原镁生产方法 PPT课件

镁及其合金理论基础及应用 主讲 姜澜 2 第一章绪论 镁合金材料具有如下特点 1 重量轻 是铝的2 3 钢铁的1 4 2 比强度和比钢度高 均优于钢和铝合金 3 电磁屏蔽性能较好 既是优异的导体 又具有高于无电解电镀的塑料的优异的电磁屏蔽性 4 吸震性好 有利于减震和降噪 5 可回收性能好 符合环保要求 6 极好的切削加工性能 7 尺寸稳定性高 在摄氏95度以下 即使长时间持有 也基本上看不到变形 其尺寸稳定性优异 8 导热率高仅次于铝合金 9 无毒 无磁性 10 耐印痕性 镁合金与其它物体冲撞时 产生的印痕比铝和钢小 11 极高的压铸生产率 尺寸收缩小 并且具有优良脱模性能 可采用最小的出模斜度 12 良好的低温性能 在摄氏 190度时仍具有良好的力学性能 可制作在低温下工作的零件 13 具有超导性能和储氢性能 5 6 7 第二章原镁生产方法 熔盐电解法热还原法目前世界镁产量电解法占60 热还原法占40 据统计 中国目前现有原镁生产企业100余家 其中年生产能力3000吨规模以上的有22家 1000 2000吨有50余家 民和镁厂是我国目前唯一正在生产的电解法镁厂 总产能7000t a 其它企业均采用硅热法生产 生产企业数量多 小而分散 技术落后 环境污染严重 可见国内镁行业存在严重的结构性矛盾 急需进行产业结构调整和升级 9 2 1熔盐电解法 MgCl2 Mg Cl2电解法炼镁的原料主要有海水 盐湖卤水 菱镁矿 光卤石等 这些原料最终都要变成MgCl2 才能进行电解 因此电解法中MgCl2的制备是十分重要的工序 10 2 1 1以菱镁矿为原料的炼镁工艺流程 图2 1是我国按菱镁矿生产镁的工艺流程 流程的特点是菱镁矿颗粒氯化 氯化镁熔体采用MgCl2 NaCl CaCl2 KCl四元系电解质电解 电解温度为720 电解质中MgCl2含量为8 11 2 1 2以卤水为原料的炼镁工艺流程 用盐湖卤水制取MgCl2相对简单 将卤水浓缩 提纯 脱水后 即可用于电解 工艺流程见图2 2 12 2 1 3以海水为原料的炼镁工艺流程 用石灰乳沉淀Mg OH 2 用盐酸处理Mg OH 2 制得MgCl2溶液 MgCl2溶液提纯与浓缩 电解含水氯化镁MgCl21 5H2O将Mg OH 2煅烧得到MgO MgO与焦炭混合制团 用电解槽产生的氯气氯化 得到无水氯化镁 工艺流程见图2 3 13 2 2热还原法 热还原法炼镁就是利用某种还原剂 将镁从其化合物中还原出来而制得金属镁的一种生产方法 热还原法炼镁中 硅热法炼镁 皮江法 占有优势地位1941年加拿大多伦多大学教授皮江 Pidgeon 在握太华建立了一个以硅铁还原白云石炼镁的实验工厂 并取得成功 成为炼镁的第二大方法 为了纪念这位科学家的卓越成就 特命名为 皮江法 又由于用硅铁作还原剂高温炼镁 故又称为 硅热法 14 硅热法主要反应 MgCO3 CaCO3 CaO MgO十2CO22 CaO MgO Si SiO2 2CaO 2Mg 15 硅热法工艺流程 1 白云石要经过煅烧 由碳酸盐变为氧化物 即MgCO3 CaCO3 CaO MgO十2CO2 2 按煅烧白云石 硅铁 萤石粉 80 17 3 的比例配料 经磨粉 压球后 送还原炉内进行还原 还原温度为1200 真空度小于0 1mmHg 其反应式为 2 CaO MgO Si Fe SiO2 2CaO Fe 2Mg 3 镁蒸气经冷凝器冷凝为粗镁 再经熔化 精炼 铸锭后即为成品 16 粗镁的精炼 电解法和热还原法生产的粗镁中还含有少量的金属和非金属杂一取多采用熔剂精炼法进行精炼 精炼的工艺过程为 首先把粗镁放人坩埚中熔化成镁液 