轻金属冶金学镁冶金学第一讲概论.ppt
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主要内容:
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11,概述,概述22,硅热法炼镁,硅热法炼镁33,电解法炼镁,电解法炼镁44,粗镁的精炼,粗镁的精炼主要参考书目:
主要参考书目:
11,硅热法炼镁生产工艺学,硅热法炼镁生产工艺学(中南大学出版社,(中南大学出版社,20032003,徐日瑶主编),徐日瑶主编)22,金属镁生产工艺学,金属镁生产工艺学(中南大学出版社,(中南大学出版社,20032003,徐日瑶主编),徐日瑶主编)33,镁电解生产工艺学,镁电解生产工艺学(中南大学出版社,(中南大学出版社,20062006,张永健主编),张永健主编)教师联系方式:
教师联系方式:
周向阳,冶金馆周向阳,冶金馆周向阳,冶金馆周向阳,冶金馆308308,88363298836329,1390848291813908482918镁冶金学镁冶金学主要内容:
主要内容:
第一讲第一讲:
概:
概论论11,镁的基本特性,镁的基本特性22,镁的消费结构,镁的消费结构33,炼镁的主要原料,炼镁的主要原料44,炼镁的方法简述,炼镁的方法简述一、镁的基本特性一、镁的基本特性一、镁的基本特性一、镁的基本特性基本特性基本特性基本特性基本特性元素符号:
元素符号:
Mg;第第2族,第族,第3周期;地壳中储量周期;地壳中储量第第8,(OSiAlFeCaNaKMg);原子序号:
原子序号:
12;相对原子量:
相对原子量:
24.305;存在存在3个自然同位素,个自然同位素,质量质量数分别为数分别为23.985、24.986和和25.983;镁粉、镁丝和镁薄在空气镁粉、镁丝和镁薄在空气中加热时容易燃烧,燃烧中加热时容易燃烧,燃烧时发出时发出耀眼的白光。
耀眼的白光。
基本特性基本特性Colour:
silverywhite镁在室温下为稳定镁在室温下为稳定的固态的固态;空气中容易氧化成空气中容易氧化成灰色。
灰色。
碱土轻金属,碱土轻金属,密度密度比铝轻比铝轻1/31/3,只有,只有铁的铁的2/92/9;电子特性电子特性电子云排布电子云排布:
1S22S22P63S2价电子排布式为价电子排布式为3s2;镁的离子价态通镁的离子价态通常为常为+2价;价;基本特性基本特性晶体结构特征晶体结构特征近乎完美的密排六方结构近乎完美的密排六方结构(hcp)基本特性基本特性熔点和沸点熔点和沸点标准大气压下,熔点为标准大气压下,熔点为(650+1);在镁中在镁中添加添加Pb、Al和和Sb等元素将提高其沸点,而添加等元素将提高其沸点,而添加Zn和和Cd等元素则会降低镁的沸点。
等元素则会降低镁的沸点。
标准大气压下的沸点为(标准大气压下的沸点为(1360+1);随压随压力的增加,镁的熔点逐渐升高。
力的增加,镁的熔点逐渐升高。
密度密度密度小密度小,1738kgm-3(20);蒸气压蒸气压215.95Pa(627),1037.1Pa(727).基本特性基本特性力学性能力学性能镁镁的的室室温温塑塑性性很很差差;纯纯镁镁单单晶晶体体的的临临界界切切应应力力只只有有(4849)105Pa,纯纯镁镁多多晶晶体体的的强强度度和和硬硬度度也也不不高高,因因此此,纯纯镁镁不不能能直直接接用用作作结结构构材材料料,纯镁通常被用来配制镁合金或其它合金。
纯镁通常被用来配制镁合金或其它合金。
金金属属镁镁的的弹弹性性模模量量与与其其纯纯度度及及温温度度有有关关。
纯纯度度为为99.98%的的金金属属镁镁在在20(293K)时时的的动动态态弹弹性性模模量量为为44GPa,静静态态弹弹性性模模量量为为40GPa;当当纯纯度度为为99.80时时,金金属属镁镁的的动动态态和和静静态态弹弹性性模模量量分分别别为为45GPa和和43GPa。
随随着着温温度度的的升升高高,金金属属镁的弹性模量下降。
镁的弹性模量下降。
基本特性基本特性基本特性基本特性化学性质化学性质耐蚀性较差。
耐蚀性较差。
主要原因:
主要原因:
