（材料加工工程专业论文）sn、ca合金化对za62镁合金显微组织和力学性能的影响.pdf

摘要 镁合金在汽车、电子、航空航天等领域应用非常广泛。然而，传统镁台金黼 瀣稳麓差，大大隈铡了其盛蠲范嚣。毽 | 囊= ，开发裁型低成本毫瀑瓣熬镁合金是邋 年来的研究热点。 m g 。z n a i 系具有菏发裹性能 | | l 雩热镁舍金趣漤力，裹镶低镪敲本凄上瀵除了热 稳定性较差的6 相。因此，本文以z a 6 2 合金为基础，研究了添加s n 、c a 合金元 素对z a 6 2 合金显徽缀缀、力擎蛙畿鞠获瘸蚀性兹影响，著考察了热处理过程中国 rs n 、c a 合金化引起的组织性能变化规律。实验研究结果如下； ( 1 ) z a 6 2 铸态会金主要由程一m g 露离异共鑫纯合物m g z n 翱疑组戏，英中 m g z n 相是室温下的主要强化相。添加少量s n 元豢后，m g z n 相得到一定程度的 缯纯，著在鑫器爨近辑出黎教约m g z s n 颗粒。该灏粒熔感麓硬度薅，可以畜效筑 钉扎晶界，阻碍位错运动，从而显蔫提高了合金强度，改善了材料的塑饿。当s n 含量遴步提麓蹲，m g z s n 鞠大量裁出，强辩挺进了m g z n 据豹大量掇出并褪化， 从而健合金的抗拉强度有所下降。z a s 6 2 0 5 具有最佳的综合性能，室温条件下o b = 2 2 5 m p a ，岱2 = 1 1 8 m p a ，艿= 8 9 ； 5 0 裹涅条俘下，z a s 6 2 0 5 鲍力学蛙能爽 o b = 2 1 2 m p a ，6 02 1 1 3 m p a ，5 = 1 2 , 2 。 ( 2 ) 在s n 台金化的基酬i 上添搬少量的c a ，添嬲少量戆c a 虽然没有形或毅的 强化桶，但细化了晶界上粗大的m g z n 相，从而使得合金的强度提高，而塑性蕊 本缳持不变。z a s x 6 2 3 0 0 5 黪力学燃能为镪= 2 5 5 m p a ，a o2 1 3 5 m p a ，s = 9 。 添加s n 、c a 可改善了z a 6 2 合金的抗腐蚀性能。 ( 3 ) 热入s n 、c a 合金元素对镁合金固漆处理的组织有缀大的影响。经过固渗 处理后，各种合金硬艘都有不同程度的下降，延伸率得到提高。z a 6 2 合盒在时效 处理过程中，m g z n 襁以细小的颗粒状析出，大部分分布程鑫界上，少量存在于烈 内；而在含s n 、c a 的合金中，时效过程中形成非常细小的m g z n 相颗粒。 ( 4 ) s n 合金化z a 6 2 台金经过阉溶时效处理后，合金灼强度鹰所增加，担塑 性明鬣f 降；但合金经过固溶时效处理后，强度及塑性都肖一定程度的下降。 关键调：镁合金；合众化；艘微组织；力学性能：热处理 s n 、c a 合金化对z a 6 2 镁台会址微组织和力学性能的影响 a b s t r a c t m a g n e s i u ma l l o y s a r e w i d e l yu s e di n t h ef i e l d so fa u t o m o b i l e s ，e l e c t r o n i c s ， a e r o s p a c ee t c h o w e v e r , t h ec o n v e n t i o n a lm a g n e s i u ma l l o y sa r ec h a r a c t e r i s t i c so fp o o r h i g ht e m p e r a t u r em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，w h i c hg r e a t l y r e s t r i c tt h e i r a p p l i c a t i o n s t h e r e f o r e ，d e v e l o p i n gn o v e ll o w c o s th e a t r e s i s t a n c em a g n e s i u ma l l o y sh a sb e c o m ea h o tt o p i cr e c e n t l y t h em g z n a ia l l o ys y s t e m ，i nw h i c ht h eh i g hz nb u tl o wa 1c o n t e n te s s e n t i a l l y e l i m i n a t e st h epp h a s ew i t hp o o rt h e r m a ls t a b i l i t yh a sg r e a tp o t e n t i a l si nd e v e l o p i n g h i g hp e r f o r m a n c eh e a t r e s i s t a n c em a g n e s i u ma l l o y s i nt h i st h e s i s ，t h ee f f e c t so fs na n