（材料科学与工程专业论文）me10镁合金板材挤压—轧制成形工艺及组织性能研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 镁合金具有比重轻，比强度高、阻尼性、减震性及切削加t 性、导热性好，电 磁屏蔽能力强，易于回收等一系列优点，受到人们的极大关注，被誉为“2 1 世纪 的绿色工程金属结构材料”。变形镁合金材料更具发展前途与潜力，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，更多样 化的力学性能，从而满足更多结构件的需要。镁锰铈合金是综合性能较好的一种 变形镁合金。本文以m e l 0 变形镁合金为研究对象，对其挤压一纵轧和挤压一横 轧工艺过程进行研究。通过挤压、热处理、轧制等工业试验、室温力学性能测试、 显微组织分析、扫描电镜断口形貌观察，比较研究了挤压一轧制过程中组织性能 各向异性的变化，掌握研究热处理工艺和轧制方向等对挤压轧制板材组织性能 各向异性的影响的基本规律。 试验表明，m e l 0 镁合金挤压板坯的强度受不同退火工艺的影响不大。退火( 温 度) 对m e l o 镁合金挤压板坯的延伸率影响较大。为得到最好的塑性，以有利于 后续轧制，挤压板坯的最佳退火工艺为3 5 0 下保温4 小时。不论是挤压纵轧还 是挤压一横轧，轧制态m e l 0 变形镁合金板材都存在组织性能上的各向异性，垂 直于轧制方向的强度高于轧制方向的强度。经过适宜的退火处理，材料组织性能 的各向异性得到明显改善。挤压一横轧工艺有利于减小m e l 0 变形镁合金板材的 强度各向异性；挤压一纵轧工艺有利于减小m e l 0 变形镁合金板材的塑性各向异 性。轧后最优的改善板材各向异性的退火工艺为3 3 0 下保温l 小时。可使挤压一 纵轧板材轧制方向和垂直于轧制方向延伸率分别为1 1 6 和1 1 1 ，塑性各向异性 得到改善；挤压一横轧板材轧制方向和垂直于轧制方向的抗拉强度分别为2 3 4 m p a 和2 3 9 m p a ，强度各向异性得到改善。由于轧后退火可以改善板材力学性能的各向 异性，故实际生产中可根据具体需要选择不同的成形方式。 关键词：m e l 0 镁合金板材；挤压；轧制；组织；性能；各向异性 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t hm a n ya d v a n t a g e s ，m a g n e s i u ma l l o y sa x ec o n s i d e r e da se c o s t r u c t u r a lm e t a l m a t e r i a li nt h e2 1 “c e n t u r ya n di n t e r 船tm a n yr e s e a r c h e r s t h ea d v a n t a g e so f m a g n e s i u ma l l o y sf o ri n d u s t r i a la n ds t r u c t u r a la p p l i c a t i o n sa x et l l e i rl o ws p e c i f i cg r a v i t y , h i 曲s p e c i f i cs t r e n g t h , d a m p i n gc a p a c i t y , p r o c e s s a b i l i t y , e x c e l l e n tt h e r m a lc o n d u c t i v i t y a n de l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n g ，a n dr e c y c l a b i l i t y w r o u g h ta l l o ys h o u l db et h eb r i g h t e s t s t a ri nt e r m so fl o n g - t e r mp o t e n t i a la p p l i c a t i o n s b e c a u s ew r o u g h tp r o d u c t ss u c ha s p l a t e , s t i c k ，p i p ea n dp l a t e ，c a np r o v i d ea l lk i n d so f s i z e sa n d e x c e l l e n tp r o p e r t i e s ( b e t t e r s t r e n g t ha n dd u c t i l i t yc o n t r a s tt oc a s t i n ga l l o y ) b yt h ea p p l i c a t i o no f h e a tt r e a t m e n ta n d t h ec o n t r o lo f c o m p o s i t i o n s t h ew r o u g h tp r o d u c t sc a nf e e dav a r i e t yo f d i f f e r e n