（材料学专业论文）固相再生az91d镁合金组织结构及性能研究.pdf

摘要 固相再生a z 9 1 d 镁合金组织结构及性能研究 摘要 镁合金是迄今在工程应用中最轻的金属工程结构材料，被誉为“2 1 世纪 最具发展前途的绿色金属材料 。镁合金作为结构材料应用受到限制的最主 要因素是成本仍然很高，造成成本高的原因是镁合金废料回收率低，回收费 用高，且利用传统再次熔炼的方法产生大量的烧损和废渣，重熔过程中须加 覆盖剂和精炼剂。 本文以固相再生的方法再生a z 9 1 d 镁合金屑和边角料，在固相再生过 程中，镁屑或边角料经塑性变形直接成形，具体工艺为先冷压或热压，再热 挤出成形，是一项新的再生镁合金技术。由于晶粒细化和氧化相的均匀分 布，再生的镁合金具有较好的力学性能。 研究了a z 9 1 d 镁合金屑固相再生的最佳工艺，分析了固相再生过程中 a z 9 i d 镁合金屑变形的基本特征。a z 9 1 d 镁合金屑在冷压成坯过程中，压 力为3 0 0 3 1 0 m p a ，坯料密度可达到1 4 9 9 c 一以上，形成少量新的结合 面。采用屑粒尺寸( 4 6 ) m m ( 3 5 - - 4 5 ) m m ( 1 4 5 1 5 5 ) m m 、挤压温度为 4 0 0 和挤压比2 5 ：1 再生试样有较好的综合力学性能，与铸态热挤出试样的 力学性能相当。再生试样随挤压比的增大，抗拉强度和延伸率同时增大，挤 压比达到2 5 ：1 以上时，延伸率又随挤压比的增大而减小。 研究了再生试样中氧化相含量与a z 9 1 d 镁合金屑的表面积之间关系， 指出了氧化相含量与屑的表面积成直线关系，适量的氧化相使再生试样有较 高的抗拉强度和较好的延伸率，适量的氧化相在试样中可以作为一种强化 相；过多的氧化相反过来影响镁合金的延伸率，过多的氧化相在拉伸过程中 易产生微孔，降低了试样的延伸率。 研究了a z 9 1 d 镁合金边角料固相再生的最佳工艺，给出了a z 9 1 d 镁 合金边角料蚀洗工艺。采用间接挤压工艺时，挤压温度为4 5 0 时，晶粒尺 寸均匀，块与块之间结合较好，抗拉强度和延伸率分别达到3 5 0 2 4 m p a 和 1 1 8 2 。挤压比达到2 5 ：l 以上时，晶粒不仅变得细小，而且没有出现未打 碎的结合面；随挤压比的增大，试样抗拉强度增大，挤压比4 0 ：1 时，抗拉 强度达到3 7 8 0 5 m p a 。采用直接热挤出研究表明，与相同条件下间接挤压相 比，试样的抗拉强度和延伸率均降低。 研究了a z 9 1 d 镁合金边角料固相再生试样中结合面与抗拉强度之间关 系。当结合面呈连续分布成曲线时，结合面厚度0 w 7 “m 时，a z 9 1 d 镁 合金抗拉强度的预测公式为钆= 4 0 w 3 + 3 4 5 + 4 0 3 ；结合面厚度7 岬 w 1 1 岫时，a z 9 1 d 镁合金抗拉强度的预测公式为瓯，= 一3 0 w + 4 7 5 。当结 合面呈不连续分布成曲线时，曲线上打碎段的长度所占测量曲线长度的比例 0 1 ，0 7 时，a z 9 1 d 镁合金抗拉强度的预测公式为= 1 5 0 l + 2 4 5 ：曲线 上打碎段的长度所占测量曲线长度的比例0 7 ， 0 9 时，a z 9 1 d 镁合金抗 拉强度的预测公式为仉= 7 5 l + 2 9 7 5 。 研究了固溶时效处理对再生a z 9 1 d 镁合金组织和力学性能的影响。经 t 6 处理后，抗拉强度和延伸率明显提高。随着时效时间的延长，析出的p m g l t a l l 2 相数量明显增多，更长的时效时间p - m g l 7 a l l 2 相并没有明显增大。 随着时效时间的延长，试样维氏硬度增加；用a z 9 1 d 镁合金边角料和屑固 相再生试样的维氏硬度均高于铸态热挤出试样的维氏硬度。 研究了工业化基础试验中固相再生a z 9 1 d 镁合金的组织及力学性能。 热压温度4 0 0 1 0 ，保温3 0 0 s ，压力为4 0 0 m p a , 热挤温度4 5 0 1 0 ， 保温1 小时，挤压速度0 4 m m s 。固相再生试样的抗拉强度和延伸率分别能 达到3 4 6 2 m p a 和9 6 2 ，挤出试样的厚度、挤压流线和氧化层的分布将严 重影响试样的力学性能。 关键词a z 9 1 d 镁合金；固相再生；显微组织；力学性能；氧化相 a b s t r a e t s t u d y o nm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t y o fa z 91 dm a g n e s i u m a l l o yp r e p a r e db y s o l i ds t a t e r e c y c l i n g a b s t r a c t m a g n e s i u ma l l o yi st h el i g h t e s tm e t a ls t r u c t u r a lm a t e r i a li nt h ee n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o nu pt ot h