（材料加工工程专业论文）y、ba对az91镁合金组织及性能的影响.pdf

山东大学硕士学位论文 y 、b a 对a z 9 1 镁合金组织和性能的影响 摘要 镁合金具有比重小，比强度和比刚度高，阻尼性和切削加工性好，良好的 电磁屏蔽性，诱人的金属光泽和可回收利用性等优点，在汽车、电子、通信、 民用等方面得到越来越广泛的应用。但些常用镁合金性能还不能完全满足汽 车传动等部件的要求，主要是这些镁合金强韧性不够理想，特别是高温情况下 镁合金的强度比较低、抗蠕变性能差等，这些不利因素很大程度上影响了镁合 金在汽车领域的大量应用 目前工业应用的镁合金主要是铸造( 尤其是压铸) 镁合金，其中a z 9 1 镁 合金以其较高的室温强度，优良的铸造工艺性能以及低成本等优点，成为目前 应用最广的一种铸造镁合金。但是该合金在1 2 0 ( 2 以上受力状态下很容易发生 软化变形。而通常情况下，汽车传动系统的工作温度一般在1 2 0 - - - 2 5 0 c 范围内， 因此a z 9 1 镁合金这种较低的高温性能限制了其在汽车领域的进一步应用。本 文研究了b a 、y 对a z 9 1 镁合金组织和性能的影响规律，以便为开发高温耐热 镁合金提供必要理论依据 在试验研究过程中，采用各种先进的测试仪器进行合金组织及性能的分 析：通过扫描电镜( s e m ) 、能谱分析仪( e d s ) 、x 射线衍射( x r d ) 等先 进仪器分析合金组织结构、组成相以及微区成分分析：在力学性能的测试中， 采用先进的i n s t r o n 5 5 6 9 型电子万能材料试验机对试样分别进行室温和高温下 的拉伸试验测试，在h b 3 0 0 0 型布氏硬度计上进行合金试样的硬度测试；另外， 为研究合金元素b a 、y 对合金铸造性能、耐腐蚀性能及阻燃性能的影响，还对 合金进行流动性能试验及腐蚀试验等试验 ， 本文系统研究了y 对a z 9 1 合金组织及性能的影响规律试验结果表明， 适量y 能够明显细化合金组织，有效提高合金的室温和高温力学性能；但当丫一 加入量超过o 9 时，合金组织反而变得粗大，合金的力学性能开始降低。y 对合金的强化机制主要有细晶强化和固溶强化；另外，组织中析出的高熔点 山东大学硕士学位论文 a 1 2 y 相能有效提高原有组织的热稳定性，从而有效提高合金的高温性能。同 时发现，当y 添加过量时，组织中的a 1 2 y 相容易聚集成团，造成台金组织和 成分的不均匀，从而引起应力集中，导致合金力学性能严重下降 系统研究了b a 对a z 9 l 合金组织及性能的影响。试验结果表明，b a 元素能 明显提高a z g l 合金的阻燃性能；添加少量b a 就能明显细化a z 9 1 合金组织，有 效提高合金的室温和高温强度；而当b a 加入量超过0 3 时，合金组织反而开 始粗大，合金力学性能也迅速下降，尤其是合金韧性下降幅度更大。本文还从 热力学及动力学角度分析t b a 提高镬合金阻燃性能的机理；同时探讨t b a 对 合金的固溶强化和细晶强化机理。研究发现，合金高温强度的提高主要得益于 b a 元素能够提高原有组织m 自7 a l l 2 相的热稳定性，以及组织中析出的a 1 4 b a 高 熔点相的弥散强化作用。 ， 研究了y 和b a 复合处理对a z 9 1 合金组织和性能的影响规律试验结果 表明：b a 和y 复合处理比y 、b a 分别加入对a z 9 1 合金的变质效果更好在 所设计的试验合金中，当b a 加入量保持一定的情况下，随着y 加入量的不断 增加，合金组织结构不断细化；合金室温和高温强度明显提高，尤其是合金延 伸率比单独添加b a 时明显提高；y 、b a 复合加入后合金的阻燃性能也显著提 高其中a z 9 1 合金中加入0 2 b a 和o 5 加7 y 后获得的新型合金燃点提 高了约2 0 0 ( 2 ，可以实现在大气中直接熔炼和浇注。该合金以其较高的高温强 ： 度和耐热性能以及优良的综合力学性能，有望成为一种很有开发前途的高强阻 燃耐热镁合金， 研究了y 和s i 复合处理对a z 9 1 合金组织和性能的影响规律试验结果 表明：a z 9 l 合金中复合加入i o 的s i 和适量y 后组织结构得到明显细化， 合金力学性能明显提高分析发现，y 能够有效变质镁硅合金组织中呈粗大脆 性汉字状的m g z s i 相，从而有效提高合金的室温和高温力学性能在所设计的 试验合金中，当加入1 o 的s i 和0 5 - 0 7 范围的y 时，合金具有优良的综 合力学性能，并且合金成本提高不大一 在制备a z 9 1 、a s 4 1 、, z 9 1 + 0 9 v 、a z 9 1 + 0 2 b a 及a z 9 1 + 1 0 s i 十o 5 y 几种试验合金时，在浇注过程中对合金试样进行热速处理。然后对试 山东大学硕士学位论文 样进行室温和高温下的强度，韧性等力学性能对比试验。试验结果表明，经热 速处理后各合金试样的综合力学性能普遍得到提高。其中a z 9 1 + o 9 y 和 a z 9 1 + 1 0 s i + 0 5 y 两种合金的综合力学性能最佳，尤其是合金的高温强 度相对较高，从成本上来看，a z 9 1 + 1 0 s i + o 5 y 合金更具有成本上的优 势。上述对比试验结果表明，s i 和y 复合处理比y 、b a 分别加入对a z 9 1 合 金的变质效果更好，而且成本较低。