（材料加工工程专业论文）硅和磷化铝对高锌镁合金显微组织及性能的影响.pdf

郑州大学博十学位论文 硅和磷化铝对高锌镁合金显微组织及性能的影响 摘要 镁合金具有密度小、比强度高、阻尼性能及磁屏蔽性能好等优点，近年来成为 汽车、电子行业首选的轻质结构材料。高锌镁合金是新型的耐热镁合金，其z n 含 量一般在5 以上，主要强化相为三元金属间化合物1 相( m 勘2 ( a l ，z n ) 4 9 ) 和 少量的中相( a 1 2 m 9 5 z n 2 ) ，但该系合金的铸造性能较差，高温性能也有待进一步提 高。本文选择m g 8 z n 4 m o 3 m n ( z a 8 4 ) 高锌镁合金作为基础合金，以s i 为低合 金化元素，a 卜a 1 p 中间合金为变质剂，设计了十余种不同成分的合金。在测试合金 流动性及力学性能的同时，采用光学显微镜( 0 m ) ，x 射线衍射仪( x r d ) ，扫描 电镜( s e m ) ，透射电镜( t e m ) ，能量分散型x 射线仪( e d x s ) ，差示扫描量热 仪( d s c ) 等多种分析手段，系统地研究了s i 和a l a 1 p 中间合金对z a 8 4 高锌镁 合金组织演变和性能的影响及其作用机制。对含s i 和a 1 p 高锌镁合金的热稳定性 及冷却速率敏感性也进行了探讨。在此基础上，对高锌镁合金进行了成分优化。 研究表明，随着基础合金z a 8 4 中加入s i 量的增加，合金的流动性持续增加。 这是s i 加入后合金液相线温度的降低、凝固温度范围的减小以及m 戬s i 结晶潜热 的释放等因素共同作用的结果。当s i 含量较低时( 例如小于o 3 6 、v t ) ，m 9 2 s i 相 以共晶方式生成，呈小块状和小条状分布于晶界及晶界附近，基体晶粒及三元相都 得到不同程度的细化；当s i 含量大于0 7 1 埘时，m 臣s i 主要呈现为比较粗大的块 状及汉字形初生相，分布于晶内，基体组织变化不大。m 盘s i 相由小块状长成汉字 形意味着其生长方式由小晶面界面长大改变为非小晶面界面长大。 对z a 8 4 + s i 系合金进行热处理，结果表明：合金在时效过程中沉淀相发生均匀 的连续析出，其中基础合金z a 8 4 中的纳米级析出相是沿基体n ( m g ) 的( 0 0 0 1 ) 密排面析出，加入元素s i 后，纳米级析出相则是沿基体任意方向析出。随着z a 8 4 合金中加入s i 量的增加，合金的析出相形成激活能呈增加趋势，峰值时效时间由 z a 8 4 合金的2 h 左右推迟至8 h 左右，再结晶时间较z a 8 4 合金推迟4 h 以上。 基础合金z a 8 4 中加入s i 后由于m s i 强化相的形成、基体组织的细化及合金 时效过程中大量弥散相的析出，使得合金在常温和高温( 4 2 3 k ) 下的力学性能都得 到不同程度的提高，但过多的s i ( 例如大于o 7 1 卅) 会导致汉字形m 勘s i 的形成， 摘要 使合金的力学性能下降。 向m g - 8 z n 4 a 1 o 3 m n - 0 9 6 s i ( 0 9 6 s i ) 合金中加入变质剂a 1 a l p 中间合金，结 果表明：该变质剂能够促使m s i 初生相由粗大的汉字形变为细小、弥散分布的颗 粒状，并使合金基体组织显著细化。a 1 a l p 对m 9 2 s i 相的变质是以舢p 作为m s i 相的异质核心和p 原子固溶于m 9 2 s i 相中影响其生长两种机制共同作用的结果。变 质后合金组织的进一步细化以及合金中大量热强颗粒对位错运动的阻碍和对晶界 的钉扎作用，使得台金的室温及高温( 4 2 3 k ) 性能进一步提高。变质后合金的流动 性也得到进一步改善。此外，对变质后合金在不同冷却速率下的显微组织分析表明， 随着冷却速率的增大，合金的显微组织细化明显，其基体晶粒对冷速的敏感性介于 z a 8 4 与0 9 6 s i 合金之间。 在对基础合金z a 8 4 的合金化及变质过程中，出现三元金属间化合物的相选择 现象：在z a 8 4 合金中加入s i 导致币相增加，t 相减少；继续加入a l p 后，t 相增 加，中相减少。z a 8 4 + s i ( m p ) 系合金凝固过程的d s c 分析表明，合金凝固过程中 动力学条件的改变导致三元相t 与巾之间出现相选择。运用过冷熔体中非均质形核 的稳态形核率数学模型对实验合金中三元金属间化合物相选择进行动力学分析表 明，过冷熔体中存在一临界过冷度，当t 相与巾相析出时熔体的过冷度大于此临界 值，则t 相优先析出而巾相受到抑制，否则，由相优先析出而t 相被抑制。该相选 择规律可为控制高锌镁合金中强化相的选择性析出提供一定的科学依据。 采用高温金相显微镜对合金的热稳定性分析表明，基础合金z a 8 4 中s i 的加入 使晶界的热稳定性增加；在此基础上加入适量a l p 后，晶界的热稳定性变化不大； z a 8 4 + s i 系合金中颗粒状m 臣s i 比汉字形m 9 2 s i 的热稳定性高。与未变质的m s i 相比，变质后的m s i 由于界面状况改善，加上p 原子的溶入使m 9 2 s i 相中元素总 的电负性差增大，其热稳定性有所升高，但过量的a l p 会使m s i 的热稳定性下降。 