（材料加工工程专业论文）mg8zn4al03mnxy合金显微组织及力学性能的研究.pdf

摘要了 摘要 镁是地壳中 储藏量较多的金属元素之一( 2 . 1 % ) ， 仅次于铝和铁而居于第三位。 镁合 金密 度一 般 小于2 g /c m ，是目 前 最轻的 金 属结 构 材 料 之 一， 其比 强 度高 于铝 合金 和 钢， 略低于比强度最高的纤维增强塑料; 比刚度与铝合金和钢相当， 远高于纤维增强塑料; 机械加工性能优良，且加工成本低，加工能量仅为铝合金的7 0 %;耐磨性能比低碳钢 好得多，已超过压铸铝合金a 3 8 0 ; 减振性能、 磁屏蔽性能远优于铝合金; 并且还有高 的导热和导电性能以及无毒性的特点，所以综合性能优良的镁合金可应用范围遍布于 汽车、计算机、通讯等广阔领域。目前应用最广的 a z 9 1 合金具有较高的室温强度， 优良 的铸造工艺性能以及低成本等优点，但这种合金的高温力学性能差，长期的使用 温度不能 超过1 2 0 c 。 虽 然具 有良 好高 温性能的m g - a i - s i 和m g - a i - r e 合金已 被开发 出来，但它们的铸造性能差或者成木较高限制了其在铸造方面的应用。因此，开发出 低成本并且具 有良 好的室温及高温性能的新型镁合金显得越来越重要了。 而m g - z n - a l 系合 金正是最 有希望 满足以 上需要的 合金系， m g - z n - a l 系合 金的 制造成本低， 具 有与 a z 9 1 d合金相当的室温强度，蠕变抗力远高于a z 9 1 d合金，且抗腐蚀能力强。 但此 种合金的 凝固区间 较宽，易出 现铸造缺陷。 本文通过添加a 1 5 t i b , r e变质剂来研究 m g - 8 z n - 4 a i - 0 .3 m n - x ( y ) 合金的显微组织、力学性能、 凝固 过程和沉淀析出 动力学。 采用 金相 观察 ( o m ) , x射线 衍 射 ( x r d ) 、 扫描电 子 显 微 镜 ( s e m ) 、 能 量 散 射 光谱 ( e d s ) 、差热扫描量热仪 d s c ) 、透射电子显微镜( t e m ) 、 显微硬度以 及拉伸性能测试 等分析手段，系统地研究了添加不同含量的 a 1 5 t i b , r e变质剂以及不同的热处理工 艺 对m g - 8 z n - 4 a i - 0 .3 m n 合金显 微组织 和力学 性能的 影响。 变质处理研究结果表明: 加入a 1 5 t i b , r e变质剂的m g - 8 z n - 4 a i - 0 . 3 m n - x ( y ) 合金的显微组织均由基体 a ( m g ) 固溶体，白色的三元相 cp ( a l 2 m g 5 z n 2 ) 和 t ( m g 3 2 ( a i , z n ) 4 9 ) , 黑灰色的 共晶 a ( m g ) 组成， 只是各相的 数量发生了 变化。 并且随 着 a 1 5 t i b 加 入 量的 增 加， m g - 8 z n - 4 a i - 0 .3 m n - x a l5 t i b 合 金的 共 晶a ( m g ) 相 数 量 增 加; 随 着r e 加入量的 增加， m g - 8 z n - 4 a i - 0 .3 m n - y r e 合金中 晶界 上块 状或棒状m g 3 a i 4 z n 2 r e 相从无到有: 混合加入。 .5 % a i s t i b 和0 . 5 r e的m g - 8 z n - 4 a i - 0 . 3 m n - x a l 5 t i b - y r e 合金 中 则只有较少量的 共晶a ( m g ) 相， 而且也没有块 状或棒 状m g 3 a l 4 z n 2 r e 相出 现。 加 入。 5 % a l 5 t i b 可 显著细 化m g - 8 z n - 4 a i - 0 .3 m n - x a l 5 t i b 合 金的 铸态 组织，晶 粒大小由 茄要 1 1 1 2 0 - 1 3 0 4 m减少到3 0 -y 4 0 i m :加入1 . 5 % r e也可明显细化m g - 8 z n - 4 a l - 0 .3 m n - y r e合 金的铸态组织， 晶粒大小由1 2 0 - 1 3 0 l m减少到4 0 - 5 0 p m; 混合加入0 . 5 % a 1 5 t i b 和。 .5 r e也可明显细化 m g - 8 z n - 4 a 1 - 0 .3 m n - x a l 5 t i b - y r e合金的铸态组织，晶粒大小由 1 2 0 - - 1 3 0 t m减少到5 0 - 6 0 i m a ， 一 m g + l 2 , l z - + a e ， 一 m g + o + l 3 a n d l 3 + 0 ”。 ; - m g + : + 4. t h e l i q u i d u s t e m p e r a t u r e o f m g - 8 z n - 4 a i - 0 . 3 m n - 0 . 