ep r e s e n tm o m e n t i ti sk n o w na st h em o s td e v e l o p i n g r e c y c l i n gm e t a lm a t e r i a li nt h e21s tc e n t u r y m a g n e s i u ma l l o yi sl i m i t e d l yu s e di n m e t a ls t r u c t u r a lm a t e r i a lb e c a u s eo fi t sh i g hc o s ti n c l u d i n go ft h el o w e rr a t eo f r e c o v e r yo fm a g n e s i u ma l l o ys c r a p sa n dt h eh i g h e re x p e n s ec o s t p l e n t yo f b u r n o u ta n dw a s t er e s i d u ea r ep r o d u c e du s i n gt h ec o m m o nr e m e l t i n gm e t h o da n d c o v e r i n gf l u xa n dr e f i n i n gf l u xa r ea d d e di nt h er e m e l t i n gp r o c e s s i nt h i sp a p e r , a z 91d m a g n e s i u ma l l o yc h i p sa n ds c r a p sw e r ep r e p a r e db y s o l i ds t a t er e c y c l i n g i nt h es o l i ds t a t er e c y c l i n gp r o c e s s ，m a g n e s i u ma l l o yc h i p s a n ds c r a p sw e r ed i r e c t l ye x t r u d e di n t ot h ep r o d u c t sb yp l a s t i cd e f o r m a t i o n c o l d - p r e s so rh o t p r e s sw e r ec a r r i e d o u ta n dt h e nh o t e x t r u s i o nw a su s e d s o l i d r e c y c l i n gm a g n e s i u ma l l o yp r e s e n t sh i g hm e c h a n i c a lp r o p e r t yd u et og r a i n r e f i n e m e n ta n dh o m o g e n e o u sd i s p e r s i o no fo x i d ep r e c i p i t a t e s s o l i ds t a t e r e c y c l i n gi san e we f f i c i e n tm e t h o df o rt h er e c y c l i n go fm a g n e s i u ma l l o yc h i p s a n ds c r a p s o p t i m a lp a r a m e t e r so fa z 9 1dm a g n e s i u ma l l o yc h i p sp r e p a r e db ys o l i d s t a t er e c y c l i n gw e r eo b t a i n e da n dp l a s t i cc h a r a c t e r i s t i c si ns o l i ds t a t er e c y c l i n g w e r ea n a l y z e d a tf i r s t ，a z 91dm a g n e s i u ma l l o yc h i p sw e r ec o l d p r e s s e dt of o r m ac o m p a c tb i l l e tw i t ht h ep r e s s u r eo f3 0 0 310 m p a t h ed e n s i t yo ft h eb i l l e tw a s a b o v e1 4 9 咖i n ja n dt h es u r f a c eo ft h ec h i p se x h i b i t e ds o m eb r e a k i n ga n d b o n d i n g r e c y c l e ds p e c i m e np r e p a r e dw i t hc h i pd i m e n s i o n so f ( 4 - 6 ) r a m ( 3 5 - , , 4 5 ) m m ( 1 4 