（材料加工工程专业论文）变形镁合金强韧化与电磁—悬浮连铸技术的研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 引言 1 7 7 4 年人们首次发现镁，并以希腊古城m a g n e s i a 命名l l j 。1 8 0 8 年英国化学家s i r h u m p h r e yd a b y 从镁和汞的混合氧化物中提炼出含有杂质的金属镁。1 8 2 8 年法国科学 家a b u s s y 以钾还原无水氯化镁制备出金属镁。1 8 8 3 年m i c h a e lf a r a d a y 首次通过电解 还原氯化镁制备出纯镁。1 8 5 2 年德国化学家r o b e r tb u n s e n 建立了第一座无水氯化镁电 解池1 2 j 。1 8 8 6 年德国g r i e s h e i me l e k t r o n 公司在s t a s s f u r t 建立起世界第一家镁厂，从此 拉开了镁及其合金工业化生产的序幕。 2 0 世纪轻质材料的应用状况如图1 1 所示。从图1 1 可以看出，作为三种重要轻质 材料之一的镁合金发展还存在巨大潜力。从镁及其合金的发展趋势图中可以看出，在2 0 世纪2 0 年代和4 0 年代出现了两个发展相对高峰期，这主要是由于镁合金在第一、二次 世界大战中的大量应用，随后又转入相对低潮期。2 0 世纪6 0 年代，由于镁合金在民用 领域和航空航天技术应用中的突破，金属镁及其合金的应用开始平稳上升。近年来随着 能源紧张、环境恶化，人们越来越注重轻量化、绿色化制造。作为一种轻型环保材料， 镁合金越来越引起了人们的关注1 3 。引。 a 2 口 。_ a 殳 芑 暑 勺 2 山 图1 12 0 世纪轻质材料的应用状况 f i g 1 1p r o d u c t i o no fm a t e r i a l sw i t hl o wd e n s i t yi nt h e2 0 t hc e n t u r y 变形镁合金强韧化与电磁悬浮连铸技术的研究 镁合金是目前应用最轻的金属结构材料，其密度小( 仅为铝的2 3 、钛的2 5 、钢的 1 4 ) ，比强度、比刚度高，具有优良的导电导热性能，良好的加工成形性能以及高回收 率等特性1 9 - 1 5 】。镁合金的优越性能使其在电子、电器、航空航天、国防军工、交通等领 域都具有重要的应用价值和广阔的应用前景l l b l 2 j 。 中国是世界上镁资源最丰富的国家，储量居世界首位，己探明的菱镁矿保有储量 3 0 0 9 亿吨，约占世界探明储量的四分之一1 4 】。中国是一个镁的资源大国、生产大国和出 口大国，但不是镁的“强国”，镁的产品单一，作为原料出口占主要地位1 2 3 2 4 j 。尽快开 发出具有我国自主知识产权的高性能镁合金材料及其先进加工技术，提高我国镁行业的 国际竞争力，从资源优势向技术优势转化，具有非常迫切和十分重要的现实意义和战略 意义1 2 5 , 2 6 1 。特别是研究开发具有高强度、高韧性的变形镁合金，不但具有很高的学术价 值，也有巨大的经济和社会效益1 2 7 j 。 1 2 变形镁合金研究现状 1 2 1 变形镁合金的特性及分类 纯镁具有密排六方晶格类型，其晶体结构如图1 2 所示。a = 0 3 2 0 9 n m ，c = 0 5 2 1 l n m ， c a = 1 6 2 3 6 ，小于1 6 3 3 。低于4 9 8 k 时，镁的主要滑移系为( 0 0 0 1 ) ，高于4 9 8 k 时滑移还可以在 l o i o 上进行【引。孪晶主要出现在 1 0 1 2 ) 晶面簇上，二次孪晶 出现在 3 0 3 4 晶面上。高温状态下 1 0 1 3 晶面上也出现孪晶。而变形镁合金是以镁为基 体加入合金元素发展而来的，除个别合金元素加入后变形镁合金的晶格类型改变外，其 余均具有密排六方结构。相对于面心立方晶体( 1 2 个) 、体心立方晶体( 4 8 个) 的滑 移系，由于滑移系数目较少，变形镁合金的塑性变形能力很差。 2 0 ) 宠、 口2 , l o o o u ：撼 【2 1 1 0 】 么， t 9 t c o o l 单备惠 口l 、 1 0 t o * “汹硼 , l o o o t l 图1 2 镁的晶体结构及滑移系f 2 8 1 f i g 1 2p r i n c i p l ep l a n e sa n dd i r e c t i o n si nt h em a g n e s i u mu n i tc e l l 大连理t 大学博十学位论文 所谓变形镁合金，是相对于铸造镁合金而言的，其实二者并没有严格的区别，有些 合金既可以用作变形镁合金，也可以用作铸造镁合金。变形镁合金与砂铸、压铸镁合金 的性能对比如图1 3 所示。与铸造镁合金相比，变形镁合金具有更优越的力学性能，所 以变形镁合金材料更具有发展前途与潜力，通过变形可以生产尺寸多样的板、棒、管、 型材及锻件产品，并且可以通过材料组织的控制和热处理工艺的应用，获得比铸造镁合 金材料更高的强度，更好的延展性，从而满足更多结构件的需要【2 9 1 。 