5 r e a l l o y i s 5 7 1 .0 9 c a n d t h e s o l i d u s c u r v e t e m p e r a t u r e i s 3 3 3 . 9 2 0c , t h e r e a c t i o n s e x i s t e d i n i t s s o li d i f i c a t io n p r o c e s s i n g a r e l , - a ， 一 m g + l 2 ， l 2 - “ : 。 一 m g + o + l 3 l 十 0 分“ ， - m g + r + l 4 ， l , 叶a # : 一 m g + : 十 l , a n d l , 分a 6 3 一 m g + 十 :.t h e l i q u i d u s t e m p e r a t u re o f mg - 8 z n - 4 a 1 - 0 .3 mn - 1 .5 r e a l l o y i s 5 6 6 .0 7 c a n d t h e s o f d u s c u r v e t e m p e r a t u r e i s 3 2 9 . 3 9 c a n d b e t w e e n t h e l i q u i d u s a n d s o l i d u s c u r v e a n o t h e r re a c t i o n c a n b e h a p p e n e d a n d t h e re a c t i v e t e m p e r a t u r e i s 4 1 2 . 8 5 0c , t h e r e a c t i o n s e x i s t e d i n i t s s o l i d i f i c a t i o n p r o c e s s i n g a r e l : 一a p - m g + l 2 ，l 2 一a s , - m g + w ( m g 3 f 4 l , z n 2 r e ) + l 3 l 3 峥a s 2 一 m g 十 + l 4，l , 十 沪 峥a ， 一 m g + t 十 l ,，l , - a , 3 - m g + r + l b a n d 几 斗a , 。 一 人 烤+ 十 t t h e re s u l t s o f p r e c i p i t a t i o n d y n a m i c s s h o w t h a t t h e re l a t i o n e q u a t io n b e t w e e n v o l u m e fr a c t io n o f p r e c ip i ta t i n g te rn a ry p h a s e s f a n d t e m p e r a t u r e t a n d t i m e ,t i s f = 1 0 -s x t 3 - 10 -5x 2t 2 + 1 。 一，x 3t y a n d 呱一 1 0 sx t2- 1 0 -sy t+ 1 0 -3z re sp e c tiv e ly . k e y w o r d s : m g - 8 z n - 4 a 1 - 0 . 3 m n m e c h a n i c a l p r o p e rt i e s , a g in g p r o c e s s , m a g n e s i u m a l l o y , a 1 5 t i b , r e , m ic r o s t r u c t u r e s o l i d i f i c a t i o n p r o c e s s , p r e c i p i t a t e d 勿n a m i c s 男 -章著i 第一章绪论 1 . 1研究意义 mg 是地壳中储藏量较多的金属元素之一( 2 . 1 %) ， 仅次于a 1 和f e 而居于第三位。 镁 合 金 密度 一 般小 于2 g l c m 3 ， 是目 前 最 轻的 金 属结 构 材料 之一 ， 其比 强 度高 于 铝 合 金 和 钢，略低于比强度最高的纤维增强塑料;比刚度与铝合金和钢相当，远高于纤维增强 塑料: 机械加 工性能 优良 ， 易 加工且 加工成 本低， 加工能 量 仅为铝合金的7 0 % 1 1 ; 耐 磨性能比低碳钢好得多，己 超过压铸铝合金a 3 8 0 ; 减振性能、 磁屏蔽性能远优于铝合 金;并且还有高的导热和导电性能以及无毒性的特点，所以综合性能优 良的镁合金可 应用范围遍布于汽车、计算机、通讯等广阔领域。 世界汽车工业正面临越来越严峻的三大问题:能源、环境、安全。据美国 油气 杂志最近报导: 全球石油探明 储量仅能支撑4 3 年2 。 随着汽车的日 益普及， 汽车尾 气排放对地球环境的 污染问题越来越严重，已占大气污染总量的6 0 %。故各国对其限 制也越来越严格。采用轻质材料 ( 特别是镁合金) 制造某些汽车部件，可显著减轻汽 车自 重以降低能耗、 减少污染、 提高效率， 成为各大汽车制造商提高竞争的重要措施。 