然后加熔剂进行精炼 同时不停地搅拌 使熔剂和镁液充分接触 精炼后 要静置30min左右 使金属杂质 非金属杂质和残留熔剂沉入坩埚底部 最后浇铸成镁锭或其他产品 所得镁锭还可用升华精炼法 电解精炼法 区域熔炼法等进一步制得纯度更高的镁 以供特殊用途 镁合金 镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料 但与铝合金相比 镁合金的研究和发展还很不充分 镁合金的应用也还很有限 目前 镁合金的产量只有铝合金的1 镁合金作为结构应用的最大用途是铸件 其中90 以上是压铸件 18 限制镁合金广泛应用的主要问题 由于镁元素极为活泼 镁合金在熔炼和加工过程中极容易氧化燃烧 因此 镁合金的生产难度很大 镁合金的生产技术还不成熟和完善 特别是镁合金成形技术有待进一步发展 镁合金的耐蚀性较差 现有工业镁合金的高温强度 蠕变性能较低 限制了镁合金在高温 150 350 场合的应用 镁合金的常温力学性能 特别是强度和塑韧性有待进一步提高 镁合金的合金系列相对很少 变形镁合金的研究开发严重滞后 不能适应不同应用场合的要求 19 第三章镁的强化处理 工业纯镁的室温塑性很差 如纯镁单晶体的临界切应力只有4 8 4 9MPa 此外 纯镁多晶体的强度和硬度也比较低 不能直接用作结构材料 通过一定的强化处理过程后 镁的力学性能会得到大幅度改善 国内外在镁及其合金的强化方面进行了大量的研究 并取得了积极的成果 目前已应用于镁合金的强化处理方法主要有合金化强化 热处理强化 复合强化和细晶强化 在这些强化处理方法中 以合金化强化为最基本 最常用和最有效的强化处理方法 其他方法均建立在合金化强化的基础上 20 3 1合金化强化 合金化强化的关键就是选择合适的合金元素 考虑到镁的合金化一般都是利用固溶强化 析出强化和弥散强化来提高合金的常温和高温力学性能 因此其合金化设计应从晶体学 原子的相对大小 原子价以及电化学因素等方面进行考虑 选择的合金化元素应在镁基体中有较高的固溶度 并且随温度变化有明显变化 在时效过程中合金化元素能形成强化效果比较突出的过渡相 除了对力学性能进行优化外 还要考虑台金化元素对抗蚀性 加工性能及抗氧化性能的影响 21 合金化元素分类 提高强度和韧性A1 Zn Ag Ce Ga Ni Cu Th 以强度为评价指标 Th Ga Zn Ag Ce Ca A1 Ni Cu 以韧性为评价指标 能增强韧性而强度变化不大 如Cd Ti Li 明显增强强度 降低韧性 如Sn Pb Bi Sb 22 3 1 1固溶强化 固溶强化是合金化元素 溶质 完全溶入基体金属 溶剂 中 溶质原子在溶剂晶格点阵处取代溶剂原子 从而通过原子错排及溶质与溶剂原子之间弹性模量的不同而强化基体金属 单是这一种强化方法不能获得特别高的强度 不过其带来的塑性损失要比其他方法小 23 3 1 2析出强化 沉淀强化 当合金元素在基体中的固溶度随温度的下降而降低时 析出强化就成为另一种强化方式 产生强化的机制是析出相阻碍位错运动和滑移 从而提高屈服强度 当处于高温下的单相固溶体快速冷却时 合金形成不稳定的过饱和固溶体 长时间时效形成细小而弥散分布的沉淀相 进一步强化了合金 24 为了增强镁合金的析出强化 选择合金元素应考虑到以下因素 元素应该在高温下在镁中有足够的固溶度 且随温度的降低而降低 以提高合金的时效强化能力 析出相中应含有较多的镁 在提高析出相百分含量的同时减少所需的合金元素量 元素在镁中的扩散速率应较低 以减少过时效倾向和位错的攀移 25 3 1 3弥散强化 非共格硬颗粒弥散物对合金的强化称弥散强化 