（材料加工工程专业论文）离心铸造zw61和az91镁合金的组织及力学性能.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 本文采用离心铸造方法和金属型重力铸造方法制备了一种新型m g z n y 合 金，m g 一6 叭z n 1 讯y - 0 5 叭z r 合金( 简写为z w 6 l 合金) ，比较了合金的铸 态的显微组织及力学性能。结果表明，离心铸造镁合金的晶粒组织得到明显细化， 力学性能得到提高。利用扫描电子显微镜( s e m ) ，x 射线衍射( x r d ) 和能谱成 分分析( d e x ) 研究了z w 6 1 合金的显微组织相组成，基体相均为a m g 相，z w 6 l 合金的第二相由i 相( m 9 3 z i l 6 y ) 和w 相( m 9 3 z n 3 y 2 ) 组成。离心铸件元素分布 比金属型铸件均匀一些，根据h n a g e j 软件分析，离心铸件第二相的面积分数比金 属型铸件的小。说明由于较高的冷却速率，离心铸造中共晶转变l _ 0 【m g + w 和 共析转变w _ 仅m g + i 被抑制，导致i 、w 相减少，形成以过饱和初生相0 【一m g 为主的凝固组织。离心铸件的塑性特征较金属型铸件要多，延伸率得到提高。 采用砂型铸造方法、金属型重力铸造方法、离心铸造方法制备了m g a 1 z n 合 金，m g 一9 叭a l l 叭z n 0 3 5 叭m n 合金( 简写为a z 9 1 合金) ，对三种铸件进 行了组织和力学性能的对比。结果表明，离心铸件的晶粒组织明显细化，力学性 能明显优于其他两种铸件。利用扫描电子显微镜( s e m ) 、x 射线衍射( ) ( 1 m ) 、 能谱成分分析( d e x ) 研究了a z 9 1 合金的显微组织相组成，三种铸件凝固组织具 有相同的相组成，基体相仅一m g 相、第二相是p m g l 7 舢1 2 相和a l m n 相。离心铸件 的元素分布比砂型铸件和金属型铸件均匀。三种铸件热处理后的塑性特征明显， 延伸率优于铸态铸件。 关键词：离心铸造；z w 6 1 合金；a z 9 1 合金；显微组织；力学性能 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t l nt l l i sp 印e r ，an e w m g 。6 叭z n - l 吼y 0 5 吼z r ( z w 61 ) a l l o yw a sp r e p a r e d b yc e n t r i m g a lc a s t i n ga i l dm e t a lm o u l dc a s t i n gr e s p e c t i v e l y t h ea s c a s tm i c r o s t r u c t u r e a n dm e c c a lp r o p e i r t i e so ft 1 1 e a l l o y sw e r ei n v e s t i g a t e dc o m p a r a t i v e l y t h er e s u l t s s h o wt l l a tt h em i c r o s t m c t l o fc e n t r i m g a l c a s t i n gm a g n e s i u i i la l l o yi ss i 嘶f i c a n t l y r e 士l n e d ，a n d1 t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r ei m p r o v e d t h e nt h em i c r o s t r u c n 玳a 1 1 d p h a l s e c o m p o s i t i o no fz w 61a l l o yw e r ei n v e s t i g a t e dt h r o u 曲s e m ，a i l de d x i t 忸s 士o u l l d 蛳m em 撕xp h a s eo f b o mt h ea l l o y si s0 【- m gp h a s e ，a n d 龀s e c o n dp h a s eo f z w 6l a l l o ya r ec o n l p o s e do fi - p h a s e ( m 9 3 2 1 1 6 y ) a n dw p h a s e ( m 9 3 2 砘y 2 ) 1 k e l e m e n td i s t r i b u t i o no ft l l e c e r 耐m g a lc a s t i n gi sm o r eu i l i f o n i lm a i lt l l em e t a lm o u l d c a s t m ga l l o y a c c o r d i n gt ot h ei m a g e js o m v a r ea i l a l y s i s ，m ea r