试验结果表明，对a z 9 1 合金进行1 0 s i 和0 5 y 复合变质并同时进行热速处理工艺，得到的新型合金综合力学性能 优异，耐热性能高而且成本提高不大，有望开发成为一种应用前景广阔的汽 车用耐热镁合金 关键词：a z 9 1 合金，y 、b a 合金元素，组织细化，力学性能 i i i 山东大学硕士学位论文 i n f l u e n c eo fya n db ao n 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 so fa z 9 1a l l o y a b s t r a c t m a g n e s i u ma l l o y sh a v eh i g hs p e c i f i cs t r e n g t h , l o wi n t e n s i t y , b e t t e rd a m p i n g a n dg o o dm a e h i n a b i l i t y , e x c e l l e n te l e c t r o - m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t ya n dt e m p t i n g m e t a lp o l i s hw h i c hc a l lb ee a s i l yr e c y c l e d n c yh a v eb e e nw i d e l yu s e di n a u t o m o b i l e s ，e l e c t r o n i ci n d u s t r i e s ，c o m m u n i c a t i o ni n d u s t r i e sa n dc i v i lo rd a i l y m a n u f a c t u r i n g h o w e v e r , t h ec o m m e r c i a ld i ec a s t i n gm a g n e s i u ma l l o y sf a i lt om e e t t h er e q u i r e m e n to fd r i v e 蛐a n do t h e rs y s t e m si na u t o m o b i l e s t l l i si sm a i n l yo n a c c o u n to ft h e i ri m p e r f e c ts u e n g t ha n d l o u g h n e s s ，e s p e c i a l l yt h ew e a ks t r e n g t hi n h i 出t e m p e r a t u r e ，a n dt h e s ef a c t sr e s t r i c tb a d l yt h e 们d en s ei nt h ea u t o m o b i l ef i e l d 低c a s t i n gm a g n e s i u ma l l o y s ，e s p e c i a l l yt h ed i e - c a s t i n ga l l o y sa l ea p p l i e d w i d e l yi nc u r r e n ti n d u s t r i e s ，a n da z 9 1m a g n e s i u ma l l o y sa l em o s tu s e di nc u r r e n t i n d u s t r i e sa si t sh i g hs 扛e n g t h , g o o dc a s t a b h i t ya n dl o wc o s tp r o p e r t i e s h o w e v e r , t h ea z 9 1m a g n e s i u m a l l o y sw o u l db e c o m es o ra n d b eo u to fs h a p eu n d e rt h es t r e s s a b o v e1 2 0 e n v i r o n m e n t a su s u a l 。t h ew o r kt e m p e m t u r eo ft h ed r i v et r a i na n d o t h e rs y s t e m si na u t o m o b i l ei sw i t h i nt h es c o p eo f1 2 0 1 2 - 2 5 0 一s oi ti sr e s t r i c t e d o f t h ea p p l i c a t i o no f a z 9 1m a g n e s i u ma l l o y si nt h ea u t o m o b i l ef i e l d b a s e do nt h e f a c t sa b o v e ，t h ei n f l u e n c e sa n dm e c h a n i s mo fb aa n dyo nt h es t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r es t u d i e di nt h ep a p e r , w h i c hi sa l s oh o p e dt o o f f e r n e c e s s a r ya c a d e m i cr e s e a r c hi nd e v e l o p i n gh e a t - p r o o f m a g n e s i u ma l l o y i nt h ee x p e r i m e n tp r o c e s s e s ，m a n yk i n d so fa d v a n c e dt e s ti n s t n n n e n t sw c f e a d o p t e dt ot e s ta n da n a l y s et h es t m e t u r ea n dp r o p e r t i e so ft h es a m p l ea l l o y s m i c m s t m c t u r ea n dp h a s ei d e n t i f i c a t i o n 。