d c ao nt h em i c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fz a 6 2a l l o y a sw e l la st h ei n f l u e n c eo fs na n dc aa l l o y i n go nt h ee v o l u t i o no fi t sm i c r o s t r u c t u r e a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sd u r i n gt h eh e a tt r e a t m e n tw e r ei n v e s t i g a t e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r el i s t e da sf o l l o w s ( 1 ) t h ea s c a s tz a 6 2a l l o yw a sm a i n l yc o m p o s e do fn m ga n dm g z n ，t h el a t t e ro f w h i c hw a st h em a i ns t r e n g t h e n i n gp h a s ea tr o o mt e m p e r a t u r e am i n o ra d d i t i o no fs n c o n t r i b u t e dt ot h er e f i n e m e n to ft h em g z np h a s ea n dt h ef o r m a t i o no fd i s p e r s e dm 9 2 s n p a r t i c l e sa r o u n dt h eg r a i nb o u n d a r y t h em 9 2 s np a r t i c l e s ，w i t hh i g hm e l t i n gp o i n ta n d h i g hh a r d n e s s ，c o u l dp i nt h eg r a i nb o u n d a r ye f f e c t i v e l ya n dp r o h i b i tt h em o t i o no f d i s l o c a t i o n s ，a n dh e n c ec a u s e dt h ei m p r o v e m e n ti ns t r e n g t ha n dp l a s t i c i t y h o w e v e r ， t h ea d d i t i o no fs nm o r et h a no 5 m a s s c o n t r i b u t e dt ot h ep r e c i p i t a t i o no fo ft h em 9 2 s n p a r t i c l e sa n dt h em g z np h a s e ，a n dt h ec o a r s e n i n go ft h el a t t e r ，w h i c hl e dt ot h e r e d u c t i o ni nt h eu l t i m a t es t r e n g t h t h ea l l o yd e s i g n e da sz a s 6 2 0 5h a dt h eb e s t c o m b i n a t i o no fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a tr o o mt e m p e r a t u r e ，t h eu l t i m a t es t r e n g t h ， y i e l ds t r e n g t ha n de l o n g a t i o nw e r e2 2 5 m p a ，1 18 m p aa n d8 9 r e s p e c t i v e l y , w h i l ea t 1 5 0 t h eu l t i m a t es t r e n g t h ，y i e l ds t r e n g t ha n de l o n g a t i o nw e r e2 1 2 m p a ，1 1 3 m p a a n d1 2 2 ( 2 ) am i n o ra d d i t i o no fc ah a d n oi n f l u e n c eo nt h ep h a s ec o n s t i t u t i o n s ，b u tr e f i n e d t h eg r a i n sa n dt h ed i v o r c e dm g z ni n t e r m e t a l l i c s t h e r e f o r e ，t h es t r e n g t hw a sg