tn e e d s c o n t r a s tt oa l lo t h e rk i n d so fh j 曲s t r e n g t hw r o u g h tm a g n e s i u ma l l o y s ；m g - m n - c e s e r i e sm a g n e s i u ma l l o yh o l d st h eb e s tc o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e s t h ea n i s o t r o p i e so f e x t r u d e d - r o l l i n gm e l 0w r o u g h tm a g n e s i u ma l l o yw 雠s t u d i e di nt h i sp a p e r , w i t h m e t h o d so fc o m m e r c i a le x t r u s i o na n dr o l l i n gt e s t , m c t a l l o g r a p h i ct e s t ，m e c h a n i c a l p r o p e r t i e st e s t ，s e mt e s t t h ee f f e c t so fd i f f e r e n ta n n e a l i n gp r o c e s s e sa n dr o l l i n g m e t h o d so na n i s o t r o p i e so fe x t r u d e d - r o l l i n gm e l 0w r o u g h tm a g n e s i u ma l l o yw e r e u n d c r s t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a ts t r e n g t ho fe x t r u d e dm e l 0m a g n e s i u ma l l o ya r es l i g h t l y i m p r o v e da f t e rd i f f e r e n ta n n e a l i n g h o w e v e r , t h ee f f e c to fa n n e a l i n go ne l o n g a t i o n v a l u eo ft h ee x t r u d e dm e i om a g n e s i u ma l l o yi sf o u n dt ob es i g n i f i c a n t t h eh i g h e s t d o n g a t i o nv a l u ew a sa c h i e v e da t6 2 3 kf o r4h o u r sa n da i r - c o o l e dw h i c hi sb e n e f i tt o t h ef o l l o w i n gr o l l i n g t h ee x t r u d e dm e l 0m a g n e s i u ma l l o yw a ss u c c e s s f u l l yr o l l e d u n d e rp r o p e rc o n d i t i o n a n i s o t r o p i e so fm i c r o s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e sw e r ee x i s t e do n e x t r u d e d - r o l l i n gm e i om a g n e s i u ma l l o y t h es t r e n g t ho ft r a n s v e r s e d i r e c t i o no f e x t r u d e d - r o l l i n gm e l 0m a g n e s i u ma l l o yi sh i g h e r t h a nt h a to fr o l l i n gd i r e c t i o n h o w e v e r , t h e a n i s o t r o p y c a nb e i m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y a f t e r a n n e a l i n g e x t r u d e d - t r a n s v e r s ed i r e c t i o nr o l l i n gw a sb e n e f i tt or e d u c et h em e n # aa n i s o t r o p yo f m e i ow r o u g h tm a g n e s i u ma l l o ys h e e t ，w h i l ee x t r u d e d - l o n g i t u d i n a lr o l