汽 车自 重 每 降 低1 0 0 k g ， 油 耗 就 可 减 少0 .7 1 ,i k m 13 1 ; 汽 车自 重 每 减 轻1 0 % . 燃油 效 率 可提 高5 .5 % 14 1 . 同 时， 镁合 金和 塑 料零 部 件相比 易 于 二次 回 收， 这 些 都有 利于 减少 环 境污染。因此，采用镁合金是汽车轻量化的有效途径之一。 自9 0 年代以来， 世界上汽车镁合金的用量每年以2 5 %的速度上升。 北美、欧洲和 日本等发达国 家更加大了 对镁基轻质材料的开发与应用研究的投入。现在已 有阀壳、 齿轮箱、曲轴箱、车轮、前灯支承托架、离合器壳体、变速箱等几十种零部件大规模 应用于汽车上1 5 1 。 据 1 9 9 9 年6 月在意大利罗马举行的第5 6 届世界镁年会上发布的统 计资料显示:1 9 9 8 年世界原镁产量为3 0 . 0 3 万吨，比1 9 9 7 年增长8 %，而压铸镁合金 的 产量比1 9 9 7 年增长1 5 . 5 %，年产压铸镁合金超过1 0 万吨，其中9 0 %用于汽车工业 16 1 。目 前， 一天大约有6 0 0 个齿轮箱 ( a z 9 1 d ) 生产用于大众p a s s a t 和奥迪a 4 / a 6 , 这种镁合金制成的齿轮箱与铝合金齿轮箱相比 可减重 4 .5 k g ， 相当 于减重 2 6 % ; 用 a z 9 1 d或a m 6 0 b 制造的 镁合金轮毅大约比 铝合金轮毅减重1 5 - 2 0 % 1 l . 进入9 0 年代以来，我国在汽车、计算机、 通讯等领域有了极大发展，单就汽车行 业来讲， 轿车拥有量的增长幅度就高达9 1 倍， 汽车轻量化、 高速、 节能问题也日 益突 出。 我国具有丰富的镁矿资源， 原镁的年产量达 1 0 万吨， 但主要用于出口， 少量用作 第-章奢老 航空材料，而在汽车上的应用几乎是空白。到目 前为止，国内也只有上海乾通汽车附 件有限公司为上海大众汽车公司的桑塔纳轿车配套生产的变速箱壳体和壳盖是利用德 国 技术由 镁合金压铸生产的， 镁合金用量仅为8 .5 k g 1 辆， 而国外汽车的镁合金用量平 均为4 0 k g 1 辆。 中国已 经加入wt o ， 汽车市场的竟争会越来越激烈，国 外对镁合金的 研究和应用也是刚刚起步，而国内在资源方面占有绝对优势，研究方面也取得了很大 的发展。因此，单就镁合金的 研究和应用，我们和国 外的差距并不大，开发具有自 主 产权的镁合金已势在必行，只有这样，才能达到并超过世界标准，使中国成为不仅是 镁资源大国，而且是镁产品大国。 1 .2国内外研究现状及存在问题 1 .2 . 1国内外研究现状 镁合金并不具备像铝合金或锌合金那样有一个丰富的合金系列。目前，镁合金主 要有三种合 金系: m g - a i 系、 m g - z n 系、 m g - r e 系。 虽然m g - r e系 合金具 有很高的 热强性及良 好的 铸造性能， 但由 于r e 元素的价格昂 贵， 因此m g - r e 系合金在汽车工 业的应用也受到了很大的限制。 因此， 当前的研究主要还在于用微合金化来重新设计、 优化现有的m g - a l 系、 m g - z n 系合金，以 使其达到汽车工业的要求， 并在汽车工业上 得到广泛的应用。 1 .2 . 1 . 1 mg - a i 系合金 a z 9 1 合金从应用到现在已经有7 0 多年的历史，人们对其研究也在不断的进行，为 提高其抗蚀能力，先后开发出a z 9 1 a , a z 9 1 b , a z 9 1 c , a z 9 1 d , a z 9 1 e ，依次合金 元素的 纯度增加以 提高其腐蚀抗力。 a z 9 1 合金有优良 的铸造性能、 室温机械性能和良 好的抗腐蚀性能，相对低的价格并且易于加工。因此仍然在当 今压铸镁合金中占主要 的地位，它可以用于制造各类压铸零部件。 a z 9 1 合金的沉淀强化相为m g 1 7 a 1 1 2 ( 结构为b c c ， 点阵常数a = 1 . 0 5 4 3 8 n m ) ,mg , 7 a 1 , 2 的 热 稳定 性 较 低 ( 熔点 只有4 3 7 0c ) ， 在从 室 温加 热到2 0 0 时， m 9 1 7 a h 2 相的 硬 度便 减 少5 0 - 6 0 % 18 1 ， 从 而失 去强 化 作 用， 因 此a z 9 1 合 金的 高 温性 能 有 待 提高。 国内 外研 究多集中于通过改变a z 9 1 合金中m g i 7 a 1 i 2 相的数量、形状、大小和分布来提高其高 温力性能。 通常所加入的合金元素为 s b , b i , s n , b e , c a , s i , r e . s b t9 t o 可改善 第 -育绪蹬 a z 9 1 合金的 铸态组织， 并在其中形成弥散分布的具有六方d 5 2 结构的mg 3 s b 2 颗粒相， m g 3 s b 2 颗粒相热稳定性好( 熔点1 2 8 0 c ) ， 弥散分布在合金中主要起到弥散强化作用. 