e l o n g a t i o n p n 图1 3 变形镁合金与砂铸、压铸镁合金性能f 2 9 1 f i g 1 3t e n s i l ep r o p e r t i e so f m a g n e s i u ma l l o y sp r o d u c e dt h r o u g hd i f f e r e n tm e t h o d s 变形镁合金按化学成分可分为以下几类【1 ，4 ，3 0 】： ( 1 ) m g a 1 z n m n 系合金 m g a i z n m n 系合金是国内外发展最早、研究较为充分的合金系，合金中a l 能与 m g 形成固溶体而提高合金的力学性能。该合金系主要包括a z 3 1 、a z 6 1 、a z 6 3 和a z 8 0 等。该合金系具有较高的性价比，也是目前应用最多的合金系。 ( 2 ) m g z n z r 系合金 m g - z n - z r 系合金属于高强度镁合金，可通过时效处理来强化，主要强化元素是z n ， 且随着z n 含量的增加，合金的抗拉强度和屈服强度皆随之提高，而伸长率略有下降。 合金中的z r 在熔炼浇注时可作为结晶核心，从而细化晶粒。该合金系主要代表是z k 6 0 、 z k 6 1 等。 ( 3 ) m g - l i 系合金 m g - l i 系合金是最具有代表性的超轻高比强度合金，其密度只有1 3 5 1 6 5 9 c m 3 。 在镁中加入合金元素锂，可使镁的性质发生特殊的改变，随着锂含量的增加，合金的密 度降低，塑性增加，该合金系的代表合金有l a l 4 1 a 和l s l 4 1 a 等。 变形镁合金强韧化与电磁一悬浮连铸技术的研究 ( 4 ) m g m n 系合金 m g m n 系合金具有较高的耐腐蚀性能，无应力腐蚀倾向，焊接性能良好。代表合 金有m 1 、z m 2 l 和z m 3 1 等。 ( 5 ) m g - r e 系合金 m g - r e 系合金大多是在已有合金系的基础上通过添加稀土元素开发而成的，在镁中 添加稀土元素可显著提高合金的高温性能，并且在铸造过程中还可显著细化合金的晶 粒，很好地改善了合金的性能，该合金系典型的代表有z e l 0 a 和z e 4 1 a 等。 ( 6 ) m g t h 系合金 m g t h 系合金具有优良的高温性能，焊接性能良好。该合金系主要包括h k 3 1 、 h m 2 1 、h m 3 1 和h z l1 等。 1 2 2 变形镁合金的合金化研究 材料的宏观性能与其显微组织紧密相关，因此，根据金属强韧化原理，可以采用细 化晶粒、添加合金元素、控制变形程度和热处理工艺等手段达到调整镁合金组织、提高 和改善合金性能的目的。近年来研究者根据合金化原理对变形镁合金做了一系列研究， 采用合金化改善合金的晶粒大小、析出相的形态及分布等。 ( 1 ) 添加碱土金属的合金化研究【3 l - 3 7 】 近年来，与m g 同为i i a 元素的碱土金属b e 、c a 、s r 、b a ( r a 为放射性元素) 对 镁合金的晶粒细化作用引起越来越多的研究者的关注，特别是c a 和s r 两种元素，对 m g a 1 基镁合金有显著的细化作用。上海交通大学赵云虎研究b e 对m g 9 a 1 0 5 z n 1 r e 合金中发现b e 对该合金中的y 相有明显的变质作用，c a o 3 2 3 研究发现b e 对含铝和不 含铝镁合金均有晶粒粗化效应，但b e 对镁合金氧化有较好的抑制作用，所以b e 在开发 阻燃镁合金及熔炼浇注中多有使用。而c a 的加入能明显细化合金的铸态和时效态的组 织，并促使铸态树枝晶组织向等轴晶组织转变阻3 4 1 。a l i r a v c i 3 5 】等人在a z 9 1 合金中添 加0 0 1 0 0 2 的s r ，能够显著降低晶粒的尺寸，同时能减少显微缩松。金鑫焱【3 6 】等人对 a m 6 0 b 中加入适量的s r 后晶粒尺寸从4 7 0 p m 下降到1 7 0 9 m 。李金锋【3 7 】等人通过对a z 9 1 加入b a 的研究发现，凝固过程中在合金液凝固界面前沿容易出现b a 的偏聚而产生很强 的成分过冷层，这在一定程度上阻碍了晶粒的生长速度，使合金的铸态组织得以细化。 c a 、s r 、b a 对变形镁合金的晶粒细化机理【3 1 。3 7 】有很多相似之处，因为c a 、s r 、b a 和m g 一样，原子最外层均为两个电子，为表面活性元素，在凝固的过程中，其在镁合 金中的固溶能力都比较差，容易被排挤到0 【晶粒的结晶前沿，在仅晶粒的界面上形成一 层富碱土金属的薄膜，阻碍晶粒的进一步长大，当c a 、s r 、b a 在合金中达到一定的含 一4 大连理t 大学博十学位论文 量时会和合金中的m g 、a 1 形成高熔点的m 9 2 c a 、a 1 2 c a 、m 9 2 s r 和a h b a 相，这些高 熔点相在晶界的析出也有利于抑制晶粒的长大，合金高温抗蠕变性能由于高熔点相的存 在也有明显提高。但加入过量的c a 、s r 、b a 等金属会增大合金的热裂倾向。不过最近 研究者通过加入混合碱土金属取得了良好的效果，既细化了晶粒，又减少了合金的热裂 倾向。 ( 2 ) 添加碳族元素的合金化研究【3 8 郴】 碳族元素主要包括c 、s i 、g e 、s n 、p b ，最外层有四个电子，单质比较稳定，由于 含碳化合物及石墨粉在镁合金晶粒细化中取得了良好的效果，所以碳族元素对镁合金晶 粒细化的影响引起更多研究者的关注，并在实验研究中取得了一定的研究成果。 对于镁合金较成功的一种晶粒细化工艺是碳质孕育法，也是目前镁合金晶粒细化研 究比较活跃的领域，镁合金碳质孕育细化法是2 0 世纪4 0 年代在用碳素炉熔炼a z 6 3 合 金时，发现c 对镁合金晶粒细化现象后发展起来的。传统的细化剂采用m g c 0 3 、c 2 c 1 6 、 c c l 6 、c a c 2 和石墨粉等，其普遍接受的观点是细化剂中的碳在熔液中与砧形成大量弥 散的a 1 4 c 3 质点，但目前还没有确切的数据和实验显示a 1 4 c 3 的存在。z h a n g 等人利用 理论计算得出a 1 c o 化合物质点是一种比a 1 4 c 3 质点更有可能成为镁合金结晶核心的 化合物【3 引。推测a 1 2 c o 和a 1 4 c 3 是镁合金的形核剂主要是因为a 1 2 c o 和a 1 4 c 3 与镁有着 相近的共格常数和较低的错配度，但j i n 等人通过用c 2 c 1 6 对a z 3 1 变质处理后经过研 究分析，提出碳的偏析增大了固液前沿的成分过冷，抑制了晶粒的长大，从而细化了晶 粒【”】。m a 等人也就这一问题进行了讨论，认为a 1 2 c o 和a 1 4 c 3 做为m g - a 1 系合金的异 质形核质点的推论比较让人信服【4 0 1 。 s i 是开发耐热镁合金的一种重要元素，张春香f 4 l 】等人用s i 对m g - 8 z n - 4 a 1 0 3 m n 合金处理的过程中发现，适量的s i 对m g - 8 z n - 4 a 1 0 3 m n 合金晶粒有一定的细化作用， s i 对基体组织的细化作用主要是由于凝固过程中m 9 2 s i 相沿晶界或晶界附近析出，阻碍 了a 1 、z n 原子的扩散，使e t ( m g ) 及三元相长大受阻，从而使组织得到细化。但加入过 量的s i 易形成粗大的汉字形的m 9 2 s i 而割裂基体，降低合金的力学性能，一般都和c a 、 s r 、s b 或b i 等元素同时加入能取得良好的效果。 根据m g s n 二元相图，温度为5 6 1 时s n 在镁中溶解度达到最大值1 4 8 ，但随 着温度下降，溶解度也大幅度降低。孙扬善【4 2 】等对镁合金中加入适量的s n 后，合金显 微组织由粗大枝晶变成了细小的等轴晶，同时在显微组织中形成具有立方c 1 结构的 m 9 2 s n 颗粒相，生成的m g a s n 相一部分熔入镁基体，一部分聚集在晶界，聚集在晶界 部分阻碍并割裂了m g l 7 a l l 2 相的形成，m g l 7 砧1 2 相数量逐渐减少且呈断网分布，由于 m 9 2 s n 是高熔点相，合金的高温力学性能也得到一定程度的提高【4 3 1 。 变形镁合金强韧化与电磁悬浮连铸技术的研究 本课题组就g e 对镁及镁合金的合金化做了一系列研究，发现在镁中添加合会元素 g e 后，在镁基体中析出高熔点相m 9 2 g e ，析出相形貌比较复杂。目前p b 对镁合金组织 和性能改善的文献还鲜有报道。 ( 3 ) 添, 7 j 1 1 氮族元素的合金化研究 4 4 - 4 9 氮族元素主要包括n 、p 、a s 、s b 、b i ，是v a 族元素，最外层有五个电子，化学性 质比较稳定，除p ( 有毒) 和a s ( 有剧毒) 以外，作为镁合金的细晶强化元素，以单质 或合金的形式添加都有报道。 周占霞 4 4 】等人利用异质形核理论探讨t m 9 3 n 2 自生a 1 n 对a z 3 1 镁合金的细化机理， 计算得出a l n 与m g 在( 0 0 0 1 ) 密排面的晶格错配度为3 0 4 ，根据点阵匹配理论得出a 1 n 在凝固时可以作为0 【一m g 的异质形核基底，提高了形核率。 研究发现，s b 对镁合金具有很好的细化作用，并且对含硅镁合金有明显的变质作用， 能够使合金中硅的形貌和分布得到很大改善【4 5 1 。袁广银【4 6 】等研究y s b 对a z 9 1 合金的影 响，加入适量的合金元素s b 后合金的晶粒尺寸从1 1 5 岬减小到6 5 哪，沿晶界呈连续网状 分布的m g l 7 a l l 2 块状化合物逐渐变为弥散的、骨骼状的颗粒相，并有条状的m g s b 2 相析 出，合金的室温和高温力学性能得到明显的改善。本课题组刘红宾对a z 3 1 镁合金s b 合 金化做了一系列研究，发现s b 合金化对a z 3 1 镁合金析出相形貌有比较好的变质效果f 4 丌。 袁广银【4 8 】等研究了b i 对m g - a l 基镁合金的影响，合金凝固过程中高熔点的m g a b i 2 相 首先形成晶核，随着温度的降低，这些弥散分布的颗粒相成为非均质形核的核心，另一 部分聚集在0 【m g 的前沿，阻碍晶粒的进一步长大，从而使晶粒细化和二次相弥散分布。 张国英【4 9 】等利用大角重位点阵模型和电子理论对这一微观现象做了理论分析。 ( 4 ) 添加稀土和混合稀土的合金化研究 5 0 - 5 2 稀土元素由于具有独特的核外电子排布，表现出独特的性能，在冶金过程中可以净 化合金熔体，改善合金组织，提高合金室温、高温力学性能，增强合金耐腐蚀性能等 5 引。 所以稀土元素在镁合金中也得到了广泛的应用，开发了一系列的高性能的含稀土镁合 金。 余琨刚发现在纯镁中加入少量( o 4 1 2 ) 稀土元素c e 、n d ，可以将纯镁粗大柱 状晶全部转化为细小的等轴晶，在m g a 1 系a z 3 1 合金中添加o 8 稀土c e 、n d ，可以 将晶粒平均尺寸从3 0 0 i t m 细化到3 0 i t m 。余琨提出稀土元素造成合金凝固过程中固液界 面前沿成分过冷度增大是稀土细化镁及m g a 1 合金的主要机理。添加混合稀土对镁合金 也有明显的晶粒细化作用，王明型5 2 】等人对a m 5 0 镁合金中同时加入0 3 y 和0 6 c e 时，合金得到很好的细化效果，同时第二相m g l 7 a 1 1 2 明显减少。稀土对镁合会的晶粒作 大连理j 二人学博十学位论文 用主要表现在具有表面活性的稀土元素在合金凝固的过程中富集在晶界周围，阻碍了二 次相m g l 7 a 1 1 2 的生成，使晶粒细化，同时在合金凝固的过程中析出高熔点的铝稀土相， 优先析出的铝稀土相大量的聚集阻止晶粒的长大而使晶粒得到细化。 我国有丰富的稀土资源，应该充分发挥稀土元素对镁合金防氧化、除氢、提高合金 流动性、细化晶粒、强化等作用，大力开发细晶高强稀土镁合金。 1 2 3 变形镁合金塑性成形的研究 如前所述，具有密排六方结构的镁及镁合金与铝合金和钛合金相比，有较低的塑性 变形能力，所以当前镁合金产品以铸件特别是压铸件为主。然而，镁合金铸造件存在晶 粒粗大、力学性能差和易产生缺陷等缺点，大大限制了镁合金的应用范围。通过塑性加 工可以有效地改善镁合金的微观组织，提高材料的力学性能。近年来，对镁合金塑性加 工技术的研究已成为镁合金研究和发展的主要方向，并且也取得了诸多可喜的研究成 果。通过锻造、轧制、挤压、拉拔和冲压等塑性加工工艺制备的镁合金材料及部件具有 更高的强度和更好的延展性，从而为镁合金的广泛应用奠定了坚实的基础。 ( 1 ) 变形镁合金锻造技术的研究 锻造是一种借助工具或模具在冲压或压力作用下；0 n - r - 金属零件或零件毛坯的方法。 镁合金可以锻造成不同的尺寸和形状产品，其尺寸主要决定于锻造设备的规格。镁锻件 精度可以达到同其他金属一样的程度，并且根据锻件尺寸和设计不同而有所变化。与铸 造工艺相比，锻造工艺可以消除铸造过程中形成的疏松、孔洞、成分偏析和非金属夹杂 等缺陷。 由于变形镁合金具有密排六方结构，锻造温度和变形速率成为锻造能否成功至关重 要的两个因素。湖南大学郭强 5 3 5 4 】等人对a z 8 0 镁合金多向锻造进行了研究，通过多向 锻造成功制备出晶粒尺寸在1 - 2 1 x m 的大尺寸a z 8 0 镁合金锻造坯料。研究还发现变形温 度和变形方式对a z 8 0 镁合金的晶粒取向影响较大，而道压下量对其影响不大。重庆大 学胡伟辉【5 5 】对a z 3 1 镁合金锻造成形性进行了研究，发现a z 3 1 镁合金锻造过程中产生 大量孪晶，并且随着变形量的增加，孪晶数量增加。s c v l i m 等人利用a n s y s l s d y n a 模拟了不同温度下a z 3 1 镁合金的锻造，计算结果与实验有着较好的吻合【56 | 。2 0 0 3 年 k u k a i n e r t l 】报道了几种典型锻造件的应用实例，如图1 4 所示。 变形镁台金强韧化与叱醴悬浮连铸技术的研究 酗14 儿种典型的镁台金锻州 f i g l4 t y p i c a l f o r g e d m a g n e s i u mp a n s ：a ) d r o p - f r o g e dc o m p o n e n l f o ra h e l i c o p t e r ( z k 3 0 - t 6 ，口 7 0 0 m m ) ，b ) v a n o sh o 心n g o f w e 4 3 - t 5 ( 2 0 0 8 0 m m ) ，c ) d r o p - f o r g e dg e a r b o xc o v e r f o r a h c l i c o ! a t c r ( z k 6 0 - t 6 ，1 0 2 0 x 4 4 5 一t4 4 k g ) d ) p m t y p e o fa m a g n e s i u m f o r g e d w h e e l ( z k 3 0 ) ( 2 ) 变形镁合金挤压技术的研究 挤压是使金属材科产生塑性流动，通过凸模和凹模的间隙或凹模的出口制造空心或 断面比毛坯断面要小的零件的一种工艺方法。挤压是一种非常有效的镁台金半成品塑性 加工方式，根掘挤压时金属流动方向和凸模运动方向之间的关系，常用的挤压方法可分 为以下几类：j f 挤压；反挤压；复合挤压； 减径挤压；径向挤压；墩 挤压。 e c a p 技术为j i i 苏联科学家a d i m i rs e g a l 在1 9 7 7 年提出”，基本原理如同i5 所示。