r e a t l y i m p r o v e da n dt h ep l a s t i c i t yw a sm a i n t a i n e d a tr o o mt e m p e r a t u r e ，t h eu l t i m a t es t r e n g t h ， y i e l ds t r e n g t ha n de l o n g a t i o no f z a s x 6 2 3 0 0 5w e r e2 5 5 m p a ，1 3 5 m p aa n d9 t h e a d d i t i o no fs na n dc ac o n t r i b u t e dt ot h ei m p r o v e m e n ti nt h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo f z a 6 2a l l o y i i 坝 学位论文 ( 3 ) t h ea d d i t i o no fs na n dc ah a dg r e a ti n f l u e n c eo nt h ea g i n gp r o c e s so fz a 6 2 a l l o y t h em g z np h a s ew a sp r e c i p i t a t e dm o s t l ya tt h eg r a i nb o u n d a r yi nt h ef o r mo f f i n ep a r t i c l e s ，a n dl i t t l ei nt h eg r a i ni nt h ez a 6 2a l l o y ，w h i l et h em g z np r e c i p i t a t i o n s w e r em u c hf i n e ri nt h ea l l o yc o n t a i n i n gs na n dc a ( 4 ) i nc o m p a r i s o nw i t ht h ec o r r e s p o n d i n g a s - c a s ta l l o y s ，t h ez a 6 2a l l o y sc o n t a i n i n g s ne x p e r i e n c e dt h es o l u t i o nt r e a t m e n ta n da g i n gp r o c e s sh a dh i g h e rs t r e n g t ha n dm u c h l o w e re l o n g a t i o n ，w h i l et h ez a 6 2a l l o y sc o n t a i n i n gs na n dc ah a dr e d u c e ds t r e n g t h a n dp l a s t i c i t y k e y w o r d s ：m a g n e s i u ma l l o y s ，a l l o y i n g ，m i c r o s t r u e t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ， h e a tt r e a t m e n t 1 l i 湖南大学 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：凑船 日期洲年f 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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：膜锹 导师签名：矛狡沥多 日期以年 日期艚 莎月( 日 f 月f 日 硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 镁合金作为可应用的密度最低的金属结构材料，其密度仅为铝的2 3 、钢的1 4 ， 具有比强度和比刚度高，阻尼减震性能和电磁屏蔽性能远优于铝合金，抗辐射、 切削加工和热成形性能好，易回收等优点，因而在汽车、电子、航空、航天、国 防军工等领域应用非常广泛，被誉为“2 1 世纪的最有前途和潜力的绿色工程材料” 川。 目前，能源和环保问题正越来越受到人类的重视，汽车工业将迎来一场轻量 化的革命，汽车制造商纷纷把目光投向了镁合金。美国的三大汽车集团( 通用、 福特、克莱斯勒) 与美国能源部签署了“新一代交通工具合作计划”，其总体目标 是要生产出每百公里耗油量3 l 的6 人载客汽车，而且整车至少8 0 以上的部件可 以回收再利用 创。有报道，汽车每减重l o o k g ，则油耗降低5 ；如果全球生产的 汽车每辆使用7 0 k g 镁，则全球的c 0 2 年排放量将减少3 0 以上j 。德国大众公司 声称，在未来5 年内，每辆汽车上的用镁量可以达到6 0 8 0 k g ；在未来1 0 年内， 每辆汽车上的用镁量可以达到1 7 8 k g 。