（材料加工工程专业论文）mgalx变形镁合金的制备及组织性能的研究.pdf

摘要 镁合金具有比重小、比强度高、电磁屏蔽性能好、抗震性能好等优点，在汽 车制造、电子音像设备、航空航天等工业领域具有巨大的应用潜力。此外，镁在 地球上有丰富的资源。近年来，节约能源和保护环境的要求促进了镁合金应用的 快速增长。目前的镁合金零部件主要通过压铸的方法生产，但压铸件的力学性能 较低，故变形镁合金因具有高强度、高延伸率等力学性能而引起了各国学者的广 泛重视。本文以m g - a i 系列镁合金为研究对象，考察了两种塑性变形工艺一挤压 和等通道转角挤压( e c a p ) 对微观组织和力学性能的影响，并对材料的强韧化 机理、断裂行为及超塑性变形机制进行了研究。 系统考察了工艺参数对镁合金的挤压过程、微观组织及力学性能的影响规律。 研究表明，随着挤压比的增加，a z 8 0 镁合金挤压所需要的压力增大，晶粒细化 程度增大，力学性能明显提高，但挤压比高于1 7 ：1 后材料的力学性能提高幅度 趋于平缓。对于铝含量超过a z 8 0 镁合金上限的镁合金( 相当于a z 9 1 镁合金) ， 挤压后其屈服强度和抗拉强度分别为2 1 0m p a 、3 5 5m p a 、延伸率达18 ，与铸 态合金相比，力学性能显著提高，其主要强韧化机制包括晶粒细化，第二相细化 及分布的改善，挤压织构的形成等几个方面。通过a z 8 0 镁合金切屑的挤压试验， 制各了致密度- 9 8 2 以上、抗拉强度为3 1 0m p a 、延伸率为7 的镁合金材料； 研究表明，挤压是一种实现镁合金切屑回收的有效方法。 通过在试验镁合金( h g m g ) 中加入混合稀土金属( r e ) 的台金化研究，考 察了h g m g 镁合金中加入混合稀土金属合金化前后的组织和性能。研究表明，适 量( o 3 0 6w t ) 富铈混合稀土的合金化可以细化h g m g 镁合金的铸态及变形 组织，提高合金变形后的力学性能；加入较高含量( 1 0w t ) 稀土后，合金中 出现了稳定的粗大富铝稀土相，对h g m g 变形镁合金的强度和延伸率有所损害。 镁合金的应用由于其室温塑性加工能力差而受到了很大限制，制备超( 微) 细晶组织是获得高延伸率及超塑性材料的有效方法。本文对采用等通道转角挤压 ( e c a p ) 的方法制备超( 微) 细晶的h g m g 镁合金进行了研究，考察了不同模角、 不同工艺路线对h g m g 镁合金的组织和性能的影响。研究表明，以b 。工艺路线 挤压时，在中= 9 0 。模具中的一次挤压具有比在0 一- 1 2 0 0 模具中的一次挤压具有更 快的晶粒细化效果；当进行多道次挤压分别获得总应变量大小为确时，在两种 模具中的挤压都使合金获得了相似的细等轴晶组织( 3 岬) ，同时也具有了相似 的力学性能；其抗拉强度为2 6 0m p a ，屈服强度为1 0 0m p a ，延伸率为4 5 5 0 。 等通道转角挤压合金与常规挤压合金相比，抗拉强度变化较小，延伸率显著提高， 屈服强度明显下降，变形织构状况的不同是两者拉伸力学行为存在差异的主要原 华南理工大学工学博士学位论文 因。在o = 1 2 0 。模具中以a 、b a 、bc 、c 四种不同工艺路线进行挤压，8 道次后形 成的显微组织有些差别，基面( 0 0 0 1 ) 的取向分布出现了较大的差异，力学性能 也出现了明显的差别。b a 、b c 工艺路线挤压的合金基面( 0 0 0 1 ) 的取向分布更为 分散、具有较高的延伸率和较低的屈服强度。 通过对常规挤压的微细晶粒h g m g 镁合金进行分别在3 0 0 、4 0 0 及应变 速率为1 1 1 0 。2s 、l ，1 1 0 一s 、5 5 1 0 1s 1 的条件下的高温拉伸试验研究，考 察了材料的超塑性变形行为。研究结果表明，晶粒大小为1 0p m 的h g m g 镁合 金具有良好的超塑性，在4 0 0 、5 5 1 0 。s 。1 的条件下获得的最高延伸率达5 4 6 ， 在3 0 0 、1 1 x 1 0 。2 s 。1 ( 高应变速率) 条件下的延伸率达1 5 0 。通过位错运动调 控的晶界滑动是镁合金超塑性的主要变形机制。 关键词：m g - a 1 x 系列镁合金；等通道转角挤压；组织和性能；切屑回收 a b s t r a c t a b s tr a c t m a g n e s i u ma l l o y s h a v e h i g hp o t e n t i a l f o ru s ea s c o m p o n e n t s i n a u t o m o b i l e ，e l e c t r o n i cd e v i c ea n da e r o s p a c ea p p l i c a t i o nb e c a u s eo ft h e i r l o wd e n s i t y ，h i g hs p e c i f i cs t r e n g t h ，g o o de l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n