l i n gw a sb e n e f i t t or e d u c et h ee l o n g a t i o na n i s o t r o p yo f m e l 0w r o u g h tm a g n e s i u ma l l o ys h e e t t h eb e s t i m p r o v e m e n to fa n i s o t r o p yw a sa c h i e v e da t6 0 3 kf o r 1h o u ra n da i r - c o o l e d f o r e x t r u d e d - l o n g i t u d i n a lr o l l i n gs h e e t , t h eb e s ti m p r o v e m e n to fe l o n g a t i o na n i s o t r o p yw i t h e l o n g a t i o n so f1 1 6 ( g o ) a n d1 1 1 ( t d ) r e s p e c t i v e l y , c o u l db eo b t a i n e da f t e r 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a n n e a l i n ga t6 0 3 kf o r1h o u r f o re x t r u d e d - t r a n s v e r s ed i r e c t i o nr o l l i n gs h e e t , t h eb e s t i m p r o v e m e n to fs t r e n g t ha n i s o t r o p yw i t ht e n s i l es t r e n g t ho f2 3 4 m p a ( r d ) a n d2 3 9 m p a ( t o ) r e s p e c t i v e l y , c o u l db eo b t a i n e da f t e ra r r a y i n ga t6 0 3 k f o r1h o u r a sa n n e a l i n g a r e rr o l l i n gc a ng r e a t l yi m p r o v et h ea n i s o t r o p yo fm e h a n i c a lp r o p e r t i e s ，r o l l i n g d i r e c t i o nc a nb ec h o s e na c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o n k e yw o r d s ：m e i om a g n e s i u ma l l o ys h e e t ；e x t r u s i o n ；r o l l i n g ；s l r u c t u m ；p r o p e r t i e s ； a n i s o t r o p y i l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： f 司色 签字日期： 岬年翊 学位论文版权使用授权书 日 本学位论文作者完全了解重庆太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆太堂可以将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、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位沦文属于 刁i 保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：【飘免 签字日期：_ 司年f 月( 7 日 新签玎浩也 一一声月了日 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 镁及镁合金的特点 轻质的镁及镁合金作为二十一世纪的“绿色”工程材料，具有比强度高、减 振性、电磁屏蔽和抗辐射能力强，易切削加工，易回收等一系列优点。因而在汽 车、电子、电器、交通、航天、航空和国防军事工业领域有着重要的应用价值和 广阔的应用前景【l 】。镁合金的这一系列优点顺应了且前结构轻量化及环境保护的 潮流，故而镁和镁合金的研究已成为热点。 1 1 1 镁的基本性质 镁的原子序数为1 2 ，相对原子质量为2 4 3 2 ，电子结构为1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 ，位于 周期表中第3 周期第2 族。镁的晶体结构为密排六方，在2 9 8 c 时的晶格常数为： a = o 3 2 0 2 n m ，e = o 5 1 9 9 n m ；晶胞的轴比为c a 1 1 6 2 3 7 。配位数等于1 2 时的原子半 径为o 1 6 2 r i m 。镁的其他一些重要的物理参数见表1 1 1 2 1 。 