5 1 5 5 ) r a m ，e x t r u s i o nt e m p e r a t u r eo f4 0 0 ( 2a n de x t r u s i o n r a t i oo f2 5 ：1s h o w e dh i g h e rm e c h a n i c a lp r o p e r t y i t su l t i m a t et e n s i l es t r e n g t h i i i 哈尔滨理工大学工学博士学位论文 a n de l o n g a t i o nt of a i l u r ew e r ea l m o s tt h es a m ea st h o s eo ft h ea s - c a s ta n d e x t r u d e ds p e c i m e n u l t i m a t et e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o nt of a i l u r eo fr e c y c l e d s p e c i m e ni n c r e a s e dw i t ht h ee x t r u s i o nr a t i oi n c r e a s i n g w h e nt h ee x t r u s i o nr a t i o i sa b o v e2 5 ：1 ，t h ee l o n g a t i o nt of a i l u r eo fr e c y c l e ds p e c i m e nd e c r e a s e dw i t h i n c r e a s i n gt h ee x t r u s i o nr a t i o r e l a t i o n s h i pb e t w e e no x y g e nc o n c e n t r a t i o na n dt o t a ls u r f a c ea r e ao fa z 9 1d m a g n e s i u ma l l o yw a ss t u d i e df o rt h er e c y c l e ds p e c i m e n s t h ea c c u m u l a t e d o x y g e nc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e dl i n e a r l yw i t ht h et o t a ls u r f a c ea r e a as m a l l a m o u n to fo x i d ep r e c i p i t a t i o nc o n t r i b u t e dt o h i g h e rt e n s i l es t r e n g t h a n d e l o n g a t i o nt of a i l u r ea n dr e s u l t e di nd i s p e r s i o ns t r e n g t h e n i n g e x c e s s i v eo x i d e m a yb ep r o n et oc a u s et h ee a r l yd e v e l o p m e n to fm i c r o v o i d sa n dc o n t r i b u t e dt o l o w e re l o n g a t i o n o p t i m a lp a r a m e t e r so fa z 9 1dm a g n e s i u ma l l o ys c r a p sp r e p a r e db ys o l i d s t a t er e c y c l i n gw e r eo b t a i n e da n dc o r r o s i v ew a s h i n gt e c h n o l o g yo fa z 91d m a g n e s i u ma l l o ys c r a p sw a sp r e s e n t a d o p t i n gh o t - p r e s sa n dh o t e x t r u s i o n t e c h n o l o g y , t h eg r a i ns i z ew a su n i f o l r i l la n dt h eb o n d i n gb e t w e e ns c r a p sw a s b e t t e rw i t ht h ee x t r u d i n gt e m p e r a t u r eo f4 5 0 t h eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t ha n d e l o n g a t i o nt of a i l u r ec a nr e a c h3 5 0 2 4 m p aa n d1 1 8 2 ，r e s