为进一步优化合金成分，改善合金的抗蠕变性能，将合金的主加元素锌、铝的 质量比z t l 舢由原来的8 4 ( 2 1 ) 调整为8 3 2 ( 5 2 ) ，并改变勐+ 舢总量，结果表 明，三元相均为t 相( 其热稳定性优于由相) ，并且随着z t l + a l 总量的增加，合金 中t 相含量增加，位( m g ) 晶粒细化，但m 9 2 s i 颗粒尺寸略有增大。性能测试及分 析表明，最优成分的合金为m g 8 z n 3 2 a 1 1 0 s i o 3 m 0 0 1 p 。 关键词：高锌镁合金，s i ， a i p ，流动性，显微组织，力学性能，相选择 塑坐! 盔堂堡主兰堡笙塞 e f f e c t so fs i l i c o na n da l u m i n u mp h o s p h i d ea d d i “o n so nt h e m i c 阳s t c t u r e sa n dp m p e n i e so fh i g hz i n cm a g n e s i u ma o y s a b s t l a c t d 埘n g 廿l ep a s td e c a d e ，m a 印e s i 唧a l l o y sh a v eb e e nm ep r e f e r r e de n g i l l e 硎n g m 疵r i a l si na u t o m o b i l c 锄de l e c t r o ni i l d u 曲叮b e c a u s eo ft h c i rl o wd e n s i 饥h i g hs p e c i f i c 蛐n g 出，g o o dd 锄p i n g 趾de l e c 仃o m a g f l e t i cs 1 1 i e l d i n gc 印a c m e s ，e t c h i 曲z i n cm g a l l o y s ( z 疵c o n t e n to v e r5 讯i ng e n e r a l ) a r en e wh e a t - r e s i s 觚a l l o y s ，趴d 眦 s t e n g 山e n e dm o s t l yb yt e 珊町i n t e m e t a l l i cc o m p o u n d tp h a ( m 岛2 ( a l ，z n ) 4 9 ) 姐d al i 埘e 巾p h a s e ( a 1 2 m 9 5 z n 2 ) ，b u tt l l ec 嘲b i l i t yo f t h ea l l o y si sp o o r ，a n di 乜e l e v a t e d t e m p e r a t u r em e c h 柚i c a lp r o p e n i e sn e e dt ob ei i n p r o v e d 缸曲e r b a s e do nh i 曲z i n c m a 弘e s i u ma l l o ym g - 8 z n - 4 a l - o 3 l ( z a 8 4 ) ，t e n k i n d so fd i 仃e r e n tz a 8 4 山a s e da l l o y s w e r ed e s i g n e dw i t hl o w - a u o y i n ge l c m c n ts i l i c o n 妣dm o d i 丘c a t o ra 1 pi nt l l i ss t u d y t h e m e c l 啪i c a lp r o p e n i e s ( a tb o m 锄b i e n t 甜1 de l e v a t e dt e r p c r m 聆) a n dn 面d i 可o fm e a 1 1 0 y sw e r et e s t e d b yu s i n gm o d e m 飘a l y t i c a l 协舡l i q u e ss u c ha so p t i c a l 慨s c 叩e ， s c 釉i n ge l e c 仰nm i c m s c o p e ( s e m ) ，仃a n s m i s s i o ne l e m nm i c r o s c o p e ( t e m ) ，e n e f g y d i s p e r s i v ex 啪ys p e c 仃0 m e t e r ( e d x s ) ，x i m yd i 册a 咖m c l e r ( ) ) 趾d d i 虢r e n 矗a 1 s c 锄i n gc a l o 曲l e 仃y ( d s c ) ，m ee 旋c t s 趾dm e i rm e c h a n i s m o fs i 龃da l po n m i c r o s 仇l c t u r e ，p h a s ec o i n p o s i t i o n 趾dp r o p e n i e sw e r ei n v e s t