e af h c t i o no fm e s e c o n dp h a l s emt h ec e n t r i f 堍a 1c a s t i n ga l l o yi s l o w e rt h a nt l l a ti 1 1t 1 1 em e t a jm o u l d c a s t m ga l l l o y i nc e n t r i 如g a lc a s t i n gp r o c e s s ，t h ee u t e c t i c 衄1 s f 0 姗a t i o no fl _ q m g + wa l l de u t e c t o i d 仃；m s f o m a t i o no fw 0 【- m g + 1w e r e s u p p r e s s e d ，w 1 1 i c hr e s u l t si n t h er e d u c e dc o n t e n to fi p h a s ea i l dw p h a s e ，a 1 1 df o m as o l i d i f i c a t i o n1 1 1 i c r o s 仃u c t u r e 砌t 量lt h es a m r a t e dp r i m a 巧p h a s ec o n s i s t i n g m a i l l l yo f0 【m gp h a s e t h ec e n t r i m g a l c a l s t l l 培a l l o yp o s s e s s e sm o r ep l a s t i cf e a t u r e sm a nt h em e t a lm o u l d c a l s t i n ga l l l o ya n d t h ee l o n g a t i o nr a t i oi si m p r o v e d m g 9 吼舢一1 吼z n 一0 3 5 叭m i l o 坦9 1 ) a l l o yw a sp r e p a r e db yc e 删向酬 c a s t l n g ，m e t a lm o u l dc a s t i n ga n ds a j l dc a s t i n gr e s p e c t i v e l y n em i c r o s t m c t l 鹏a l l d m e c h 锄c a jp r o p e r t i e so ft h e a l l o y sw e r ec o m p a r e d n er e s u l t ss h o wt l l a t t 1 1 e i l l l c r o 咖c 骶o f c e 枷m g a dc a l s t i n gm a g n e s i 啪a j l o yi ss i 嘶f i c 觚t l yr e f i n e d ，a n di t s m e c n 锄c a jp r o p e r t i e sa r eo b v i o u s l yb e 能rt 1 1 a n 雠o m e rt w ol 【i 1 1 d so fc a s t i i l g s n e n t n em l c r o s 仃u c 骶觚dp h a s ec o m p o s i t i o no fa z 9 1 a l l o yw e r em e s t i g a t e d u g l l s e m ，x r da j l de d x i tw a sf o u r i dt 1 1 a tm e s o l i d i f i c a t i o nm i c r o s 加c t l l r eh a st l l es 锄e p n a s ec o m p o s l t l o n ，诵t ht h em 撕xp h a s e0 f 仅一m gp h a s e ，a n d s e c o n dp h a s eo f p 。m g l7 舢1 2p h a s ea 1 1 da l m l lp h a s e t h ee l e m e n td i s 劬u t i o no f t 1 1 ec e 嘶她a lc a s t i i l g 1 sm o r eu m t o mt h a nb o t l lt h em e t a lm o u l d c a s t i n ga l l o ya n dt 1 1 es a n dc a s t i l l ga l l o y 1 n l e 1 r e el 【i n d so fc a s t i n g sp o s s e s so b v i o u sp l a s t i cf e a n 鹏s 世e r h e a t 骶a t n l e n t a n d 沈阳理工大学硕士学位论文 t l l ee l o n g a t i o nr a t i oi sl l i g h e rm a nt h ea s - c a s tc a s t i n g s k q 刑o r d s ：c e 嘶如g a lc a s t i n g ；z w 6 1 a l l o y ；a z 9 1 a l l o y ；m i c r o s t m c t u r e ；m e c h a i l i c a l p r o p e r t i e s 第1 章绪论 第1 章绪论 镁及镁合金作为最轻的金属结构工程材料之一，具有一系列其他金属材料所 没有的优点。