镁属于密排六方晶体结构，在室温下只有一个滑移面( 0 0 0 1 ) 及该滑移面上 的3 个密排方向【n 2 0 】、【2l l o 、【1 2 1 0 组成的3 个滑移系，见图1 1 。与面心立 方和体心立方相比，镁的室温塑性很差，塑性变形需要更多地依赖孪生来进行， 不能直接做为结构材料。纯镁的力学性能见表1 2 。 图1 1 镁的滑移面和滑移方向 f i g u r e1 1s l i d i n gp l a n ea n ds 邱d i r e e t i o mo f m a g n e s i n m 表1 1 纯镁的一些重要物理参数 t a b l e1 1 s o m ei m p o r t a a tp h y s i c a lp a r a m e t e r so f m a g n e s i u m 熔点沸点 燃烧热n 小k 9 1熔化热k j k 昏1密度幢c m 3 ( 2 9 3 k ) 9 2 31 3 7 62 5 0 2 03 6 8l 7 3 8 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 1 2 合金元素与镁的相互作用 工业纯镁的力学性能很低，不能直接用做结构材料，但通过形变强化、晶粒 细化、合金化、热处理、镁合金与陶瓷相的复合等多种方法的综合运用，镁的力 学性能将得到大幅度的改善。在这些方法中，镁的合金化是实际应用中最基本、 最常用的和最有效的强化途径，其它方法往往都是建立在镁的合金化的基础上。 镁合金是镁合金化的产品，是目前最广泛使用的镁基材料。镁合金中合金元素的 选择是合金化的关键。 目前，应用较多的合金元素包括a i 、z n 、k i n 、r e 、l i 、b e 、c a 、z r 等。以 上各种元素与镁的相互作用如下【l 】： 铝是镁合金中常用合金元素。铝与镁形成有限固溶体，在共晶温度( 7 1 0 k ) 下的饱和溶解度为1 2 7 ，在提高合金强度的同时，也能拓宽凝固区，改善铸造 性能。由于溶解度( 1 ；n ) 随着温度的降低而显著减小，故m g - a i 合金可以进行热 处理。含铝过高时，合金的应力腐蚀倾向加剧，脆性提高。 锌在镁中最大固溶度为6 2 m a s s ，是除铝外的另一种有效的合金化元素，有 固溶强化和时效强化的双重作用。锌通常与铝结合来提高室温强度。当镁合金中 铝含量为( 7 1 0 ) m a s s 且锌添加量超过l m a s s 时，镁合金的热脆性明显增加。 锌也同锆、稀土或者钍结合，形成强度较高的沉淀强化镁合金。高锌镁合金由于 结晶温度区间间隔太大，合金流动性大大降低，从而铸造性能差。此外，锌也能 减轻因铁、镍的存在而引起的腐蚀作用。 锰对于合金的抗拉强度几乎没有影响，但可以稍微提高屈服强度。锰通过除 去铁及其它种金属元素避免生成有害的晶间化合物来提高m g - a i 合金和 m g - a 1 z n 合金抗海水腐蚀能力，在熔炼过程中部分有害的金属间化合物会分离出 来。锰在镁中的固溶度较低，镁合金中锰含量通常低于1 5 m a s s ，在含铝的镁合 金中，锰的固溶度不到o 3 m a s s 另外，锰可细化晶粒，提高可焊性。 稀土也是一类重要的合金元素，目前较多的用于高温镁合金的开发中。稀土 镁合金的固溶和时效强化效果随着稀土元素原子序数的增加而增加，因此轻稀土 元素对镁的力学性能的影响基本是按照镧、铈、富铈的混合稀土、镨、钕的顺序 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 排列。镁合金中添加的稀土元素分两类，一类为含铈的混合稀土，另一类为不含 铈的混合稀土。含铈的混合稀土是一种天然的稀土混合物，由镧、钕、和铈组成， 其中铈的含量为5 0 m a s s ；不含铈的混合稀土为8 5 m a s s 钕和1 5 的镨的混合 物。稀土元素的原子扩散能力差，既可以提高镁合金再结晶温度和减缓再结晶过 程，又可以析出非常稳定的弥散相粒子，从而能大幅度提高镁合金的高温强度和 蠕变抗力。近年来有关g d 、d y 等稀土元素对镁合金性能影响的研究很多。有研 究表明，g d 、d y 、y 等通过影响沉淀析出反应动力学和沉淀相的体积分数来影响 镁合金的性能，m g - n d - g d 合金时效后的抗拉强度高于相应的m g - n d - y 和 m g - n d d y 合金【3 1 。镁合金中添加两种或两种以上稀土元素时，由于稀土元素间的 相互作用，能降低彼此在镁中的固溶度，并互相影响其过饱和固溶体的沉淀析出 动力学，后者能产生附加的强化作用【4 】。此外，稀土元素能使合金凝固温度区间 变窄，并且能减轻焊缝开裂和提高铸件的致密度。 锂在镁中的固溶度相对较高，可以产生固溶强化效应，并能显著降低镁合金 的密度，甚至能够得到比纯镁密度还低的镁锂合金。锂还能在提高镁合金延展性， 但同时会显著降低合金的强度和抗蚀性。 铍可以有效降低镁合金在熔融、铸造和焊接过程中金属熔体表面的氧化，需 要注意的是一般只添加微量的镀( 一般低于3 0 x 1 0 6 ) ，过量的镀会降低镁合金的 力学性能。 钙( 少量) 能够改善镁合金的冶金质量。添加钙的目的主要有两点：一是在 铸造合金浇注前加入来减轻金属熔体和铸件热处理过程中的氧化；二是细化合金 晶粒，提高合金蠕变抗力，提高薄板的可轧制性。