o fm a g n e s i u ma l l o yi sa n a l y z e db ys c a n e l e c t r o n i cm i c r o s c o p e ( s e m ) lx - m yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，a n de d si n s t r u m e n t i n t h et e s to ft h em e c h a n i c sp r o p e r t i e s , t h ea d v a n c e dm u l t i f u n c t i o n a le l e c t r o n i c e x p e r i m e n t a lm a c h i n ei a s t r o n 5 5 6 9i s e m p l o y e df o rm e a s u r i r i gt h es t r e t c h i n g 山东大学硕士学位论文 s t r e n g t ha n de x t e n d i n gr a t eo ft h ea l l o y si nt h er o o m - t e m p e r a t u r ea n de l e v a t e d t e m p e r a t u r e t h eh a r d n e s s t e s ti sc a r r i e do u to nt h eh b 3 0 0 0s c l e r o m e t e r i n a d d i t i o n , t h ef l u x i o np r o p e r t yt e s t so ft h ea l l o y sa r ep r o c e s s e di no r d e rt os t u d yt h e i n f l u e n c eo f t h ea d d e dc h e m i c a le l e m e n to nt h ec a s t a b i l i t y t h ei n f l u e n c e so fya d d i t i o nt oa z 9 1m a g n e s i u ma l l o yo nt h es t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r es t u d i e di nt h i sp a p e r t h er e s u l t ss h o wt h a tj u s tt h e m o d e r a t eq u a n t i t yo fa d d e dyc a l lr e f i n et h em i c r o s t r u c t u r eo b v i o u s l ya n di n c r e a s e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e se f f i c i e n t l y b u tw h e nya d d i t i o nq u a n t i t ye x c e e d e d1 t h e m i c r o s t r u c t u r eo f t h ea l l o y sw o u l db ec o a r s ea n dt h em e c h a n i c a lf u n c t i o nd e c r e a s e t h eh o ts t a b i l i t yo ft h eo r i g i n a ls t r u c t u r ec a l li n c r e a s ee f f e c t i v e l yd u et ot h e s e g r e g a t i o no fa i z yp h a s e 、】l ，i mh i g hm e l t i n gp o i n t , s ot h ee l e v a t e dt e m p e r a t u r e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e si n c r e a s ov a l i d l y t h et e s t sa l s os h o wt h a tt h eg r a i n st e n dt o b ec o a r s ed u et ot h ee x c e s s i v e s e g r e g a t i o no fa 1 2 yp h a s e ，w h i c hc a u s e st h e i n h o m o g e n e i t yo ft h es t r u c t u r ea n dc o m p o n e n to ft h ea l l o y s ，e v e nt h es t r e s s c o n c e n t r a t i o n i nt h i sc a s e t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw o u l df m ls h a r p l y t h ei n f l u e n c e so fb aa d d i t i o no nt h es 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 so f a z 9 1m a g n e s i u ma l l o yw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb ae l e m e n tc a n r a i s et h ei g n i t i o nt e m p e r a t u r eo f a z 9 1m a g n e s i u ma l l o yo b v i o u s l y al i t t l eq u a n t i t y o fb aa d d i t i o nc a nr e f i n et h e $ u u c t u r ea n di n c r e a s