最为突出的特点就是它的密度小，产品质量轻，而且具有较高的比 强度、较高的比刚度、导电性能与导热性能优良、较好的电磁屏蔽性能、良好的 铸造性能和切削加工性能等优点，它还是可以回收利用的。正因为如此它被誉为 “2 1 世纪的绿色工程材料”j 。它的节能性和环保性符合近年来的国际发展潮流，而 且在未来镁合金有望成为钢铁、铝合金和工程塑料理想的替代产品，无论是在国 防军工领域、航空航天领域、汽车制造领域、电子通讯领域都具有非常大的开发 和应用价值1 2 j 。 1 1 镁及镁合金概述 镁元素在地球上的储藏量非常丰富，地壳中的蕴藏量可达2 7 ，仅次于铝元 素和铁元素的含量居于金属元素第三位，同时也成为仅次于钢铁、铝合金的第三 大金属结构材料。镁可以从白云石( m g c 0 3 c a c 0 3 ) 、光卤石( k c l m g c l 2 6 h 2 0 ) 、 菱镁矿( m g c 0 3 ) 等矿石中提炼i l 】o 此外，金属镁还可以在海水中提炼，海水中的 镁含量巨大，可以达到总量的0 1 4 ，这么多的储量可以供人类大规模的开发和使 用。作为储量如此丰富的资源，可以说如果每个国家都具备开采镁资源的能力， 那么就可以从海水中或含镁量丰富矿石中轻而易举地获得大量的镁。镁中还可加 入多种合金元素制成二元的、三元的、甚至是多元的镁合金。例如，铝元素( a 1 ) 、 锌元素( z n ) 、锰元素( m n ) 等，还可以加入稀土元素，比如钆( g d ) 、钇( y ) 等，还有可以加入一些中间合金，镁锰中间合金( m g m n ) 、镁锆中间合金( m g z r ) 等。 1 1 1 镁的物理、化学和力学性质 镁元素位于元素周期表中第3 周期第2 主族，其原子序数为1 2 ，相对原子质量 2 4 3 1 ，电子结构为1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 。在室温下，金属镁的密度为1 7 3 8g c m 3 ，接近熔 点6 5 0 的时候，固态镁的密度大约为1 6 5g c m 3 ，液态镁的密度大约为1 5 8g c m 3 。 金属镁化学性质十分活泼，在潮湿的空气中固态镁很容易发生氧化和腐蚀， 1 沈阳理工大学硕士学位论文 熔融态的镁能在与空气接触时产生强烈的燃烧现象。在大约3 0 0 时，镁可以与氮 反生反应，生成氮化镁( m 9 3 n 2 ) 。镁在平常时抗腐蚀性较差，在潮湿的空气中就 能被腐蚀，在盐水中的腐蚀速度更快。但是，在一些碱类、石油类产品中，还有 氢氟酸水溶液中的抗腐蚀性不错。 镁的晶体结构为密排六方( h e x a g o n a lc l o s e p a c k e d ，h c p ) 结构，空间群为 p 6 3 m m c 洲o 1 9 4 【3 j ) ，室温下可以开动的滑移系较少，室温、低温塑性较差。纯镁 的力学性能较低，不可以直接用作结构材料使用。表1 1 列出了纯镁的主要物化参 数和力学性能参数。 表1 ，1 纯镁的基本性能参数【2 4 1 t 曲l e1 11 1 1 e b a s i cp e 墒m a n c ep a r a 咖e t e r so fm a 印e s i 啪1 性质数值 原子序数 相对原子质量 摩尔体积 配位数1 2 时的原子半径 离子半径 2 5 时 比重熔点时( 6 5 0 ) 液态时( 7 0 0 ) 密度( 2 0 ) 熔点 沸点 比热( 2 7 ) 熔化热 升华热( 6 5 0 ) 2 5 时 热容c p 固态 液态( 7 0 0 ) 2 5 时的熵s o 热导率( 0 1 0 0 ) 电阻率( 2 0 ) 导电率九 电化学位( 标准氢电极) 电化当量 多晶镁的杨氏模量 多晶镁的泊松比 多晶镁的热膨胀系数( 2 7 ) 线收缩率( 6 5 0 2 0 ) h a l l p e t c h 系数 1 2 2 4 3 0 5 0 1 3 9 9c m 3 0 1 6 2 珈 1 1 o 0 7 4 衄 1 7 4 毗m 3 1 5 7 2 趴m 3 1 5 4 4 阶m 3 1 7 42 沁m 3 6 5 0 士0 5 1 0 9 0 2 4 8 6j ( m o l k ) 8 7 1k j m o l 1 4 2 0k j ，m o l 14 7 0j ( m o l k ) 2 2 3 + 1 0 2 3 1 0 3 t o 4 3 1 0 5 t - 2j ( m o l k ) 3 2 6j ( m 0 1 k ) 3 2 6 6 士o 0 8j ( m o l 。