ga n d g o o dd a m p i n gp r o p e r t i e s t h e r ei sa b u n d a n tr e s o u r c eo fm a g n e s i u mo nt h e e a r t h i nr e c e n t y e a r s ，t h er e q u e s to fe n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o nh a sp r o m o t e dt h er a p i dg r o w t ho fm a g n e s i u ma l l o y s n o w a d a y s ， m o s to ft h em a g n e s i u ma l l o yp r o d u c t sa r ep r o d u c e db yd i e - c a s t i n gb u tt h e y h a v e1 0 wm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s w r o u g h tm a g n e s i u ma l l o y sa t t r a c tal o to f a t t e n t i o nw o r l d w i d eb e c a u s et h e yp o s s e s sg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e ss u c h a sh i g ht e n s i l es t r e n g t ha n dh i g he l o n g a t i o n i nt h i sw o r k ，e f f e c t so ft w o d e f o r m a t i o np r o c e s s i n gi e e x t r u s i o na n de q u a l c h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g ( e c a p ) o nm i c r o s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e s o f m g a 1s y s t e ma 1 1 0 y s w e r e s t u d i e d m o r e o v e r ，t h es t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m j f r a c t u r e b e h a v i o r ， s u p e r p l a s t i cm e c h a n i s mw e r ei n v e s t i g a t e d e f f e c t so fe x t r u s i o n p a r a m e t e r s o ne x t r a s i o n p r o c e s s i n g ， m i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa z 8 0m a g n e s i u ma 1 1 0 yw e r e i n v e s t i g a t e d r e s u l t si n d i c a t e dt h a t ，w h e nt h ee x t r a s i o nr a t i oi n c r e a s e d ， t h ee x t r a s i o np r o s s u r en e e d e dt oi n c r e a s e ，t h em i c r o s t r u c t u r eb e c a m ef i n e r a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r ei m p r o v i n g b u ta f t e rt h ee x t r u s i o nr a t i o e x c e e d e d1 7 ：l ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e si n c l i n e dt ot h es t a b l ev a l u e a st h e a 1c o n t e n ts u r p a s s e dt h eu p p e r1 i m i to fa z s om a g n e s i u ma l l o y ，t h ee x t r u d e d a l l o ya c q u i r e dat e n s i l es t r e n g t ho f3 5 5m p a ，ay i e l ds t r e n g t ho f2 1 0m p a a n da