et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f a z 9 1m a g n e s i u ma l l o yi nt h er o o m - t e m p e r a t u r ea n de l e v a t e dt e m p e r a t u r e e f f i c i e n t l y w h e nb aa d d i t i o nq u a n t i t ye x c e e d e do 3 ，t h ea l l o ys t r u c t u r e sa r ea p t t ob cc o a r s ea n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ea l l o yd e c l i n e e s p e c i a l l yt h e t e n s i l ep r o p e r t i e s t h em e c h a n i s mi ss t u d i e do f t h ei g n i t i o nt e m p e r a t u r ep o i n tr a i s e a n ds t r e n g t h e n i n gm e e h a i l i s mo fr e f i n i n g c r y s t a l sf r o mt h e r m o d y n a m i c sa n d d y n a m i c sv i e w p o i n t i ti sb aa d d i t i o nt h a tr e s u l ti nt h ei m p r o v e m e n to f t h ee l e v a t e d t e m p e r a t u r em e e h a n i e a ls 灯e n g md u et ot h eh o ts t a b i l i t yo ft h eo r i g i n a lm g l t a l l 2 p h a s ee n h a n c e d e da n dt h es t r e n g t h e n i n gf u n c t i o no ft h es e g r e g a t i o no fa h b aw i t h h i g hm e l t i n gp o i n t v 山东大学硕士学位论文 t h ei n f l u e n c e so fya n db ac o m p l e xa d d i t i o no nt h es t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fa z 9 lm a g n e s i u ma l l o yw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r e f i n e m e n tt e n d e n c yo fa z 9 1a l l o yi n c r e a s e sa n dt h eg r a i nq u a n t i t yi n c r e a s e sw i t h t h eq u a n t i t yo fya d d i t i o ni nt h ee a s eo ft h ec e r t a i nb aa d d i t i o n a tt h es a n l ct i m e ， t h ey i e l ds t r e n g t h , t e n s i l es t r e n g t ha n dt h ee l o n g a t i o nr a t eo ft h ea l l o yi nt h e r o o m - t e m p e r a t u r ea n de l e v a t e dt e m p e r a t u r ei n c r e a s eo b v i o u s l yi n c o n t r a s tt o s e p a r a t e da d d i t i o no fb a mc o m p l e xa d d i t i o no fy a n db ac a l l 晰n gt h er a i s eo f t h ei g n i t i o nt e m p e r a t u r ep o m to fa z 9 1m a g n e s i u ma l l o yo b v i o u s l y , a n dt h ea l l o y d e v e l o p e ds h o u l db em e l t e da n dp o u r e dd i r e c t l yi na i rb ya d d i t i o no 2 b aa n d o 5 - 0 7 yt ot h ea z 9 1a l l o y , p o s s e s s i n gh i g hs t r e n g t h , i g n i t i o n - p r o o f , h e a t - p r o o fa n do t h e r9 0 0 dp r o p e r t y i ti ss u p p o s e dt h a tt h en e w - t y p ea l l o yw o u l db e d e v e l o p e dw i t hb r i g h tp r o s p e c td u et 0i 臼h i g he l e v a t e dt e m p e r a t u r es t r e n g t ha n dt h e b e s ts y n t h e s i z e dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s n 圮i n f l u e n c e so fya n ds ic o