p e c t i v e l y w h e nt h e e x t r u s i o nr a t i oe x c e e d e d2 5 ：1 ，t h eg r a i nb e c a m ef i n ea n dt h eb o n d i n gl a y e r d i d n ta p p e a r t h eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t hi n c r e a s e dw i t ht h ee x t r u s i o nr a t i o i n c r e a s i n g w h e nt h ee x t r u s i o nr a t i ow a s4 0 ：l ，t h eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t hc o u l d r e a c h3 7 8 0 5 m p a a d o p t i n gh o t e x t r u s i o nt e c h n o l o g y ，c o m p a r i n gt oh o t p r e s s a n dh o t - e x t r u s i o nt e c h n o l o g y , t h eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o nt o f a i l u r ed e c r e a s e d r e l a t i o n s h i p b e t w e e nb o n d i n g l a y e r a n du l t i m a t et e n s i l e s t r e n g t h w a s s t u d i e df o rt h er e c y c l e ds p e c i m e n sa d o p t i n ga z 9 1d m a g n e s i u ma l l o ys c r a p s w h e nt h eb o n d i n gl a y e ri nt h er e c y c l e ds p e c i m e n sf o r m e dc o n t i n u o u sc u r v e s ，t h e u l t i m a t et e n s i l es t r e n g t hd e c r e a s e dw i t ht h et h i c k n e s so ft h eb o n d i n gl a y e r i n c r e a s i n g f o r c a s t a b l ee q u a t i o no ft h eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t hf o rt h er e c y c l e d s p e c i m e n si s 吼= 4 0 w 3 + 3 4 5 + 4 0 3w h e nt h et h i x k n e s so ft h eb o n d i n gl a y e r i s0 ws7p m f o r c a s t a b l ee q u a t i o no ft h eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t hf o rt h e r e c y c l e ds p e c i m e n si so w = - 3 0 w + 4 7 5w h e nt h et h i x k n e s so ft h eb o n d i n gl a y e r i s7 1 x m w 1ll a m w h e nt h eb o n d i n gl a y e rf o rt h er e c y c l e ds p e c i m e n sf o r m e d i v a b s t r a c t d i s c o n t i n u o u sc u r v e s ，t h eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t hi n c r e a s e dw i t ht h ep r o p o r t i o n o ft h el e n g t ho ft h eb o n d i n gl a y e ra c c o u n t i n gf o rt h ew h o l em e a s u r e dc u r v e i n c r e a s i n g f o r c a s t a b l ee q u a t i o no ft h eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t hf o rt h er e c y c l e d s p e c i m e n s i s q = 