弥补了a z 9 1 合金中强化相m g 1 7 a 1 1 : 的不足， 可改善其室温和高温性能， 使a z 9 1 合 金在 1 5 0 - 2 0 0 区间的蠕变寿命提高，大幅度降低其稳态蠕变速率。b i 18 ,1 1 1 可细化 m 9 1 7 a 1 1 : 沉淀相并可阻 止时 效过程的m g l 7 a l 1 : 相的 不 连续 沉淀， 形成的 棒 状 m g 3 b i 2 可有效提高a z 9 1 的 抗高 温蠕变性能。 在a z 9 1 合金中加入s n 11 2 1 能有效改善铸锭组织， 并在显微组织中形成具有立方c 1 结构的m g 2 s n 颗粒相， 少量的s n 能有效提高合金的 耐热性。在镁合金中加入微量的b e 1 3 ,1 4 1 时， b e即富集于表面并优先氧化，而在合金 液面 上形成一层致密的 氧化膜， 提高 镁液的 抗氧化能 力。 b e 的 加入 对y 相( m g 1 7 a 1 12 ) 有一定的变质作用，相的形状和分布随b e 含量的变化而变化。b e 的加入量少时，合 金常温拉伸性能下降，再增加 b e含量，拉伸性能反而提高，继续加入则又会使拉伸 性能 下降; b e 的 加入对5 ( m g ) 基体的显微硬度影响 不 大。 c a ( 1 5 1 可细化a z 9 1 合金的 铸态组织， 并使其枝晶 尺寸 细小， c a的 主要作 用还是 通过 熔入到 m 9 1 7 a 1 1 : 相， 提高 m g j7 a 1 12 相的 熔点， 以 提高a z 9 1 合 金的 高 温性能 。 s i 11 6 1 n 入到a z 9 1 合金中 可 形成高 熔点的m g 2 s i ( 熔点1 0 8 5 0c ) 相， 它均匀分布于晶 界和晶内 ， 能 够 在高 温下有效地阻 碍晶界和位错的移动，从而提高 a z 9 1 合金的抗高温蠕变性能。稀土元素具有净化合 金液、改善合金的铸造性能、细化和变质组织、提高力学性能，以及提高合金的抗氧 化 和 蠕变 性能 1 1 7 1 . r e 1 18 1元 素 的 加入 会使m 9 1 7 a 1 12 沉 淀相 的 数 量 减少 且 细 化， 还 有棒 状的a l 1 1 r e 3 相的出现; 对a z 9 1 合金的流动性影响是先降低而后增加， 可提高合金的 硬度; 对a z 9 1 合金的室温极限抗拉强度影响很小， 但是可显著提高1 5 0 时的极限 抗 拉强度和延伸率，屈服强度随r e加入而增加;a z 9 1 室温断裂为脆断，高温和r e加 入则为准解理断裂。 合金元素对a z 9 1 d耐腐蚀性能的影响， 一定含量的a i , z n . mn 元素可提高a z 9 1 d 的腐蚀抗力，而 s i 元素及重金属元素 ( c u , f e , n i )的增加却大大降低 a z 9 1 d的腐 蚀抗力， 可 用公式 表示为: c r ( m m l a ) = 4 cw ( m g ) - 4 1 (o ( a l) - 2 3 cu ( z n ) - 1 9 7 cu ( m n ) + 2 6 .8 cu ( s i ) + 2 6 x 1 0 3 tn ( f e ) + 9 .8 5 x 1 0 4 oo ( n i) + 9 .4 x 1 0 3 m ( c u ) , c r 为 腐 蚀 速 率 119 1 。 表2 . 1 所示 为 jl 种 相 互 表1 . 1 几种相互排除的组元元素 t a b l e 1 . 1 s o me i n t e r - e x c l u d e d e l e me n t s 沉降剂mn 去掉的元素f ef e , al , s i , p , b e , mn , nif e , z r t i co f e , s i ni 第-章绪 排除的组元元素2 0 1 。 减少镁合金中f e , n i 、 s i 杂质的含量可提高其抗蚀性，由 于t i 在 8 0 08 5 0 时，在镁中的溶解度较大，当低于 7 0 0 时溶解度急剧降低，并和 f e , s i 形成高熔点金属间化合物而沉降。因引，近年来在工业上已开始采用钦废料和低质 量的t i c 1 3 去掉熔体中的f e , s i 和部分n i ，以提高合金的耐蚀性能。 1 .2 . 1 .2 m g - z n 系合金 m g - a i - z n 合金的 屈服强 度较低， 从而降 低了 其承 载能 力。 因 此， 各国 都 在发 展具有高屈服强度的 合金， 这就是m g - z n 系合金。 z n 对m g 有很好的时效强化作用， m g - z n 合金时效时， 过饱和固溶体中析出弥散分布的、 细小的y ( m g z n ) 相质点， 显著 地 强 化了 合金。 z n 时 效 过 程 2 11 为: s s s s ，g p 区 *mg z n 2*m g z n - mg 2 z n 3 盘状杆状盘状三角晶系 1 1 0 0 0 1 m :一 0 0 0 1 m g 1 1 0 0 0 1 m g a = 1 .7 2 4 n m ( 共格) h c p , a = 0 . 