘管，各种软管，烟花粉 1A60 要求抗蚀性与成形性均高的场合，但对强度要求不高，化工设备是其典型用途 1070 用于加工需要有良好的成形性和高的抗蚀性但不要求有高强度的零件部件，例如化工产品、食品工业装置与贮存容器、薄板加工件、深拉或旋压凹形器皿、焊接零部件、热交换器、印刷板、铭牌、反光器具 1A45 包装及绝热铝箔，热交换器
7、1A99 电解电容器箔，光学反光沉积膜,超高纯铝： 5N5-6N的超高纯铝（每种杂质的最大含量0.4ppm） 比原铝更好的导电性、延展性、反射性和抗腐蚀性，在电子工业及航空航天等领域有着广泛的用途。 半导体制造业用溅射靶材：制造芯片时，等离子态铝沉积于硅片上形成一层薄而均匀、缺陷极少的铝膜，随后在膜上涂一层感光性树脂，经曝光腐蚀掉无用的部位(未感光的树脂) ，而保留的极窄的铝条便是所需的导电体。 集成电路配线：超高纯铝中的痕量杂质铀与钍是越少越好，因为它们是放射性元素，在不断释放粒子，造成集成电路出现故障，使程序失误与混乱。 超高纯铝5N2 U+Th5ppb（wt%）、超高纯铝5N5 U+Th
8、1ppb（wt%）超导电缆稳定化材料 ：5N2及5N5靶材应用于平板显示器用溅射靶材。 电气电子材料 ：5N2超纯铝用于制造光电子存储媒体，如CD、CD-ROM 、CD-RW、数据盘或微型盘、DVD银盘等。在银盘中用5N超纯铝溅射膜作为光反射层。,pm part per thousand 千分之一； ppm part per million 百万分之一； ppb part per billion 10亿分之一 ； ppt part per trillion 万亿分之一,1.2.2.1 铝合金的牌号、分类与应用,1.2.2 铝合金,形变铝合金： 相图中D点以左的部分。该类铝合金加热至固溶线FD以
9、上时能形成单相固溶体，塑性好，适用于压力加工成形。 不能热处理强化的形变铝合金： 相图中F点以左的部分，组织为单相固溶体，且其溶解度不随温度而变化，无法进行热处理强化； 可热处理强化的形变铝合金： 相图中F和D之间的形变铝合金，固溶体的溶解度随着温度而显著变化，可进行热处理强化。 铸造铝合金： 相图中D点以右的部分，有共晶铝合金、亚共晶铝合金和过共晶铝合金之分。,按铝合金所处相图的位置分类： 铝合金: 形变铝合金、铸造铝合金,纯铝中加入适量其它元素如Si、Cu、Mg、Zn等即为铝合金,防锈铝合金,LF2、 LF3、 LF5、 LF10、LF6、 LF12、 LF14、LF13、LF33、LF4
10、3、LF21、LF5-1,主加元素为Mn或Mg，形成Al-Mg5或Al-Mn3 Mg：是固溶强化和降低密度，对耐蚀性能的影响较小； Mn：提高合金的抗蚀能力和固溶强化。 该类合金为单相固溶体，具有较强的抗腐蚀能力以及较好的冷变形能力和焊接性能，不能时效强化，但可形变强化。,5A02 飞机油箱与导管，焊丝，铆钉，船舶结构件 5A03 中等强度焊接结构，冷冲压零件，焊接容器，焊丝，可代替5A02 5A05 焊接结构件，飞机蒙皮骨架 5A06 焊接结构，冷模锻零件，焊拉容器受力零件，飞机蒙皮骨部件 5A12 焊接结构件，防弹甲板 3A21 飞机油箱、油路导管、铆钉线材等；建筑材料与食品等工业装备等,
11、Al-Cu合金中再加合金元素Mg或Mn形成的Al-Cu-Mg和Al-Cu-Mn系铝合金。 Al-Cu-Mg系硬铝称为普通硬铝 Al-Cu-Mn系硬铝称为耐热硬铝 硬铝可通过热处理（固溶时效）强化，也可形变强化。 硬铝存在两点不足，一是抗蚀性差，由于合金中含有大量的铜，而含铜固溶体和化合物的电极电位均高于晶界，因此易产生晶界腐蚀，使用过程中需采取包铝阴极保护、喷漆等防腐措施。二是硬铝的固溶处理温度范围窄。如2A12（ LY12 ）为495503。低于该温度时固溶体的过饱和度不足，影响时效效果；高于该温度时，又易产生晶界熔化。,硬铝合金,LY1、 LY2、 LY4、 LY8、 LY9、 LY10、