1 5 0 1 + 2 4 5w h e nt h et h i x k n e s so ft h e b o n d i n gl a y e r i s o 1 ，0 7 f o r c a s t a b l ee q u a t i o no ft h eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t hf o rt h er e c y c l e d s p e c i m e n si sq = 7 5 l + 2 9 7 5w h e nt h et h i x k n e s so ft h eb o n d i n gl a y e ri s o 7 j a 9 1 ，一l f 西i o 【1 0 1 0 r fb n l l 1 0 】 1 0 q 】一 1 2 1 0 】 12 0 】 ( c )( d ) ( a ) 原子位置；( b ) 基面、腼1 1 121 0 晶带轴的主要晶面；( c ) 【11 0 0 晶带轴的主 要晶面；( d ) 主要晶向 图1 1 镁的晶胞 f i g 1 1m a g n e s i u mc r y s t a ll a t t i c e 1 1 2 镁合金废料现状 2 0 世纪8 0 年代世界镁产量只有2 0 万吨左右，其中有1 8 被用作结构 第l 章绪论 材料。进入9 0 年代后，全球的环境与能源问题日益突出，表现在汽车工业 上，重量轻、耗能少的汽车备受关注，在其推动下，镁工业进入了快速发展 时期，对镁合金废旧料再生利用的意识日益增强。2 0 0 1 年世界的镁产量达 到了大约3 7 6 万吨，镁及镁合金的产业目前正处“爬坡 阶段，其巨大的 市场正待开发b 3 - 1 5 1 ，生产区域由欧美国家转移到中国，如表1 1 和表1 2 所 示。 表1 1 原镁生产区域由欧美转移到亚洲( 中国) t a b l e1 1p r o d u c t i v ez o n em o v e m e n to fo r i g i n a lm a g n e s i u mf r o mo c c i d e n tt oa s i a ( c h i n a ) 表1 2 全球主要产镁国的原镁产量发生了很大的变化( 万吨) t a b l e1 - 2c h a n g e so fo r i g i n a lm a g n e s i u mo u t p u ti ns e v e r a lc o u n t r i e si nw o r l d ( t e nt h o u s a n dt o n ) 镁及镁合金应用范围越来越广，需求越来越大，镁的产量结构也发生了 极大变化，如图1 2 所示，5 3 镁及镁合金以铸件或压铸件的形式用于汽 车、摩托车的仪表盘、齿轮箱体、车身零件、家电、电子器件、文体器材、 摄像机壳等民用零部件；3 2 是冶金工业的原料，包括金属还原、稀土合 金、球墨铸铁球化剂和炼钢脱硫；1 0 用于压力加工方法制成厚板、薄板、 棒材和型材、锻件和模锻件等，用于航空航天、电子、兵器等工业部门h 1 3 i ，如图1 3 所示，其中镁合金压力铸造件的产量以每年2 0 的速度递增， 尤其以最常用的a z 9 1 和a m 6 0 两种镁合金居多。 哈尔滨理t 人学t 学博i ：学位沦义 5 3 铸 1 0 川压力加j ：方法制成厚板、薄 锻件等 幽1 2 镁及镁合会，量结构 f i g 1 - 2o u t p u ts c h e m a t i cd r a w i n go fm a g n e s i u ma n dm a g n e s i u ma l l o y 图1 3 镁合金铸件和压铸件 f i g 1 - 3m a g n e s i u ma l l o yc a s t i n ga n dd i ec a s t i n g 镁合金的产量逐年增加，应用范围越来越广，需求越来越大，产生的镁 合金废料越来越多。镁合金废料一方面产生于产品的生产和加工；另一方面 随着镁合金使用范围的不断扩大，报废的镁合金零部件也同益增多。 在镁合金加工过程中，比如压铸生产过程中，将产生两种废料：一种是 在压铸过程中产生的过剩镁合金，如料柄、流道、溢边、废零件、冒口、结 第l 章绪论 块、飞边、切屑、熔渣等；另一种是在机械加工、喷漆过程中产生的废件。 大多数镁合金压铸成形件需要进行高精密多次机械加工以达到最终尺寸与性 能要求，削去多余的料、钻孔或抛光，严格按技术要求进行机械加工，但在 机械加工中由于加工尺寸没控制好也要产生废件；对于机械加工合格件要进 行表面处理和喷漆，在喷漆时由于控制不当也要产生废品。从生产原料到成 品的材料利用率不足5 0 ，有时甚至是3 0 ，剩下的基本上都浪费在料饼 和浇道上以及随后的机械加工过程中，镁合金在加工过程中有大量的镁合金 废料产生【1 6 - 1 9 ，如图1 4 所示；同时，在流通领域中报废的镁合金产品也会 成为废料。 