ne l o n g a t i o no f1 8 ，w h i c hw e r em u c hb e t t e rt h a nt h a to fa s c a s ta l l o y t h es t r e n g t h e n i n ge f f e c t sm a i n l yc o m ef r o mg r a i nr e f i n e m e n t ，s e c o n dp h a s e r e f i n e m e n t d i s t r i b u t i o ni m p r o v e m e n t ，a n de x t r u s i o nt e x t u r e se v o l u t i o n e t c a z 8 0m a g n e s i u ma l l o yc h i p sw e r ee x t r u d e da n dt oad e n s i t yo fa tl e a s t 9 8 2 t e n s i l es t r e n g t ho f3 1 0m p aa n de l o n g a t i o no f7 w e r ea c q u i r e d ， e x t r u s i o np r o c e s sw a sp r o p o s e dt ob eae f f e c t i v er e c y c l ew a yf o rm a g n e s i u m a 1 1 0 yc h i p s e f f e c t so fr a r ee a r t ho np r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r e so ft h ee x t r u d e d e x p e r i m e n t a lm a g n e s i u ma l l o y s ( h g m g ) w e r e i n v e s t i g a t e d e x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ee x t r u d e dh g m gm a g n e s i u ma l1 0 y sw i t ht h em o d e r a t e a d d i t i o no fr e ( 0 3 - 0 6w t ) h a dt h ef i n e s tm i c r o s t r u c t u r ea n dt h eb e s t s o u t hc h i n au n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g - d i s s e r t a t i o nf o rp 珏d m e c h a n i c a lp r o p e r ti e sa m o n gt h ee x p e r i m e n t a la l l o y s w h e nt h ea d d i ti o no f r es u r p a s s e d1 。0w t ，c o a r s ea c i c u l a ra 1 一r ec o m p o u n dp h a s ef o r m e da n dw a s h a r m f u lt ot h et e n s i l e s t r e n g t h ，e s p e c i a l l y t ot h ee l o n g a t i o n 。 t h ea p p l i c a t i o no fm a g n e s i u ma l l o y sa r em a i n l yl i m i t e db yt h e i rp o o r p l a s t i c i t ya ta m b i e n tt e m p e r a t u r e ，s oi tisv e r yi m p o r t a n tf o rm a g n e s i u m a l l o y st oa c q u i r ep r o p e r t i e so fl a r g ee l o n g a t i o na n ds 娃p e r p l a s t i e 至t yb y g r a i nr e f i n e m e n t e f f e c t so fd i f f e r e n td i ea n g l e sa n dd if f e r e n tr o u t e so f e c a po nm i c r o s t r u c t u r e sa n d p r o p e r t i e so fh g m gm a g n e s i u ma l l o yw e r e i n v e s t i g a t e d 。