12、LY11、LY12、 LY6、 LY16、LY17,超硬铝合金,LC3、 LC4、 LC9、 LC10、LC12,为Al-Zn-Mg-Cu系合金，并含有少量的铬和锰。 形变铝合金中力学性能最高，抗拉强度达600700MPa。超硬铝的热处理强化效果（固溶时效）最显著，热塑性好，易加工成形，但缺口敏感性大，疲劳极限低，抗蚀性差，高温下软化快。 7A04： 5.07.0 %Zn 、1.42.0%Cu、 1.82.8%Mg、 0.20.6%Mn 600MPa、9%,7A09 用于制造飞机中要求强度高、抗腐蚀性能强的高应力结构件 7A04 飞机蒙皮、螺钉、以及受力构件如大梁桁条、隔框、翼肋、起落架等,锻
13、造铝合金,LD2、 LD2-1、LD2-2、LD5、LD6、 LD7、 LD8、 LD9、LD10、LD11、LD30、LD31,锻铝有Al-Mg-Si、Al-Cu-Mg-Si、Al-Cu-Mg-Fe-Ni等合金系。该类合金的合金元素种类多而含量少，具有良好的热塑性和锻造性，并可热处理强化。 Al-Mg-Si系合金：宜于制造形状复杂的型材和锻件，如飞机和发动机中工艺性和耐蚀性要求较高的零件； Al-Cu-Mg-Si系合金：用于制造形状复杂、承受中等载荷的各类大型锻件和模锻件，但该合金有应力腐蚀和晶界腐蚀的倾向，不宜作薄壁零件； Al-Cu-Mg-Fe-Ni系合金：因含有较多的Fe、Ni，因而具
14、有较高的耐蚀性能，适宜于制造发动机的活塞、汽轮机叶片等耐高温和耐腐蚀的零件。,1.2.2.2 铝合金的强化,固溶强化、沉淀强化、过剩相强化、细晶强化、冷变形强化,固溶强化 ： 无限互溶合金系的组元间具有相似的物理化学性质、原子尺寸差异小，固溶体晶格畸变程度较低，因而固溶强化效果不大。如铝锌、铝银合金系，固溶强化作用差，因此，Al-Zn、Al-Ag简单二元合金没有实用价值。 固溶强化效果主要取决于基体金属与合金元素原子半径差别的大小，原子半径差别越大，强化效果越明显，采用溶解度超过1的其他几个元素，如Al-Mg，Al-Cu、A1-Mn、A1-Si合金系有实用价值。 用多元少量合金化来形成新的强化
15、相或改变沉淀硬化特性，使固溶强化效果更大，如Al-Cu-Mg系，可形成CuAl2(相)、Al，CuMg(S相)等强化相，从而使合金获得显著强化。,沉淀强化(时效强化) ： 铝合金固溶强化效果有限，要想获得高强度，必须配以时效强化处理。合金元素在铝中要有较大的极限溶解度，其溶解度随温度的降低而急剧减小，时效过程中形成均匀、弥散分布的共格或半共格过渡相，这种相在基体中能造成较强烈的应变场，提高对位错运动的阻力，从而提高合金的强度。 可热处理强化铝合金：A1-Cu-Mg、Al-Mg-Si和Al-Zn-Mg系。,过剩相强化： 加入铝中的合金元素量超过其极限溶解度时，固溶加热后便有一部分不能溶入固溶体的
16、第二相出现，称之为过剩相。 铝合金中的过剩相多为硬而脆的金属间化合物，在合金中起阻碍位错滑移的作用，使强度、硬度提高，而塑性、韧性降低。 Al-Si共晶铸造合金的主要强化手段是靠过剩相强化。随着硅含量增加，过剩相的数量增多，合金的强度、硬度相应提高。但硅含量不能超过共晶成分太多，以免出现多角形的板块状初晶硅，导致强度和塑性的急剧降低。,细晶强化： 铝合金中添加微量合金元素使铝合金固溶体基体和过剩相组织细化，以提高铝合金机械性能，这是细晶强化。 铸造铝合金：加入微量元素(变质剂)进行变质处理来细化铸态组织。变质处理适用于不能热处理强化或强化效果不大的铝合金。如铸造铝硅合金中加入微量钠或钠盐或者锑
17、等变质剂进行变质处理，细化组织，可以显著提高强度和塑性；铸造铝合金中加入少量锰、铬或钴等使杂质铁的板块状或针状化合物AlFeSi细化，从而提高塑性。 变形铝合金中添加微量钛、锆、铍以及稀土元素，能形成难熔化合物，合金结晶过程时作为非自发晶核，起到细化晶粒作用，提高合金的强度和塑性。例如铝锰合金中添加0.020.3Ti可细化组织。,铝合金的固溶时效强化(固溶时效强化机制及步骤),固溶处理： 通过高温加热使铝合金中的强化相溶入基体，随后快冷以抑制强化相在冷却过程中重新析出，以获得铝基过饱和固溶体的过程。 时效处理： 过饱和固溶体在室温下放置一段时间或加热到一定温度保温一定时间后，基体中析出新相的过