k ) 1 5 5 5w ( m k ) 4 4 6 1 0 8q m 1 5 7w ( c m k ) 2 3 7 v 0 4 5 3 ( a h ) 4 5g p a 0 3 5 2 5 0 1 0 8k 1 9 2 8 0m p a p m l 2 1 1 2 镁合金的标记方法 目前，国际上通常采用美国材料试验协会( a s t m ) 标准来标记镁合金5 1 。根 2 一 第l 苹绪论 据该标准，镁合金的牌号和品级由四部分组成，第一部分为字母，标记合金中主 要的合金元素；第二部分为数字，标记合金中主要合金元素的质量百分含量，四 舍五入取整数；第三部分为字母，表明合金的品质；第四部分表明合金的状态， 由一个字母和一个数字组成。如镁合金a z 9 l d t 4 ，a 表示铝( a 1 ) 元素，z 表示锌 ( z n ) 元素，两位数字9 和1 则分别表示舢和z n 的名义含量分别为9 0 叭和1 0 叭， 后缀d 则表示a z 9 1 d 是a z 9 1 合金系列中的第四位，t 4 表示合金状态是固溶态。镁 合金中常用的合金元素字母代号见表1 2 ，常用状态代码如表1 3 所示。 表1 2 镁合金中常用合金元素的字母代号 t a b l e1 2t h el e t t e ro fa l l o y i n ge l e m e n t sc o m m o n l yu s e di nm a 薹m e s i u ma l l o y 代号元素代号元素代号元素 b b i s m u t l lkz i r c o n i m nss i l i c o n c c o p p e r ll i t h i u mtt i n dc a d m i 啪m m a n g a l l e s e wy t t r i 啪 er a r e e a r t hn n i c k e lya m i m o n v fi r o npl e a dz z i n c g m 砸m e s i u mq s i l v e rxc a l c i u i n 表1 3 镁合金牌号中的状态代码【6 l t a b l e1 3 t h es t a ：t u sc o d eu s e di nm a 鲫e s i u ma l l o y 【6 l 1 1 3 镁合金的应用 相对于常用的钢铁、铝合金及工程塑料等材料，镁合金具有以下优点：镁合 金是目前最轻的金属结构材料之一，镁合金的密度通常在1 7 5g c m 3 1 9 0g c m 3 范 围内，在现有工程金属材料中密度是最小的，约为铝的2 3 ，铁的l 4 ，与尼龙材料 的密度大体差不多：镁合金有很高的比强度，它的比强度高于很多钢材料和铝合 金，同时它还具有与铝合金相当的比刚度。所以，如果用镁合金来制作汽车零部 件，那么就可以大幅度减轻汽车本身的重量，减少油耗以及尾气排放量；镁合金 易于切削加工，可以大大提高切削速度，因此它可以在降低能量消耗的同时提高 气 沈阳理工大学硕士学位论文 加工效率弘另外，减振性能优越也是镁合金的一个特点，这一优点使它可以在减 轻振动与降低噪声的同时，还能防止由于共振所产生引起的材料疲劳；镁合金还 具有优异的电磁屏蔽性能，可以用它来制作电子通讯器材来防止电磁辐射干扰； 导热性能快和散热性能快也是镁合金的一大优点，这样就可以利用镁合金的这一 特点来制作外壳和散热部件，对设备起到保护作用；镁及镁合金无毒，而且可以 被回收再利用，可以减少对环境污染。 鉴于镁合金以上的优点，镁合金目前受到极大的重视，这不仅表现在国防军 工和航空航天等尖端领域，而且在目前盛行的汽车领域、通讯领域以及在工业、 制造业领域也受到广泛的重视。可以看到，镁合金具有很实际的应用价值和广阔 的应用前景【1 ，7 1 。因此，镁合金也被誉为“2 1 世纪最具有发展前途的一种金属材料”。 1 1 4 镁合金的研究与发展趋势 从镁合金在航空工业中开始被应用以来，镁合金的应用与发展步履维艰，它 的发展速度远远不及铝合金，而且和铝合金相比，无论是镁合金的研究深度、还 是开发应用范围都比较狭窄。主要原因就是由于镁的化学性质活泼，很容易就会 发生氧化和腐蚀；还有就是镁合金的冶炼工艺、铸造工艺很复杂，给浇注成型带 来困难；镁合金的强度不高，作为结构材料来讲，它的应用范围很大程度上被限 制了。但是，最近这些年来随着航空工业、汽车产业和电子商务业的迅猛发展， 各国对通过降低产品自身的重量来减轻能源消耗量和降低对环境的污染提出了更 加迫切的要求，这样就使镁合金的应用与开发在全世界范围内得到复兴，而且呈 现出更为强劲的发展趋势【8 9 】。美、德、澳、日等发达国家和地区高度重视镁合金 的研发和应用，均相继出台了各自的研究计划，投资数十亿美元，实施大型的综 合性攻关。此外，挪威、以色列、乌克兰、意大利、瑞士、澳大利亚、瑞典等国 也在镁及镁合金的开发应用方面作了大量的工作。到目前为止，镁合金的开发及 应用已进入相对比较成熟的阶段，并达到产业化的工业规模u 0 l 。 世界镁工业的发展虽然迅速，但镁的生产却出现了不平衡趋势。我国是世界 上镁资源最为丰富的国家，进入2 0 世纪9 0 年代以来，随着改革开放和市场经济 的不断深入发展，镁工业有了突飞猛进的发展。我国的镁生产不断扩大，产量及 出口量快速增长，已经对全世界镁供应链产生了巨大冲击和重要影响。