图1 4 镁合金压铸过程中材料利用率不足5 0 f i g 1 - 4l e s st h a n5 0 o fm a g n e s i u ma l l o yu t i l i z a t i o nr a t i oi nt h ed i ec a s t i n gp r o c e s s 随着镁合金使用范围的扩大，我国报废的镁合金零部件会日益增多， 2 0 0 5 年生产镁合金达3 6 7 万吨，其中5 3 是以压铸工艺生产的，材料利用 率不足5 0 ，全年将产生约1 0 万吨的废料1 4 ，”1 。深入开展镁合金废料再生 利用，使镁资源开发、应用及再生同步协调发展，解决报废镁合金碎屑、块 料和废件的再生和再利用，已成为影响镁合金规模应用和镁工业可持续发展 的重要问题。 1 1 3 镁合金废料处理方式 目前镁合金废料再生方式有以下四种：炉前再生、厂内再生、厂外再生 和卖给自由市场1 2 0 - 2 2 1 。 哈尔滨理丁大学r t 学博卜学位论文 炉前再生是把符合直接再生重熔要求的次品铸件放回坩埚，可以处理小 批量的干净废品件，要对回收废品进行精细的分析和检测，要求回收件无氧 化和其他附属杂质。 厂内再生是将镁合金废料在生产体系中进行封闭循环再利用，处理废料 的量较大，受到工厂的青睐，成本低，效率高，能够保证压铸厂原料价格相 对稳定，还能保证整个生产体系的平衡。但是该技术要求加工返工料的数量 要有保证，另外，再生设备也必须保持每天持续工作和达到质量标准，才能 保证经济效益。 厂外再生是通过专业的镁合金厂家对镁合金废料及报废件进行再生，处 理的废料量较大，适合于所有废料和报废件的再生，将所有回收的废料进行 分级，对低级的废料要进行专业性的预处理。北美和日本的镁合金压铸厂多 采用厂外再生。 卖给自由市场是小型的没有再生能力的压铸厂，将废料卖到市场，这种 方式往往导致镁合金废料降价和降级使用，如将清洁废料用作炼钢脱硫剂， 造成资源浪费。 1 2 镁合金液态再生技术 目前，镁合金废料再生方法主要是液态再生，包括熔解法和蒸馏法两 种，蒸馏法主要用于再生纯镁，除杂质较好，但操作复杂、能耗大，不适合 镁合金废料的再生。用于镁合金废料再生的方法主要是熔解法，熔解法可分 为坩埚炉法、盐浴槽法、双炉法、无熔剂吹氩过滤精练法和隔室气体吹泡 法。 坩埚炉法适用于中小规模镁合金压铸厂进行废料再生，如图1 5 所示。 具体工艺 2 3 - 2 7 1 是首先在坩埚底部加入覆盖熔剂，加热到熔融状态后加入镁合 金废料，必要时应随时添加覆盖剂。当镁合金废料熔化且达到一定温度时加 入精炼剂精炼，为了使非金属夹杂物与熔剂充分接触并被熔剂吸附，在精炼 过程中要对合金熔体进行搅拌，并对镁合金液的化学成分进行调整；在一定 温度范围内吹氩气除气，然后调整温度静置一定时间，除渣后在保护气氛下 压铸或浇铸合金锭。 坩埚炉法存在不足之处，在熔炼过程中会放出有害的c 1 2 或h c i 气体，应 有吸收或中和这些有害气体的装置；产生含镁量很高的熔渣，造成金属浪 第1 章绪论 费，且除渣困难；熔剂易污染再生的金属液，产生熔剂夹渣，降低再生产品 质量。 盐浴槽法再生镁合金废料，适用于大规模连续再生镁合金废料，如图1 6 所示。盐浴槽法不使用坩埚，而是采用一种带有五个室的槽式电炉，各分 室由带有过滤网的小孔相连，再生时镁合金液在分室中逐步被净化，最后用 转运炉运送到保温炉内进行化学成分调整 2 7 - 3 0 j 。盐炉既是熔炼炉又是静置 炉，不采用熔剂保护，而是在惰性气体保护下熔炼和精炼。此种方法净化镁 合金液的原理在于加入熔剂的密度介于固态镁合金和液态镁合金，易与镁合 盖熔剂 练剂 杂物 体 性熔剂 图1 5 坩埚炉法示意图 f i g 1 5s c h e m a t i cd r a w i n ga d o p t i n gc r u c i b l ef u r n a c e 图1 6 盐浴槽法废料精炼炉示意图 f i g 1 - 6s c h e m a t i cd r a w i n ga d o p t i n gs c r a p sr e f i n i n gf u m a c eu s i n gs a l tb a t h 哈尔滨理工大学工学博士学位论文 金熔体分离。镁合金废料熔化后，依靠重力作用与杂质分离，镁合金液则浮 在盐熔池上面，密度大的杂质沉积在盐熔池底部成为淤渣，盐熔池可阻止淤 渣重新进入镁合金液中。 盐浴槽法可处理各类镁合金废料，尤其是边角料。盐浴槽法的提纯效果 好，镁合金再生质量高，熔化温度稳定，经济效益高。 双炉法适用于炉前再生也适用于大规模连续再生镁合金废料，熔炼炉中 的镁液通过一个输送管运到铸造炉中，镇静后在坩埚底部形成的废渣将在每 次出炉后清除掉，其他合金喂料也是直接投放在熔炼炉内，如图1 7 所示。 镁液通过传送管被传送到铸造炉内，降温至浇注温度，产品的质量通过在线 抽样来保证，熔炼时采用s f 6 气氛进行保护，不使用熔剂，避免了熔剂夹 杂。熔炼过程中熔化炉上的杂质要定期去除，吸管的进口料要位于熔体液面 1 0 c m 以下或更深一些，以确保合金液纯净度【2 5 ，3 卜33 1 。 采用双炉法再生镁合金废料，加料熔化操作与镁合金液处理和定量浇注 操作分开，杂质上浮至熔池表面，不会被输送管传送到处理炉中，处理炉内 的温度控制精确，浇注温度波动小，适用于废料的重新回炉。 