科普｜鎂及鎂合金的材料及焊接性

鎂鋼是什麼材料

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一、鎂及鎂合金的分類及應用

（1）鎂合金的分類。

鎂是比鋁還輕的一種有色金屬，其熔點（650℃）、密度（1。738g/cm3）均比鋁低。純鎂由於強度低，很少用作工程材料，常以鎂合金的形式使用。鎂合金具有較高的比強度和比剛度，並具有高的抗震能力，能承受比鋁合金更大的衝擊載荷。此外，鎂合金還具有優良的切削加工效能，易於鑄造和鍛壓，所以在航空航天、光學儀器、通訊以及汽車、電子產業中獲得了越來越多的應用。

鎂及其合金的分類主要有三種方式：化學成分、成形工藝和是否含有Zr元素。根據化學成分，以5個主要合金元素Mn、Al、Zn、Zr和RE（稀土）為基礎，可以組成基本的合金系：如Mg-Mn系、Mg-Al-Mn系、Mg-Al-Zn-Mn系、Mg-Zr系、Mg-Zn-Zr系、Mg-RE-Zr系、Mg-Ag-RE-Zr系、Mg-Y-RE-Zr系等。

按照有無AI，可以分為含Al鎂合金和不含Al鎂合金；按照有無Zr，還可以分為含Zr鎂合金和不含Zr鎂合金。根據成形工藝，可分為鑄造鎂合金（ZM）和變形鎂合金（MB）兩大類，但兩者沒有嚴格的區分，鑄造鎂合金如AZ91、AM20、AM50、AM60、AE42等也可以作為變形鎂合金使用。

目前國外工業中應用較廣泛的鎂合金是壓鑄鎂合金，主要有以下4個系列：AZ系列Mg-Al-Zn、AM系列Mg-Al-Mn、AS系列Mg-Al-Si和AE系列Mg-Al-REo我國鑄造鎂合金主要有3個系列：Mg-Zn-Zr、Mg-Zn-Zr-RE和Mg-Al-Zn系列，變形鎂合金有Mg-Mn、Mg-Al-Zn和Mg-Zn-Zr系列。

（2）鎂合金的應用

鑄造鎂合金中的ZM1—般應用於要求抗拉強度和屈服強度大、抗衝擊的零件，如飛機輪轂、輪緣、隔框及支架等。鑄造鎂合金中的ZM2用於200℃以下工作的發動機零件及要求屈服強度較高的零件，如發動機機座、整流艙、電機機殼等。鑄造鎂合金中的ZM2一般用於高溫工作和要求氣密性高的零件，如發動機增壓機匣、壓縮機匣、擴散器殼體及進氣管道等。鑄造鎂合金ZM5一般用於飛機機體、發動機、儀表和其他結構要求高載荷的零件，如機艙連線隔框、艙內隔框、電機殼體等。

合金牌號MB1和MB8均屬於Mg-Mn系鎂合金，這類鎂合金雖然強度較低，但具有良好的耐蝕性，並且高溫塑性較高。MB1主要用於製造承受外力不大，但要求焊接性和耐蝕性好的零件，如汽油和潤滑系統的附件；MB8由於強度較高，其板材可製造飛機蒙皮、隔板及內部零件，型材和管材可製造汽油和潤滑系統的耐蝕零件，模鍛件可製造外形複雜的零件。

合金牌號MB2、MB3以及MB5~MB7的鎂合金屬於Mg-Al-Zn系鎂合金，這類鎂合金強度高、鑄造及加工效能好，但耐蝕性較差。其中，MB2、MB3合金的焊接性較好，MB7合金的焊接性稍差，MB5的焊接性較差。MB2鎂合金主要用於製作形狀複雜的鍛件、模鍛件及承受中等載荷的機械零件；MB3鎂合金主要用於飛機內部元件、隔板等；MB5~MB7鎂合金主要用於製作承受大載荷的零件。

牌號MB15的鎂合金屬於Mg-Zn-Zr系鎂合金，具有較高的強度和良好的塑性及耐腐蝕性，是目前應用較多的變形鎂合金。

主要用於室溫下承受載荷和高屈服強度的零件，如機翼長桁、翼肋等。

二、鎂及鎂合金的成分及效能

（1）鎂及鎂合金的成分。

純鎂的抗拉強度與純鋁接近，但屈服強度和塑性卻比純鋁低。鎂合金的主要優點是能減輕產品的重量，但在潮溼的大氣中耐腐蝕效能差，缺口敏感性較大。鎂在水及大多數酸性溶液中易腐蝕，但在氫氟酸、鉻酸、鹼及汽油中比較穩定。常見鑄造鎂合金和變形鎂合金的化學成分見表1-11和表1-12。

（2）鎂及鎂合金的效能。

鑄造鎂合金的力學效能見表1-13。

變形鎂合金的力學效能與加工工藝、熱處理狀態等有很大關係，尤其是加工溫度不同，材料的力學效能會處於很寬的範圍。在400℃以下進行擠壓時，擠壓合金發生再結晶。在300℃進行擠壓，材料內部保留了許多冷加工的顯微組織特徵，如高密度位錯或孿晶組織。在結晶溫度以下進行擠壓加工可使製品獲得更好的力學效能。表1-14是各種變形鎂合金的力學效能。