18、程。 自然时效：过饱和固溶体在室温下放置一段时间的时效 人工时效：过饱和固溶体加热到一定温度保温一定时间的时效,固溶时效处理的一般步骤,固溶处理： 将合金加热到固溶线以上、固相线 以下温度保温，获得成分均匀的固溶体组织。 淬火： 将固溶处理后的工件快冷到较低温度，得到过饱和单相固溶体。（与钢淬火组织不同） 时效： 使过饱和固溶体中析出细小弥散沉淀相的过程。 自然时效：室温下时效； 人工时效：在高于室温（固溶温度与室温之差的15到25）进行时效。,淬火态，单相固溶体，铜原子在基体中混乱分布,时效初期，单相固溶体中形成保持共格界面的GP区,时效后期，形成半共格界面的过渡相,高温时效，固溶体中析出非
19、共格界面的平衡相,1.2.2.3 铸造铝合金,铸造铝合金 包括： Al- Si系： 代号为ZL1+两位数字顺序号 Al-Cu系：代号为ZL2+两位数字顺序号 Al-Mg系：代号为ZL3+两位数字顺序号 Al-Zn系： 代号为ZL4+两位数字顺序号 Al-Si系铸造铝合金,又称硅铝明。其中ZL102(ZAlSi12)是含12%Si的铝硅二元合金，称为简单硅铝明.,在普通铸造条件下， ZL102组织几乎全部为共晶体，由粗针状的硅晶体和固溶体组成，强度和塑性都较差。生产上用钠盐变质剂进行变质处理，得到细小均匀的共晶体加一次固溶体组织，以提高性能。,加入其他合金元素的铝硅铸造合金称复杂(或特殊)硅铝明
20、。 Al-Si系铸造铝合金的铸造性能好，具有优良的耐蚀性、耐热性和焊接性能。,活塞(裙部为铝硅合金),用于制造飞机、仪表、电动机壳体、汽缸体、风机叶片、发动机活塞等。, Al-Cu系铸造铝合金 这类合金的耐热性好，强度较高；但密度大，铸造性能、耐蚀性能差，强度低于Al-Si系合金。,汽缸头,常用代号有ZL201 (ZAlCu5Mn)、ZL203 (ZAlCu4)等。主要用于制造在较高温度下工作的高强零件，如内燃机汽缸头、汽车活塞等。, Al-Mg系铸造铝合金 这类合金的耐蚀性好，强度高，密度小；但铸造性能差,耐热性低。,常用代号为ZL301(ZAlMg10)、 ZL303(ZAlMg5Si1)
21、等. 主要用于制造外形简单、承受冲击载荷、在腐蚀性介质下工作的零件，如舰船配件、氨用泵体等。,鼓风机密封件等(ZL102、301), Al-Zn系铸造铝合金 这类合金的铸造性能好，强度较高，可自然时效强化；但密度大，耐蚀性较差。,大型空压机活塞(ZL401),常用代号为ZL401(ZAlZn11Si7)、ZL402(ZAlZn6Mg)等. 主要用于制造形状复杂受力较小的汽车、飞机、仪器零件。,1.3 镁及镁合金,二十一世纪对材料提出的新的要求,轻质、高强度、绿色 资源：可持续发展； 环境：可回收，减少污染,绿色材料； 交通运输行业：减重、节能、降低排放； 航空航天：轻量化； 其它（通信、计算机
22、、消费类电子）产品： 轻量化、小型化、高集成化。,镁及镁合金的特性,比重轻 镁(1.74) 铝(2.70) 铁(7.87)； 比强度和比刚度 比铝、钢高； 良好的阻尼减震性能； 优良的导电、导热性能； 良好的电磁屏蔽性能； 良好的机加工性能； 废料易回收重复使用； 被誉为二十一世纪绿色工程材料,镁材与几种常用工程材料力学性能比较,几种典型结构材料的比强度和比刚度对比,镁及镁合金产品的应用,汽车、摩托车、飞机零件 （减震、节能、提高驾乘舒适度） 轿车用镁合金轮毂 直升机变速箱壳体,轿车用镁合金齿轮箱,镁合金曲轴发动机左、右箱体盖； 镁合金曲轴发动机后盖； 镁合金前、后轮毂； 镁合金后扶手； 镁合
23、金锁扣。,全镁概念摩托车，12个零部件 用镁合金替代（减重6Kg）,手机、电脑、笔记本电脑等3C产品,全镁合金手机、笔记本电脑等3C产品,镁合金高比强度、良好电磁屏蔽和散热能力，优越的装饰及易于回收的特点，是制造电子产品外壳的理想材料。,兵器（减重）,飞行器结构件,压力容器,镁及镁合金研究发展历程,1755年，英国D.BLACK正式确定镁的存在； 1808年，英国H.DAVY制得镁汞齐； 1828年，法国A.BUSSY用钾还原制得纯镁； 1930年，德国ALDER工厂将镁合金用于汽车零件； 1936年，苏联将镁合金用于飞机零件； 第一次世界大战期间，镁合金大量用于军事上； 第二次世界大战期间，