到时，镁合金的轻质特点会大大减小汽车的 质量，为汽车节能、降低尾气有害气体排放、提高起动速度和转弯速度提供了巨 大的潜力1 2 , 4 。目前已经开发了6 0 多种镁合金零件应用于汽车制造中，如转向盘骨 架、踏板、齿轮箱盖等，并将进一步发展大体积的车身零件，如门框架、发动机 缸体、车顶板、后部车厢隔板等。 近1 0 年来，3 c ( c o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o n ，c o n s u m e re l e c t r o n i c sp r o d u c t s ) 产品 发展速度极快，随着3 c 产品的小型化，在结构刚度、散热性方面对材料提出了更 高的要求，传统使用的工程塑料已经无法满足这样的需求。而且新的3 c 产品要求 材料具有屏蔽性和可回收性，只有m g 合金才具有这些优点，所以日本和台湾地区 已经广泛地将m g 合金应用于3 c 产品上。目前镁合金主要用来生产便携式电脑、 移动电话、摄录器材以及数码视听产品的壳体1 5 】。 镁合金质轻、比强度高的优点在航空航天及军事工业上得到极大的应用，包 括飞行器机身及其发动机、起落轮，火箭、导弹及其发射架，卫星和探测器，旋 转罗盘，电磁套罩，雷达和电子装置以及地面控制装置等的设计和制造，如m d 6 0 0 直升机的主传动系统使用镁合金后，水平旋翼系统的功能得到有效提高。 尽管镁台金具有比强度高、易于回收等一系列的优点，在汽车、电子工业中 的作用也越来越重要，然而，镁合金高温力学性能恶化和蠕变强度低是限制其广 ；n 、c a 台靛化舸z a 6 2 镁台盎娃微组织和力学性强们影响 泛应用的主要障碍。汽车工业上应用最为广泛的镁台金是a z 9 1 和a m 6 0 ，由于存 在热力学磺；稳定的m g l 7 a 1 2 楣，在1 2 0 。c 以上工作环境下强度和抗蠕变性糍急剧下 降，而彳j 能应用于发动机缸体、自动变速箱等高温场合撙喵j 。稀土耐热镁台愈 w e 5 4 、w e 4 3 等的使爝温度可以达到2 0 0 以上，但由于添加了大鬣稀土元素n d 、 y 等，成本韶贵，仅能在航空航天领域得以重用，其在汽车生产中的应用有所限 制。高温性能蒺已经成为限制镁合众在民雕工业中广泛应用的最大障碍，妻鞋何在 不大幅度增加制造成本的前掇下，掇高镁合金的高漱性能，使其能广泛应阁于1 2 0 2 0 0 。c 的工作环境，已经成为各豳镁合金研究工作者最感兴趣及最迫切需要解 决的谍题。 l 。2 耐热镁金金的高温强纯橇理 蠕变指的是金属在受到憾定外力的长时间作用下，随时间的娥长，材燃会缓 慢发生塑性交形的现象。对镁合金丽言，室温下进行的是撵塑性变形，变形并不 随时闻变化。瓶高温下，合龛在低于屈服点的应力作用下，就将发生蠕变变形。 根据应力和温度的不同，蠕变机理可阻分成两大类，位错蠕变和扩散蠕变。 也可进一步细分为位镄滑移、晶界滑移、晶界扩散和体扩散。 附热佳主要是指材料在裔温和外加载荷作用下抵抗蠕变及破坏的能力。高温 蠕变变形的微观机制与常温棚比较，不仅包括晶内潺移，滑移系域多，两且晶界 参与澎变，并艇形交撼显著增大，有时可以黼达4 0 5 0 。根据v o n m i s e s 准则， 当晶体材料发生塑性变形时，每个晶粒必须歪少有5 个独立滑移系。镁含金是密 排六方晶体，阂诧镁灞胞的懿轴眈c a 为l 。6 3 ，只有( 0 0 0 1 ) 熬面和( 1 0 i o ) 棱丰主面4 个 滑移系，很显然难以满足变形要求。但在高温蠕变过程中鼹界滑移将提供另外鼹 个有效的淆移系，由予镁台垒滑移系很少，残留韵晶界谴错将有很大的b u r g e r s 矢 量，因此在晶界处的廒力水平将很高。这样，在高温应力作用下，镁合金很容易 产生醅界涛移拶j 。 常温下金属的断裂在正常情况下皆属穿晶断裂，这是出于晶界区域畸变程度 大、晶内强度低予晶界强度所致。髓随溢度升高，出于晶界区域畸变程度大，使 原子扩散程度增加，晶界强度减弱。温度越高，载荷作用时问越长，则金属断裂 方式更多速星燕阍断裂方式。 m g a 1 系合金的商温蠕变失效形式主要表现为沿晶开裂。晶界裂纹首先出现 在晶器上静凸起帮霞粒增强鞠基俸交界处。随着菇界的渭瀚，裂纹逐步扩展为空 洞，在应力作用下，空洞沿着垂直于虚力方向的晶界扩展，最终导致试样断裂【 j 。 邈诧，鼠合金晶体结构静强菠躐点密发，耐热镁台金设计应驮限制饺错运动 和强化晶界两个方面入手，遂意味着应通过以下一种或多种方法综合柬提高镁合 金熬强往窝离滠孀变抗力： 2 硕十学位论文 ( 1 ) 引入热稳定性高的第二相； ( 2 ) 降低合金元素在镁基体中的扩散速率； ( 3 ) 改善晶界结构状态及其组织形态。 其中，方法( 1 ) 可以通过加入能形成稳定的金属间化合物的合金元素或直接 引入弥散强化的第二相来实现，而方法( 2 ) 和方法( 3 ) 则均可以通过适当的合 金化或微合金化实现】。 1 1 1 析出强化 合金元素在基体中的固溶度随温度的降低而析出的具有一定形状和分布的析 出相，阻碍位错运动和滑移，提高了合金的屈服强度。 