w h e ne c a pw a sp e r f o r m e db yb cr o u t e ，t h eg r a i nc o u l db e r e f i n e df a s t e rw h e np r o c e s s e di nt h eo = 9 0 9d i er a t h e rt h a ni nt h eo = 1 2 0 4 d i ed u et ot h el a r g e rs t r a i na c q u i r e di no n ep a s sp r e s s i n g w h e nt h es a m e t o t a ld e f o r m a t i o ns t r a i no f - 8w a sa c q u i r e d ，s i m i l a rf i n ee q u i a x e dg r a i n s 帮i t ham e a ns i z eo f - 3 辞曩a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw i t hat e n s i l es t r e n g t h o f 2 6 0m p a ，ay i e l ds t r e n g t ho f 1 0 0m p aa n dal a r g ed u c t i l i t yo f4 5 - 5 0 w e r ea c q u i r e db yt h et w oe c a pm e t h o d s c o m p a r e dw i t ht h ee x t r u d e da z 3 1 m a g n e s i u ma l l o y ，t h ee c a pm a t e r i a l st e n s i l es t r e n g t hc h a n g e ds l i g h t l y ， b u ty i e l ds t r e n g t hl o w e r e da n de l o n g a t i o ni m p r o v e dg r e a t l y t h i sw a sm a i n l y d u et ot h ed i f f e r e n c eo ft e x t u r ee v e l v e dd u r i n gd e f o r m a t i o n w h e nt h ea l l o y p r e s s e d8p a s s e sb y d i f f e r e n t p r e s s i n gr o u t e s ( a 、b 、b c 、c ) o fe c a p r e s p e e t 主v e 差弘d i f f e r e n c e sa p p e a r e di n 瑶i c r o s t r u e t u r e s ，d i s t r i b u t i o no f b a s a lp l a n e ( 0 0 0 1 ) a n dm e c h a n i c a lp r o p e r ti e s t h ea l l o y sp r e p a r e db y 邑、 b cr a t h e rh a du n i f o r md i s t r i b u t i o no fb a s a lp 1 a n e ( 0 0 0 1 ) ，h i g h e re l o n g a t i o n b u ta1 0 w e ry i e l ds t r e n g t h 。 t h et e n s i l et e s to ft h eh g m gm a g n e s i u ma l l o yw a sp e r f o r m e da t3 0 0 4 0 0 a n di nt h es t r a i nr a t eo f1 1 1 0 4 2s 、1 1 x 1 0 。s 、5 5 x 1 0 1s 。1 r e s p e c t i v e l y t o i n v e s t i g a t e i t s s u p e r p l a s t i c b e h a v i o r 。 e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee x t r u d e dh g m gm a g n e s i u ma l l o ys h o w e dag o o d s u p e r p l a s t i cb e h a v i o r t h eh i g h e s te l o n g a t i o no f5 4 6 w a sa c q u i r e da tt h e c o n d i t i o no f4 0 0 a n d5 5 1 0 1s ，a n dt h e1 0 w e s te l o n g a t i o no f1 5 0 w a s r e a c h e da tt h ec o n d i t i o no f3 0 0 a n d1 1x1 0 ”s1 。