近年来随 着油价的不断上升，作为镁合金主要应用产业的汽车工业，对镁合金的应用需求 4 第1 章绪论 也在增长，导致世界范围内的镁合金应用竞争更趋激烈。我国是世界上最大的镁 生产国，但却不是开发应用大国，8 0 以上的原镁作为初级原料低价出口。因此， 在我国研究、开发、生产高质量、高性能镁合金材料具有独特的优势，同时也是 目前我们所面临的一个十分重要而紧迫的课题l l 川。 1 2 镁及镁合金的强化 目前应用于镁合金的强化处理方法主要有合金化、热处理强化、复合强化和 细晶强化。其中，以合金化强化为最基本、最常用和最有效的强化处理方法，其 它强化方法都是建立在合金化的基础上的。 1 2 1 镁的合金化 纯镁的强度很低，即使经过变形或细晶强化等手段，其性能仍无法达到结构 材料的要求。根据金属铝合金化的经验，可以向纯金属镁中加入一些其它金属元 素实现镁的合金化，达到提高纯镁的强度的目的。加入合金元素后，合金元素就 会对原基体组织产生固溶强化、细晶强化、沉淀强化和弥散强化等作用，从而达 到提高合金的强度、抗腐蚀性能和耐热性能的目的。 不同合金元素的加入对镁合金的力学、物理、化学和工艺性能的影响也不同。 根据合金元素在镁合金中的存在形式和对镁合金组织与性能的作用，可以将镁合 金中的合金元素大致分为三类 3 1 1 1 。第一类，是在提高镁合金的强度的同时还提高 塑性的元素，如a l 、z n 、t l l 等；第二类，是能够提高镁合金塑性，但是对强度的 影响较小的元素，如c d 、l i 等；第三类，是提高了镁合金的强度，但是却降低塑 性的元素，如s n 、p b 等。表1 4 给出了镁合金中常见的合金元素的作用【3 ，4 1 。 沈阳理工大学硕士学位论文 表1 4 合金元素对镁合金性能的作用【3 ，4 】 1 曲l e1 4 a 1 1 0 y i n ge l e m e n t so np r o p e n i e so fm a 印e s i u ma l l o y s 【3 ，4 】 合金元素 对镁合金性能的作用 低温下固溶强化、沉淀强化；增加合金的流动性 增加合金的流动性；固溶强化、沉淀强化 细化晶粒；提高合金的抗蠕变性能和耐蚀性能，改善焊接性能 提高镁合金的塑性变形能力：显著降低镁合金的密度 沉淀强化，提高镁合金的高温强度和蠕变抗力 细化晶粒；改善合金的铸造性能，提高合金室温抗拉强度 提高合金抗蠕变性能；降低镁合金的铸造性能并导致脆性 提高合金的高温强度和抗蠕变性能；阻燃；细化晶粒 提高镁合金的高温强度；降低镁合金的抗蚀性 细化晶粒；固溶强化、沉淀强化，提高合金的高温强度和抗蠕 变性能；提高耐蚀性能 增加合金流动性：高温和低温下固溶强化、沉淀强化；提高耐 蚀性能 提高镁合金高温强度和蠕变性能的最佳元素；具有放射性 1 2 2 热处理强化 热处理强化是目前镁合金( 尤其铸造镁合金) 的主要强化方法之一。热处理 可以在不同程度上改善力学性能，如抗拉强度、屈服强度、延伸率、硬度等。如 对于z n 质量分数为8 的m g 。z n 二元合金，铸态屈服强度和抗拉强度分别为7 5 m p a 和1 7 0 m p a ，而其过饱和固溶体在1 7 5 经1 6 h 人工时效后，屈服强度和抗拉强度分 别达到17 5 m p a 和2 4 0 m p a 。但镁合金能否通过热处理来强化取决于合金中各组元在 固溶体中的溶解度是否随温度变化。镁基固溶体的扩散和分解过程缓慢，因此固 溶和时效处理一般需要保持较长的时间，但热处理结束时，不需要快速冷却，一 般在空气中或人工气流中冷却即可。对于一般镁合金铸件而言( 除压铸) ，其铸 态力学性能都可以通过热处理( t 6 ) 的方法改善。 1 2 3 镁合金的强化机制 1 2 3 1 镁合金的固溶强化 镁合金的强化机理一般包括固溶强化、细晶强化、沉淀强化、弥散强化等。 固溶强化机理中，溶质原子固溶入基体的晶格中，由于溶质原子与基体原子 的原子半径和结合力不同使晶格发生畸变，畸变产生的应力场与位错发生交互作 用，从而使合金得到强化i l 引。 值得注意的是，在镁合金中，大多数合金元素的原子都以置换固溶体形式存 在。而一般情况下，固溶体中溶质原子越多，固溶强化的效果则越好。 m孙“趣厅&眈饥y 跹l 曼 第l 章绪论 1 2 3 2 镁合金的细晶强化 晶界是位错滑移的有效障碍，晶界前方的应力集中使得更多的滑移系被激活， 从而使合金的整体变形更加均匀，带来合金强度和韧性的同时提高。合金的屈服 强度与晶粒尺寸的关系可以用h a l l p e t c h 方程表示【1 3 】： 仃w = 仃o + 翮一l z( 式1 1 ) 其中，o v s 为晶体的屈服强度，对于屈服不明显的合金，比如镁合金，通常采 用o o 2 代替；6 0 为位错在晶体中运动的总阻力，大体相当于单晶体的屈服强度；d 为晶体中晶粒的平均直径；七为表征晶界对强度影响程度的常数，与晶界结构有关， 与温度关系不大，准越大，表明晶界强化的效果越显著。 铸造镁合金中常用的晶粒细化方法有m g 尉系中的过热处理【1 4 】、碳变质陋1 7 】 以及无舢镁合金中的z r 晶粒细化u8 j 等，它们的基本原理主要是通过在凝固过程中 起到促进形核和抑制长大的作用，从而获得细小晶粒。