然而具备析出相并不是强化的充要条件，析出相的形状、尺寸、分布、性能 以及与基体之间界面的性质也是析出强化作用效果的决定因素。总的来说，细小 弥散且与基体共格的析出相强化效果最好，在高温蠕变下也相对稳定。然而，镁 原子半径大，析出相通常不能以共格的形式析出，在高温下极易粗化，对晶界的 钉扎作用减弱，甚至成为裂纹源，严重影响合金的高温性能。如何改善析出相的 晶体结构以降低它与镁基体的点阵常数错配度，以及提高析出相的熔点增强其热 稳定性成为提高镁合金耐热性的关键问题之一【i ”。 1 2 2 弥散强化 开发弥散强化的耐热镁合金是扩大镁合金的高温应用温度范围的潜在途径。 弥散强化的机制与析出强化的类似，但与析出相形成温度不同，弥散强化的颗粒 在合金凝固的过程中产生，一般熔点较高，而且颗粒不熔于镁基体，所以具有良 好的热力学稳定性。 弥散强化早在1 9 4 9 年就被发现是一种极有前途的提高铝合金高温性能的手 段，高温强化效果远超出传统的析出强化限度。弥散强化合金的强度可以保持到 大大超过一般的软化温度。在常温下，析出相和弥散颗粒都可以阻碍位错滑移， 强化合金。在高温下，析出相逐渐粗大化和软化，失去强化效果，而弥散相却能 继续阻碍位错的移动，提高了合金的高温强度。但是，弥散颗粒应该与基体界面 结合良好，否则合金在变形时基体与颗粒的界面会产生分离而形成裂纹源，导致 合金韧性降低。因此，如何提高弥散相与基体的润湿性，弥散相的稳定性，控制 弥散颗粒的形态、尺寸和分布( 希望均匀分布在晶内) 等，是研究和开发弥散强 化型耐热镁合金需要解决的关键问题。 s n 、c a 含金化对z a 6 2 镁。会娃微组织和力学性能的始啊 1 2 3 固溶强化 固溶强化时溶质原子固溶于基体的晶格中，由于溶质原子与基体原子的原子 尺寸和弹性模量不同使晶格发生畸变，从而使合金强化。 根据h u m e r o t h e r y 规则，溶质与基体原子尺寸差大于1 5 ，就不会形成固 溶度较大的固溶体。因此，大多数高温元素如r e 、c a 和m n 等在镁中的固溶度很 低，高温国溶强化作用很小：在镁中固溶度高的元素如a l 和z n 等熔点低，随温 度提高，将不会有强化作用。通常，采用适当降低a 1 、z n 含量的方法来提高高温 元素在基体中的溶解能力，但这样做又会降低合金的室温性能和铸造性能。 固溶强化也是提高合金耐热性的基本方法之一。选择高熔点( 高温下扩散速 度低) 且固溶度大的溶质元素合金化可以增加位错运动特别是高温蠕变时位错攀 移的阻力，有效提高溶质原子对增加蠕变抗力的贡献。在固溶体中加入能提高原 子问结合强度，改变晶粒组织，造成晶格畸变，提高再结晶温度和延缓扩散速度 的元素，能显著提高合金的耐热性。 1 2 4 晶界强化 品界处因晶格缺陷较多使原子扩散迁移速度加快，导致晶界强度降低。强化 晶界的措施有： ( 1 ) 在晶界处形成大量细小析出强化相； ( 2 ) 增大晶粒尺寸以增大原子扩散距离，但根据h a l l p e t c h 效应，增大晶粒 尺寸会降低合金的力学性能； ( 3 ) 加入富集于晶粒表面和晶界位置的表面活性元素以填充晶界处的品格空 位、改善晶界附近的组织形态。 己发现表面活性元素如c e 、c a 、s r 、b a 和s b 能改善镁合金的高温性能。此 外，晶界处铸造缺陷( 如m g a1 基合金的缩松等) 使镁合金的蠕变强度大大降低， 消除此类缺陷对改善高温性能亦非常重要 7 1 。晶界强化有效地阻止了晶界的移动， 抑制了高温蠕变，是最有效的提高镁合金高温性能的强化手段。 基于提高镁合金抗蠕变性能的研究表明，固溶原子通过几种强化机制综合提 高合金的抗蠕变性。成分偏析可以起到钉扎位错和晶界的作用，抑制了晶界的移 动和滑移。溶质原子阻碍了回复的进程。在蠕变过程中，应变来源于位错在晶内 的运动和晶界的滑移，在晶内或晶界的析出相抑制了这两种过程，总体来说，大 小适宜且弥散分布的析出相对抗蠕变性能的强化作用要远大于固溶强化的作用。 1 2 5 耐热镁合金设计原则 镁合金的高温变形特点是晶内位错运动与晶界滑移相结合。因此，耐热镁合 4 硕士学位论文 金的设计思路遵循强化基体与晶界、限制基体位错运动及阻止晶界滑移为原则。 综合运用基体的固溶强化、时效强化和弥散强化，同时，弥散小颗粒对晶界的钉 扎作用，促使镁合金形成复合强化机制，也是研究和开发耐热镁合金的重要途径 【。此外提高镁合金的抗蠕变性，要求降低合金元素扩散速度，并增大析出相对 晶界移动的阻碍作用。 当材料置于高温低应力的工作环境下，材料首先将发生扩散蠕变。增加晶粒 尺寸以增加扩散距离减弱晶界扩散的作用，可以有效地阻碍扩散蠕变，从而提高 合金的耐热性：其次，在晶界上的析出物对位错滑移有阻碍作用，也是设计耐热 镁合金采用的主要的手段。当然这些析出物必须具备良好的热稳定性不至于在高 温时分解或变软而失去强化的作用。制定合适的热处理工艺对提高合会的耐热性 也是必不可少的工艺措施。 1 3 耐热镁合金的研究与应用现状 镁合金的高温性能是近三十年镁合金研究的热门课题。目前耐热镁合金主要 基于m g a i 、m g z n 、m g r e 的合金化展开研究，此外一些快速凝固和复合材料 耐热镁合金的开发也表现出良好的势头。 