i tw a sp r o p o s e dt h a t t h ed o m i n a n ts u p e r p l a s t i cd e f o r m a t i o nm e c h a n i s mw a sg r a i nb o u n d a r ys l i d i n g c o n t r o l l e db yd i s l o c a t i o ns l i d i n ga n dc r e e p i n g k e y o r d s ：m g - a i - x a ll o y s ，e q u a lc h a n n e la n g u l a r p r e s si n g ( e c a p ) ， m i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s c h i p sr e c y c li n g - - 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 多降 日期：w 谚年彳月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在生解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密留。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：蟊莱日期砌；年舌月日 导师签名：力童力 日期：加笋g 月，日 绪论 第一章绪论 1 1 前言 能源、资源和环境是人类社会可持续发展所面临的三大主要问题。如何有效、 合理利用和节约地球上有限的能源、资源，以及保护人类赖以生存的、现在却 日益恶化的环境是我们必须着手解决的迫切问题。镁合金作为目前工业应用中 密度最小的金属结构材料，具有较高的比强度、比刚度以及良好的铸造、减震、 切削加工、尺寸稳定性以及优良的电磁屏蔽等性能“。1 。由于生产质量、性能的 提高和生产成本、价格的下降，镁合金的应用和研究重心已从军工、航空工业 等领域扩展到民用( 如汽车和电子等) 工业领域，近年来镁合金在汽车和电子 工业中的应用增长速度高达1 5 2 0 年n 。，。现在，机械零件的轻量化发展成为制 造业的发展趋势之一，镁合金的应用和开发日益受到世界上各国政府和企业的 高度重视。 目前，大量的镁合金零部件主要通过压铸方法生产，其中应用最广泛的为 m g a 1 系合金，如a z 9 1 镁合金压铸件n ，。镁合金具有粘度低、流动性好、熔点低 和结晶潜热低等特点，因而很适合于压铸成型。镁合金压铸件具有生产成本低、 尺寸精度高等优点u 盯；但由于内部存在高压微气孔，故镁合金压铸件的力学性 能不高，同时也不能进行热处理强化。因此，近年来一些新的铸造工艺，如真 空压铸、充氧压铸、挤压铸造、半固态流变和触变铸造等得到了不断开发，这 些工艺可消除气孔缺陷，提高铸造镁合金的力学性能m m 。其中，镁合金半固态 触变注射成形( t h i x o 0 l d i n g ) 技术的开发和应用非常令人瞩目。 要扩大镁合金的应用量，关键在于提高镁合金的质量、性能和降低镁合金 的成本。在二十世纪8 0 年代中期，良好耐腐蚀性能的高纯镁合金的开发促进了 镁合金压铸件在汽车上的应用量的实质性增长。近年来，镁的冶炼技术得到了 很大进步，镁生产企业间的竞争更加激烈，促使镁的价格大幅下降( 如2 0 0 0 年 金属镁最低价格达1 5 0 0 美元吨m ，) ，这为今后镁合金的大规模工业应用提供了 有利条件。材料学者在镁合金的研究和开发方面已进行了大量的工作，同时也 获得了一些新的研究成果。例如，近年来一系列( 压铸) 高温镁合金得到了不 断开发和应用m ，；研究发现快速凝固( 粉末冶金法) 镁合金是一种制备高性能镁 合金材料新的工艺方法m ；在具有高弹性模量、高强度的镁基复合材料方面的开 发也取得了很大进展等“1 。 镁作为密排六方晶体结构( h c p ) 金属，其滑移系较少。受晶体结构因素的 约束，镁和镁合金的室温塑性变形能力较差，因而变形镁合金的生产具有一定 华南理工大带工学博士学饺论文 _ _ _ _ _ _ - - _ _ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ - - _ l _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l li _ 静特殊毪帮露难”；毽变形镄合金魄铸造镁裔金其寄更奏 鹘强度、延震毽和多祥 化的力学性能，而且可以实现较高的生产举，故变彤镁台盒的研究和应用开发 是未采镁舍金发震鹣浚珞重赢，逐渐受裂越来越多戆重鬣。近年来，莺井翡一 些公司和科研机构己投巨资开展变彤镁合盒及加工技术的研究工作，而且致力 予实瑷变形镬会金戆大量王渡应爱。餐翔，德国瓣大众汽车公霉将交形镬合金 的研发作为镁含金研发的三太战略之一m “，已投入一千万燕元开展变形镁合金 瓣磷究“，这旌瞎嚣臻示羞嶷形镁会金懿蔽攫将蠢突穰搜戆送震。