通过两轴线相交且截面尺寸相等的通道，将被n t 的材料强行挤出，使材料发生 剪切变形，获得火的剪切应变量从而使晶粒得到细化。e c a p 技术在镁合金中得到广 泛应用h 8 删l ，e c a p 技术能有效地细化镁合金的晶粒，提高镁合台的力学性能。在e c a p 技术的基础l ，上海交通大学的w a n g i “1 等人开发了“c ”形挤压模具的c e c r e 技术 基本原理如蹦16 所示。研究发现通过4 道次挤压a z 3 1 镁合金，能成功制备出品粒大 小为36 l l r n 的镁合金彤材。 人连理t 大学博士学位论文 图1 5e c a p 原理图 f i g 1 5p r i n c i p l ed i a g r a mo fe c a p i - a 图1 6c e c r e 原理图 f i g 1 6p r i n c i p l ed i a g r a mo fc e c r e ( 3 ) 变形镁合金轧制的研究 镁合金板材一般是采用, l 锘l j 成形。铸造成平面形状且有圆形边缘的镁锭可以用来进 行厚板和薄板的, l $ 1 j 。一般镁合金厚板厚度为11 0 - 7 0 0 m m ，薄板厚度为0 8 - - 一1 0 0 m m 。 变形镁合金板材在电子、通讯、交通和航空航天领域有着十分广阔的应用前景。但由于 合金变形能力和板材制备工艺不成熟的制约，板材应用仍然受到很大限制。 研究表明，, l , i j 过程中镁合金内将形成强的( 0 0 0 1 ) 基面织构，其它的织构组分相 对较弱，这种织构特征是由于塑性变形过程中基面滑移锥面孪生所致。v a l l e 等f 6 2 】研究 了热轧过程中a z 6 1 镁合金织构的演变规律，结果发现，具有( 0 0 0 1 ) 纤维织构的坯料板， 经一道次* l * l j 后初始织构明显减弱，这可归因于热轧过程中的动态再结晶。g v e s p a 旧列 等人研究发现轧制温度决定了轧制态及拉伸试样的微观组织结构。轧制温度和每一道次 的压下量对微观组织的影响较大，轧制速度和预热时间的影响小一些。汪凌云i 6 4 】等人以 a z 3 1 b 镁合金为材料，以优化组织性能为目标，通过控制轧制温度、压下制度、控温轧 制和退火制度，轧制出以 2 8 0m p a ，t r o ，1 6 0m p a ，万1 6 的镁合金板材，所轧制 出的板材成功地得到实际应用，并对工艺制度的合理性从理论上进行了分析。 1 3 镁合金热处理技术 热处理是改善或调整镁合金使用性能和工艺性能的重要方法。通过有效的热处理方 法，可以优化铸锭的强度和韧性，达到铸锭强韧化处理的目的。在热处理组织中，第二 9 一 变形镁合金强韧化与电磁一恳浮连铸技术的研究 相的特性( 类型、大小、分布、数量和形态等) 是影响工艺性能和使用性能的核心【4 】。 因此研究热处理过程中第二相溶解和析出的控制是整个工艺过程的关键。镁合金常用的 热处理方法有退火、固溶和时效处理等，选用何种热处理手段与合金成分以及所预期的 工作条件有关。镁合金的基本固态相变形式是固溶和过饱和固溶体的分解，这是镁合金 强韧化热处理的基础。镁合金过饱和固溶体的分解过程符合一般合金过饱和固溶体分解 时的阶次规律，但是不同的合金呈现出不同的形式。目前国内外对镁合金热处理研究还 不全面，也很不系统。 镁合金不同的热处理方法可以达到不同的目的。固溶处理可以提高镁合金的强度并 获得最大的韧性和抗冲击性；固溶处理后人工时效能提高镁合金的硬度和屈服强度，但 是略降低其韧性；没有进行预固溶处理或退火的人工时效可以消除铸件的应力，略微提 高其强度；退火可以显著降低镁合金制品的抗拉强度并增加其塑性，对某些后续加工有 利。常见的镁合金热处理工艺如表1 1 所示。 表1 1 基本的热处理种类及对应符号 t a b 1 1t e m p e rd e s i g n a t i o n so f h e a tt r e a a n e n t d d u l y 等 6 5 】研究了二元m g - a 1 合金的脱溶过程，并指出合金中存在连续脱溶和不 连续脱溶两种时效析出机制。连续析出相多呈细小片状弥散分布于基体中，使合金具有 良好的力学性能；而非连续析出相多呈粗大的层片状，弥散度较低，对合金的强化作用 较小。k n b r a s z c z y f l s k a - m a l i k e 6 6 】通过对m g 9 a 1 研究发现，在时效过程中当晶界扩散 占优时第二相以不连续析出为主，而当体扩散加快时第二相丌始连续析出。s c e l o t t o ( 6 7 】 利用透射电镜对m g 9 a 1 1 z n 镁合金观察发现，在时效的最初阶段析出相以菱形析 出为主，并与基面平行，随着时效的进行开始以条状析出。严琦琦【6 8 】等对挤压a z 9 1 和 z k 6 0 镁合金热处理进行了研究，发现a z 9 1 合金固溶态与挤压态相比抗拉强度变化不 大，但伸长率有较大幅度的提高；时效硬度峰值时的抗拉强度与固溶态相比有一定的提 大连理= 大学博十学位论文 高，但伸长率有较大幅度的降低。