镁的标准电极电位较负,镁的标准电极电位较负,容易失去电子;容易失去电子;表面氧化膜疏松多孔,且脆性大。
表面氧化膜疏松多孔,且脆性大。
在许多介质中都有反应。
在许多介质中都有反应。
介质化学反应特征空气
(1)随温度的升高而,氧化快速增长,特别是在潮湿空气中;
(2)固体镁不易燃烧,在熔融状态时易燃烧;(3)镁屑、镁粉更易燃烧生成氧化镁。
N2、CO、SO2
(1)在573.15K时,镁与氮发生反应生成Mg3N2;在943.15K时,镁的氮化反应异常迅速。
(2)高温下镁可分解CO2和SO2,生成MgC2、MgS基本特性基本特性酸溶液镁与盐酸、硝酸、硫酸、磷酸等酸溶液反应剧烈;能耐氢氟酸和铬酸的腐蚀;有机酸能腐蚀镁。
碱溶液酒精和矿物油镁在苛性碱溶液、碳酸钠溶液、二硫化碳、干燥的碳氢化合物、有机卤素衍生物、无水酒精和矿物油中比较稳定。
氧化物氯化物镁能将许多氧化物还原成金属,并能与许多金属形成合金。
MgC12和CaC12对镁的腐蚀最大。
水蒸馏水在室温下几乎不与镁发生反应;沸水与镁却发生强烈的作用,生成氢和氢氧化镁。
在海水和矿泉水中镁容易受到腐蚀。
其它金属铁在镁中的溶解度很小,而铁含量对镁的耐蚀性能影响很大。
为了避免镁的严重腐蚀,镁中的含铁量不应超过0.02%。
Ni、Cu、K、Na也会降低镁的抗腐蚀性能,Mn能增加镁的耐腐蚀性能。
基本特性基本特性合金化性能合金化性能元素周期表中有几十种元素可与镁形成合金。
元素周期表中有几十种元素可与镁形成合金。
Al、Ca、Ce、Li、Mn、Sc、Ti、Y、Zn、Zr镁镁的的强强正正电电性性,使使得得其其能能与与大大部部分分合合金金元元素素形形成成金金属属间化合物间化合物。
最常见的镁金属间化合物结构有三种类型:
。
最常见的镁金属间化合物结构有三种类型:
具具有有CsCl简简单单立立方方结结构构的的AB型型,典典型型的的合合金金有有MgAg、MgCe和和MgSn等;等;具具有有Laves相相的的AB2型型,典典型型的的合合金金有有MgCu2、MgZn2和和MgNi2等;等;具具有有面面心心立立方方的的CaF2型型,典典型型的的合合金金有有Mg2Si和和Mg2Sn等。
等。
基本特性基本特性1实用金属中质量最轻铝的232比重上的刚性较高3抗凹性优良4震动吸收性良好5电磁波绝缘性佳6放热性高7切削抵抗小,加工性优良8可回收使用9原料成本低基本特性基本特性金属镁的典型性质概括金属镁的典型性质概括二、镁的消费结构二、镁的消费结构二、镁的消费结构二、镁的消费结构消费结构消费结构铝合金领域的应用铝合金领域的应用铝合金、镁合金(镁压铸件)和钢铁脱硫铝合金、镁合金(镁压铸件)和钢铁脱硫三大领域三大领域。
作为重要的合金元素。
作为重要的合金元素。
有有些些系系列列铝铝合合金金中中镁镁的的加加入入量量可可以以超超过过10%。
如如在在5XXX系系铝铝合合金金中中、牌牌号号为为5A13的的铝铝合合金金中中镁镁的的含含量量范范围为围为9.210.5%。
在。
在5XXX系铝合金中。
系铝合金中。
镁主要是镁主要是固溶状态固溶状态和和相(相(Mg2Al3或或Mg5Al8)存在。
存在。
通常合金强度随通常合金强度随Mg含量增加而提高,塑性随之降低。
含量增加而提高,塑性随之降低。
Mg含含量量对对合合金金的的再再结结晶晶温温度度影影响响较较大大,当当Mg含含量量小小于于5%时时,再再结结晶晶温温度度随随Mg含含量量的的增增加加而而降降低低;当当Mg含量超过含量超过5%时,再结晶温度随时,再结晶温度随Mg含量增加而升高。
含量增加而升高。
Mg含含量量对对合合金金的的焊焊接接性性能能也也有有明明显显影影响响,当当Mg含含量量小小于于6%时时,合合金金的的焊焊接接裂裂纹纹倾倾向向随随随随Mg含含量量的的增增加加而而降降低低,当当Mg含含量量超超过过6%时时,则相反;则相反;当当Mg含含量量小小于于9%时时,焊焊接接的的强强度度随随Mg含含量量的的增增加加而而显显著著提提高高,此此时时塑塑性性和和焊焊接接系系数数虽虽然然略略有有降降低低,但但变变化化不不大大,当当Mg含含量量大大于于9%时时,其其强度、塑性和焊接系数均明显降低。