1 3 1 镁铝系 镁铝系镁合金是工业生产中应用最为广泛的镁合金种类，合金共晶温度较低 ( 7 1 0 k ) ，随铝含量增加合金的铸造性能也相应提高，并且具有优异的力学性能和良 好的抗蚀性。然而镁铝系合金在高温蠕变过程中，过饱和的m g 基体在晶界处析 出非连续p 相( m 9 1 7 a 1 1 2 ) ，非连续析出过程导致合金在晶界处形成交替的薄片状b 相和近平衡- m g 基体。近密排面的薄片间界面和薄片状结构为晶界滑移提供了更 多的滑移表面；同时薄片状相问界面与原有晶界几乎成直角，临近晶界的晶粒在 应力作用下以三维方式变形提供了额外的自由度。因此，非连续析出组织使晶界 移动和滑移极易进行。此外，晶内连续析出形成的b 相数量较少，通常为薄片状 并与基体基面平行( ( 0 0 1 ) m g ( 1 l o ) b ，( 1 0 0 ) m g ( 1 1 2 ) p ) ，因而也不能有效阻碍位错 的滑移，导致高温时效强化效果差1 7 。 目前，对m g a 1 系耐热铸造镁合金的研究主要集中在以下两方面： ( 1 ) a z 系( m g a 1 - z n ) 镁合金的耐热性改善，其主要通过添加微量合金元素( 如 r e 、s i 、c a 、b a 、b i 、s b 和s n 等) 改善a z 系合金中p 相( m 9 1 7 a i l 2 ) 的形态结构 或形成新的高熔点、高稳定性的第二相来提高其耐热性； ( 2 ) 新型耐热镁合金系列的开发。其主要以m g a i 二元合金为基础，通过单 独或复合添加s i 、r e 、c a 、s r 等合余元素，以形成具有抗高温蠕变性能的新型耐 3 n 、c a 合芷化对z a 6 2 镁台金显微组织和力学性能的影响 热镁合金系列。 1 3 1 1a z 系镁合金 现有的a z 系镁合金的耐热性改进主要集中在研究微量元素复合添加对现有 镁合金a z 9 1 等的b 相结构的改进使其与镁基体一致或提高析出相的熔点上。 稀土元素是改变镁合金高温蠕变性能的最有用和最具实际价值的添加元素。 适量添加r e 元素可以减少m 9 1 7 a 1 1 2 沉淀相的数量，并且细化相组织，还能形成具 有体心正交晶体结构的a 1 1 i r e 3 相( 文献中称r e a l 4 ，r e 为l a ，n d ，c e 及p r ) 弄f i 立方l a v e s 晶型的a 1 2 r e ( r e 为y 或n d ) 。虽然a 1 1 l r e 3 相对合金的室温极限抗拉 强度影响很小，但可显著提高合金1 5 0 时的极限抗拉强度和伸长率，并且屈服强 度也随r e 的加入而提高【l ”。 s i 对a z 系镁合金耐热性的改善主要通过形成具有高熔点( 1 0 8 5 ) 、与基体相 近的低密度( 9 1 9 9 9 c m 3 ) 、高弹性模量及低热膨胀系数等特点的m 9 2 s i 相来实现。 然而含有m 9 2 s i 的合金一般只能应用于冷速较高的压铸工艺中，如果凝固速度慢， m 9 2 s i 相会形成粗大的汉字状，严重恶化合金性能【l ”。因此向a z 系镁合金添加 s i 的同时一般需要加入c a ，p ，s r ，s b 或b i 等元素来细化m 9 2 s i 组织【1 4 】。c a 的 添加可以显著地提高合金的室温和2 0 0 的抗拉强度，但延伸率有所下降。同时 c a 的加入明显的细化了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1 5 1 6 l 。研究表明【1 7 】：c a 能提高镁合金3 5 0 。c 以下的高温硬度：当 c a a i 值大于0 8 时，合金中的c a 优先与m g 和a l 形成m 9 2 c a 和a 1 2 c a 耐热相， 同时减少了1 3 相的析出，在改善镁合金抗蠕变性能方面具有很大潜力08 1 。c a 微合 金化m g 一4 m a s s z n 合金的时效硬化特性研究表明，c a 具有细化时效析出相的作 用，从而大大提高时效硬化效应；细小的析出相在1 7 7 以下具有高温长期稳定性， 从而大大提高合金的抗蠕变性能【1 9 l 。 s r 、b a 和c a 一样同属于表面活性元素，可以富集于晶粒表面和晶界位置填充 晶界处的晶格空位，降低晶界处原子扩散速度，从而提高晶界强度。s r 的作用与 c a 类似，也能与m g 形成高熔点的m 9 2 s r 相，从而提高镁合金的高温性能【1 ”。 s b 为v a 族元素，镁合金中添加s b 后能形成高熔点的m 9 3 s b 2 ，还可以作为 m 9 2 s i 组织的细化剂改善m g s i 合金的显微组织，提高合金的室温强度、高温强度 和抗蠕变形性能【”j 。 s n 的加入能提高镁合金的室温和高温性能。s n 在镁合金中是一种很典型的具 有沉淀强化效果的合金元素，5 6 1 时最大固溶度为1 4 8 ，2 0 0 。c 时固溶度降至 0 4 5 。s n 含量对a z 9 1 合金高温性能的影响研究表明，在a z 9 1 中加入少量的 s n 即可生成m 9 2 s n 颗粒，该相熔点高且细小，大量弥散分布在晶界上，有效地阻 碍了位错滑移和钉扎晶界，从而提高了合金的耐热性。 