z k 6 0 合金固溶态与挤压态相比抗拉强度和伸长率均 有相当程度的降低，且时效硬度峰值时的抗拉强度与固溶态相比有一定的提高，伸长率 却有较大幅度的降低。a z 9 1 合金固溶处理后晶粒尺寸与挤压态相比有所增大，但z k 6 0 合金固溶处理后晶粒尺寸显著粗化。同时，两种合金固溶时效处理后均伴有强化相粒子 析出。 1 4 镁基复合材料的研究 通过在镁基体中添加陶瓷或某些纤维等制备出镁基复合材料，可以明显改善镁合金 的性能，如提高抗拉强度、屈服强度、弹性模量、耐热性能、抗蠕变性能和降低热膨胀 系数等。按照增强体的不同形态可分为颗粒增强和纤维增强两种镁基复合材料【l _ 0 1 。镁 基复合材料中的颗粒增强体主要有s i c 颗粒、b 4 c 颗粒、t i c 颗粒和a 1 2 0 3 颗粒等。纤 维增强体主要有碳纤维、碳化硅纤维、硼和玻璃纤维等。 制备镁基复合材料的方法主要有挤压铸造法【6 9 , 7 0 、搅拌铸造法【7 、液态浸渗法【7 引、 粉末冶金法【7 3 7 4 1 、喷射沉积法和原位合成法【7 6 】等。近年来，由于人们对镁合金研究 的深入和发展，镁基复合材料可选的镁合金种类日益增多，为镁基复合材料的发展提供 了有利的条件。 西安交通大学的郗雨林【7 7 7 8 1 用粉末冶金的方法制备了s i c w 增强的m b l 5 基复合材 料，并对其组织和性能进行了全面的研究，s i c w 加入m b l 5 后不但合金的硬度提高，而 且促进时效析出相的析出和长大。l l u 【j 7 9 】等人研究了m 9 2 s i 增强镁基复合材料，发现 随着m g e s i 增强体含量的增加，复合材料的硬度和强度都随之增加，伸长率先增大后减 小。s f h a s s a n 8 0 】研究了不同尺寸a 1 2 0 3 增强镁基复合材料，研究发现a 1 2 0 3 能够均匀地 分布在镁基体上，当添加同质量分数时增强体的尺寸越小材料表现出的性能越好。 b w c h u a 8 1 1 在研究不同尺寸的s i c 增强镁基复合材料中得到类似的结论。h f e r k e l l 8 ：】 研究纳米s i c 增强纯镁时发现，通过球磨混合后热挤压纳米s i c 增强纯镁的复合材料强 度大大提高。 镁基复合材料因其具有密度低、比强度和比刚度高、良好的尺寸稳定性和工艺性等 优点，在航空航天、汽车和电子领域有很大的应用潜力。当前，世界各国都投入了大量 的人力和物力开展镁基复合材料的研究，如美国的d o wc h e m i c a lc o 和t e c h n i c a l u n i v e r s i t yo f c l a u s t h a l 利用镁基复合材料制造螺旋架和导弹尾翼等。 1 5 镁合金半连续铸造技术 1 8 4 7 年，英国的b e s s e m e r 首先提出了金属连铸的概念。1 9 3 3 年，德国人j u n g h a u s 采 用直接水冷铸造法，简称d c 铸造法，成功研制了世界上第一台用于钢水连铸的实验铸机。 变形镁合金强韧化与电磁悬浮连铸技术的研究 1 9 3 5 年，a l c o a 公司和v l w 公司的直接水冷铸造( v e r t i c a ld i r e c tc h i l ic a s t i n g ) 是现代铝 连铸的开端【8 3 1 。1 9 5 0 年，曼内斯曼式连铸机标志着连续铸造法在钢铁领域的应用8 4 】。连 续铸造金属装置和工艺过程如图1 7 所示8 5 】。采用这种连续铸造方法生产铸锭具有占地 少、成本低、效率高等优点，并大大改善了劳动条件，因此，d c 法在有色金属铸造中 得到迅速发展。目前有色金属中的铜、铝、锌和镁及其合金铸锭已广泛采用连铸法生产。 图1 7 垂直连铸装置示意图 f i g 1 7s c h e m a t i cd i a g r a mo fv e r t i c a ld i r e c te h i l lc a s t i n g 镁合金半连续铸造技术的应用已经有几十年的历史，结合镁合金与铝合金的连铸过 程中的相似特性，镁合金的半连续铸造也经历从长结晶器到短结晶器发展的过程。利用 半连续铸造技术制备的镁合金坯料如图1 8 所示f 86 l 。最先镁合金的连铸主要集中在垂直 半连续铸造( v e r t i c a ld i r e c tc h i l lc a s t i n g ：v d cc a s t i n g ) 上，2 0 0 3 年g r a n d f i e l d j t 盯j 报道了 o d t e n g i n e e r i n g 公司设计较为完备的的镁合金垂直连铸系统，其中包括镁合金的熔化、 气体保护和液体传输等各个部分。c a r o ne j f r 等人【8 8 l 对a z 3 1 镁合金垂直连铸过程中二 冷区铸锭表面热量变化进行了系统研究，实际测量了不同冷却方式下热量的变化规律， 为改进镁合金的垂直连铸系统提供了必要的依据。2 0 0 6 年l u oa a 【8 9 】报道了利用垂直连 铸铸造一种新型含z r 和r e 镁合金z k l 0 ，成功制备出西1 8 0 x 2 0 0 0 m m 的铸锭。