i g a t e d m o r e o v e r ，m e m e m a ls 协b i l i 够o ft h ca l l o y sa n de f i e c t so fc o o l i n gm t eo n 也e 血c r o s 协j c m r e sw e r e a n a j y z e da n dt h ca l l o yc o m p o s “i o nw 髂o p t i 捌 t h er e s u l t si n d i c 舢e d 也8 tm ef l u i d 埘o fz a 8 4b 船e da l l o y sw a sc o n t i n u o u s l y i n l p r o v e d 、v i mt l l ei i l c r c a s i n go fs i l i c o nc o n t e n t ，w t l i c hr e s m t e d 舶m t l l el o w e r i n go f 也e a l i o yi i q u i d u st e m p e 呲u r e ，t h en a r r o 耐n go f 也ea l l o ys o h d i f i c a t i o nt e l n p e r a n 珊捌1 9 e 嬲 w e l la st h er e l e 淞eo f m eh e a to f f o n n a d o no f m s i w h e n 锄a l l 锄。吼to fs i l i c o n ( g u c ha sn l cs i l i c o nc o n t i m tu n d e ro 3 6 吼呦w 髂a d d e di nz a 8 4a l l o y ，s m a l l d o l l 叩一s h a p ea n dl a 1 - s h 印em 啦s ip a r t i c l e sf 0 珊甜b ye m e c t i cr e a c t i o na l l dd i 矧b u t e d a l o n go rn e a rt h eg r a i nb o u n 出嗤y ，t h e ( m 曲g r 血s 锄dt e n l a r yp h a s e sw e r e 丘n e di n s o m ed e g r e e ；h o w e v e r ，c l l i n e s es c r i p t - t y p ep r i m a r ym 戤s ip a n i c l e sf o m l e di nt l ：峙g r a i l l s w h e ns i l i c o nc o n 七e n tw a so v e r0 7 1 训1 1 1 em 唧h o l o g ) rc l 砌g eo f m 9 2 s i 舶ms r i l a l l 拍 a b s n _ a c t d o l l o p s h 印et oc l l i n e s es c r 酶t y p ei n d i c a t e dm a ti t sg r o w mm e c h a n i s n l 慨1 s f o 廿n e d 厅o mf 犯c t e dt on o n f 如c t e di n t e r f k ea st 1 1 es i l i c o nc o n t e n ti n c r c a s e d t h es o l i ds o l u t i o nh e a t 仃e a t m e n tw a sc o n d u c t e dt ot h ez a 8 4 + s ia l l o y s t h er e s u l t s s l a w e dt h a tt l l ef i n ep a n i c l e sp r e c i p i 诅t e db yc o m i n u o u s 腓1 1 1 i l e rd 咖ga g i n g ，a 1 1 dt h e n a n o m e 妇一s i z e dp a n i c l e sd e p o s i t e da l o n gl a w - e x p o n e n tf a i 斌( 0 0 0 1 ) o f 伍( m g ) i nz a 8 4 a l l o y ，w h e r e a st h eo r i e n t a t i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e np r e c i p i t a t e s 龇1 dm a 缸x 、v a si nr a 】帕0 m d i r c c t i o n sw h e ns i l i c o nw a sa d d e di nz a 8 4a i l o yt h ea c t i v a t i o ne n e r g yo fp r e c i p i 切虹o n t e n d e dt 0i n c r c a s ew i t l l 