禳摄溜舔镁 协会( i m a ) 撮供的资料，在1 9 9 8 和1 9 9 9 颦，变形镁合金的消费曩出现了增长 黪势头“，。 人们不但必注变澎镁合金的力学性能，而且非鬻重视其工艺性能。当晶粒显 罄缀亿( 磊鞋大小i 0 肛) 爱，变形镁舍众不仅获褥了攮菇豹强度弱廷律率， 而且在一定温度、应变速率下获得了超塑性，甚至在较低温度、高应变遮率下 氇其寄疆塑程n “。裹畿变速率超塑毪使工整蘩产孛剩震怒羹注宓鬟王露l 造影羧复杂 的镁合众零件成为可糍，因而受到广泛重视。由于变形镁合金生产成本较搿( 镁 会金援褥、型耱熬掺壤蹇这l g 3 0 万元滤) ，医瑟l 王嚣戆够春效降低交澎镁舍 金生产成本的工艺技术的开发都具有重要意义。在2 0 世纪8 0 年代，镁含金连 铸连载援奉| 死擎还是琴霹恕象嚣，爨爨舂足家公霹致力予该方嚣技拳戆嚣发。 最近有报道 17 ，c s i r o 制造科学和技术部的科学家利用双辊连铸连轧的新技术 成功生产出煌髓霆好瓣镁合鑫残品叛材，该技术可熬丈量降低镁会金扳耪鳃成 本，因而有利于促进镟合金板材的成用量的提高。众所周知，钢铁、铝、铜等 金属襄会金的变形产黯缀早虢褥到了广泛的工业斑用，纛变形镁会金产品是一 个例外。可以推断，随着成本的降低，变形镁合金产品也将得到大量的应用。 这样霹以推动镁资源较大程发的开发、促进镁工业蛉快速发展。我国是镁资源 大国，又是原横生产大国和原镁出口太国。在2 0 0 1 年我国原镁产耋达2 0 6 0 万 吨，占全球的4 0 ，藤其中出口量为1 7 。2 5 万吨n ”。显然，我国面临很严峻的局 面。一方面，我国需要尽快改变镁龠金工蛾应用水平低的状况、提高镁工业技 术和工数装备水平；撮一方蕊，我蹋需要加犬镁台佥的研发力度以促进镁合金 工业化应用的发展，这具有簿常重娶的经济和现实意义。现在，貔国政府已狠 重视镁会金的汗发和应用工作，已将镁合焱的产业忧作为十五计划的第一批启 动项裔乏一，许多大学、科研院所和企韭氇开始投入到镁台金的研究、汗发或 应用吩行列中。 1 。2 镁合金的压史、现状翻裁景 镁在地球上具有丰富的、取之不尽的资源。镁元素在地壳中的储藏爨( 占 2 - 2 。7w t 。) 很大，主要以菱镁矿( m g c 0 4 ) 、白云石( m g c o ，c a c 0 。) 和光卤石( m g c i ： i ( c 1 6 氇0 ) 等镁矿石澎式存奁l 著藏，镁大蕊存在予海承( 0 ，1 3w t 。器呶) 帮 贼湖水中m 。中围的镁资源相肖丰富，仪辽宁大石桥一带的夔镁矿储量占傲界的 6 0 ，矿石器篷嵩遮4 0 甍“”。 镁台金的研究和皮用历史醴有一酉多年。镁在1 7 5 5 年被首次发现、在1 8 0 8 颦援努离、在1 8 8 6 年浮始在戆霆生产。：。常瓣镁合衾黪嚣发纛应蔼娥予2 0 避纪 2 0 年代。在1 9 2 7 年，离强魔a z 9 1 ( m g a l 9 z n l ) 镁台金得到开发并随即被用于 疆铸薛生产”：。1 9 3 6 年，德萤太众汽枣公司开始爱镁会佥垒产“荦嵬童”汽车熬 i 掏轴箱、传动槠壳体等发动机传动系统零件；到1 9 4 6 年，撼牟用镁台金达1 8 k g 裹套；列1 9 8 0 每止，“警轰虫”汽车生产数爨速1 9 0 0 万辆，整露镁舍金铸箨这 3 8 万吨，创批蕊生产、使用镟含金的最高记泶n ，。蠛合金的应用量在8 0 年代中 期疆蕙还疆多，姿开发赛蹇筑镁舍叠竣惹：镁会金疆簿释在汽车上戆瘟臻增长 很快。知1 9 8 3 年美国三大汽率公司禚汽车中仪有5 个零部件是使用镁合窳压铸 释，弱1 9 9 2 霉，三大汽车釜褥在汽车零黎转串罴曩镬会金摄祷孛 数量分裂为： 3 0 个( 橘特) ，4 5 个( 通用) ，2 0 个( 克莱斯勒) ，到1 9 9 3 颦，则涟不多增加了 一篓，三夫浅攀公司在汽车串傻建了鳓多个镶会金匿铸转，耀量占恕美镁台金 总消耗爨的7 0 5 ，达1 4 2 8 2 t ，福特消耗最多，达8 2 5 8 t ，通用为3 4 3 6 t ，巍莱斯 麓秀2 5 8 8 t ；这些镁套金零蛰转主要怒：褰会器轰体、转蠹支架、制动器黠叛支 架、阀盏、仪表盘支架、变速箱体、牟窗马达壳体、油滤接头、发动机前盖、 遴气歧管、镜予辨罩、挠絮鄹照鬻灯夹持禁婷n “，。近年寐，臻予汽车黝镁舍 盒铸件盼生产技术又有了新的进步，涂整体溅镁合众压铸魔椅外，在1 9 9 7 年展 懋粒搀塞德斯一奔驰豹耪车型s l k 上。燃料籀秘行李簸之阒麴涡叛也采用威鏊为 3 1 9 k g 的镁合盒压铸释代替聪曩为6k g 的舔件。通用盼e v l 车螫袋用酶懿体铸 镁会金转向盘也是镁会鑫压铸傅在汽攀上的毅应用m ，。 能源耩环保静要求是促进镁合金斑用恢遽增长静主要爵索。现在，汽车滗气 排放量占了大气污染总摄的6 5 ，世界石油辍量到2 0 1 3 年将用完半m ，。而汽 车酌减霪其有鼹显静节铯觳暴，质量繇降低1 0 0 k g ，繇匿公娶灌耗可壤少o 。7 舞； 汽车自踅每降低1 0 ，燃油效率可以提高5 8 9 “1 。随港发达闺家对汽车等交通工 具能源滚耗、褒气污染与嗓旁静疆耧要求不断撵斋，谨霞汽车裁造蝰越来越重 视汽车轻量化的发展。 