硕士学位论文 1 3 1 2a s 系镁合金 2 0 世纪7 0 年代德国大众公司成功开发了替代a z 8 0 生产其甲壳虫( vw _ b e e t l e ) 空冷发动机曲轴箱的a s 系耐热压铸镁合金( a s 4 1 和a s 2 1 ) ，该合金可适用于1 5 0 以下的场合。由于a l 含量的减少和s i 元素的加入，减少了m g i t a la 2 相的数量， 得到了硬度和熔点都很高的m 9 2 s i 相( 熔点1 0 8 5 、硬度4 6 0 h v 0 3 、密度1 9 9 c m 3 、 膨胀系数7 5 1 0 k ) ，从而提高了合金的高温强度。1 7 5 时，a s 4 1 合金的抗蠕 变性能明显优于a z 9 1 和a m 6 0 合金。a s 合金必须通过快冷才会产生细小弥散的 m 9 2 s i 相，仅在压铸等条件下才会获得良好的拉伸与蠕变性能，重力铸造时由于冷 却速度慢导致合金的耐热性能很差。因此虽然a s 系列有较高的高温性能，但其推 广应用仍然因以下的不足而受到一定程度的限制【2 ”。 ( 1 ) 在慢冷条件下，s i 在合金中形成的m 9 2 s i 相往往以粗大的汉字状形态出 现，使合金的室温性能特别是延伸率下降。这主要是由于在m 9 2 s i 粒子周围存在 很大的应力集中，会促进显微空洞的萌生和扩展，并且随着温度升高，空洞会随 之增大，从而导致性能下降较快； ( 2 ) 由于每增加1 的s i ，m g s i 合金的液相线温度提高约4 0 。c ，导致合金 的流动性变差和合金的压铸工艺性能降低； ( 3 ) 由于铝含量较低，耐腐蚀性较差，并且在压铸条件下成形困难，容易产 生热裂。 研究发现添加微量c a 能够改善汉字状m 9 2 s i 相的形状，细化m 9 2 s i 颗粒。提 高a s 系列镁合金的组织和性能| 1 0 , 2 2 】。最近，h y d r om a g n e s i u m 公司对a s 2 1 进行 改性，得到a s 2 1 x ，其耐蚀性和a z 9 1 d 相当，抗蠕变和其他力学性能相对于a s 2 1 合金来说没有降低。 1 3 1 3 a e 系 在m g a i 合金中添加l 的混合稀土可以明显提高其高温蠕变性能，尤其是 a 1 含量较低时( 0 8 ) 、a 1 2 c a 或( m g ，a 1 ) 2 c a ( c a 2 时) 等来实现。a 1 2 c a 和( m g ，a i ) 2 c a 在晶界生成，抑制低熔点 m g l7 a l l 2 相的生成，促使合金高温时的晶粒稳定度提高，另外由于a 1 2 c a 、m 9 2 c a 和( m g ，a 1 ) 2 c a 的熔点高、热稳定性好，因而合金的高温蠕变性能和高温硬度得以 改善和提高【”。目前，虽然有a x 5 1 、a x 5 2 、a x 5 3 、a x 5 0 6 、a x 5 0 8 、a x 5 l j 等 牌号的a x 系耐热镁合金被报道1 1 “，但迄今为止还尚未有a x 系耐热镁合金在汽 车工业上应用的成功范例。 1 3 1 5a c m ( m g - a i - c a - r e ) 系 a c m 系耐热镁合金目前已报道的合金牌号主要有a c m 5 2 2 合金，该合金是由 兀本本田技术研究开发公司和三井金属矿冶公司专为压铸汽车发动机油盘而研制 硕上学位论文 丌发的一种m g a 1 c a r e 系合会 2 4 。25 1 。该合金主要通过添加0 2 5 5 5 的c a 元素，来取代部分昂贵的稀土元素，所得产物的蠕变强度比a e 4 2 合金有所提高， 与通常用的a 3 8 4 有相近使用温度和抗腐蚀性，可用于本田发动机的油盘，并且减 重3 5 。由于a c m 5 2 2 合金在晶界分布着a 1 一c e 、m g c a 、a 1 。c a 等化合物，使合 金的耐热性能和抗蠕变性能得到较大提高。a c m 5 2 2 合金在1 5 0 时的0 1 蠕变 强度达1 0 0 m p a ，比a e 4 2 合金( 6 0 m p a ) 高6 7 ，为a z 9 1 d ( 1 1 m p a l 的9 倍，几乎 与a 3 8 4 铝合金的蠕变强度相等；此外，a c m 5 2 2 合金的疲劳强度也相当高，抗腐 蚀性能也比较强。虽然目前a c m 5 2 2 合金已被小批量用于燃料电力混合车的油盘， 但其与a e 4 2 合金一样，成本高的问题仍然没有得到解决，此外，其非常低的延展 性( 2 3 ) 和冲击强度( 4 5 j ) ，以及合金中含有2 的c a 将使壁厚小于2 5 3 m m 且形状复杂的铸件产生热裂，都使得该合金的应用前景不容乐观。 m r i 系耐热镁合金是由死海镁业公司和德国大众公司合作开发的一种 m g a 1 - c a - r e 合金系列，该系列目前已报道的合金牌号有m r l l 5 3f 2 6 1 。该合金能在 1 5 0 。c 高温环境及5 0 8 0 m p a 高负荷下长时间使用，并且可以在不改变原有模具浇 道系统及产品设计条件下，生产出变速箱及离合器壳体。