血ei n c r e a s i n go ft l l es ic o n t e n t t h ep e a k 、枷u ea g i n gt i l l l ew a s r e t a r d e df 渤n2 ht o8 h 髓dm er e c r y s t a l l i 撕o nt i m ew a sp o s t p o n e df o ro v e r4 h 1 1 l e m 乱s if 孤n a t i o n 锄dm i c r o s 蜘t u r er e f - m e m e n t 髂w e l l 船p r e c i p i 切：c i o n h a r d e n i n g 佗s l l l t e dm 也ee n h a 工l c e m e n ti n 也em e c h a i l i c a ip r o p e r t i e so ft h ea l l o y sa tb o t l l 锄b i e n tt e m p e r a n l r ea n d4 2 3 ka sc o m p a r e dt oz a 8 4a l l o y - f u r 山e ri n c r c a s eo fs i l i c o n c o n t e n t ( o v e ro 7 1 讯) 、0 1 1 l dc a u s et h ed e c r e 船ei nm e c i l a 血c a lp r o p e n i e sd u e t om e f o r n l a t i o no f c h i n e s es c 芏i p t 电p em s ip h a s e 舢枷pm s t e ra 1 1 0 yw a sa d d e di 1 1m g - 8 z n 一4 a l 0 3 缸- o 9 6 s i ( 0 9 6 s i ) a l l o y 1 1 1 e r e s u hs h o w c dt l l a ta l pa d d i t i o np m m o t e dm cf o 珊a t i o no f 丘n ep o l y g o n a l 帅em s i p a r d c l e sa n d 倘n e dt h e 旺( m g ) 鲫n i sc o n s i d e r c dt h a tt l l e r ca 糟伽om o d 蚯c a t i o n m e c h a i l i s m so fm 勘s i ，也eo n ei sa l pp r o v i d e s 恤h e t e r o g e n e o u sn u c l e a t i o ns i t e sf o r m 勘s ip h a s e ，a r l dm eo t h e ri st l l ep h o s p 怕n l sa t o m sd i s s 0 1 v e di l lm 勘s ip l l a s ei n n u e n c e t h eg r o w 廿lo fm 9 2 s ip h 黜t l l em e c h a i “p r o p e r t i e so f 恤m o d i 矗e da l l o y 砒b o t h 蛐b i e n tt e m p e r a 加r ca n d4 2 3 kw e r er e m 瓤乜出l yi n c r e 嬲e df o rm em i c r o s 协t u r e 删 f u r d l e rr e f i n e da sw e l la sag r e a tq u 蛐t i t yo fh e a t r e s i s t a n tp a f t i c l e sp i i l e d i eg 嘶n b o u n d a r ya 1 i db l o c k e dt l l ed i s l o c 撕o nm o v c m e n t n l ef l u i d 时o fm em o d i 丘e da l l o yw a s i m p m v e df i l r t l l e rt o o t h es t u d yf o rt l = 【em i c r o s n u c t l 肛so f l em o d i 矗e da 1 1 0 ya td i 牖确n t c 0 0 1 i n gr a t e ss h o 删t 1 1 a tt h em i c r o s t r u c n 鹏sb e c o m e 舶e ra n df i n e ra s 隹l ec 0 0 l i n gm t e i n c r e 嬲证坶，l es e n s i t i v i t yd e g r e eo ft h eg r a i l l st oc 0 0 1 i n gr a t e sw 部b e t w e e n ；强。