镁合金是摄孝潜力戆汽事壤重赣鹳。镶会金在体获穗簿蹲篷镄龠金轻3 6 ， 比锌合盘轻7 3 5 ，比钢辍7 7 5 。而且，镁合金的良好的抗震能力有利于减少汽车 褥袋孛鹣震饕、瀵声巍挺裹安全洼麓。镁台金与铝舍金煞抗震佳畿麓毙鞍翔下： 猩3 5 m p a 应力- g ，a z 9 1 d 的震动衰减系数为2 s ，铝台金a 3 8 0 只有1 ；在1 0 0 m p a 寂力下，镁台鑫a z g t d 懿震动衰藏系数袭5 3 ，a m 6 0 秀7 2 器，a s 4 t 巍7 尊募，蔫铝 - 3 华南理工大学工学博士学位论文 合金a 3 8 0 只有4 “1 。 随着汽车轻量化的发展，镁合金在汽车上的应用将迅速增加。1 9 9 3 - 1 9 9 4 年 欧洲的汽车制造商提出了“3 公升汽油轿车”的新概念u ，许诺2 0 0 5 年的燃油 消耗比1 9 9 0 年减少2 5 n “，而且确定了使用镁合金4 0 1 0 0k g 的目标”1 。为了生 产出符合市场要求的新一代轿车，美国底特律集团( b i g3 ，即通用、福特和克 莱斯勒) 与美国政府能源部签署了一项名为“p n g v ( 新一代交通工具) 的合作 计划，其目标是生产出消费者可承受的每百公里耗油3 公升的6 人客车，且整 车至少有8 0 以上的部件是可以回收的n “。福特汽车公司于1 9 9 8 年推出的轻质 概念车p 2 0 0 0 ，目标力争在2 0 0 0 年后中型车油耗小于3l 1 0 0k m ，计划单车使 用1 0 3k g 的镁合金零部件m ，。西方一些发达国家很重视镁合金的研究和开发。 美、德、澳、日等发达国家和地区不断加大镁合金开发和应用研究的投入力度， 相继出台和开展了各自的镁合金研究发展计划。如美国的r h e o m o l d i n g 项目重 点是研究镁合金零件生产新工艺，现已取得了一系列成果；德国1 9 9 7 年由联邦 政府出资2 5 0 0 万马克开展的“m j i d i c a ”( 镁压铸) 发展项目，已取得了丰硕成 果，显著促进了镁合金压铸件在汽车、计算机通信、医疗、轻工等工业领域的 应用m ，。现在，德国的大众汽车公司制订了镁合金开发的三大战略( 如图卜1 所 示) ，分别是将压铸、半固态铸造、交形镁合金应用于汽车的各部件零件生产中。 图卜l 大众汽车公司的镁合金开发战略。“1 f i g 1 - 1v ws t r a t e g yo fm a g n e s i u md e v e l o p m e n t 目前，汽车工业正处于飞速发展中。根据1 9 9 0 年世界银行估计，到2 0 3 0 年，世界上拥有的汽车数量将达到l o 亿辆，各国都有很猛的增长势头，如中国 在2 0 1 0 年与1 9 9 4 年相比将增长9 1 倍多，印度为3 6 倍，墨西哥为2 5 倍，东 欧为2 倍，其余发展中国家为3 倍左右m ，。在现在和未来一些年，镁合金压铸件 4 绪论 在汽车上的应用量将迅速增加。在1 9 9 7 年4 月国际镁协会召开的“汽车上的镁 压铸将骤升于2 1 世纪”为主题的研讨会上，根据n o r s kh y d r o 公司统计m ，用 于汽车工业的镁合金压铸件占到了整个镁合金压铸件市场8 0 ，而且在1 9 9 7 年 - 2 0 0 0 年期间将增长4 0 0 ；如按时间划分，在1 9 9 6 年，镁合金压铸件用量为略 超过5 1 万吨，则到2 0 0 0 年将超过1 0 万吨，进入2 0 0 6 年将接近2 0 万吨的水 平，其中以北美增长最多，居首位，其次为欧洲、南美及太平洋沿岸国家；但 欧洲在2 0 0 0 年以后，将会跃居世界的前列。图1 - 2 为美国和欧洲9 0 年代以来 镁合金压铸件的产量及增长趋势。，。 图卜2 美国和欧洲9 0 年代来镁合金压铸件的产量及增长趋势c 2 f i g 1 - 2i n c r e a s eo f m a g n e s i u mp r e s s u r ed i e c a s t i n gc o m p o n e n t s i nu s aa n de u r o p er o m1 9 9 1t o1 9 9 7 尽管目前已有6 0 多个镁合金压铸件在汽车上得到了应用，但从总体来看， 汽车上镁合金的用量却很少，每部车在0 5 1 7k g 之间变化，平均使用量为3 k g “”。根据汽车中应用典型镁合金构件的重量估计及统计( 如表卜1 ) ，可知每 辆汽车已可能实现5 0 8 0k g 的用量“”。考虑到2 0 3 0 年世界汽车拥有数量将达 l o 亿辆的预测结果及增长趋势，到2 0 0 6 年，若每辆轿车仅使用4 0k g 镁合金压 铸件，则按现在轿车的总产量5 0 0 0 万辆计算，即可达到2 0 0 万吨年的用量。 除汽车工业外，近年来镁合金在电子工业中的应用也得到了快速增长，增 速高达2 5 5 “，。镁合金具有工程塑料不能满足计算机、通信等电子产品因小型化 而需要的结构刚度、散热性、电磁屏蔽性能及可回收性等要求，在欧美、日本 和台湾地区的许多公司已被用来取代工程塑料制造笔记本电脑、数码相机、数 码摄像机、移动电话等产品的壳体部件n ，。