另外，利用热机械处理也 可以进一步细化晶粒，如热挤压和轧制可以控制晶粒尺寸在2 0 岫左右。近年来， 利用剧烈塑性变形( s p d ) 的方法如等通道角挤压( e c a e ) 、累积轧制( a i 也) 、 多轴锻造( m a f ) 或高压扭转( h p t ) 等，可以制备晶粒尺寸小于l 岬的超细晶 组织。这类方法主要是通过塑性变形，使合金发生静态或动态再结晶达到晶粒细 化的目的。另外，通过快速凝固( r s ) 粉末冶金( p m ) 工艺和半固态( s s m ) 工艺等也可以实现镁合金的细晶强化【1 ，2 1 。 1 2 3 3 镁合金的沉淀( 析出) 强化 镁合金的另一个重要的强化机制是沉淀强化，也称析出强化。处于高温下的 单相固溶体快速冷却时，合金形成不稳定的过饱和固溶体( s u p e r _ s a t l l 阳t e ds o l i d s o l u t i o n ，s s s s ) ，长时间时效会析出细小而弥散的沉淀相。沉淀强化的位错机制 在于分散的强化相颗粒迫使位错绕过( o r o w m 机制) 或切过强化相颗粒而额外做 功【1 9 】。镁合金的时效硬化析出相通常比基体固溶体的硬度高得多，在变形过程中， 合金中的颗粒不容易被剪切，因此，一般以o r o w a l l 绕过机制为主。 析出相的强化主要是通过析出相的形状、数目、分布、强度、以及它与基体 之间界面的性质和位向关系等共同作用达到强化效果。理想的情况是得到细小、 均匀分布、且与基体晶格呈共格关系且热稳定性较好的沉淀相。当温度升高时， 沉淀析出相很快就粗化或软化，以致强化作用逐渐消失掉。因此，尽管有些镁合 7 沈阳理工大学硕士学位论文 金可以通过时效处理进行强化，但强化效果相比一部分铝合金不是很理想。为了 加强镁合金的析出强化效果，在选择合金元素时应该注意以下几点：( 1 ) 在高温 下，该元素在镁中要有足够的固溶度，且固溶度应该随温度变化而变化，来提高 合金的时效强化能力；( 2 ) 在析出相中，应该含较多的镁元素，意在提高析出相 百分含量，也是为了降低所需合金元素量；( 3 ) 合金元素在镁基体中的扩散速率 应该较低为好，以防止由于扩散较快引起过时效现象和高温变形时位错攀移现象。 1 2 3 4 镁合金的弥散强化 弥散强化的机制与沉淀强化类似，不同的是，弥散强化的颗粒通常是在合金 凝固过程中产生。在常温下，沉淀相和弥散颗粒都可以阻碍位错运动，使合金强 化。在高温条件下，析出相一般会逐渐长大或软化，失去强化作用。而弥散强化 机制中，弥散相具有很高的熔点且在基体中溶解度很小，其强化作用对温度的敏 感性较低，因而在高温下弥散相仍然能够继续阻碍位错运动，保持合金的高温强 度。此外，弥散颗粒的钉扎作用还可以减弱由回复所造成的第二相软化及晶粒长 大现象，从而提高了合金的高温抗蠕变性能。因而，研究弥散强化对耐热镁合金 性能的影响，对提高镁合金的高温性能具有重要的意义。 1 3 镁合金分类 镁合金的分类方法很多，一般按照合金的化学成分、合金中是否含锆或成形 工艺对镁合金进行分类1 12 1 1 1 。按照合金的化学成分，镁合金可分为二元的、三元 的或者多元的合金，代表合金系列主要有镁铝( m g 捌) 系、镁锰( m g - m n ) 系、 镁锂( m g l i ) 系、镁锌锆( m g z n z r ) 系、镁锌稀土( m g - z n r e ) 系等。依据 合金中是否加入锆，还可分为含锆镁合金和不含锆镁合金。 根据成形工艺不同，镁合金可以分为铸造镁合金和变形镁合金两大类。其中 大多数镁合金都是通过铸造方法生产的，其中压铸是目前应用最广泛的铸造成形 工艺，约9 0 以上的镁合金产品都是压铸成形的2 0 引】。 1 3 1m g a l 合金系 m g a l 合金是目前研究最多、发展最成熟的镁合金系列之一，并以其成本低廉、 良好的铸造性能及力学性能等优点，得到了广泛的应用，代表合金牌号为a z 9 1 及 舢6 0 5 0 合金。但是，虽然镁铝合金系在室温下具有较高的力学性能，但是在温度 大于1 2 0 时其蠕变性能会变得较差，导致力学性能快速下降。这主要是因为温度 一r 一 第1 章绪论 升高后，晶界会析出的丫m g l 7 a l l 2 相，该相的熔点较低，仅为4 6 0 ，而且当温度 超过1 2 0 时就会变软，对于钉扎晶界不起作用【2 】。 铝含量较低的镁合金，譬如a m 5 0 6 0 合金，虽然室温强度不高，但是塑性要比 a z 9 1 合金好，变形能力显著增强，对于制造要求高延展性、高断裂韧性的部件比 较适合。而导致a m 系合金具有较好延展性的根本原因是晶界附近的丫一m g l 7 a 1 1 2 相 显著减少【2 1 。 硅元素的引入，可以改善镁铝合金系的蠕变性能，降低铝含量则使其效果更 明显，这样对有减少丫m g l 7 a l l 2 相的含量有帮助，而且对于压铸等冷凝速度较快的 工艺，硅元素会和镁元素生成m 9 2 s i 化合物。因此，a s 4 l 和a s 2 1 两者在1 3 0 以上 时都具有比a z 9 1 更好的蠕变性能，同时，a s 2 1 由于具有更少的铝，其高温抗蠕变 性能更佳。