钙的添加量应控制在o 3 m a s s 以下，否则薄板在焊接过程中容易开裂。钙还可以降低镁合金的微电池效应。据 报道m g - c u - c a 合金中由于m g a c u 相的电池效应，从而导致阴极活性区减小。快速 凝固a z 9 1 合金中添加2 c a 后腐蚀速率由o 8 r a m a 1 下降至0 2 m m a 1 。然后c a 在水溶液中不稳定，在p h 值较高时能形成c a ( o l - i ) 2 t s 】。此外，添加钙将导致铸造 镁合金产生粘模缺陷和热裂【6 】。 锆是镁合金化中很重要的一种元素。锆在镁合金中的固溶度很小，在包晶温 度下仅为0 5 8 m a s s ，具有很强的晶粒细化作用。目前锆细化镁合金的机理仍旧 不太清楚，普遍认为锆可以作为镁合金形核的基底。锆在变形镁合金中可以抑制 晶粒长大，故含锆镁合金在退火或热加工后热具有较高的力学性能。但要注意两 点。一是锆不能添加到含铝、锌的合金中；二是锆的价格较高，故目前含锆镁合 金的使用不及镁合金总量的1 【7 】。 目前国内外关于含有稀土的镁合金的研究较多，特别是添加钇的镁合金，但 是作为含量更为丰富的稀土铈对镁合金的影响的研究还较少；而对于镁锰系合金 重庆大学硕士学位论文1 绪论 的研究还主要是针对其耐腐蚀性及良好的焊接性。对于镁锰铈合金系的研究和 开发还比较少见。 1 1 3 镁合金的分类 镁合金可以按照三种方式分类，即合金的化学成分、是否含锆和成形工艺。 按化学成分，镁合金可以分为二元、三元或多元镁合金系。实际上，为了分 析问题的方便，同样也是为了简化和突出合金中的最主要合金元素，一般习惯依 据m g 与其中的一个主要合金元素，将镁合金划分为二元合金系：m g m n 、m g - a 1 、 m g - z n 、m g - r e 、m g - t h 、m g - a g 和m g - l i 系。 依据合金中是否含锆，镁合金可划分为含锆和不含锆两大类。锆在镁合金中 的主要作用就是细化镁合金的晶粒。m g - z r 合金中一般都含有另外一组元，最常 见的合金系列是：m g - z n - z r 、m g - r e - z r 、m g - t h z r 和m g - a g - z r 系列。不含锆镁 合金有：m g - z n 、m g - m n 和m g - a 1 系列。目前应用最多的是不含锆压铸镁合金 m g - a 1 系列。含锆镁合金和不含锆镁合金中均既包含变形镁合金，又包含铸造镁 合金。 图1 2 变形镁合金与砂铸、压铸镁合金性能 f i g u r e1 2 p r o p e r t i e so f s a n dc a s t i n ga l l o y s ， d i ec a s t i n ga l l o y sa n dw r o u g h ta l l o y s 根据加工方式的不同，镁合金材料主要分为铸造镁合金与变形镁合金两大类 闭。前者主要通过铸造获得镁合金产品。传统的铸造工艺比较成熟，近年来，铸造领 域中一些新的生产工艺和技术，如压力铸造( d i ec a s t i n g ) 技术【卜1 2 1 ，半固态成型 ( s e n 1 i s o l i df o r m i n g ) 技术【1 2 1 7 1 以及t h i x o m o l d i n g t m 专利技术【8 1 引，都被用来开发新 型镁合金材料，并取得了很大的进展。与这些工艺生产的铸态材料相比，变形镁合金 材料更具发展前途与潜力，通过变形可以生产尺寸多样的板、棒、管、型材及锻件 产品，并且可以通过材料的组织控制和热处理的应用，获得比铸造镁合金材料更高 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 的强度，更好的延展性，更多样化的力学性能，从而满足更多结构件的需要。因此，研 究与开发新型变形镁合金，开发变形镁合金生产新工艺，生产高质量的变形镁合金 产品，是国际镁协会( i n t e r n a t i o n a l m a g n e s i u m a s s o c i a t i o n - l m a ) 在2 0 0 0 年提出的发 展镁合金材料的最重要、最具挑战性且最长远的目标和计划t 1 9 删。图1 2 对比了 变形镁合金与普通铸造、压铸镁合金的典型力学性能。可见变形镁合金具有更大 的优势【2 l 】。关于变形镁合金的研究进展和应用前景将在1 2 节中详细介绍。 1 1 4 镁合金的塑性加工 变形镁合金的生产主要通过挤压、轧制和锻造等工艺手段实现【2 2 也7 】。变形镁 合金产品生产中值得注意的两个问题是：第一，变形时镁的弹性模量择优取向不敏 感，因此在不同变形方向上( 如轧制板材的平行轧向与垂直轧向) ，弹性模量的变化 不明显：第二，变形镁合金压缩屈服强度低于其拉伸屈服强度，：矾* 0 5 o 7 ， 因此在涉及到如弯曲等不均匀塑性变形时需特别注意。 挤压成形 目前，镁合金管材、棒材、型材等产品主要采用挤压成形。镁合金铸锭在常温 下塑性很差，容易脆裂，2 0 0 以上时的塑性明显提高，2 2 5 以上时塑性增长更快， 所以镁合金的挤压适宜在2 0 0 以上进行成形，镁合金在较高温度下尤其4 0 0 1 2 以 上很容易产生腐蚀氧化，因而一般不宜采用锻造成形。