8 4a n d 0 9 6 s ia l l o y t h ep h a s es e l e c t i o nb e 铆e e nt l l etp h a s ea n d 中p h a s eo c c u r r e dw h e ns i l i c o no r a l a l pm 髂t e ra l l o yw e r ea d d e dt h ee x p e r i m e n t a la 1 1 0 y s 巾p h a s ew a sp r o m o t e d w h e 础强tp l l a s ew a si n h i b i t e d 姒1 e ns i l i c o nw a sa d d e di nz a 8 4a l l o yt h ef b m l a t i o no f t i v 郑州大学博士学位论文 p h a s ew a sf 砬i l i t a t e da i l d 中p h a s ew a sr e s 廿面n e dw h e na l a l pm a s t e ra l l o yw a sa d d e d i n 0 9 6 s ia l l o y t h ed s ca n a l y s e so fs o l i d i f i c a t i o np r o c e s so fz a 8 4 + s i ( a 1 p ) a l l o y sr e v e a l e d ：t h e c l l a n g co f 也ek i i l e t i cc o n d i t i o n sd i l r i n gs o l i d i f i c a t i o nr e s l l l t e di nt h cp l l a s es e l e c t i o n b e t v c np k l s e sta n d巾b yu s i n g 也em a t h e m a t i c a lm o d e lo fh e t e m g e n e o u sn u c l e a t i o n i 1 1u n d e r c o o l e dm e l tt 1 1 ed y n 锄i cp r o c e s so f p h a s e l e c t i o nw 鹊i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t s i n d i c a t e dm a tt h e r ei sa 谢t i c a ld e g r e eo fu n d e r c o o i i t l go fm em e l t i ft h eu n d e r c 0 0 1 i n g e x c e e d st 1 1 ec r i t i c a lv a l u e ，tp h a s ep r e f e r e n t i a l l yf o m l sw h i l e 由p h a s ei sr e s 仃a i n e d ； o m e n i s e ，由p h a s ep r e f e r e n t i a l l yf b m s 、 “l etp h a s ei sr e s t r a 曲e d t h er u l eo fp h a s e s e l e c t i o ns e r v e sa sa ss c i e n t i f i cb a s i sf o rt l l es e l e c t i o no fs t r e i l g m e i l i n gp h a s e si nl l i 曲 z i n cm a g n e s i u ma 1 1 0 y s n l et 1 1 e n n a l s t a b i l i t ya 1 1 a l y s e so ft h ea l l o y sb y l i 曲t e m p e r a t l l r eo p t i c a lm i c r o s c o p e s h o w e d ：( 1 ) m em e 彻a l 一妇b i l 畸o f 恤g m i i lb 0 1 m d a r yo fz a 8 4a l l o y 珊se n l m c e d b y a d d i n gs i l i c o n ；( 2 ) t h cn 1 锄a l - s t a b i l i t yo f 恤eg r a i nb o u n d a r ya l m o s td i dn o tc h 卸g e w h e na p p m 埘a t eq u 趾t 时m pw a sa d d e di n0 9 6 s ia l l o y ；( 3 ) t h et 1 1 e n n a l s t a b i l i t yo f d o l l o p s h a p em s iw a sh i 曲e rt l l a i lm a to fc h i n e s e - s c r i p t 鲫em s ii nz a 8 4 + s i a l l o y s 办et l l e n n a l s t a b i l i t yo fm o