而且，低密度的镁合金一直很受航空 航天工业的青睐，虽然目前的主要应用仍局限于在航空发动机辅助部件、飞机 框架、起落架和导弹部件等方面，但随着航空航天工业的迅速发展，镁合金的 - 5 - 华南理工大学工学博士学位论文 应用前景将非常广阔。 表卜1 汽车中典型的镁构件的重量m ， t a b l e1 - 1t o t a lw e i g h t o f t y p i c a lm gc o m p o n e n t si na e f t l - 构件名称 估计重量( 以中型轿车为例) k g 仪表盘2 0 5 0 保险杠 支柱及托架 1 o 2 o 前座椅架 电子控制箱 o 2 o 7 传动齿轮箱 8 0 - 1 2 0 汽缸头盖 o 5 1 0 油盘 o 8 1 2 踏板支架 1 o 1 8 轮圈 1 4 o 1 6 0 驾驶盘 1 3 镁合金的研究和开发 1 3 1 镁合金中的合金元素及其作用 与其他金属材料一样，镁合金主要通过合金元素产生的固溶强化、沉淀强 化和弥散强化等作用来提高镁合金的性能。镁合金的主要合金元素有a 1 、z n 、 m n 、z r 、a g 及稀土元素等。一般而言，影响合金元素的固溶度的主要因素为： 晶体结构、原子价及电化学因素。镁由于具有较大的原子半径和较强的正电性， 大部分合金元素在镁中的固溶度很小，且易与镁形成金属间化合物，故镁的合 金化元素相对较少n ，。表卜2 n ，为一些常用合金元素在镁中的固溶度。表卜3 “3 为 一些常用合金元素在镁合金中的作用。 表卜2 镁中一些合金元素的固溶度”1 ： t a b l e1 - 2e x t e n s i o no fs o l i ds o l u b i l i t yi nb i n a r ym a g n e s i u ma l l o y s 6 表卜3 主要合金元素在镁合金中的作用m t a b l ei - 3r o l e so fs o m ee l e m e n ti nm g a l l o y s 元素合金元素在镁合金中的作用 a 1 ( 1 ) 固溶强化元素，低温下( 1 2 0 c ) 有较好的沉淀强化作用。 ( 2 ) 可改善m g 合金的铸造性能，但有形成显微缩松倾向。 ( 3 ) 含a l 量大于4w t 时，可迅速提高m g a l 合金的耐腐蚀性能。 z n ( 1 ) 有较好的沉淀强化作用，改善室温强度。 ( 2 ) 增加熔体流动性能，但有形成显微缩松倾向；如不加z r 易导 致合金脆化和热裂“3 。 ( 1 ) m n 可与f e 形成m n f e 化合物，细化沉淀产物； ( 2 ) 由于控制铁的作用而提高耐腐蚀性能； ( 3 ) 增大抗蠕变性能。 r a r e ( i ) 在室温下和高温下固溶强化和沉淀强化，改善高温强度和抗蠕 e a r t h s变性能。 ( 2 ) 改善铸造性能，细化晶粒，减少显微缩松。 ( 3 ) 改善腐蚀行为。 z r 对于含z n 、a g 、r e 、y 、t h 的镁合金，可加z r 细化晶粒，改善 性能。但对于含有a 1 、m n 的镁合金不能进行加z r 以细化晶粒。 z r 可以清除熔体中的a l 、m n 和s i 。 c a ( 1 ) 有晶粒细化的作用，可稍抑制熔体的氧化。 ( 2 ) 改善蠕变性能。 s i改善蠕变性能。但存在铁时，硅将降低合金的抗腐蚀性能。 c u 、f e 、( 1 ) 对于腐蚀行为不利，其在镁合金中允许存在的上限分别为 n i0 0 5 、0 0 0 5 、0 0 0 5 。 ( 2 ) c u 、n i 为易形成金属玻璃的合金元素系列。 1 3 2 耐高温的镁合金 m g a 1 系( a z 、a m 系列) 压铸镁合金得到了最广泛应用，但该类合金在1 2 0 以上温度使用时易软化而使机械性能恶化，故越来越不能满足汽车动力系统 7 华南理工大学工学博士学位论文 零件如曲轴曲杆箱体和变速壳体等材料的使用温度要求。材料学者采用降低铝 含量( 以减少熔点低、高温下易于粗化的芦( m g ，a l 。) 相含量) 并同时加入某些 元素( 如r e 、s i 、c a 等) 以在合金中形成热稳定性较高的弥散相以强化晶界的方 法来提高压铸镁合金压铸件的高温性能和抗蠕变性能。在二十世纪7 0 年代，a s 系列的镁合金a s 4 1 、a s 2 1 和a e 系列的镁合金a e 4 2 等相继得到开发”。现在， 新的含c a 系列的耐热压铸镁合金又被开发出来。比较典型的是德国开发的含c a 耐热压铸镁合金m r i1 5 0 m 和m r l 2 3 0 d ，与a e 4 2 合金和a s 4 1 台金比较，具有更好 的高温性能和抗蠕变性能n 匕另外，日本结合添加c a 和r e 元素，开发了一种新 的耐热镁合金a c m 5 2 2 ( m g 一5 a i 一2 c a 一2 r e 一0 3 m n ) ，其可在1 5 0 2 0 0 范围使用“”。 近年来，我国一些学者对添加钙、锡、锑等元素的耐热压铸镁合金进行了一些 研究n ”。 如使用温度在2 0 0 c 以上，则需采用含稀土( r e