5 2 n m , ( 1 1 2 0 ) m g z l l 0 0 0 1 ) m g b = l .4 4 5 n m c = 0 . 8 5 n m h c p , a = 0 .5 2 n m c = 0 . 5 2 n m ( 共格)c = 0 .8 4 8 n m y = 1 3 5 0 ( 半共格)( 非 共格 ) 在mg - 9 z n 二元合金中由 共晶反应生成的离异共晶 沉淀物主要为m g s , z n 2 o , 体心正 交点阵，空间群 i m m m ，点阵常数 a = 1 .4 0 8 3 n m , b = 1 .4 4 8 6 n m ,c = 1 .4 0 2 5 n m o m g 5 j z n 2 o 的 晶 体 结 构为 十 二面 体 配 位多 面体 结 构. 根据m g - z n 二 元 相图 2 2 1 ， 共晶 反应的 结 果 是 产 生了 大 量的 共晶 沉淀 物m g 5 i z n z o 和与之相 应的m g 7 z n 3 。晶 界上 粗大的m 9 5 i z n 2 。 共晶 相里还 存在一些较小的 沉淀相， 通过电 子衍射证实这 种相有 着与m g z n 2 l a v e s 相同 样 的晶体结构。 在共晶区 域里共有三种不同的组织形貌， 除了m g 5 l z n 2 o 沉淀粒子外， 还 有另外两种化合物。 一种为片状沉淀m g z n 相， 是在凝固 冷却过程中由 于m g 5 t z n 2 。 部 分分解产生的， 其反 应式为: m g 5 jz n 2 o a - m g + m g z n ; 另一种是共晶 体粒子外层的 m g s lz n 2 0 分解为片状的a - m g 和m g z n 相，以 及在共晶体粒子里层的m g 5 l z n 2 o 分解为 a - m g + m g z n 2 相 构 成的 2 3 1 。 经3 1 5 0c , 4 h 固 溶 处 理 后 水 淬的 组 织 则 为m g 5 i z n 2 。 粒 子 完 全分 解后形 成的中 间 相与a - m g 交织 在一 起的 紧密混 合物， 这种中间 相具 有与m g z n 2 l a v e s 相 一致的 晶 体 结构 2 4 1 1 .2 . 1 .2 . 1 m g - z n - z p 系 合 金( z k 合金) 由于m g - z n 二元系合金的结晶 温度间隔较大( 特别是不平衡状态下) ， 其最大不平 第 -育碧老 衡结晶 温度间隔达2 9 0 0c ，故二元合金的铸造性能很差。 但在m g - z n 二元合金中加入 少量z r 后，便显著改善合金的铸造性能，尤其大大降低了合金的缩松倾向。加 z : 能 改 善合金铸 造性能的 原因 有三: 第一， z r 与m g 组 成包晶 型状态图， 在包晶 温度下 镁 液中仅能溶解约 0 . 6 %的z r ，当合金中加入 z r 量大于包晶成分时，即能在镁液中形成 大量难熔的c c- z r 质点;由 于a - z : 与s ( m g ) 均为密排六方晶格，晶格常数十分相近 ( 6 ( m g ) : a = 3 . 2 0 a , c = 5 .2 1 a ; a - z r : a = 3 .2 3 a , c = 5 . 1 4 a ) ， 故这些a - z r 质点 就起着 外 来晶 核的 作 用， 从 而 细化5 ( m g ) 的晶 粒， 这 样 既 有 利 于 补 缩， 又 有利 于减 小 热 裂 倾向: 第二， 加z : 后显著缩小了 合金的结晶 温度间隔， 例如在m g - 4 . 5 % z n 合金中加 入0 .7 % z r 后， 其平衡状态的结晶温度间隔由1 8 0 降至9 0 0c ， 不平衡状态的结晶温度 间隔则由2 9 0 降为1 1 0 c ;第三，z : 与镁液中的氢形成固态的z r h 2 化合物，大大降 低了镁液中的 含氢量， 也有利于减轻缩松。 由 于加z r 能细化晶粒和枝晶， 并对5 ( m g ) 固溶体有一定的强化作用，因而显著增加了合金的力学性能，并且 z r能与镁液中的 f e , s i 等杂质形成化合物而下沉，有去除杂质的作用，还能在合金表面生成致密的 氧 化膜，因此可提高合金的抗蚀性。 1 .2 . 1 .2 .2 mg - z n - r e - z r 系合金 ( z e合金) 为了降低z k合金的热裂倾向，可加入约1 %的r e ，即形成z e 4 1 合金。由于加入 r e 元 素 在 组 织中 生 成了 一定 数 量的6 ( m g ) 和z n - r e 化 合 物的 共晶 体， 因 而显 著改 善了 合金的 铸造性能， 但加入r e 元素后大大降 低了z n 在m g 中 的固 溶度。 由 于以 网 状分 布在5 ( m g ) 晶 界上为 含r e 元素的耐 热相， 因 此z e 4 1 合金在1 5 0 - 2 0 0 有很好 的 蠕变极限，尤其在 1 0 0 - 3 0 0 之间有很好的瞬时拉伸屈服极限。当 z k合金中加入 r e的量达3 % 时， 合金的铸造性能和焊接性己 大大改善， 但z n 几乎全部与r e形成了 脆性的z n - r e化合物， 合金己 完全无热处理强化效果， 合金的强度和塑性都比 较差。 