d i f i e dm 戤s i 、v 嬲i n c 嗽s c do w i n gt oi 招i n l p m v e d i n t e r f 配ea sw e l la st h ei n c r e a s eo fo v e r a l ld i 丘b r e n c ei n 协ee l e c 订o n e g a t i v i t ) ，t 1 1 a tr e s u h s 舶m p h o s p h o m sa t o m ss o l 谢o ni nm 啦s i b u tt h et l l e 姗a l - s 忸b i l 蚵o fm s is 龇d t o f 甜1w h e n a l pc o n i e n ti sl l i 曲 i no r d e rt of i l n h e ro p t i m i z em ec o n l p o s i t i o no fm em o d m e da l l o y 姐di i n p m v ei t s c r e 印- r e s i s 协n tp m p c n i e s ，m ez n ，a 1 ( m a s sr a t i 0 ) w a sc h a n g e d 舶m8 ，4 ( 纠1 ) t o8 ，3 2 ( 5 2 ) a l l dm em 船sp e r c e n to f z n + a j w 铺喇u s 钯d t o o t h e 锄a l y sr e s u j t sm d i c a i e d ：( 1 ) t l l et e m a r yp h a s ei nt 1 1 ea l l o y 、v a so l l l ytp h a s e 惭t hg o o dc r e e p r e s i s t a n tp r o p c r 哆) ( 2 ) a sn l eo v e r a l lc o m e n to f z n + a l g o i gu p ，t h ev o l u m e 觑l c t j o no f tp h 踮ei nt h ea l l o y 娜 i n c f c a d ，t h e0 【( m g ) g r a i l l sw e r er e 血e d ，趾dt h es i z eo fm 9 2 s ig r a n l l l e sw e r ei n c r e a s e d s l i 出l y t h ep r o p e r t yt c s t sa n da 1 1 a l ”e ss h o w e dt h a tm eb e s t a l l o yc o m p o s i t i o ni s m g 一8 z n 一3 2 a 1 1 0 s i o 3 m n 一0 0 1p k e yw o r d s ：h i g hz i n cm a g n e s i u ma h o y ， s i ，a l p n u i d i 饥m i c m s t n i c t i i 聆， p r o p e r 坝p h a s es e i e c t i o n 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄 袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切 法律责任和法律后果，特此郑重声明。 作者( 签名) ： 2 0 0 6 年5 月1 6 日 郑州大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景 二十世纪后期以来，全球的能源、环境问题日趋严重，作为国民经济的支柱产 业之一一汽车工业也面临同样挑战，降低能源消耗和减少污染已成为当务之急。镁 合金作为金属中最轻的工程结构材料，具有较好的阻尼性能、较高的比强度和比刚 度等特点，倍受汽车工业的青睐。根据有关研列1 ，2 ，3 】，汽车所用燃料的6 0 是消耗 于汽车自重，汽车自重每减轻l o ，其燃油效率可提高5 以上；汽车自重每降低 1 0 0 k g ，每百公里油耗可减少0 7 l 左右，每节约1 l 燃料可减少c 0 2 排放2 5 9 。这 都意味着汽车油耗量和排污量的降低。正因为如此，在近十年来的时间里，镁合金 在基础研究和产品开发方面取得了很大发展，大量的镁合金零部件被生产出来，以 代替铝合金甚至钢制零件。 此外，镁合金具有的轻便、散热快、抗电磁干扰能力强、吸振性好以及易于回 收等优点，使得它在计算机、电子、通讯等领域内也已开始得到大量的应用。现在 镁合金已成为世界令人注目的绿色环保工程材料，因此，从保护地球环境，走可持 续发展之路的观点出发，研究和开发新型高性能镁合金是具有深远战略意义的大课 题。 目前，镁合金在汽车上的用量正在以年均2 0 的速度上升，欧美的汽车用镁合 金压铸件正在以年均2 5 的速度增加 3 】。世界各大汽车公司都已把采用镁合金零部 件的多少作为衡量其汽车产品技术是否领先的标志。德国大众汽车公司帕萨特车目 前用镁量为1 4 蚝，不久将增至3 5 0 蚝。