镁合金的变形温度范围比 较狭窄，为了防止其与模具之间的温差而产生裂纹，所以常采用等温挤压。必须 对模具预热，但由于镁合金挤压变形速度不宜过快，变形时间相对比较长，故而 模具加热温度要稍低于坯料温度，一般在2 0 0 3 0 0 之间。同时，在挤压过程中 必须采用润滑剂，这样可以提高模具寿命。镁合金m b 2 在压力机上变形时，变形 温度在3 5 0 4 5 0 c 的范围内塑性最好。而在锤上变形时，变形温度缩减为3 5 0 4 2 5 ，由于m b 2 对变形速度极为敏感，所以变形速度不宜过快。 轧制成形 镁合金挤压技术生产的板材由于受到挤压模具所限，其板料宽度受到限制。 比如，亚洲最大的1 2 5 m n 的铝材油压双动挤压机生产的型材的最大宽度也只有 1 0 1 5 m m t 2 8 另外，由于挤压过程板料再结晶充分，所以板材的强度指标不高。而利 用镁合金轧制成形工艺可以生产宽度较大的具有较高强度和延伸率的板材。生产 镁合金板材的坯料一般有挤压或锻造板坯和直冷连续铸锭。一般来说，镁合金厚 板可以在热轧机上直接生产，而薄板则通过热轧、温轧和冷轧的成形工艺生产。 板材强度指标可以达到2 7 0 p a ，延伸率可达到1 6 以上。图1 3 为目前镁合金轧制 的生产工艺流程。其加工技术的关键是；设计合理的加工工艺流程和加工生产配 套设备，制定出各种成分、规格镁合金铸锭、板坯、半成品的加热制度；制定出 各种成分、规格镁合金热轧、挤压和锻造工艺参数；制定出各种成分、规格镁合 重庆大学硕士学位论文1 绪论 金精轧和冷成形加工工艺参数；制定出各种成分、规格镁合金的热处理制度等。 目前镁板生产受到必须在较高温度下轧制的困扰。当铝和钢的最终轧制可以冷加 工完成时，镁在达到最终规模时必须在一定温度下进行，并且其轧制过程需进行 较多的中间退火。这也是造成铝板和镁板价格差异较大的原因。美国橡树岭国家 实验室的研究人员曾采用辐射加热法，以改变板材工艺。值得关注的是，澳大利 亚低成本薄板镁的连续带材铸造也可以使轧制道数降至最低。这种生产线装备及 铸压工艺由联邦科学与工业研究组织( c s m o ) 在中试工厂开发与完善。c s i r o 的双 辊铸轧机( t w i nm uc a s t e r ) 采用专利技术可生产铸造状态的镁合金薄板带。自2 0 0 0 年 以来，该研究组织就致力于开发既能持续生产( 大批量) 又能中、小批量生产镁薄板的 工艺。利用该工艺可以生产近成品板形( n e a rn e ts h a p e ) ，即接近生产厚度的低成本 薄镁合金板。采用连续铸压工艺生产镁合金薄带卷在镁合金板带轧制发展进程中 具有里程碑意义，可以使薄板带生产成本大幅度下降，对镁材应用将起积极的推 动作用。 图1 3 变形镁合金加工生产工艺流程 f i g u r e l 3 t h ep r o d u c i n gp r o c e s sf l o wo f w r o u g h tm a g n e s i u ma l l o y 热锻成形和热冲锻成形 同其他金属一样镁合金可以锻造成不同的尺寸形状，其产品的尺寸主要决定于 锻造设备的尺寸。镁锻件用于锻造数量足以抵消模具成本的场合，或者用于要求具 有高强度和延展性的零部件。镁合金的锻造性能主要取决于三个因素：合金的凝 固温度、变形速率及晶粒大小。为了保证良好的加工性能必须采用具有可锻性的 镁合金坯料。镁合金在其固相线温度以下5 5 c 范围内进行锻造。小坂田对镁合金 z k 6 0 进行了锻造及挤压工艺试验研刭2 ”，研究发现z k 6 0 最佳锻造温度为3 0 0 c 4 0 0 c , 4 0 0 c 以上坯料发生严重氧化，2 0 0 c 4 0 0 c 下表现出加工软化。热冲锻技术 是指工件具有截面厚度变化和局部体积变形，需要采用热冲压成形和热锻以获得局 部热锻工艺组合成形，是板材的热锻工艺或局部热锻工艺。很多电子器件的外壳可 以采用热冲锻技术成形。日立金属和东京精锻工所共同研制的锻压工艺，已成功 用于镁合金笔记本电脑壳体、激光唱机壳体的生产上。该工艺首先将镁合金a z 3 1 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 制成2 m m 厚的板材，再在5 7 3 k 置入模具中锻造成形，最后利用冲压工艺开出显示 窗和开关类的窗口。成品的壁厚为0 6 r n m 0 7 m m ，最薄可达0 4 m m ，相当于触变成 形的工艺水平，且强度和韧性等指标均优于经压铸或触变成形的镁合金a z 9 1 。 等温锻造和超塑成形 等温锻造是镁合金的重要加工方法。镁合金导热系数很大，为钢的两倍，锻 造温度范围窄( 1 5 0 。c ) ，模具降温很快，塑性降低，变形抗力增大，充填性能下降， 因此适合于等温锻造成形。吕炎教授【2 9 】等采用等温锻造工艺生产出复杂的镁合金 飞机机匣。这是目前我国最大镁合金模锻件，投影面积达0 4 m 2 。陈拂唰3 0 l 等对变 形镁合金m b 2 6 进行了超塑性试验研究，其主要结论是：m b 2 6 镁合金在2 5 0 c 4 8 0 ( 2 、应变率在1 1 6 7 x 1 0 3 s 4 1 2 1 0 - 2 s 之间时具有超塑性；在3 5 0 1 2 4 5 0 c 的 温度范围内有良好超塑性，伸长率高于5 2 0 ；在4 0 0 c 、应变率1 1 7 x 1 0 2 s 2 1 0 2 2 p s 时伸长率可达1 4 5 0 ，流动应力仅为8 1 7 m p a ，应变速率敏感性n l 为0 1 6 。