原料入口吸管 定量泵 ( a ) 示意图；( b ) 实物图 图1 7 双炉法再生装置 f i g 1 - 7r e c y c l i n ge q u i p m e n ta d o p t i n gd o u b l e - f u r n a c e 无熔剂吹氩过滤精练法和隔室气体吹泡法较少应用于工业生产中，如图 1 8 和图1 - 9 所示。无熔剂吹氩过滤精练法是d o wc h e m i c a l 公司开发的装置， 原理是对熔融的镁合金液搅拌的同时，在熔池底部吹入氩气，产生细小气泡 对熔体起搅拌作用，促进杂质分离。熔炼时采用s f 6 或s 0 2 稀释气体进行保 第1 章绪论 皇皇= = = = 置詈詈鼍= 皇暑= = = 皇= = 墨詈= = 皇宣暑詈詈= 詈皇皇暑詈= 鼍ii 一i m l i i i i m 一 一i i 暑鲁皇詈詈皇詈暑= 皇= 苎毫詈皇詈暑暑皇鼍 护，浮渣中含有部分镁合金，可再次熔炼。再生的镁合金质量高，但回收率 低，一般有5 0 - 8 0 金属夹杂在废渣中【2 ”4 1 。 s f 6 泵与混合器组合 图1 8 无熔剂吹氩过滤精练法 加入 f i g 1 - 8s c h e m a t i cd r a w i n ga d o p t i n gf i l t e rr e f i n i n gw i t ha ra n dn of l u x 熔体 按0 氛废料加入 图1 9 隔室气体吹泡法 f i g 1 9s c h e m a t i cd r a w i n ga d o p t i n ga i rb l o w e rw i t hi s o l a t i o nb o o t h - 9 哈尔滨理工大学工学博士学位论文 该法用硫化物作保护气氛，会释放含硫气体，对环保不利，且金属烧损 大，合金中含气量增加。 隔室气体吹泡法是由r a u c h 公司发明，利用s 0 2 和n 2 气体作保护气氛， 在密闭体系中对镁合金废料进行再生的技术，用隔板分为熔化、静置、纯化 和出料室，隔板中下部有贯通孔，镁合金熔体从中流动，熔剂浮上，杂质沉 下，通过氩气吹入气泡进入静置室，促进熔剂向上。杂质在熔化室内变成浮 渣和淤渣，须定期除渣；熔体经过纯化室时，底部吹气形成气泡平台，气泡 上浮过程中对熔体起到搅拌作用，促进杂质分离 3 4 - 3 7 1 。 该方法再生镁合金废料的优势在于再生镁合金中氯元素的含量低、夹杂 和渣量少，容易从熔体表面除去杂质颗粒。 目前，液态再生镁合金废料工艺成熟，液态再生镁合金技术已经成功应 用于实际工业生产中，如图1 1 0 f f n 图1 1 1 所示，镁合金废料部分得到了与原 生镁合金同样的利用。 图1 10 镁合金废料液态再生生产线示意图 f i g 1 _ 10s c h e m a t i cd r a w i n go fp r o d u c t i o nl i n eo fm a g n e s i u ma l l o ys c r a p sa d o p t i n gm e l t i n g 掣鬻 ，奢：萄矿 ，。r ；譬 ，。， _ ：， 图1 1 1 镁合金废料液态再生生产线实物图 f i g 1 11p i c t u r eo fp r o d u c t i o nl i n eo fm a g n e s i u ma l l o ys c r a p sa d o p t i n gm e l t i n gm e t h o d 第1 章绪论 1 3 镁合金固相再生技术 1 3 1 反复塑性加工方法 由东京大学研究开发的多次塑性加工方法 3 8 - 4 0 】是将镁合金屑或粗粒粉末 填充到模具内，经单纯压缩成型后再进行挤压，2 种方式反复进行，使材料 充分搅拌和粉末充分均匀化，在反复加工过程中，材料固化到一起，晶粒得 到细化，最终得到的材料为具有微细组织的成型固体。由于这种方法的原材 料像一粒粒米，最后加工成的成品又是一个饼，因而通常叫饼形加工方法， 其结构模具和循环过程示意图如图1 1 2 所示。 a z 3 1 镁合金屑( 约3 4 m m ) 经上述反复塑性加工后，将其热挤压加工成 棒，材料原始晶粒为1 0 0 t t m ，经单纯压缩加工，其晶粒达到2 0 3 0 u m ，经 霹蘩圈 f 丁= j 一一+ i 1 ：j 1 + 。 e 皿 哈尔滨理工大学工学博士学位论文 2 0 0 次反复加工后，平均晶粒达至l j 5 l x m ，充分反应了这种方法的晶粒细化效 果。这种方法运用h a l l p e t c h 公式抗拉强度( 们与平均晶粒直径的平方根倒数 ( 1 d ) 成直线关系的基本原理，即直径越小，抗拉强度越高。 m g z n a 1 一c a r e 系合金具有优良的高温蠕变性能，常温下的抗拉强度 和延伸率分别为2 0 0 m p a 和5 。采用反复塑性加工加工后，该合金的晶粒由 1 0 0 9 m 细化到5 1 0 9 m ，抗拉强度达到3 7 4 m p a ，延伸率达到1 5 。 