如将m g - z n - r e - z r 合金在h : 中 进行热处理， 氢原子扩散入固态合金后， 即与r e 形成 r e的氢化物， 使z n - r e化合物分解， z n 即从z n - r e化合物中被还原出 来，这些z n 在淬火时即溶入6( m g )固溶体中，仍可起热处理强化作用。经氢化处理后， 可使合 金的 强 度和塑 性大大提高， 即 形 成z e 6 3 1 i合金， 其即 有较好的 铸造性能， 又有良 好的 机械性能。 第 -0 2绪 i 1 .2 . 1 . 2 . 3 m g - z n - c u - m n 系合金 ( z c合金) z c 6 3 2 7 7 合金中即不包含a l ， 也不包含z r ， 其有良 好的铸造性能和可焊接性， 但必 须经过热处理才能达到其最佳性能。z c 6 3 的室温力学性能与a z 9 1 d相当，腐蚀抗力 优于a z 9 1 c ，而不如a z 9 1 e ;其可再生能力和高温稳定性能都较a z 9 1 好。 z c 6 3 中 c u 的加入可提高m g - z n 合金的共晶 温度可使其具有更高的固 溶液处理温度以 便使z n 和c u 能最大限 度地固 溶于 镁基体中。 另外， c u 的 加 入可改 变m g - z n 合金共晶 相的结 构， 从在m g - z n 合金中共晶 相完全分离分布在晶界和枝晶臂，到在z c 6 3 合金中 连续 呈薄片状分布于晶界和枝晶臂。 时效硬化主要与两个沉淀相有关: p i , ( 棒状) ， 0 2 ( 板 状或盘状) 与时效硬化的m g - z n 合金的 沉淀相相似， 然而， c u 的加入可显著提高此 两种沉淀相的浓度。 尽管 c u的加入可能对其它镁合金而言对抗蚀性能有害，但对 m g - z n - c u - m n 却 不是 这 种情 况， 可能 是 在此 种 合金中c u以m g ( c u ,z n ) : 形式 存在。 表 1 .2 为压铸a s 2 1 , z c 6 2 合金测试棒的力学性能的比较。 表1 .2 压铸a s 2 1 , z c 6 2 合金测试棒的力学性能 t a b l e 1 .2 m e c h a n i c a l p r o p e rt i e s o f d i e - c a s t i n g a s 2 1 , z c 6 2 a l l o y s a l l o y 2 0 c y s ( mp a ) t s ( mp a ) 测试 温度的 性能 . 1 5 0 c e % y s ( m p a ) t s ( mp a ) e% 6esl勺. ，1，j气j 642 ，乙月，月峥 .趁月几j. 内乙n石， ，口只q沙 8n95 as 2 1 a- f zc 6 2 - f z c 6 2 一5 + 1 9 5 2 2 7 2 3 7 nuo了0八 0叹几1 .人，1.1 * - - 2 0 时5 个试样的最小值，1 5 0 时3 个试样的 最小值 十 一 在1 8 0 时时效2 4 小时 1 .2 . 1 .2 .4 mg - z n - a l - c a 系合金 ( z a c合金) a e合金中含有r e元素使其抗高温蠕变性能有显著的提高， 但a e合金的价格也 是常规合金的几倍。 对于汽车工业大批量生产用合金并不能降低成本。 据报道， c a 加 入 到m g - a l 基 合 金中 可 显 著 提高 蠕 变 抗 力 2 8 1 。 然 而 ， 这 种m g - a l - c 。 合 金 在 压 铸 过 程 中出 现热裂和粘模等问 题e m g - z n - a l 合金( 如z a 1 0 2 , z a 1 0 6 ) 的典型组织为初生a - m g 基体以 及晶 界 共晶 体( 是由a 相和 粗 大的p 相组 成， p 相 为 三 元金 属间 化 合 物m 改变热处理工艺， 选择最佳的热处理工艺， 最终使m g - 8 z n - 4 a 1- 0 . 3 mn 合金的组织均匀、细小、致密，从而具有更好的室温和高温力学性能. 1 .3 .2研究内容 i ) 研究 变 质剂a 1 5 t ib , r e 对m g - 8 z n - 4 a 1 - 0 .3 m n 合 金的 变 质机 理以 及 变 质剂的 优化组成; i i ) 研究a 1 5 t i b , r e 元素 对m g - 8 z n - 4 a 1 - 0 .3 m n 合金显 微组织 和室 温、 高 温力学 性能的影响; i i i )研究 m g - 8 z n - 4 a 1 - 0 .3 m n合金的 凝固 过 程和凝固 动力学， 为m g - 8 z n - 4 a 1 - 0 .3 mn 合金的产业化作好理论准备: i v )研究m g - 8 z n - 4 a 1 - 0 .3 m n 合金的时效过程以 及a 1 5 t i b , r e 元素对时效过程的 影响和时效动力学; v )确定最佳的热处理工艺，主要是固溶处理和人工时效的温度和时间: 第-育绪老 1 0 l 4研究技术路线 主元素微量元素i i变质剂固溶处理人工时效 成分设计热处理工艺 m g - 8 z n - 4 a 1 - 0 . 