温度对超 塑性的影响大于应变率。m b 2 6 的超塑性温度比m b l 5 和z k 6 0 a 的高1 0 0 ，应变率 ， 高1 0 倍。 我国变形镁合金材料的研制与开发仍处于起步阶段，缺少高性能镁合金板、棒 和型材，国防军工、航天航空用高性能镁合金材料仍依靠进口，民用产品尚未进行 大力开发，因此，研究和开发性能优良、规格多样的变形镁合金材料显得十分重 要。 1 2 变形镁合金的研究进展及应用前景 变形镁合金有m g - a 1 系、m g z n 系、m g - m n 系、m g - r e 系、m g - t h 系、m g - l i 系等。m g - m n 系合金有良好的耐蚀性能和最好的焊接性能，强度不高，可加工成 板材、型材和锻件，用来制作承力不大的零件。m g - m n 系合金加入稀土c e 后， 合金由于铸态晶粒细化性能大大提高，特别是高温下的性能得到极大的改善。 m g a i z n 系变形镁合金的主要特点是强度高，能够进行热处理强化，并有良好的 铸造和加工性能，但耐蚀性和耐热性较差，可加工成板材、管材、型材和锻件， 用来制作承力较大的零件。m g z n - z r 系合金具有高的强度、良好的塑性及耐蚀性， 是目前应用最多的变形镁合金之一，可加工成板材、管材、型材和锻件，用来制 作承力较大的零件。在该合金系基础上加入稀土后，力学性能极大提高。m g - t h 系合金是一种高温下应用的合金，工作温度在5 7 3 k 6 7 3 k ，主要用于航空构件。 该合金系可以热处理，可用于铸造生产，也可用于变形加工，有较好的工艺性能 和抗蚀性能。缺点是室温强度低，生产工艺比较复杂。m g - l i 系合金是轻合金材料 中最轻的一种，密度比一般镁合金小1 5 2 5 ，而强度比常用镁合金的高，并 有良好的冷热变形能力，是发展高强超轻合金的一个重要合金系。m g - l i 系合金一 7 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 般加工成板材，用来制作飞机零件。 1 2 1 研究进展 西方发达国家十分重视变形镁合金的研究与开发，变形镁合金已经开始向系 列化发展，产品应用领域不断扩展。其中美国的变形镁合金材料体系比较完备， 合金系列如前所述，有m g - a 1 、m g z n 、m g - r e 、m g - l i 、m g - t h 等，可以加工成 板、棒、型材和锻件，并且开发出了快速凝固高性能变形镁合金、非晶态镁合金 及镁基复合材料等【3 1 j 2 矧。美国于世界上最大的镁生产企业挪威n o v s kh y d r o 公 司签订了长期合作关系，以保证在2 1 世纪前期镁原料和镁产品的充足稳定的供应 1 3 4 1 。日本在1 9 9 9 年由教育部、科技部、体育部和文化部共同组织实施了 p l a t f o r m s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yf o ra d v a n c e dm a g n e s i u ma l l o y ”计划【1 9 j 5 1 ，着重研究镁的新 合金、新工艺、开发超高变形镁合金材料和可冷压加工的镁合金板材。英国开发 出m g - a 1 b 挤压镁合金用于m a g n o x 核反应堆燃料罐【3 6 】。以色列最近也研制出用 在航天飞行器上、兼具优良力学性能和耐蚀性能的变形镁合金【3 7 1 。 各种塑性加工新工艺和新技术层出不穷。挤压开坯后再进行轧制的工艺，即 “挤压开坯- 车l 制成形”技术，对难变形金属是一条有效的加工途径。在挤压时， 一方面变形金属的应力状态接近静水压力，另一方面挤压过程几乎是绝热过程， 金属温度不易下降，因此有利于金属的塑性变形。另外通过挤压变形可以细化镁 合金晶粒，从而显著改善镁合金的成形性能，保证轧制时合金具有较高的塑性。“控 温轧制及控温冲压”技术可以激活新的滑移系，使塑性明显提高。但防止轧制开 裂的最低温度和获得最佳成品力学性能的最高轧制温度间隔非常狭窄，因此控制 镁合金的变形加工温度是保证加工过程顺利进行的重要工艺措施。德国i n s t i t u t ef o r m e t a lf o r m i n ga n dm e t a lf o r m i n gm a c h i n et o o l s ( i f u m ) 提出了“局部差热”加热法， 使承受大应变部位的温度高于小应变部位，从而进一步提高合金的深冲极限。要 实现“局部差热”加热，必须设计相应的加热方式、设备、冷却系统、建立有竞 争力的完善的加工生产链。i f u m 已试研制出具有较复杂几何形状的制品，证明实 现镁合金冲压制品的工业应用是可行的。日本高松制作所开发的冷冲压技术可成 功地批量冷冲加工镁板材。这种技术已引起汽车、家电、通信器材行业的关注， 是一种很有前途的生产方法 3 8 】。 我国变形镁合金的研制和开发仍处于起步阶段，缺少高性能镁合金板、棒和 型材，国防军工、航天航空用高性能镁合金材料仍依靠进口，民用产品尚未进行 大力开发。