表1-15是中國與美國常用鎂 合金牌號對照。

三、鎂及鎂合金的焊接性

鎂及鎂合金的焊接性主要涉及熱裂紋、氧化、蒸發和氣孔、燒穿、控制焊接熱輸入等問題。

（1）熱裂紋傾向。

除Mg-Mn系合金外，大部分鎂合金焊接性較差，焊接時有熱裂紋傾向，容易產生焊接裂紋。影響鎂合金焊接熱裂紋的因素主要是焊接應力、元素偏析、低熔點共晶和晶粒粗化等。

鎂的熔點低，導熱率高，焊接時較大的焊接熱輸入會導致焊縫及近縫區金屬產生粗晶現象（過熱、晶粒長大、結晶偏析等），從而降低接頭的效能。粗晶和結晶偏析也是引起焊接接頭熱裂傾向的原因。由於鎂及鎂合金的線脹係數較大，約為鋼的2倍，鋁的1。2倍，因此焊接過程中易產生較大的熱應力和變形，會加劇接頭熱裂紋的產生。

（2）氧化、蒸發和氣孔、燒穿。

鎂的化學性質極其活潑，鎂易與氧結合，在鎂合金表面生成氧化鎂薄膜。這層薄膜熔點高（2500℃），密度大（3。2g/cm3），會嚴重阻礙焊縫成型，因此在焊前需要採用化學方法或機械方法對其表面進行清理。在焊接過程的高溫條件下，熔池中易形成氧化膜，其熔點高、密度大。在熔池中易形成細小片狀的固態夾渣，這些夾渣不僅嚴重阻礙焊縫成型，也會降低焊縫的力學效能。

當焊接保護欠佳時，在焊接高溫下鎂還易與空氣中的氮生成氮化鎂。氮化鎂夾渣會導致焊縫金屬的塑性降低，接頭變脆。空氣中氧的侵入還易引起鎂的燃燒。由於鎂的沸點低（約110℃），在電弧高溫下易產生蒸發，造成環境汙染。因此焊接鎂時，需要採取更加嚴格的保護措施。

與焊接鋁相似，鎂焊接時易產生氫氣孔，氫在鎂中的溶解度隨溫度的降低而急劇減小，當氫的來源較多時，焊縫中出現氣孔的傾向增大。鎂合金焊縫中常見到連續氣孔和密集氣孔。

鎂及鎂合金在沒有隔絕氧的情況下焊接時，易燃燒，熔焊時需要惰性氣體或焊劑保護。由於焊接時要求用大功率的熱源（快速焊），當接頭處溫度過高時，母材會發生“過燒”現象。因此，焊接鎂及鎂合金時需嚴格控制熱輸入。

在焊接鎂合金薄件時，由於鎂合金的熔點較低，而氧化鎂薄膜的熔點很高，使得接頭不易熔合，焊接時難以觀察焊縫的熔化過程。對接縫間隙太大時在電弧前端也易出現燒穿，為此需要加入較多的填充焊絲，這時焊絲端部擋住了電弧的陰極破碎和攪拌作用，夾渣不易排出。此外，由於焊接區溫度的進一步升高，無法觀察熔池的顏色有無顯著的變化，也極易導致焊縫產生燒穿和塌陷等。

（3）控制焊接熱輸入。

鎂合金焊接加熱時有晶粒長大現象，對接頭的力學效能及耐腐蝕效能不利，並使裂紋傾向增大。鎂合金焊接時，熱輸入過大會使焊接接頭的組織效能變壞。焊接鎂合金時應採用大的焊接電流和較快的焊接速度，因為小電流焊接時易產生氣孔，減小焊接速度會使熱輸入增大，易導致焊接區過熱和熱裂紋。

鎂合金熱影響區組織與焊接熱輸入之間有一定的關係。以MB2合金為例，當焊接熱輸入為5。36kJ/cm時，從母材基體到熔合區是細晶粒組織，沿晶界分佈有細小的金屬化合物；當熱輸入增大至6。99kJ/cm時，熔合區附近的晶粒開始粗化；而當熱輸入繼續增大至14。07kJ/cm時，晶間出現了粗大的金屬間化合物或夾雜物，接頭區組織和效能惡化。對焊接熱輸入起主導作用的是焊接電流和焊接速度。

焊接熱輸入的大小和受熱次數對鎂合金接頭的組織和效能有一定的影響。多次加熱對鎂合金焊接區組織效能有不利的影響，如導致組織嚴重粗化和產生熱裂紋，對接頭的力學效能和耐腐蝕性等也有不利的影響。MB3和MB8鎂合金多次焊補後，熱影響區的寬度增大，晶粒也明顯粗化，特別是MB8合金接頭組織效能下降更明顯。因此，應限制接頭返修或補焊次數，同時應注意，焊接方法、焊接材料及焊接工藝的變化會導致接頭力學效能的差異。

焊後熱處理對消除焊接應力和改善接頭的組織效能是有利的。但退火溫度的選擇須兼顧整個焊接結構的使用和技術要求，儘快保持材料的原始狀態（如冷作硬化、淬火時效狀態等）。以MB3合金同質焊絲的焊接接頭為例，退火前後的組織有很大的差別。未經退火的焊縫組織為均勻的等軸細晶粒，在晶界處有一定數量的低熔點金屬間化合物。經過280℃、320℃，360℃退火（保溫5h）並空冷後，金屬間化合物相應減少，特別是360℃x5h退火處理的焊縫中金屬間化合物幾乎全部溶入固溶體中。、