美国通用和福特汽车公司预计在今后的2 0 年内每辆车的镁合金用量将从目前的3 k g 提高到1 0 0 蚝。从9 0 年代开始，日本、韩 国的汽车商也逐渐开始把镁合金用于许多汽车零件上。目前，应用的镁合金汽车压 铸件已超过6 0 余种。 世界两大汽车组织u s c a r ( 美国汽车研究委员会) 和e u c a r ( 欧美汽车研究 委员会) 竞相进行镁合金的研究与开发，并力图创建一个全球性的竞争机制，以促 进镁合金构件的开发。u s c a r 的研究重点是中高强度的汽车延性底盘结构件， e u c a r 的目标是为大型镁合金构件特别是要求强度高、塑性好、抗腐蚀性能较强 的汽车底部和外部零件开发合适的生产技术。 在我国，尽管镁资源很丰富，但镁合金在汽车上的应用还处在初始阶段【1 一。上 第一章绪论 海乾通汽车附件有限公司为上海大众汽车公司的桑塔纳轿车配套生产的变速箱壳 体和壳盖是利用德国技术用镁合金压铸生产的：二汽已经成功地开发出发动机上的 几个泵体、离合器壳体以及壳盖；一汽也试制出发动机缸盖罩、离合器壳和齿轮室 等部件样件，现正在小批量试制；上海交通大学轻合金精密成型国家工程中心也与 重庆长安公司合作，进行镁合金变速箱的二次设计；重庆镁业科技公司正在开发长 安汽车以及摩托车上的镁合金零部件，如方向盘、汽缸盖罩以及镁合金摩托车发动 机等；郑州大学与河南三门峡铝业公司合作开发的镁合金汽车及摩托车轮毂正处于 实验应用阶段。 目前，镁合金在汽车上的应用零部件可归纳为两类 5 ，6 】： ( 1 ) 壳体类。如离合器壳体、阀盖、仪表板、变速箱体、曲轴箱、发动机前 盖、汽缸盖、空调机外壳等等。 ( 2 ) 支架类。如方向盘、转向支架、刹车支架、座椅框架、车镜支架、分配 支架等等。 应当指出，镁台金在汽车上最具潜力的应用是较大的整体部件，如发动机机罩、 后备行李箱盖、车顶板、车体加强板、保险杠、内侧车门框架和后部车厢隔板，甚 至是油底盘、发动机汽缸体和汽缸盖等。其中有许多镁合金汽车部件已经在开发甚 至开始应用，如奥迪汽车公司为其a 8 车研制了整体镁合金内侧车门框架，梅塞德 斯正式试制镁合金车顶板【1 o 从镁合金零部件的应用场合看，耐热( h e a t - r e s i s t a m ) 和高强高韧o l i g l ls t r e i 班 趾dt o u g h n e s s ) 是车用镁合金的两大摹本性能要求。与铝合金相比，商用镁合金的 牌号及种类要少得多，尤其缺少高性能低成本的耐热镁合金和高强高韧镁合金，因 此开发和研究高性能低成本的耐热镁合金无疑具有十分重要的意义n 8 1 。 1 2 镁合金作为结构材料的研究进展 工业镁合金按成形工艺分为铸造镁合金和变形镁合金，其中铸造镁合金约占 9 0 以上，本文主要讨论铸造镁合金。 1 2 1 当前镁合金研究中的主要问题 当前镁合金研究中的主要问题有四个o 】： ( 1 ) 提高合金的综合力学性能 提高合金的综合力学性能，特别是在4 2 3 k 以上的高温性能。铸造镁合金主要 通过合金化方法来提高合金力学性能。例如，通过加入合金元素在晶内或晶界原位 _ 2 一 郑州大学博士学位论文 形成弥散分布的、热稳定性较高的第二相，阻止位错运动及晶界滑移。另外，如果 加入的合金元素在镁基体中有一定的固溶度，并能提高镁合金均匀化温度和弹性模 量，减慢扩散和自扩散过程，那么在强化基体的同时抗蠕变性能也随之得到改掣1 1 】。 表1 1 给出了部分镁合金系的固溶度及析出相熔点【9 l l 】。 表1 1 常用镁合金系的固溶度及析出相熔点 t a b l el ls o l u b i l 竹d a t a dp h e sm e n i n gp o i n to f m a g n e s i u i na l i o y s ( 2 ) 改善工艺性能及耐腐蚀性能 一种合金要获得广泛应用，不仅要具备优良的力学性能，而且还要有良好的工 艺性能及耐腐蚀性能。对铸造镁台金来讲，可以充分利用合金化及变质方法来改善 合金的铸造性能，同时不降低合金的耐蚀性能甚至提高其抗腐蚀能力，从而获得综 合性能良好的合金。 ( 3 ) 基础理论研究 由于镁合金的开发研究在近十年来才日益得到重视，在基础研究如凝固过程热 力学、动力学等方面的研究还很薄弱，借助于新合金开发研究的同时深入进行基础 理论的研究对于推动镁合金的发展无疑具有重要意义。 ( 4 ) 研究和开发先进的铸造工艺技术 研究和开发先进的铸造工艺技术，特别是适用于镁合金的压铸技术，制备出近 终形的优质镁合金零件，从而扩大镁合金在汽车和电子等工业中的应用。 1 2 2 耐热镁合金的国内外研究现状 镁合金按性能特点可分为高强高韧镁合金和耐热镁合金。高强高韧镁合金具有 _ 3 一 第一章绪论 良好的强度、韧性及综合力学性能，主要适用于室温下，其典型的合金型号是a z 9 1 d 及a m 6 0 b ，它们占了汽车上镁合金用量的9 0 左右1 2 】。