24、镁合金用量激增。战后镁合金主要用于汽车上； 20世纪70年代镁合金应用出现回落； 20世纪80年代由于能源危机，镁合金的应用开始回升，并有了长足的进步。,世界镁合金消耗量正以每年20%速度飞速增长,从1998年到2000年在汽车上的镁合金用量： 北美由5.93万吨增至7.85万吨； 欧洲由1.68万吨增至2.68万吨； 日本由0.63万吨增至0.73万吨。 西方目标：在每辆轿车上用镁合金3040Kg。 西方汽车商已把单量轿车用镁合金零件的多少作为衡量汽车科技含量的重要指标。,镁合金的冶炼,熔盐电解法：电解熔融氧化镁制得金属镁 用盐酸处理沉淀物白云石和海水获得MgCl2 ，然后放入电解槽中电解得
25、到Mg 。 硅热还原法：电炉中用硅铁还原而制得金属镁 粉末状硅铁与MgO置于反应罐中，真空条件下加热到1200，获得镁蒸汽，冷却凝固后得到镁。 煅烧法： 加热混有焦炭的MgO 即可分离出Mg。,镁合金的熔化 镁合金的加工 铸造： 砂型铸造、 压铸、触融压铸 成形工艺 ： 轧制、锻造 、挤压,镁合金的生产,通常镁在低碳钢坩埚中熔化、合金化、精炼或净化, 因为镁与钢的反应很缓慢 。 镁及镁合金与氧极易反应，并在空气中激烈燃烧。 氧化膜加速了氧化过程的进行。 熔化阶段： 用含有氯化物的混合熔剂如MgCl2、KCl 或 NaCl。 在浇铸前必须去除氯化物，以避免影响耐蚀性。 合金化、精炼阶段： 用混有
26、CaF2 、MgF2和MgO 的混合物形成覆盖层以隔绝空气。 常用硫的氟化物 SF6 保护熔体，以降低熔体的氧化烧损和制造成本。,镁合金的熔化,高压铸造 广泛用于镁合金零件 - 热室压铸 - 冷室压铸 挤压铸造 铸造设备和成型方向垂直安放 -直接挤压铸造 -间接挤压铸造 触变铸造 比较新的工艺： 基于半液态合金具有的触变特性。,镁合金的铸造,高压压铸,应用最广和最经济的镁合金加工方法： - 低的铸造温度 650680。 - 低的热容量： 比铝熔化快50%。 - 高的铸造精度和表面加工性能 - 不侵蚀铁模，模具具有长的使用寿命。 - 良好的机械耐力。 - 高的充型速度。,凝固速度快和生产效率高。
27、可生产薄壁、近净形零件。细化组织可得到高的机械性能。,挤压铸造,优点： 降低孔隙度。 防止具有宽结晶温度范围合金产生热裂纹。 晶粒细化度和缺陷少，提高了强度和韧性。 可热处理。 难铸造的合金可进行铸造。 研发新型合金。 生产镁合金复合材料,触融压铸,触融压铸典型温度范围为液相线温度以下20 ，含有固相和液相的混合物。 半固态金属成型：Mg/Al 合金枝晶和球状晶的形成。 强烈搅拌使技晶变为球晶结构。,Viscosity Shearing strain ,触压铸造工艺过程,板坯按一定尺寸切割，然后将坯料加热到接近液相线温度，获得液相/固相比率约为3040的混合熔体。 加热完毕的坯料送到触变成形机
28、。 所施加的压力转变为剪应力，这降低了粘度，坯料表现出流体的特性。 电磁搅拌作用时间较短，以避免枝晶生长。,触变成形,触变成型是一种变异的触变铸造，但使用的是注塑机，而不是压铸机。 （类似塑料成型） 。 工艺过程：在螺旋输送机内熔化触变成型的颗粒（温度为 560 - 620 ）；半固态金属压入模具。 用氩保护加热和冷却时的注射装置，以防止与空气接触。,生产过程完全实现自动化； 生产效率高； 因能耗低，节省能量； 较高的模具使用寿命； 无气孔、夹杂物、可焊接的零件； 低的冷却收缩、无气孔； 性能优异； 可生产薄壁零件； 近终形零件。,Thin-walled Mg alloy AZ91D cast
29、ing produced by thixo-moulding,触变铸造的优点,1.3.1 纯镁,银白色，密度1.74g/3，熔点648.9，沸点1090。 电离能7.65电子伏特。 晶体结构：密排六方结构。 具有延展性，无磁性，且有良好的热消散性。 热导率: 156 W/(mK) 还原性较强，与热水反应放出氢气，燃烧时能产生眩目的白光，镁与氟化物、氢氟酸和铬酸不发生作用，也不受苛性碱侵蚀，但极易溶解于有机和无机酸中，镁能直接与氮、硫和卤素等化合，包括烃、醛、醇、酚、胺、脂和大多数油类在内的有机化学药品与镁仅仅轻微地或者根本不起作用。,生产铝合金：铝合金中的添加元素。2002年全世界共用了14.