3 mn - x ( y ) 合金 时效 动力 学过 程分 析 凝固过程分析 成分测试组织分析性能分析 温温学 室高力 性 能 只冈口分析 sem分析 eds分析 te叉分析 口sc分析 金相分析 第二章艾噩方法及 分沂手度1 1 第二章实验方法及分析手段 2 . 1成分设计 高温镁合金的化学成分设计是围绕如何获得大量均匀、弥散分布的耐高温三元相 而展开的。镁合金中三元相的种类、体积分数、大小及分布与镁合金的高温力学性能 有密切的联系. 2 . 1 . 1各元素的作用 ( 1 ) 锌 z n是镁合金中的一个重要的合金元素。z n 在镁合金中的固溶度约为6 .2 %，其固 溶度随温度的降低而减少，因此除了起固溶强化作用外，时效硬化也是很显著的。 z n对镁合金熔炼及铸造性能影响:z n增加熔体流动性，是弱的晶粒细化剂:z n 可以消除镁合金中f e , n i 等杂质元素对抗腐蚀性能的不利影响 3 6 1 z n 对镁合金力学性能的 影响: 当 含z n 量较小时 ( z n l % 时 ) ， z n 在m g 中 的 作用 一方面表现为自 身的固溶强化，改善室温强度。另一方面，少量的z n还可以增加a i 在m g 中的 溶 解 度，提高a 1 的 固 溶强 化 作 用。 在m g - a i - z n 合金中 ，a v z n 比 是 值得 重 视的 一 个 参数。 有 人改 变a l , z n 含 量比 例， 对m g - a i - z n 合金 进 行力 学性 能 测试 后得 出:当a 1 量较低( 8 % ) 时， 随 着含z n 量增加， 抗拉强 度降 低， 伸长率 提高。 测试结果表明 ，a z 9 1 和 z a 8 4 合金具有最好的综合力学性能。 z n 对镁 合金 抗 腐 蚀性能 的 影响 : m g - a l 合金中 加入 少 量z n 后， 能 大大 提高 合 金 的抗蚀性。 加入z n 显著增大合金的结晶温度间隔， 使合金的缩松倾向显著增加， 容易使合金 产生显微缩松。 ( 2 ) 铝 a 1 与其它合金元素相比， 对镁的作用最大。 a t 对镁合金 熔炼及 铸造 性能 影响: 对于m g - a l 二 元合 金， 当a 1 含量小于1 0 % 时， 随着a t 含量的增加， m g - a l 合金的 液相线及固相线温度均降低， 合金的结晶 温度间隔 逐 渐缩小， 其铸态组织中的s ( m g ) + y ( m g 1 7 a 1 1 2 ) 共晶 体 量逐渐增多， 合金的 铸造 性能不断改 善;同 时，由 于结晶 时a t 富 集于晶 界， 能 减缓6 ( m g ) 固 溶体晶 粒长大 而使合金的晶粒逐渐变细，这有利于降低热裂和缩松倾向;还可降低镁合金的 熔炼和 男一二章买一珊二 旬替 .卖分9 r -t a i 在m g - a l 合金表面形成氧化 铝保护膜。 a 1 对镁合金力学性能的影响: 由 于a l 在m g 中的溶解度随 温度降低而下降， 因此 在合金凝固或时效处理过程中，过饱和m g 固 溶体中 会析出 弥散、 平衡的r ( m g l 7 a 1 1 2 ) 强化相， 提高m g - a l 合金的强度; a 1 原子半径与m g 原子半径相差较大 ( 相差约为 1 3 %) ， 而且a l 在m g 中的固溶度又较大 ( 最大固溶度为1 2 .5 %) , a l 溶入s ( m g ) 固 溶体后， 使其晶格产生很大的畸变， 因 此a 1 对m g 有较高的固溶强化效果。 当 合金中 a i 的含量超过6 %，便使合金可热处理强化。含 6 %的a 1 可产生最优的强韧性。 a 1 对镁合金抗腐蚀性能的影响:当a 1 含量大于4 % 时， m g - a l 合金的耐腐蚀性能 迅速提高， 其原因 是: a 1 量的 增加导 致析出 更多的m 9 i 7 a 1 1 2 相， 它比a ( m g ) 基体更耐 腐蚀。 ( 3 ) 锰 mn 对镁合金熔炼及铸造性能的影响:mn的存在可略微提高合金的熔点，对细化 合金的晶粒有利。 m i l 对镁合金力学性能的影响:m n 对抗拉强度没什么影响， 但可提高屈服强度。 根据m g - a l - m n 三元 镁合 金等 温 截面 相图: 对 于 含m n l % 的m g - a l - m n 合 金， 室 温状 态组织一般为a ( m g ) + p ( m g 1 7 a l 1 2 ) + m n a l 相， 随 着 含m n 量的 增加， 组织中 将出 现 脆性 的d - mn相，降低合金的延性，并且会引起 mn的偏析而显著降低合金的力学性能。 因此， 镁合金的含mn 量一般限制在0 .6 %以下。 m n 对镁合 金抗腐 蚀性能的 影响: m n 可 提高m g - a l 和m g - a i - z n 合金抗盐 水腐蚀 的能力，m n 降低了f e 在镁液中的溶解度，使f e 以mn - f e 化合物的形式从镁液中沉 淀出 来， 减少了 合金中有害于杭蚀性的杂质铁的 含量。