反复塑性加工方法设计思路与等径道角挤压( e c a c ) 4 1 - 4 5 类似，等径 道角挤压是将试样压入一个特定设计的模具中，不改变材料的横截面积和截 面形状，使材料通过多次定向均匀的剪切变形 4 6 4 8 】；反复塑性加工设计思路 也是材料经多次反复加工，由于剪切力的作用，晶粒破碎细化，这种方法可 使晶粒尺寸达到5 1 0 岫，从而在提高抗拉强度的基础上提高其延伸率。 1 3 2 固相再生方法 目前，固相再生方法包括直接挤压和间接挤压。间接挤压为将合金料置 于模筒中，将其在一定温度下和一定压力下压成一坯料，之后在一定挤压比 的条件下将其挤压成形材 4 9 - 5 3 】，其再生过程示意图如图1 1 3 所示。 间接挤压过程中可以通过改变冷压或热压的压力和温度、挤压温度、挤 压比、应变速率等工艺参数进行优化。日本名古屋工檠技衍研究所中西膦【5 4 ， 5 5 l 对z k 6 0 、a z 9 1 进行试验并通过改变挤压温度、挤压比、应变速率等工艺 参数来观察氧化弥散相的分布情况和晶粒细化现象。同时又将在不同变形温 度下获得的挤压棒材与a z 9 1 镁屑烧结所获得的棒材进行比较，结果发现烧 结的试样碎屑不能充分结合且不能发生氧化弥散现象，而挤压所获得的组织 基本没有裂纹和空穴的出现，晶粒得到了明显细化且氧化相均匀弥散，在 3 0 0 显示有超塑性现象。 直接挤压是将合金料直接置于具有一定挤压比模筒中，然后将模筒加热 到设定的温度后保温一段时间，在一定压力或以一定挤压速度挤压成型【5 6 58 1 ，其挤压过程示意图如图1 1 4 所示。 日本千野靖正等人【5 9 】将车削的a z 3 1 屑在4 0 0 保温1 小时后，直接在 4 5 ：1 的挤压比下挤压成棒，随后又将棒再次车削成屑，再进行上述步骤，这 样反复进行1 5 次。结果由于反复循环使位错密度增加，晶粒组织也发生了 严重变形并且弥散的氧化相进一步阻碍了晶粒的长大。 千野靖正等人另外发现循环次数越多其抗拉强度和屈服强度越高，这主 第1 章绪论 p l 冷压或热压 内 压筒 热挤出 ，l 广j p 固相再生制品模具 图1 1 3 间接挤压加工技术示意图 片 垫片 f i g 1 13s c h e m a t i cd r a w i n go ft h ep r e s sa n de x t r u s i o nw o r k i n gp r o c e s s 镁合金屑或 模具 热挤出 _ 扒 上 图1 1 4 直接挤压加工技术示意图 固相再生制品 f i g 1 - 14s c h e m a t i cd r a w i n go ft h ee x t r u s i o nw o r k i n gp r o c e s s 要是因为随着循环次数的增多，晶粒变得越细小。将材料磨光脱脂后浸入含 有饱禾 1 m g ( o h ) 2 的5 n a c l 溶液中3 天【5 9 1 ，随着循环次数的增多，模具中铁元 1 3 哈尔滨理工大学工学博士学位论文 素浸入试样越多，由于铁不能固溶于镁中，只能以游离态分布在晶界，降低 镁合金的抗蚀性。 镁合金液态再生方法是把这些废品或镁屑重熔，在重熔过程中须加覆盖 剂和精炼剂，相当一部分镁合金被氧化和烧损，浪费大量的人力和资源，废 料到成品材料的利用率不足5 5 ”4 ”5 “。采用固相再生方法材料的利用率明 显提高，材料主要在清洗和挤压两方面损耗1 6 06 2 l ，如图1 15 所示。 5 4 一翟王匪匿毽一懒损 罐誊警跬髫嚣注 78 浮渣和淤渣 ( a )( b ) ( a ) 常j = j 液态再生方式；( b ) 同相再生方式 图1 一l5 两种方式再生镁台金废料比较 f i g1 - 1 5c o m p a r i s i o nb e t w e e nm e l l i n gr e c y c l i n ga n ds o l i ds t a t er e c y c l i n g 1 4 固相再生镁合金国内外研究现状 1 4 1 固相再生镁台金国内研究现状 国内关于固相再生镁合金报道较少，只有华南理工大学和本校轻合金研 究室做了一些研究i 6 3 6 7 i 。 华南理工大学潘国如”3 1 等人采用热压一热挤变形工艺，对a z 8 0 镁合金切 屑挤压成棒料再利用，制定了棒料的成型工艺。在压制坯料时，镁合金屑温 度为3 3 0 。c ，模具温度为3 5 0 ，压力为2 0 0 m p a ；挤压时，坯料温度及模具 温度与压制坯料一致。挤压比为2 5 ：1 ，挤压速度为2 0 m m s ，再生棒料经过 f 2 0 0 。c 8 h ) 热处理后，抗拉强度为3 i o m p a ，屈服强度为2 3 0 m p a ，延伸率为 第1 章绪论 7 ，切屑之间的原始边界已不存在，变形后的棒料具有完整的晶粒组织， 而且晶粒均匀细化，尺寸为15 3 0 9 m ，与原来切屑a z 8 0 镁合金棒料显微组 织相比要细化很多，在晶粒之旬很难看到有孔洞、夹杂物等缺陷。用棒料拉 伸试验后，扫描电镜观察断口形貌，有相当数量的韧窝和明显的撕裂棱，呈 现出韧性断裂的倾向。但是为减少坯料和模具接触面摩擦力，使用润滑材 料，易造成镁合金屑的污染，影响此工艺结果，同时在提高再生棒料的延伸 率方面，还有待进一步探讨。 刘英1 6 4 1 等人采用固相再生方法再生a z 8 0 镁合金屑，将回收的屑先进行 热压，