30、56万吨镁，占40%；我国2003年共用2.1万吨镁，占41%。镁与原铝的消费比率约为0.4%。 压铸镁合金铸件：2002年原镁消费中，压铸占35%。在镁压铸中，北美、拉美、西欧用量最多。镁合金压铸件在汽车上的使用量上升了15%左右。 炼钢脱硫：2002年世界有5.73万吨镁用于炼钢脱硫，占总量的15.70%。我国2003年钢铁脱硫用镁8000吨，占总消费量的15.62%。使用镁粒脱硫效果比碳化钙好，虽然镁价格比碳化钙高，但用量为碳化钙的1/61/7，镁脱硫比碳化钙经济。吨钢消耗镁粒0.40.5公斤，脱硫后含硫量0.0010.005%。 金属还原剂：如稀土合金、钛等到。 镁牺牲阳极保护阴极：防
31、腐性能好、不需外加直流电源、安装后自动运行、不需维护、占地面积少、工程费用低、与外界环境不发生任何干扰。石油管道、天燃气、煤气管道和储罐；港口、船舶、海底管线、钻井平台；机场、停车场、桥梁、发电厂、市政建设、水处理厂、石化工厂、冶炼厂、加油站的腐蚀防护以及热水器、换热器、蒸发器、锅炉等设备。,生产铝合金：铝合金中的添加元素。2002年全世界共用了14.56万吨镁，占40%；我国2003年共用2.1万吨镁，占41%。镁与原铝的消费比率约为0.4%。 压铸镁合金铸件：2002年原镁消费中，压铸占35%。在镁压铸中，北美、拉美、西欧用量最多。镁合金压铸件在汽车上的使用量上升了15%左右。 炼钢脱硫：
32、2002年世界有5.73万吨镁用于炼钢脱硫，占总量的15.70%。我国2003年钢铁脱硫用镁8000吨，占总消费量的15.62%。使用镁粒脱硫效果比碳化钙好，虽然镁价格比碳化钙高，但用量为碳化钙的1/61/7，镁脱硫比碳化钙经济。吨钢消耗镁粒0.40.5公斤，脱硫后含硫量0.0010.005%。 金属还原剂：如稀土合金、钛等到。 镁牺牲阳极保护阴极：防腐性能好、不需外加直流电源、安装后自动运行、不需维护、占地面积少、工程费用低、与外界环境不发生任何干扰。石油管道、天燃气、煤气管道和储罐；港口、船舶、海底管线、钻井平台；机场、停车场、桥梁、发电厂、市政建设、水处理厂、石化工厂、冶炼厂、加油站的腐
33、蚀防护以及热水器、换热器、蒸发器、锅炉等设备。,纯镁的应用,1.3.2 镁合金,“在材料领域中还没有任何材料像镁那样，潜力与现实有如此大的颠倒。” 目前，三种主要的镁合金系是Mg-Al合金、Mg-Zn合金及Mg-RE合金，镁不具备象铝那样丰富的合金系列，需要开发大量新的镁合金系列。 镁合金材料根据生产方式的不同主要分为铸造镁合金与变形镁合金两大类。 国外专家认为镁合金研究与开发基本可分为4个阶段：铸造镁合金、压铸镁合金、变形镁合金、快速凝固镁合金。,图1-7 镁工业发展战略示意图,国际镁协会（IMA）在2000年提出的发展镁合金材料的战略示意图。 目前，主要是采用传统铸造工艺生产镁合金； 近期
34、的研究工作主要集中在镁合金压铸和Thixomolding技术上； 变形镁合金的发展是长远的目标和计划。,1、铸造镁合金 大量镁合金产品采用铸造工艺进行生产。尤其是采用压铸工艺（Die Casting）生产。压铸工艺生产镁合金具有生产效率高、精度高、凝固组织优良和可生产薄壁及复杂形状铸件。 最常见的压铸镁合金是Mg-Al系合金，用铝合金化可提高合金的强度并具有更好的铸造性能。 通过控制杂质含量，可通过压铸工艺生产出力学、耐腐蚀等综合性能优良的镁合金铸件，如最常见、使用量最大的AZ91合金。,高温应用的铸造镁合金 普通Mg-Al、Mg-Zn系铸造镁合金使用温度限于150200C。应用于更高温度下的