同时， m n溶入 5 ( m g )固溶 体从而提高其电极电位，使其不易被腐蚀。m n的加入量被其在镁中的低固溶度所限 制。商用合金中mn含量很少超过 1 . 5 %。但若有 a i 的存在，mn的加入量可减少至 0 3 %。 ( 4 ) 镀 b e对于镁是表面活性元素，尽管在镁中有很小的固溶度，但是在镁合金中加入 0 .0 0 1 % 的b e 时， b e 即富集于表面并优先氧化， 而在合金液面上形成一层致密的 氧化 膜，从而减少镁在熔炼、铸造和焊接过程中的氧化倾向，提高镁液的抗氧化能力。它 勇=0 3 m 及分祈手窦 可用于压铸和变形合金。在砂型铸造合金中要注意使用，因为它可以粗化晶粒。 ( 5 ) 钙 c a 起双重作用: 在浇注之前立即加入铸造合金中， 可以减少熔体的氧化，同时在 热处理过程中也可以减少氧化: 它可以提高镁板的轧制率。 c a 的加入必须控制在。 . 3 % 以下，否则板材在焊接过程中易出现裂纹。 ( 6 ) 铜、铁、镍、钻、硅等杂质元素 c u :当合金中含有超过0 . 0 5 %的铜时，合金的抗蚀性能下降。但铜可以提高镁合 金的高温强度。 c u 提高m g - z n 合金的固相线温度， 提高的幅度随z n 量不同而不同。当 含z n 量 低时，mg - z n 合金的固相线温度提高较多。固相线温度升高可以提高合金固溶化处理 温度， 保证z n , c u 在m g 合金中具有最大的固溶度， 促进固 溶强化。 所以， 含c u 的 m g - z n 合金只有在热处理条件下才表现出良 好的力学性能e c u 改变m g - z n 合金的共 晶组织形态， 单纯的m g - z n 合金共晶体是离异的， 加c u 后变为层片状共晶，固溶处 理时， 共晶 部 分溶 解， 在u ( m g ) 基体内 产生 棒状或盘 状析出 物。 低z n 高c u 与高z n 低c u 镁合金相比， 前者具有良 好的流动性， 无明显的热裂倾向。 此外， c u 减少m g - z n 合金的热敏感性，使合金具有可焊性。 f e :是镁合金影响抗蚀性的最严重的元素，即使合金中含有很少的量。在普通商 用合金中， 铁的含量可在0 . 0 10 .0 3 % 之间，要达最高的 抗蚀性能， 合金中的铁含量不 能高于 0 .0 0 5 %. n i :与铁的作用相同.在普通商用合金中，铁的含量可在0 .0 1 - 0 .0 3 % 之间，要达 最高的抗蚀性能，合金中的铁含量不能高于0 . 0 0 5 %. s i : s i 的加入可以增加镁合金的流动性，但是如果合金中有铁的存在， s i 降低镁 合金的抗腐蚀能力。 ( 7 ) 稀土元素 混合稀土: 加入r e可提高镁合金的高温强度，它可以减少铸造合金的 焊接裂纹 和气孔， 由于其缩小了合金的凝固区间。由于r e与a 1 结合生成r e - a l 化合物， 减少 了a l 形成低熔点相m 9 1 7 a i i : 的数量， 有利于提高m g - a i- r e合金的蠕变性能。 重要的 是，r e - a l 化合物具有很高的熔点，如a 1 , 1 r e 3 熔点为1 2 0 0 c ，并且在a ( m g ) 中的 扩 散速度慢，因此具有很高的热稳定性。 单一稀土元素: 男一 二 营盛 寒 黔方a及分沂手厨 t h : t h 的加入可提高超过3 7 0 的 温度下镁合金的 蠕变强度。 在合金中 含有z n , z r 和mn的情况下，可加入2 - 3 %的t h . t h提高含z n 合金的焊接性。 y : 在镁中有较高的固溶度 ( 1 2 .4 %) , y的其它r e元素加入可提高超过3 0 0 的 温度的镁合金的蠕变性能。 2 . 1 . 2 成分分析 m g - z n 系 合 金的 屈 服 强 度 和 抗 蠕 变 性 能比m g - a i 系 合 金要 好， 因 此， 为了 获 得 具 有高温力学性能优良 的镁合金，我们选择以m g - z n - a l 为基体合金。 图1 中对应的三个区域为可铸造区、热裂区和脆性区。当含z n 量很小( 1 % ) 时， m g - a i - z n 合金处于可铸造区， a z 9 1 合金选择含1 % z n 左右即是如此。 随着含z n 增加， 进入热裂区。该热裂区随含a l 量不同而变化;当z n 量进一步增加时，进入可铸造区 和 脆 性区。 因 此， 要 保 证m g - z n - a l 合 金具 有良 好的 铸 造性能。 a l , z n 含量 应 有一 个 合适的比例。 z n 含量的 确定:根据z n 在镁合金中的 作用，当m g - z n - a i 合金中z n :a i( 原子) 为 2 : 1 时，合金的常温及高温力学性能最好，因此我们把z n 的含量定为8 %0 a l 含量的确定:通过对不同含量mg - z n - a l 合金 ( z n : 8 1 2 %, a l : 2 b %)力 %zf l 图1 m g - z n - a i 合 金 的 可 铸 性 3 2 1 f i g . i c a