m p l e xa d d i t i o no nt h es t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fa z 9 1m a g n e s i u ma l l o yw e r es t u d i e di nt h e9 a p e r t h er e s u l t ss h o w t h a tt h eo r i g i n a ts t r u c t u r ei s r e f i n e do b v i o u s l y ，a n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t yi s i i n c r e a s e de f f i c i e n t l yw i t hya n d1 0 s ia d d i t i o n i ti so b s e r v e dt h a tya d d i t i o nc a n f l a ya ni m p o r t a u tp a r ti nt h ei r a n s f o r m a t i o no ft h eo r i g i n a lm a s s i v ec h i n e s es h a p e o fm 9 2 s ip h a s e , f o l l o w e db yt h ei m p r o v e m e n to ft h ee l e v a t e dt e m p e r a t u r es t r e n g t h e f f i c i e n t l y i nt h e s ed e s i g n e da l l o y s ，t h ea l l o yw i t h1 0 s ia n d0 5 - - 0 7 ya d d i t i o n p o s s e s s e dt h eb e s ts y n t h e s i z e di n e c h a n i c a lp r o p e r t i e s as e r i e so f c o n t r a s tt e s t sa r cc a r r i e do u tt om e a s u r et h et e n s i l es t r e n g t h ，y i e l d s 廿g t ha n dt o u g h n e s sa m o n ga z 9 1 ；a s 4 1 , a z 9 1 + 0 9 y , a z 9 1 + 0 2 b aa n d a z 9 l + 1 0 s i + 0 5 yt h e s ea l l o y sp r o c e s s e db yt h e r m a lr a t et r e a t m e n lt h er e s u l t s i n d i c a t et h a ta z 9 1 + 0 9 ya n da z 9 1 + i 0 s i + o 5 yt h e s et w oa l l o y sh a v et h e b e s ts y n t h e s i z e dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s , e s p e c i a l l ye l e v a t e dt e m p e r a t u r et e n s i l e s t r e n g t ha n dy i e l ds n e n g t h , a n dt h ea z 9 1 + i 0 s i + 0 5 ya l l o yi sa d v a n t a g e di n c o s ti nt h et w oa l l o y s i ti sf o u n dt h a tt h ec o m p l e xa d d i t i o no fs ia n dy i ss u p e r i o r 山东大学硕士学位论文 t os e p a r a t ea d d i t i o no fb aa n dyi nr e f i n i n ga z 9 1a l l o y i ti sv i e w e dt h a tt h e a z 9 1 + 1 0 s i + 0 5 ya l l o y ，p r o c e s s e db yt h e r m a lr a t e 扛e a t m e n tw o u l dh a v e b r i g h tp r o s p e c ta sah e a t - p r o o f m a g n e s i u ma l l o ya p p l i e di na u t o m o b i l ef i e l d k e y w o r d s ：a z 9 1a l l o y s ，y ，b ae l e m e n t , r e f i n e m e n t , m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名 导师签名；鼋西皇生日晶：皂! 缈 山东大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 镁及镁合金简述 1 1 1 镁及镁合金的性质 镁是元素周期表中第三周期第族化学元素，原子序数为1 2 ，原子量为 2 4 3 0 5 ，银白色，其晶格结构属于密排六方型，无同素异构转变【l j 。纯镁的熔 点为6 5 0 c ，与铝的熔点相近，但密度是铝的2 ，3 ，约为1 7 3 9 a n3 2 1 ，镁的化 学性质活泼，纯镁的力学性能很差，且不耐腐蚀，所以纯镁很少直接应用于工 程上，但可以用做阳极材料。 镁合金是目前最轻的金属结构材料之一，镁合金密度很小，通常在 1 7 5 1 9 0 9 a n3 范围内，在现有工程金属材料中最小，约为铝合金的6 4 ，钢 的2 3 3 1 ；镁合金具有很高的比强度和和比刚度，其比强度高于铝合金和钢材， 比刚度与铝合金相当【4 】。