35、耐热镁合金主要是Mg-RE、Mg-Th系合金。 钍是提高镁合金高温性能最有效的合金元素，但钍的低放射性限制了Mg-Th合金的应用。 Haughton和Prytherch等最早报道了提高高温抗拉强度的Mg-Ce合金。 Leontis的工作证明Mg-RE合金的高温性能按La、Ce、MM（富Ce混合稀土）、Nd的序列提高。 Sauerward发现了Mg-RE合金中锆（Zr）的晶粒细化作用。 Payne等发现银的加入明显改善Mg-RE合金的时效硬化效应。 添加钪、钇对镁合金的有益影响是又一个非常重要的发现，Drits等开发了一系列耐热高强WE型镁合金。该类合金良好的力学性能使其广泛应用于赛车及飞行器变
36、速箱壳体上。,2、变形镁合金,与铸造镁合金相比，变形镁合金材料比铸造镁合金材料具有更高的强度，更好的延展性，更多样化的力学性能，从而满足更多样的结构件的需求。研究与开发新型变形镁合金，开发变形镁合金生产新工艺，是国际镁协会（IMA）在2000年提出的发展镁合金材料的最重要、最具挑战性且是最长远的目标和计划。,变形镁合金与铸造、 压 铸镁合金性能比较,镁及镁合金塑性变形结构特性,金属镁的晶体结构 225C以下仅限于0001滑移及锥面1012孪生。在较高温度下可出现1011滑移。 加入Li、In、Ag等使c/a滑移。,发达国家十分重视镁合金研究与开发 美国的镁合金材料体系研制较为完备，合金系列有M
37、g-Al、Mg-Zn、Mg-RE（稀土）、Mg-Li、Mg-Th等，包括铸造（压铸）件以及板、棒、型材和锻件，并且开发出了快速凝固高性能变形镁合金、非晶态镁合金及镁基复合材料等。 美国与世界最大的镁生产企业挪威Novsk Hydro公司签订了长期合作关系，以保证在21世纪前期镁原料和镁产品的充足稳定的供应。,3、镁合金的发展现状,日本在1999年由教育部、科技部、体育部和文化部共同组织实施的历时四年的 “Platform Science and Technology for Advanced Magnesium Alloy”。着重研究镁的新合金、新工艺，开发出超高强变形镁合金材料和可冷压加工的
38、镁合金板材。 德国于1997年由政府教育部组织，全国60余家企业，6所大学耗资2500万马克制订了“高新制造技术发展计划”，以解决镁合金生产中各种技术难题。 英国开发出Mg-Al-B挤压镁合金用于Magnox核反应堆燃料罐。 以色列最近也研制出用于航天飞行器上兼具优良力学性能和耐蚀性能的变形镁合金。 法国和俄罗斯都生产出鱼雷动力电池用变形镁合金阳极薄板材料。,先进镁合金材料发展方向,镁合金的晶粒细化 多晶体镁结构特征中晶粒细化对其屈服强度与延展性改善的巨大作用与潜力。根据Hall-Petch公式： 镁的Hall-Petch系数Ky=280MPam-1/2，为铝的相应系数Ky=68MPam-1/
39、2的4.1倍。这说明晶粒细化对镁的强化作用远远大于铝的。 晶粒细化对镁力学性能的提高，其潜力远远大于铝合金。是开发镁合金最重要的因素之一。 Zr 常用于细化镁合金； Zr 可产生异质形核 ，细化镁合金。,晶粒尺寸对镁、铝 晶粒尺寸对镁的塑性的影响 合金强度的影响,稀土对纯镁晶粒细化的宏观形貌,镁合金的超塑性 许多镁合金系（Mg-Li、Mg-Zn-Zr、Mg-Mn等）以及快速凝固镁合金都具备明显的超塑性能。晶界滑动是镁合金超塑性的主要机制。当晶粒下降到1 5m时，甚至在室温条件下也产生超塑性。 典型的镁合金超塑性实验,镁及镁合金的耐腐蚀技术,合金元素对镁腐蚀速率的影响,提高镁合金耐蚀性能的工作：