弥散强化的机制与析出强化类似 但析出相不同 弥散强化的颗粒在合金凝固过程中产生 一般熔点较高 而且不溶于镁基体 具有良好的热力学稳定性 26 3 2复合强化 用高强度的粉 丝等材料与镁基体复合 使基体获得高的强度 称为复合强化 镁基复合材料可提高镁合金的弹性模量和改善台金的耐磨性能 抗拉强度 高温强度以及抗蠕变性能 按复合材料的形状可分为纤维强化 粒子强化和包复材料三种 镁基复合材料主要采用石墨纤维 碳化硅颗粒 碳化硼颗粒和Al2O3纤维及颗粒作为增强体 增强体的性质 体积分数 形状和增强体与镁基体问的界面状况将影响材料的性能 27 3 3细晶强化 镁合金的细晶强化主要是通过控制镁合金晶粒度的方法实现 细晶强化时 晶界是滑移传递的有效障碍 晶界前方的应力集中使得更多的滑移系被激话 合金的整体变形更加均匀 带来合金强度和韧性的提高 因此细晶强化对于密排六方结构的镁合金效果更加明显 根据以往的研究结果 目前镁合金的晶粒度可通过变质处理 热加工 塑性变形和快速凝固等方法控制 28 变质或过热处理细化晶粒 晶粒变质细化处理主要是通过添加晶粒细化剂对液态镁合金熔液进行处理 目前得到应用的晶粒细化剂主要有含Zr和含C的晶粒细化添加剂 过热处理是浇注前将熔体温度升高并保温一段时间后再降温到浇注温度进行浇注的工艺过程 过热处理细化镁合金晶粒在于在过热过程中形成了大量的非均质形核核心 29 半固态成形细化颗粒 半固态成形是一种新型的热加工工艺 它是将原料加热到固液相线之间的温度 然后将其压入型腔成形 半固态成形工艺能产生细小的微观结构 减小微观收缩 使材料获得较高的力学性能 30 3 3 1铸锭变形细化晶粒 通过对镁合金铸锭进行后续的变形处理也可以细化晶粒组织 其主要包括等通道角挤压和大比率挤压 31 3 3 2快速凝固细化晶粒 由于快速凝固时的冷却速度较大 因而可获得细小的粉末晶粒 将粉末晶粒除气和热压固结后 再经轧制 挤压和锻造等成形工艺便可以得到细晶材料 32 第四章镁合金的成分及分类 工业用镁的纯度可达到99 9 但是纯镁不能用作结构材料 在纯镁中加入铝 锌 铿 锰 结和稀土等元素形成的镁合金具有较高的强度 可以作为结构材料广泛应用 33 4 1镁合金成分与牌号 目前 国际上倾向于采用美国试验材料协会 ASTM 使用的方法来标记镁合金 镁合金牌号中两位数字表示主要合金元素的名义质量分数 其局限性是不能表示出有意添加的其他元素 后缀字母A B C D E等是指成分和特定范围纯度的变化 如AZ91E表示主要合金元素为Al和Zn 其名义含量分别为9 和1 E表示AZ91E是含9 Al和1 Zn合金系列的第五位 34 我国镁合金标记特点 我国对镁合金标记的特点是按成形工艺划分镁合金的 用两个汉语拼音字母和其后的合金顺序号 阿拉伯数字 组成 依据前两个汉语拼音字母将镁合金分为4类 变形镁合金MB 铸造镁台金ZM 压铸镁合金YM和航空镁合金 合金的顺序号表示合金之间的化学成分差异 用于航空的铸造镁合全与其他铸造镁合金在牌号上略有区别 即ZM两个字母与代号的连接加一个横杠 例如1号铸造镁合金用ZM1表示 2号变形镁合金用MB2表示 5号压持镁合金用YM5表示 5号航空铸造镁合金用ZM 5表示 35 4 2镁合金的分类 镁合金一般按3种方式分类合金的化学成分成形工艺是否含锆 36 4 2 1按合金的化学成分分类 根据化学成分 以五个主要合金元素Mn A1 Zn Zr和稀土为基础 组成基本合金系 Mg Mn Mg A1 Mn Mg A1 Zn Mn Mg Zr Mg Zn Zr Mg RE Zr Mg Ag RE Zr Mg Y RE 37 4 2 2按成形工艺分类