上述a s 4 1 和a s 2 1 合金，曾在多代著名的大众甲壳虫汽车的引擎结构中 大规模使用过【2 3 】。 稀土元素是提高镁合金高温抗蠕变性能的一个重要的合金添加元素。稀土主 要采用富铈稀土，而这种合金的铸造也仅限于凝固速度较快的成形工艺( 如压铸 等) ，因为冷速过慢会导致粗大舢2 对! 化合物相出现。 有研究表明，高锌含铝镁合金的流动性很好，如z a 8 8 合金，可进行压力铸造， 甚至它的流动性和抗腐蚀性要比传统的a z 9 1 合金还好。图1 1 为压铸m g - z n 灿合金 的铸造性能图，有两个成分范围可作为铸造区。目前m g 1 2 z n - 4 a l ( 叭) 合 金由于它低铝含量的特性可以改善表面镀覆功能，对其压铸工艺的研究逐渐受到 人们的重视。c a 具有阻燃作用，可以提高m g 一舢基合金的耐热性，但是会降低压铸 性能并导致热裂现象的产生。在m g 舢c a 合金中添加z n 元素开发的高锌含量的 m g z n a 1 c a 合金，其压铸性能可以大幅度提高，耐热性能也十分良好【2 1 。 沈阳理工大学硕士学位论文 z n 舍量，m 豳鑫 图1 1压铸m g z n a 1 合金的铸造性能图f 2 1 f i g 1 1c a s t a b i l 时o fd i e c 嬲t i n gm g z n a la l l o y 2 】 1 3 2m g z n 合金系 z n 在m g 中的最大固溶度为6 2 叭。在3 4 0 时，z n 含量为5 1 2 叭时发生共 晶反应l m g ( 0 【) + m 9 7 z n ，温度下降到3 1 2 时发生共析反应，即m 9 7 z n _ m g ( u ) + m g z n 。因此合金的室温平衡组织有m g ( a ) 和m g z n 化合物组成【2 j 。二元 镁锌合金在时效处理时会形成共格g p 区或者半共格金属间化合物相。采用低于g p 区固相线的预时效方法来得到更加细小、弥散分布的析出相，从而可以提高时效 的强化效果。然而，镁锌合金系的发展，仍须攻克难于细化晶粒及易产生显微疏 松等难题 2 3 1 。 在m g z n 合金中添加稀土元素可以改善合金的铸造性能和提高蠕变抗力，从而 发展了m g z n i 也合金。其中最有代表性的是z e 4 1 和z e 3 3 合金，大致相当于我国标 准中的z m l 和z m 2 合金。m g z n r e 合金在凝固过程中先析出树枝状m g ( q ) 固溶 体，具有亚共晶组织特征。r e 在m g - z n 合金中形成高稀土含量的m 歇z n y i 通：三元相， 并具有推迟时效的作用【2 j 。 1 3 3m g l i 合金系 镁锂合金以其高强度、良好的抗振衰减性、优异的切削加工性能等优点，成 为理想的宇航工业结构材料。当锂含量达到7 5 埘时，在5 8 9 及会发生共晶反应 l a m g + p - l i ，式中p - l i 为体心立方结构的固溶体，其塑性高于a m g 相。在共 晶温度下，锂在0 【m g 相中的极限固溶度为5 5 讯，温度对其固溶度影响极小，低 第1 章绪论 锂含量的m g l i 合金的热处理强化效果不明显。锂含量超过5 5 m 后，合金中出 现p l i 相，提高了合金塑性，但导致合金强度下降。 镁锂二元合金由于力学性能较差，实际应用还很少，和其它元素( a l 、z n 、 s i 等) 合金化后可显著提高抗拉强度和屈服强度。具有工业使用价值的m g - l i 系合 金有l a l 4 1 、l a 9 1 及l a z 9 3 3 等几种牌号，其中l a l 4 1 a 和l s l 4 1 a 最为常用，锂含 量为( 1 3 1 5 ) 吼，前者含铝量为( 0 7 5 1 7 5 ) 叭，后者含硅量为( o 5 0 8 ) 叭【2 】。 1 3 4m g z r 合金系 m g z r 合金的代表合金系包括m g z n 一西系、m g - r e z r 系和m 争a g z r 系等。 锆( z r ) 是铸态m g z n 合金中最有效的晶粒细化剂。m g z n z r 系合金( z k 系 列) 按a s t m 标准，代表牌号主要有z k 3 1 、z k 4 0 a 、z k 6 0 a 、z k 5 1 a 等牌号。我 国的m b l 5 属于z k 合金系，是工业变形镁合金中强度最高，综合性能最好、应用较 为广泛的结构合金之一。在国外，挤压态的z k 4 0 a 合金和z k 6 0 a 合金最为常见【2 1 。 对于在m g z n z r 合金系，稀土元素的引入，可使合金在凝固过程中在晶界处 形成化合物相，改善铸件组织；显著提高合金的铸造性能。在氢气氛中进行固溶 处理可以大幅地提高力学性能( 如z e 6 3 合金) ，主要原因是在固溶处理过程中， 氢扩散到合金基体中，与化合物相中的稀土元素反应生成弥散分布的稀土氢化物， 化合物相中的锌被释放出来，重新固溶到基体中，从而强化合金【到。但是由于氢气 的扩散作用较弱的限制，这种氢气氛下的固溶工艺只能用于薄壁件的热处理【5 1 。 m 分y n d z r 合金是m g r e z r 合金系的代表合金之一。