40、 提高镁及镁合金的纯度； 添加新合金化元素开发新合金； 表面保护； 化学处理、阳极氧化、有机物涂层、电镀 采用新工艺和新技术； 快速凝固技术、离子注入 激光表面熔覆,添加合金元素后Mg-Al-Zn合金盐雾腐蚀16h试样表面状态 Mg-Al-Zn合金试样腐蚀程度于时间的关系,4、我国镁合金材料开发与研究情况,镁资源世界第一（菱镁矿储量世界首位27亿吨、白云石矿青海盐湖廉价镁盐31.5亿吨）； 原镁产量世界第一（20万吨，占世界产量近1/2）； 原镁出口世界第一（80%作为初级原材料出口）； 镁及镁合金深加工应用规模和技术相对薄弱。 49% 铝合金 14% 稀土合金 17% 镁压铸件 18% 炼钢
41、脱硫 2% 金属还原,我国是镁资源大国和生产大国，但不是镁强国。,我国镁及镁合金产业具备的有利条件： 我国由生产能力在1000吨以上的镁厂50余家，可保证我国镁合金产品的原料供应； 汽车、摩托车轻量化、节能、降噪等问题十分突出，镁合金产品有广阔的应用市场； 镁合金所具有的突出性能及其在应用中显示出的巨大优势受到我国各级政府部门的高度重视。 将我国西部资源优势转化为产业优势，使我国由资源大国转变为镁产品和镁技术强国。,1.4铜及铜合金,1.铜及铜合金的性能特点,优异的物理、化学性能 导电、导热性、抗蚀、抗磁能力高 良好的加工性能 塑性好；铸造性好 某些特殊机械性能 优良的减摩性和耐磨性，高的弹性
42、极限和疲劳极限,2.铜及铜合金的分类及用途,纯铜 黄铜 青铜 白铜,铜合金,2.铜及铜合金的分类及牌号,纯铜(紫铜) T1、T2、T3、Tu1，Tu2 铜合金 黄铜 普通黄铜 H 表示含铜62%,其余为Zn的黄铜 特殊黄铜 HPb59-1表示59%Cu、1%Pb。余量为Zn的铅黄铜 青铜 锡青铜 QSn6.5-0.4,表示6.5Sn及0.4%P的锡-磷青铜 特殊青铜 白铜 BMn3-12,是含3%Ni及12%Mn的锰白铜,1纯铜 紫铜（紫红色）,工业纯铜 T1 T4 ，做电导体。 力学性能 b = 230250 MPa = 4050 %,纯铜管,纯铜,我国工业有三个牌号：即一号铜（99.95%
43、Cu）、二号铜（99.90%Cu），三号铜（99.7%Cu），其代号分另为T1、T2、T3。 此外，纯铜除工业纯铜外，还有一类叫无氧铜，其含氧量极低，不大于0.003%，其代号有Tu1，Tu2，“u”是“无”汉语拼音字首。 纯铜退火状态，强度低，塑性好（b=250270Mpa，=3545%），经冷加工变形后强度升高，而塑性急剧降低（b=400500Mpa，=13%）。不能用作受力的结构材料，工业纯铜主要用导电、导热，兼有抗腐蚀性的器材，如电线、电缆、电器开关等，无氧铜主要作真空器件。,铜合金,纯铜强度低，虽然冷加工变形可提高其强度，但塑性显著降低，不能制作受力的结构件。为了满足制作结构件的要求
44、，在铜中加入合金元素，通过固溶强化，时效强化及过剩相强化等途径提高合金的强度，获得高强度的铜合金。 常用的合金元素：Zn、Al、Sn、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Cr、Zr等。 铜合金按其化学成分可分为黄铜、青铜、白铜三大类。,黄铜,黄铜是以Zn为主要合金元素的铜合金，具有良好的机械性能，易加工成型，对大气、海水有相当好的抗蚀能力，是应用最广的重要有色金属材料。 黄铜按其所含合金元素的种类可分为普通黄铜和特殊黄铜两类；按生产方式可分为压力加工黄铜和铸造黄铜两类。,普通黄铜,普通黄铜，就是Cu-Zn二元合金，当Zn含量36%，时单相，Zn含量36%而47%时组织+两相工业上所用的黄铜Zn含量一