耐热镁合金一般是指能在 4 2 3 以上温度范围内长期工作的镁合金，它比一般高强高韧镁合金使用温度高 3 2 3 4 7 3 k 1 5 1 ，已经开发出来的a s ( a s 2 1 、a s 4 1 ) 和a e ( a e 2 2 、削巳4 2 、a e 5 1 ) 系列 耐热镁合金并未在汽车上获得广泛应用；镁合金按化学成分目前又可分为九大系列 镁合金f 1 3 】：m g 舢，m g z n ，m g r e ，m 哥m n ，m g z r ，m g l i ，m 哥a g ，m g t h ， m g c a ，其中m g a l 、m g r e 及m g z n 系为三大主要的镁合金系。本节主要从 耐热镁合金方面对三大主要镁合金系的研究状况进行阐述。 1 2 2 1m g - a l 系 在过去的十年里，对m g 一舢基耐热镁合金的研究主要集中在两个方面：通过添 加合金元素s i 、r e 、c a 、s r 等开发新型的高温镁合金，如a e ( m g - a 1 r e ) 、a s ( m g a l s i ) 、a x ( m g - a l c a ) 、a j ( m g a l s r ) 等系列；加入合金元素b i 、s b 、 s i 、c a 、p 等改善a z ( m 哥a 1 z n ) 系合金的高温性能。 ( 1 ) a s 系列1 1 5 】 a s 系列合金早期的研究开始于2 0 世纪7 0 年代。目前，a s 系列合金已经被用 于生产齿轮箱、发动机支架等零件。其强化机理主要是在晶界及晶界附近形成细小 弥散的m s i 热强相。代表性的a s 系列合金牌号是a s 4 1 、a s 2 1 和a s 2 1 x 。a s 4 l 在4 4 8k 的蠕变强度略高于a z 9 l 及a m 6 0 。尽管a s 2 1 的蠕变强度高于a s 4 1 ，但 由于其低a l 含量，其室温强度和铸造性能较差。与a s 2 1 合金相比，a s 2 1 x 由于 添加少量r e 并减少m n 的含量使其耐腐蚀性能得到改善，其力学性能见表1 2 。 目前，a s 系列合金的缺点在于：m s i 相易形成汉字形，导致室温力学性 能下降。o 压铸性能较差。由于合金的流动性因含a l 量较低而变差，同时浇注温 度因s i 提高了液相线温度又要求较高，不利于压铸模具f 1 1 】。o 由于低a l 含量耐腐 蚀性能较差。为改善a s 系列合金的缺点，在a s 4 1 中加入0 1 1 0 1 3 的c a ，细化 了m 9 2 s i 相，提高了抗拉强度，但含量为0 1 4 o 1 8 时，c a 对拉伸性能尤其是韧 性的有益影响丧失。文献研究表明【蚓，在a s 5 1 合金中加入o 1 o 5 的s r ，细化了 合金组织，改善了室温及高温下的性能。 ( 2 ) a e 系列 研究表明，在m g - a l 系合金中添加r e 比s i 更为有效地提高m 哥a l 基合金的 高温性能，特别当a l 含量低于4 时。a e 系镁合金中r e 优先与a l 结合，其强化 h i 郑州大学博士学位论文 的主要原因是m 勖7 a 1 1 2 相的减少以及a 1 r e 金属间化合物( 如a l l l r e 3 ) 的形成1 。 一些研究表明，在a e 系列合金中可能存在的合金相有m g l 7 a l 】2 、a 1 1 1 r e 3 、a 1 2 r e 、 m 勘2 r e 、a l l 舢2 m n 7 和m g c e 2 。当合金中r e a l 比( 重量比) 超过1 4 时，所有的 灿将形成a 1 1 1 r e 3 ，并且可能形成富r e 的a 1 r e 相或m 9 1 2 r e 槲1 1 ，1 引。a e 系列的 主要合金牌号为a e 2 l 、a e 4 1 和a e 4 2 ，其中a e 4 2 的抗蠕变性能最好，其力学性 能见表l 一2 。a e 系合金主要用于生产汽车动力系统零件。a e 系列合金仅用于压铸， 因为较慢的冷却速度将导致粗大a 1 2 r e 化合物形成，降低机械性能。此外，压铸时 粘模倾向和加入稀土元素增加了成本，使a e 4 2 并未在欧洲采用【9 1 9 l 。 ( 3 ) a x ( m g _ a l - c a ) ，a j ( m g a l _ s r ) 系列 微量c a ( 一般小于0 5 ) 元素的加入可以提高m g l 7 a 1 1 2 相的稳定性，当c a a l 值大于o 8 时，组织中析出m 戤c a 和a 1 2 c a 两种耐热相，使合金的耐热性能显著提 耐1 删】。最近几年，加拿大开发了一种名为a x 5 1 ( m g 5 m o 8 c a ) 的镁合金( 性 能见表1 2 ) ，强化相为越2 c a ，其抗蠕变性能和耐蚀性能分别与a e 4 2 和a z 9 1 d 相 当。但这种合金在模铸时容易粘模和热裂。有专利【2 l 】表明：在m g a 1 c a 合金中再 加入0 1 的s r ，可以更大地提高合金的抗蠕变性能，且s r 的加入还有利于提高 台金的耐蚀性能，使合金耐蚀性能恢复到a z 9 1 d 的水平。在这些发现的基础上， 开发了一系列m g - a l c a - s r 合金( 命名为c j 合金) 。蝴合金的拉伸蠕变抗力至 少比a e 4 2 高4 0 ，压缩蠕变抗力至少高2 5 ( 参见表1 2 ) ，且耐蚀性能和模 铸性能和a z 9 1 d 一样好，而成本也与a z 9 1 d 相当。 s