由于钇元素在镁中的固 溶度高( 最大可为1 2 5 叭) 以及镁钇合金的时效特性，使m g y - n d z r 合金在3 0 0 下具有优异蠕变性能。在钇含量约6 o 谢，同时钕含量约2 o 叭时，m g y - n d z r 合金具有最大强度及较高的塑性，由此产生了第一个商用化合金为w e 5 4 。在t 6 状 态下，典型w e 5 4 在室温下，屈服强度2 0 0 m p a ，抗拉强度为2 7 5 m p a ，延伸率为4 ， 而且具有优异的高温性能。后来的研究发现，w e 5 4 合金如果长时间暴露在1 5 0 左右的温度下，其延伸率将逐渐下降，甚至于无法使用。g 等开发了一种钇钕 含量低于w e 5 4 合金的镁稀土合金，即w e 4 3 。尽管相比w e 5 4 合金，w e 4 3 在总体 强度上稍低，但是在1 5 0 左右的抗蠕变性能有很大的提高【5 】o 由于镁钇系的合金成本较高，尤其纯钇价格昂贵，为扩大其应用，有研究发 沈阳理工大学硕士学位论文 现了一种富含钇的混合稀土可以用来替代纯钇使用。这种富含钇的混合稀土含有 7 5 讯钇以及其它如钆和铒等重稀土元素，可显著降低合金成本【2 4 】。 a g 元素具有明显提高m g - r e 合金的热处理强化效果的作用，目前人们已经开 发了几种不同成分的含银高温镁合金如q e 2 2 和e q 2 l 等。如果m g - a g n d z r 合金中 的银含量低于2 0 嘶，则合金中的沉淀相析出过程与m g i 砸合金类似，并会形成 m g n d 相沉淀析出。当合金中银含量比较高时，合金中存在两个互相独立的沉淀析 出过程，生成相可能是m 9 1 2 n d 2 a g 的平衡相。m g r e z r 系合金的拉伸性能比较低， 可以通过银的时效强化效应得到改善。若用富c e 的稀土混合物代替富n d 的稀土混 合物，合金强度将进一步提高( 2 j 。 1 4 离心铸造 1 4 1 技术发展历史 离心铸造是将液体金属浇入旋转的铸型中，使之在离心力的作用下，完成充填 和凝固成形的一种铸造方法。英国人埃尔恰尔特( e r c h a n ) 在1 8 0 9 年提出了世界 上第一个离心铸造法的专利，名称为“用铁液生产更好、更纯净的金属制品”。它要 比德国人贝士麦( b e s s e m e r ) 提出的连续铸管的方法早4 8 年( 1 8 5 7 年) 。随后， 离心铸造方法在和连续铸造、砂型铸造的竞争中不断发展，并逐渐推广到其他环 形铸件( 例如气缸套、轴瓦) 的生产中。但真正使离心铸造发展的，还要归功于 巴西人代拉沃德的水冷金属型离心铸造机的发明与2 0 世纪中期球墨铸铁在铸管 上的应用，从而开始了用离心铸造工艺替代连续铸造工艺、用球墨铸铁代替灰铸 铁在生产压力铸管方面的过度。因此，大都认为离心铸造法是环绕铸管生产的发 展而开发并推广到其他铸件生产的方法 2 川。 在离心铸造方法及其产量发展上有很多具有代表性的人物和事件： 1 8 0 9 年，英国人埃尔恰尔特( e r c h a n ) 首先得到了离心铸造工艺专利：“用铁 液生产更好、更纯净的金属制品”。 1 8 4 9 年，英国安德鲁逊克( a n 出a ws h a n k ) 制造了第一台离心铸造机，并用 它生产了长3 6 0 0 m m ，直径7 5 m m 的离心铸管。 1 9 1 0 年，德国工程师托奥不里德( o 怕b r i d e ) 发明了用液压缸驱动的浇注流 槽，使其具有一边把液态金属浇入离心铸型一边后退的功能，适应了用金属模生 产长管的需要。 12 第1 章绪论 1 9 1 4 年，巴西人代拉沃德( d el a v a u d ) 和同事阿来恩斯( 觚n s ) 发明了水 冷金属型离心浇注机。它有三个特点金属型水冷，提高了冷却速度和生产率；采 用移动流槽能生产各种长度的管子；采用了拔管装置提高了生产率。目前世界上 绝大部分管子都用此法生产，故为纪念这位发明人称此法为代一拉沃德法。 1 9 1 7 年，美国姆尔( w l m o o r e ) 发明砂型离心铸造法，即在金属型内衬上粘 土砂层。其优点是铸管外表质量好，不易产生白口，不用随后的退货处理，降低 模具的损耗。 1 9 5 0 年，瑞典开始采用耐热涂料替代砂型生产污水管，并在2 0 年后被法国木 松桥公司( p o n t a m o u s s o m ) 移植到球墨铸铁管的生产上，生产出长8 0 0 0 m m ，直 径1 5 0 0 i i 1 1 的管子。 1 9 5 1 年，球墨铸铁发明后的第三年，就在欧洲首先被采用到铸管上。它和水 冷金属型方法相结合，加之随后的热处理，给离心铸造带来了蓬勃的发展生机， 也给供水管线带来了革命性的转变。 1 9 5 2 年，美国铸管公司采用覆膜树脂砂替代砂型来生产铸管，称之为 m o n 0 - c a s t 法。此法在美日以及我国台湾得到了广泛应用，日本久保田公司在1 9 9 0 年用此法生产了长4 5 0 0 n 皿，直径为2 6 0 0 i 砌的球墨铸铁管。 1 9 8 3 年，邢台钢铁厂首先在我国引进了热模离心铸管工艺。 1 9 9 8 年，新兴铸管集团