不过，近几年我国对变形镁合金的研究也有了较大的进展比如中南大学 的余琨、黎文献等人研制出具有优良综合电化学性能的海水激活m g c u c l 电池负 极镁合金材料。该材料的电化学性能基本达到进口镁合金负极板材性能，腐蚀产 物成泥少，腐蚀均匀，达到军工研制任务的要求【3 9 1 。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 2 2 应用前景 从2 0 世纪4 0 年代开始，变形镁合金被广泛地应用于汽车、航空、航天等领 域，进入9 0 年代后期，镁合金产品开始用于自行车、电子产品以及其它民用产品 领域。 在航空航天领域 4 0 l ，镁合金由于密度小、刚性好、强韧性好且能够有效减轻 重量，很早就应用于航空航天工业，特别是m g - l i 合金，具有很高的强度、韧性 和塑性，是航空航天领域最有前途的材料，如座舱架、吸气管、导弹舱段、壁板、 副蒙皮、直升机上的机匣等都用m g - “合金制作。 在汽车工业中，变形镁合金板材可用热冲压成型方法来制成车身零件，用热 锻、热冲压成型工艺生产汽车底盘等承载件哪】。在汽车上使用镁合金零件可以降 低汽车启动和行驶惯性，提高加速和减速性能，减少行驶过程中的振动以及减少 油耗等。总之，变形镁合金在汽车上主要用来制做壳零件、支撑类结构部件。 在白行车领域，由于镁合金密度小，比强度高，耐冲击，阻尼性好，制造的 自行车轻便，舒服，速度快。用镁合金制作自行车车架仅重1 4 k g ，整车重4 k g 。 目前已开发出符合a s t m b l 0 7 规范要求的镁合金管件和棒材，成车有镁合金登山 车、折叠车，零件有曲柄、竖管、做管、车圈和车架附件 4 q 。 镁合金在3 c 产业中的应用，表现在这类产品轻，美观，传热好和防电磁屏蔽 的能力强，具有环保等优点，如笔记本电脑、机顶盒、移动电话外壳等 4 2 】 变形镁合金与铸造镁合金相比具有更高的强度、更好的塑韧性和优良的综合 性能，更适合于制作大型结构件和满足结构多样化的要求。正是看好镁合金的应 用前景，镁合金的研究和开发才在世界各国蓬勃开展起来。据i m a 的报道，变形 镁合金的用量从1 9 9 8 年和1 9 9 9 年起开始呈上升势头，扭转了长期来的下降趋势 【4 2 】。镁合金在汽车上的应用是推动了变形镁合金的发展的主要因素。可以预计， 一旦高性能镁合金变形材生产技术瓶颈获得突破，镁合金变形材在汽车、电子、 交通运输、国防军工、航空航天等领域中的应用将会形成镁合金应用的新高潮。 1 3 砸系变形镁合金 1 3 1m e 系变形镁合金简介 m e 系镁合金是指合金元素为m n 和稀土c e 的镁合金。这是根据运用最广泛 的美国a s t m 标准的标记规则来定名的。该合金系属于变形镁合金，是一种非常 有开发前景的合金系列。原因有两点。 第一，该合金系有较好的综合力学性能。观察镁铈相图可知，镁铈共晶化合 物的熔点较高( 高于6 0 0 ) ，故m g - m n c e 合金可以承受更高的塑性加工温度， 从而可使更多的滑移系开动，达到提高材料的成形性能的目的；同时，由于稀土 9 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 元素铈和金属锰都有细化晶粒的作用，且锰可以提高合金的耐蚀性和焊接性能， 故该合金具有较好的综合力学性能 第二，该合金的成本较低。主要两种合金化元素锰和铈在我国的储量都非常 丰富，其中我国锰矿储量占全球总储量的5 9 ，居世界第四位；而稀土的储量更 是占全球储量的4 3 ，居世界第一位，特别是稀土铈，较常用的细化晶粒的稀土 元素锆便宜很多。故这两种成分来源丰富容易，且经济。 l - 3 2m b 8 镁合金简介 目前国内最有代表性的商业m e 系变形镁合金为m b 8 。它原本是在m b l 的基 础上添加稀土金属铈( 0 1 5 - 4 ) 3 5 m a s s ) 发展起来的。其化学成分见表1 3 i 州。它 保持了m b l 合金良好的耐腐蚀性和焊接性能，且由于铈的晶粒细化作用其常温和 高温强度都有较大幅度的提高。m b 8 的常温和高温力学性能分别见表1 4 和表 1 5 t 2 。对于变形镁合金而言，经过加工后，其力学性能将大大得到改善。加工后 的m b 8 镁合金常温力学性能参考数值见表1 6 m 】。 表1 3 m b 8 的化学成分 t a b l e1 3t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no f m b 8m a g n e s i u ma n o y 注：1 纯镁w ( m g ) = 1 0 0 - w ( f e + s i ) - ( 含量大于0 0 1 的其他杂质之和) 2 表中镁合金栏中只有一个数值的杂质元素为上限含量。 表1 4m b 8 的室温力学性能 t a b l e l 4m e c h a n i c a l p r o p e r t i o f m b 8 m a g n e s i u ma l l o y u n d e r l o o m t e m p e r a t u r e 合金抗拉强度屈服强度疲劳强度硬度冲击韧度伸长率 断面收缩 ob 1 v i p ao0 2 m p a o 1