与a z 9 1 d 、a e 4 2 、a s 2 1 等合金相比，m r l l 5 3 合金在压力为5 0 8 5 m p a 及1 3 0 1 5 0 高温条件下的性能 得到很大提高，其有望成为制造变速箱壳体、油底盘、进气歧管等汽车动力零部 件生产的优选镁合金材料。目前，关于该系镁合金详细研究开发情况的报道还比 较少。 1 3 2 镁锌系 在m g z n 合金中加入稀土可改善合金的铸造性能和抗蠕变性能，据此开发了 z e 4 l ( m g 1 7 5 r e 一4 5 7 z n 一1 0 z r ) 和z e 3 3 ( m g - 3 5 r e - 3 0 z n 一1 0 z r ) 镁合金，z e 4 1 在2 0 0 仍有高强度，z e 3 3 的蠕变强度更高，使用温度可达2 5 0 。 m g - z n 系合金的主要研究成果之一是新型m g z n c u 合金的开发。在m g z n 合金中加入c a 能显著提高延展性并增强时效硬化效果，并且m g z n ，c u 合金铸造 件室温力学性能与a z 9 1 相近，高温稳定性。其中较典型的合金有 z c 6 3 ( m g 一6 z n 一3 c u 一0 5 m n ) 和z c 6 2 ( m g - 6 z n - 1 5 c u 一0 3 5 m n l 。其中，z c 6 3 具有中等 室温强度，使用温度可到1 5 0 。c ；而z c 6 2 的室温和高温性能都优于a s 2 1 【2 7 1 。有 研究表明，在m g z n a 1 合金中加入c a 或s r 有利于提高m g z n 合金的抗蠕变性 能。且c a 比s r 更有效。l u o 等发明了一种新型的m g z n a 1 c a 耐热镁合金，其 主要成分为m g 一( 6 2 ) z n 一( 2 9 ) a i 一( o 1 - 2 0 ) c a 。这种合金成本低，模铸性能及耐 蚀性能好，高温力学性能优良。 9 s n c a 台余化对z a 6 2 镁台分硅做纰织札0 学陆能的影响 1 3 3 镁锌铝系 这一系列合金的特点是尽量利用廉价合金元素的多元合金化综合作用，来改 善合金的综合性能。该系合金是近年来研究较为活跃的一个领域，目前已有多种 专利合金。在现有a z 系合金组成元素基础上，增加z n 含量、控制z n a i 比，从 而开发出一类新型镁合金一一z a 系镁合金，如z a l 0 2 、z a l 0 4 、z a l 2 4 、z a l 4 4 等。锌含量的增加和铝含量的减少可以抑制甚至消除b 相的析出，取而代之z a 系 合金中的主要金属问化合物为熔点更高，热稳定性更好的m 9 3 2 ( a i ，z n ) 4 9 ，因而合 金的抗蠕变性得到提高。z a 系合金的高温抗蠕变性能均大大优于a z 9 1 ，z a l 2 4 合金的高温抗蠕变性能与a s 4 l 相同，而耐腐蚀性和铸造性能则明显优于a s 4 1 。 z a 系合金最大的不足表现为韧性和延展性较差这主要是由过高的锌含量所导致 的。在z a 系合金中加入c a 和s r ，可以进一步提高z a 合金的蠕变抗力。 i m r aa m e r i c ai n c 开发的z a x 8 5 0 6 等，m g z n a l c a 专利合金在1 5 0 时的 拉伸屈服强度不低于1 1 0 m p a ，其1 7 5 ，4 0 m p a 下的压缩蠕变速率比相同条件下 a z 9 1 d 低1 4 倍，而且压铸性能良好。韩国现代汽车公司和日木u b e 工业公司分 别开发出m g a 1 z n s i c a 和m g a i z n s i s r 专利合金，这两种专利合金均是在 m g a 1 一z n s i 合金基础上，通过c a ，s r 元素对m 9 2 s i 增强相的“改性”作用从而 获得具有高强、高的高温蠕变抗力的合金。此外，日木m i t s u b i s h i a l u m i n i u m 公司 和以色列d e a ds e am a g n e s i u ml t d 、德国v o l k s w a g e na g 公司也各自开发了 m g s r a 1 系多元合金化专利耐热合金 9 】。 1 3 4 镁稀土系 镁合金的高温强度与室温强度不同，除温度因素和力学因素外，还要考虑时 间和介质因素的影响。大部分稀土元素原子尺寸与镁的接近，稀土在合金中的沉 淀相析出于1 7 0 2 0 0 之间，生成六方6 ”该相为超点阵结构。在2 0 0 2 5 0 间形成体心正交的6 相。3 0 0 。c 以上，在晶内及晶界上生成不均匀分布的平衡的面 心立方6 沉淀相。正是由于弥散分布的、热稳定的颗粒相存在，使镁合会体现出 较好的耐热性能。以稀土为主要合金元素的铸造镁合金，在室温和高温下固溶强 化和沉淀硬化效果好，具有较高的高温强度和优良的蠕变性能，适合于制作2 0 0 一3 0 0 。c 下长期使用的零件。稀土元素对镁合金耐热性能提高的作用机制还表现在 使晶界和相界扩散渗透性减小。使相界的凝聚作用减慢，且第二相在整个持续时