为了有效地 解决镁合金在连铸过程中的氧化问题，热顶连铸技术在镁合金中得到了应用，镁合金热 顶铸造技术由n o r s k h y d r o 公司首先开发出来，并且该公司成功实现了镁合金t 型材和大 人连理l 凡学f 尊十学侍论文 直径锭坯的商业化生产”。随着数值模拟技术在令擒连铸中的应用，镁合金连铸过程数 值模拟也有了长足的发展 2 0 0 4 年，hh a o 等人h ”对热力学模型进行了修正，模拟计算 了中连续铸造a z 3 l 镁合合过程中铸锭内部和引锭杆内的温度变化，并结合t i m m i n c o 公 司工业化生产a z 3 1 镁合会铸锭的实际温度榆测与模型的计算结果进行了对比验证，结 果表明，该数学模型r 以准确的模拟不同铸造条件下a z 3 1 合会铸锭内部的热变化过程。 随后，h ，h a o 等人口4 又采用热、力有限元模型模拟计算t a z 3 1 镁合余铸造过程中铸锭 内部温度和应力、应变的分布。经实测，模拟计算的温度分柿和实际结果吻合的较好。 图18 镁台金连铸坯 f i g18 t h es l a ba n d b i l l e to f m a g n 船i u ma l l o y s 镁合会的垂直半连续铸造一直在铁合金连续铸造中占据着统治地位但垂直半连续 铸造生产的长度有限，因此人们开发了镁合盒的水平连铸技术。1 9 9 7 年k i t t i l s e nb 等人 就镁台金水平连铸技术生申请了专利p ”，其原理示意圈如图1 9 所示。1 9 9 9 年，挪威的 h y d t o 公一j 采用短结品器和两个独立的二次冷却水系统，首先开发出了镁合会水平d c 铸造工艺和装置。 澳大利弧是镁资源比较丰富的国家之，也较早丌展了镁合金研究工作，澳大利亚 的a u s t r a l i a nm a g n e s i u mc o r p o r a t i o n 公司和c a s t m m 研究机构成功设计了一套镁台金 水、r 连铸设备，泼设备能有效地避免会属氧化等刚。j o h nfg r a a d f i e l d 等人口”对水甲 连铸纯镁和a z 9 1 镁合会过程巾山现的表面裂纹和心部热裂纹进, l y 7 研究分析，发现边 部裂纹主要是由丁凝固初期凝固壳的不完全凝固所致，而心部热裂纹主要是因为铸造过 程中的铸造应力导致。韩囡的研究学者y o u 呻i 等对水平连铸镁合金板带技术进行了研 究，其设备组成如图1i o 所示他们粟用长冷印板代替水冷结晶器，使液态镁会幅首先 凝固成形。镁合金板坯出冷却模后并不直接接触二冷水，而是扯自然条件下冷却一段时 变形镁台金强韧化j l b 嫩悬浮连铸技术的研究 间后再利用二次喷水冷却。据报道。该研究小组已在实验室成功铸出了质量优异的1 2 0 3 0 r a m a z 3 l 镁合金板坯，如图1 1 1 所示。 煳19 镁合金水平连铸装置示意图 f i g19s c h e m a b c d i a g t a mo f h o r l z o u t a l l y c h i l lc a s t i n g f o r m a g n e s i u ma l l o y 豳11 0 镁台金水平迕铸扳坯装置示意凹 f i g 11 0s c h e m a t i c d i a g r a mo f h o r i z o n t a l l yc h i l lc a s t i n g f o r m a g n e s i u ms l a b 人连理1 人学博十学何沦文 圈1i1 镁台金扳坯生产线及板坯实物削 f i g 11 im a g n e s i u ms l a bp r o d u c t s 在国内，东北轻合金有限公司和中铝洛铜是较早对镁合金连铸进行实验研究和生产 的单位。随着中国镁产业的不断发展壮大，一大批民营企业也开始介入镁合余连铸锭的 i - q k 化生产，如山西广灵等。重庆大学围家镁台金材料工程技术研究中心在国家9 7 3 重 大项目的支持下，研制了用于工业化中试的镁合命半连续铸造系统并利j i i 该系统成功 制备m 不同尺寸的镁合金铸锭h 。郭鹏等人p 利用数值模拟建立t a z 3 1 镁合金圆锭直冷 连铸过程的数学模型，模拟结果与实际过程基本吻合，为实际铸造过程的分析提供了依 据。重庆大学h u 等人1 9 ”利用a n s y s 建立了二维数学模型，模拟了a z 3 1 镁合盒连铸过程 中的热应力，研究了镁台会直冷连铸过程- p 的应力应变机理。史淑艳m i x f f i w 轻m g - l i 台会连铸板坯进行较为系统模拟研究，模拟计算结果表明：l a l 4 1 镁锂合盒直冷连铸过 程中浇汴温度的提高对冷区的影响鞍为显著，主要是浇注温度的提高使液穴变深： 冷却水量的大小对凝固前沿的形状和位置的影响比较小，但是随着冷却水量的增大，铸 坯横截面上温度分碲的不均匀性加剧：在士要铸造参数中，拉坯速度对凝固前沿的形状 和位置的影响塌大随着拉坯速度的增加液穴变深，并且出结晶器时的凝同壳层厚度明 显变薄。 镁合金d c 铸造技术的研究虽然和铝合余相比起步较晚，但发展很快，并且取得了 一定的研究成果。