强度、塑性和焊接系数均明显降低。
消费结构消费结构作为作为提高抗拉强度、耐热性和耐蚀性的添加元素。
提高抗拉强度、耐热性和耐蚀性的添加元素。
如如Al-Cu-Mg合合金金中中,当当铜铜含含量量在在1%4%范范围围内内,镁从镁从0.5%增加到增加到2%时,可以提高合金的时,可以提高合金的抗拉强度抗拉强度;当当该该合合金金中中含含4%6%Cu和和1%2.0%Mg时时,在在淬淬火火自自然然时时效效状状态态下下,其其抗抗拉拉强强度度可可达达490510Mpa;含含4.0%Cu和和2.0%Mg的的Al-Cu-Mg合合金金具具有有最最大大的的抗抗拉强度。
拉强度。
对对含含0.6%Mn的的Al-Cu(3.5%6%)-Mg合合金金而而言言,当当其其中中Mg加加入入量量为为1.2%2.0%时时,在在200、160Mpa条条件件下下具具有有最最大大的的持持久久强强度度。
对对含含Cu3%5%d的的Al-Cu合合金金而而言言,当当往往合合金金中中加加入入0.5%的的Mg时,时,耐蚀性能耐蚀性能得到显著改善。
得到显著改善。
消费结构消费结构消费结构消费结构镁合金领域的应用镁合金领域的应用镁合金为镁合金为目前工业上可应用的目前工业上可应用的最轻的金属结构最轻的金属结构材料材料。
(1)轻轻量量化化:
镁镁合合金金比比重重为为铝铝合合金金之之2/3,锌锌合合金金之之1/4,塑塑料料材材料料相相比比,镁镁合合金金比比重重为为一一般般塑塑料料之之1.5倍倍;镁镁合合金金比比重重为为所所有有结结构构用用合合金金中中最最轻轻者者,因因此此非非常常适适于于做做3C产品外壳。
产品外壳。
(2)刚刚性性较较高高:
镁镁合合金金之之比比刚刚性性与与铝铝合合金金、锌锌合合金金相相近近,但为一般塑料的但为一般塑料的10倍,在强度上优于塑料材料自不待言。
倍,在强度上优于塑料材料自不待言。
(3)振振动动吸吸收收性性良良好好:
镁镁合合金金之之比比阻阻尼尼容容量量为为铝铝合合金金的的10-25倍倍,锌锌合合金金之之1.5倍倍,显显示示其其吸吸震震能能力力的的优优异异。
汽汽车车上上的应用潜力巨大。
的应用潜力巨大。
电磁波绝缘性佳电磁波绝缘性佳(5)散热性良好:
散热性良好:
(6)耐蚀性佳:
耐蚀性佳:
镁镁合合金金在在耐耐腐腐蚀蚀(盐盐腐腐蚀蚀试试验验上上)为为碳碳钢钢之之8倍倍,为为铝铝合合金金之之4倍倍,更更为为塑塑料料材材料料之之10倍倍以以上上,防防腐腐能能力力几几为为合合金中最佳者。
金中最佳者。
消费结构消费结构(7)质感极佳:
质感极佳:
人类对金属质感、光泽仍有不可抹灭的爱恋,人类对金属质感、光泽仍有不可抹灭的爱恋,Nokia8810外壳做成类金属样式,但其光泽仍有差距,质感更外壳做成类金属样式,但其光泽仍有差距,质感更不同于金属,使用镁合金,因其为金属,外观及触摸质不同于金属,使用镁合金,因其为金属,外观及触摸质感佳,对于工业设计师而言此为不可忽略之事实。
感佳,对于工业设计师而言此为不可忽略之事实。
(8)可回收使用可回收使用:
在环保意识高涨的大环境下,镁合金在环保意识高涨的大环境下,镁合金比起无法回收的加碳铁比起无法回收的加碳铁/金属粉的塑料,或是含有毒抗燃金属粉的塑料,或是含有毒抗燃剂剂(flameretardent)的抗燃塑料,显然占了极大的优势。
的抗燃塑料,显然占了极大的优势。
据估计只要花费相当于新料价钱的据估计只要花费相当于新料价钱的4%,就可将镁合金制,就可将镁合金制品及废料回收使用。
品及废料回收使用。
消费结构消费结构消费结构消费结构消费结构消费结构钢铁脱硫领域的应用钢铁脱硫领域的应用原理:
原理:
镁与硫之间存在很强亲和力的特性镁与硫之间存在很强亲和力的特性Mg(s)Mg(g)Mg(g)MgMg(g)+S=MgS(s)Mg+S=MgS(s)Mg(g)+O=MgO(s)另外,镁还可用于铅和
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- 轻金属 冶金学 第一 概论
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