45、般不超过47%。 单相黄铜：室温组织为单相的黄铜又称单相黄铜，强度较低、塑性特别好，适于压力加工，常用代号有H80、H70、H68，其中H70、H68强度较高，大量用作枪弹壳和炮弹筒，故有“弹壳黄铜”之称。 双相黄铜：+黄铜又称双相黄铜，强度高，塑性差、常用H59、H62用作水管、油管、散热器等。,相：以铜为基的固溶体。 晶格常数随锌含量增加而增大，锌在铜中的溶解度随温度降低而增加，在456时固溶度达最大值(39Zn)；之后，锌在铜中的溶解度随温度的降低而减少。 含锌25左右合金，存在Cu3Zn化合物的两种有序化转变： 450左右：无序固溶体l有序固溶体 217左右：l有序固溶体2有序固溶体。
46、 相塑性良好，可进行冷热加工，并具有良好焊接性能。 相：以电子化合物CuZn为基的体心立方晶格固溶体。 冷却时：468456，无序相成有序相。 塑性低，硬而脆，冷加工困难，所以含有相的合金不适宜冷加工。但加热到有序化温度以上，后，又具有良好塑性。相高温塑性好，可进行热加工。 相：以电子化合物Cu5Zn8为基的复杂立方晶格固溶体。硬而脆，难以压力加工，无法应用。工业用黄铜的锌含量均小于46，避免出现相。,普通黄铜的组织特征图,单相黄铜 H68,双相黄铜H59,黄铜的力学性能与含锌量的关系图,特殊黄铜,在普通黄铜的基础上加入Al、Fe、Si、Mn、Pb、Sn、Ni等元素，所组成的多元合金称为特殊黄
47、铜。常加入的元素主要是铅、锡、 铝等，相应地可称为铅黄铜锡黄铜、铝黄铜。加合金元素的目的：主要是提高抗拉强度改善工艺性。因此它们比普通黄铜具有更高的强度、硬度、抗腐蚀性能。,铅的作用及铅黄铜： 提高切削性能，获得高光洁度的零件；提高耐磨性。 单相铅黄铜可冷轧或热挤， (+) 铅黄铜只能热轧、热挤。 HPb59-1中加入0.005稀土，可细化晶粒，使Pb分布均匀，改善热脆性；或加入0.1Al，可显著改善热脆性，提高热轧温度上限，使铅黄铜可在720750进行热轧。 铅黄铜有极好的切削性能，耐磨、高强、耐蚀、导电性好，它以棒材、管材、带材等广泛供应汽车、拖拉机、钟表、电器等工业，用以制作各种螺丝、螺
48、母、电器插座、钟表零件等。,锡的作用及锡黄铜： 抑制黄铜脱锌，提高黄铜耐蚀性。锡黄铜在淡水及海水中均耐蚀，故称“海军黄铜”。加入0.020.05As可进一步提高耐蚀性。提高合金的强度和硬度，常用锡黄铜含1Sn，含锡量过多会降低塑性。 锡黄铜热、冷压力加工性能好。但HSn70-1在热压力加工时易裂，需要严格控制杂质含量(如Pb0.03)，铜取上限(71)，锡取下限(1.0l.2)，这样，在700720热轧或670720热挤，可获得良好效果。 锡黄铜主要用于海轮、热电厂制作高强、耐蚀冷凝管、热交换器、船舶零件等。,铝的作用及铝黄铜 少量铝能在黄铜表面形成坚固氧化膜，提高对气体、溶液、高速海水的耐蚀
49、性；铝的锌当量系数高，形成相的趋势大，强化效果高，显著提高合金的强度和硬度。铝含量增高时，将出现相，剧烈降低塑性，使晶粒粗化；为了使合金能进行冷变形，铝含量应低于4。 含2Al、20Zn的铝黄铜热塑性最高。加入0.05As、0.01Be或0.4Sb、0.01Be可进一步提高铝黄铜的抗脱锌腐蚀能力。HAl772用量最大，主要是制成高强耐蚀管材，广泛用于海船、发电站的冷凝器等。 铝黄铜颜色随成分而变化，通过调整成分，可获得金黄色的铝黄铜，作为金粉涂料的代用品。,锰的作用及锰黄铜： 起固溶强化作用，少量锰可提高黄铜的强度、硬度。锰黄铜能较好地承受热、冷压力加工。锰能显著提高黄铜在海水、氯化物和过热蒸汽中的耐蚀性。锰黄铜，特别是同时加有铝、锡或铁的锰黄铜广