然而，由于传统d c 铸造的技术特点，采用连续铸造的镁合金锭坏尚 存在一些难以克服的铸造缺陷。d c 铸造过程中铸锭靠铸模和冷却水的一次和二次冷却 凝固成形出于镁熔体的热导率较低，铸锭中心和边部的冷却速度相差较大，铸锭存在 较大的液穴深度，铸造过程巾容易造成铸锭内部热应力的秘累以及内部品粒尺寸的粗 大，这剃- 趋势随着铸锭直径的增加而趋十明显。镁的化学性质活泼，所以较铝台金连铸 存在着更人的难度，这主要是山于镁合命在高温下易氧化燃烧给连续铸造带柬了困难。 同时镁合会连铸受 4 浇注温度、冷却水量、拉坯速度等诸多因素的影响。连铸过程中出 变形镁合金强韧化与电磁。悬浮连铸技术的研究 现的表面裂纹、内部裂纹和偏析瘤等铸造缺陷还不能完全避免，所以镁合金的连铸技术 还有待进一步的改善。 1 6 镁合金电磁成型的研究 随着电磁流体力学( m a g n e t o h y d r o d y n a m i c s ，简称m h d ) 的发展，人们致力于研究 电磁场与导电性流体之间相互作用的行为，为材料加工领域使用电磁场技术带来了契 机。根据电磁感应原理，对金属流体施加电磁场时，可以在金属流体中产生电磁力的作 用。其实质是电磁力的作用在金属熔体内产生强制对流，从而改善金属液流动、传热、 传质等，有效减少铸锭中心疏松、中心偏析和轴心裂纹，最终达到改善铸锭质量的目的。 近年来，材料的电磁技术在有色金属和黑色金属的冶金过程及其它材料加工领域得到广 泛应用，极大地推动了材料科学的发展【m 仉l l5 1 。 1 9 6 9 年苏联学者g e t s e l e vz n t i l6 1 申请了电磁铸造的专利，从而揭开了电磁铸造技术 发展的序幕，其原理图如图1 1 2 所示。到了7 0 年代初，该技术在苏联工业上得到成功 应用。此后，美国k a i s e r 化学铝公司、r e y n o l d 金属公司和瑞士铝公司等相继引用该技 术并大力发展，随后电磁铸造技术在钢、铜、锡铅和锌等合金中开始不断探索并取得成 功【7 ，8 1 。7 0 年代中期，我国东北轻合金加工厂开始了电磁铸造技术的研究，并于1 9 8 2 年试制出铝合金圆锭。近年来，大连理工大学铸造中心在铝合金电磁铸造方面取得了很 大进展，并对电磁铸造温度场和应力场进行了实验与数值模拟的研究啦”0 1 。由于镁合 金高温下的化学活泼性较强，制约了镁合金电磁铸造发展，到目前为止，关于镁合金电 磁铸造技术的研究还鲜有报道。 电磁铸造技术对设备的控制系统和金属液的稳定性要求较高，生产过程中容易出现 拉漏现象。针对电磁铸造技术存在的不足，1 9 8 9 年v i v e s 等人提出了细晶电磁连铸 ( c r e m ) 技术，又称冷坩埚电磁连铸技术f 1 3 1 1 3 】，其原理示意图如图1 1 3 所示。细晶 电磁连铸技术就是在结晶器周围布置磁场激发线圈，并在铸造过程中通入5 0 h z 的交变 电流，在外加电磁场和熔体内部感生电流的共同作用下，铸模内的熔体受到l o r e n t z 力 的作用，其中一部分l o r e n t z 力与金属的静压力梯度平衡，形成弯月面，减小了熔体和 铸模壁的接触压力和高度，实现“软接触”；另一部分l o r e n t z 力在熔体内部形成强制 对流，达到细化铸锭晶粒的目的。该技术在铝合金的连铸中得到成功实现，制备了高质 量的铝合金铸坯。 李廷举等人【1 3 3 】在细晶电磁连铸( c r e m ) 技术基础上利用高频电流开发了软接触电 磁连铸技术，并就高频电流对金属熔体的作用进行了研究，研究发现在高频磁场的作用 大连理上人学博十学位论文 下，金属熔体与结晶器的接触有三部分组成，即无接触部分、间歇接触部分和连续接部 分，在高频磁场的作用下合金铸锭的表面质量得到很大提高。贾非等人通过结晶器外施 加中频交变电磁场对铝合金连铸技术进行了实验研究1 1 1 8 1 ，实验以5 1 8 2 和2 0 2 4 两种铝 合金为代表，研究了中频磁场电磁连铸对铝合金组织、拉伸性能、耐磨性能和疲劳性能 的影响，并研究了结晶器中电磁场的分布规律和电磁场作用下金属液面的运动规律。 v i v e s 在细晶电磁连铸技术( c r e m ) 的基础上，又开发了铝合金电磁振荡铸造技 术l 玎4 卅3 6 j ，实验装置示意图如图1 1 4 所示。与c r e m 技术不同的是，v i v e s 在电磁振荡 技术中采用了两个布置于结晶器外侧的通电线圈，其中结晶器上部的感应线圈通入直流 电以激发稳恒磁场b o ，在直流线圈内放置一个环形铁芯以加强直流磁场，另一个布置于 结晶器外部的线圈通入频率为5 0 h z 的交流电，以在熔体内产生交变磁场b m ，两个线圈 彼此平行放置并且保证激发的两个磁场的磁力线和铸坯的竖直轴线平行。铸造过程中， 通过直流磁场和交流磁场的相互耦合作用来实现铝合金的电磁振荡半连续铸造。 东北大学在v i v e s 细晶电磁连铸的基础上开发了低频电磁连铸技术，就是在线圈中 通入更低频率的交变电流，增加电磁力对熔体的搅拌强度，利用该技术进行了不同铝合 金的低频电磁连铸研究1 1 3 7 - 1 4 0 j 。实验研究表明，采用更低的电磁场频率不仅可以细化铝 合金铸锭的显微组织，而且可以改善铝合金锭坯内部溶质元素的宏观分