因此，用镁合金制做汽车部件可以大大减轻汽车自重， 降低油耗和尾气排放；镁合金还具有良好的切削加工性能，切削速度可大大超 过其它金属，因此镁合金加工效率很高，降低了能量消耗少【5 1 ；镁合金还具有 高的震动阻尼容量，减震性能好嘲；镁合金还具有很好的电磁屏蔽性，用镁合 金制作电子通讯器材可以有效防止电磁辐射和电磁干扰；镁合金还可以被重复 回收利用，减少环境污染鉴于以上优点，镁合金不仅在航空航天o l 、军工 国防1 1 4 1 等尖端领域得到极大重视，而且目前也在汽车【1 4 - 2 3 1 、电子通讯工业 t 2 - 1 4 等民用工业及其日常制造业中【1 舡1 3 1 日益得以广泛应用。因此镁合金被誉为 是2 l 世纪最具有发展前途的一种金属材料 1 1 2 常用镁合金分类及性能 按照成型工艺，镁合金主要分为两大判嬲l ：一类是铸造镁合金，另类 是变形镁合金实际生产中铸造镁合金要比变形镁合金的应用范围广得多，其 中压铸镁合金又占主导地位。 另外，按照镁合金中主要组元成分进行分类，镁合金又可以划分为以下几 大系列：m g - a i 、m g - m a 、m g - r e 、m g - l i 、m g - z r 等。m g - a i 系镁合金由于 山东大学硕士学位论文 综合性能优良，成本较低，成为目前应用最为广泛的镁合金系列。其主要有以 下几个合金型号伫刀瑚1 ：m g - a i z n m n 系( a z ) 、m g a i m n 系( a h d 、m g a 1 s i m n 系( a s ) 和m g a i r e 系( a e ) 等各个合金系列由于合金元素的不同而具有不同 的性能。下面简要介绍一下m g 舢系中几种镁合金材料的特点。 ( 1 ) a z 系镁合金 代表合金为a z 9 1 压铸镁合金。该合金具有优良的铸造工艺性能和力学性 能，并且成本低，是目前应用最为广泛的一种压铸镁合金，据估计，其占据了 压铸镁合金总量的9 0 以上 2 9 - 3 0 l 。 ( 萄a m 系镁合金 a m 系合金的主要型号为a m 6 0 和a m 5 0 。该合金由于降低了铝含量，使 得合金强度稍微降低，但合金的塑性和韧性明显提高。因此在对韧性要求较高 的场合，一般使用高纯的a m 6 0 来代替a z 9 1 合金咖。 ( 3 ) a s 系镁合金 常用的a s 系镁合金有a s 4 1 和a s 2 1 合金 3 t - 3 3 】。该系列合金早在二十世 纪七十年代就由德国大众汽车公司开发出来，由于s i 元素的加入，合金的高 温强度和抗蠕变性能得到提高，其抗蠕变性能明显优于a z 9 1 和a m 6 0 合金， 但是s i 的加入也带来合金铸造性能的降低，合金脆性大，其室温强度和韧性 也不及a z 9 1 合金。 ( 4 ) a e 系镁合金 早在二十世纪三十年代稀土元素就被应用在镁合金中，常见a e 系镁合金 为a e 2 1 、a e 4 1 、a f a 2 合金1 3 3 - 3 f 1 r e 元素的加入可以提高合金的高温抗蠕变 性，其高温性能要超过a s 和a z 系镁合金，但其室温力学性能和铸造性能却 不及a z 系镁合金，另外由于r e 的加入量较大造成合金成本很高，也阻碍了 该系列合金在汽车工业上的大量推广应用 1 1 3 镁合金的成型工艺 镁合金的成型方法可分为铸造和变形两大类，目前实际生产中镁合金成型 方法主要是铸造工艺，镁合金的变形技术还处于起步阶段。镁合金铸造工艺又 分为砂型铸造、金属型铸造、挤压铸造、低压铸造、高压铸造和熔模铸造：目 2 山东大学硕士学位论文 前9 0 左右的镁合金结构件是通过压铸工艺实现的f 2 5 2 6 , 3 6 1 。 镁合金压铸生产中广泛采用冷、热室压铸技术，一般来说，薄壁和尺寸较 小件多采用热式压铸设备，这是因为在热式压铸技术中镁合金流动性好，凝固 时间短，可以获得优良的铸件1 2 , 2 , t - 2 6 1 变形镁合金及其加工技术也正在成为镁合金研究和应用领域的新热点，镁 合金的固态或半固态挤压技术，镁合金轧制技术以及镁合金锻造成形技术等都 得到了一定程度的发展1 2 , 3 7 - 3 9 镁合金焊接技术也在生产中得到一定应用，镁 合金的焊接方法和铝合金相似，但是由于镁合金焊接中更容易产生气孔、氧化 现象和裂纹等缺陷，因此必须开发新型专用焊条和先进焊接技术 2 , 4 0 i i 1 4 我国镁资源及发展现状 我国目前在镁工业方面拥有三项“世界冠军” 2 , 2 4 , 4 ”。第一是镁资源大国， 储量居世界首位：在青海盐湖蕴藏着氯化镁3 2 亿吨，硫酸镁1 6 亿吨；在辽宁、 山西、宁夏、内蒙古、河南等省、自治区菱镁矿均有很大储量，仅辽宁大石桥 一带的储量就占世界菱镁矿的6 0 以上，矿石品位高达4 0 。第二是原镁生 产大国：2 0 0 3 年我国共生产原镁3 5 4 万吨，约占全球总产量的6 7 。第三是 出口大国：我国年产量8 0 以上的镁出口到国际市场。 仅管如此我国只能称为镁业大国还不能算是镁工业强国。主要表现在：原 镁生产技术比较落后，质量不够稳定，镁锭中的夹杂物和有害元素含量大大超 标，难以满足压铸、板材轧制和冲压等高端产品的生产需求；出1 ：3 产品绝大多 数是廉价的纯镁锭。镁合金出口比重只有1 5 * 左右。而且出口利润低，而对 于军工及尖端领域生产所需要的高性能镁合金板材和型材还需要依赖从俄罗 斯等发达国家进口；原创性的研究成果缺乏，目前出1 ：2 ：1 的所有镁合金锭几乎全 部按照国外的牌号生产，而且镁合金产品生产加工中关键技术和设备大部分依 靠进口 针对这种现状，国家加大了对镁合金研究和开发的投入，科技鄱组织实施 了“十五”重大专项“镁合金应用开发及产业化”攻关计划。同时国家“十五”8 6 3 计划相关项目、重点国际合作计划、科技型中小企业刨新基金，国家自然科学 基金，国防科工委的军工配套项目，经贸委的技改项目。国家发改委的高技术 山东大学硕士学位论文 示范工程等也都把镁合金的开发研究列入重点攻关专项。同时镁合金的优势也 日益被许多企业所看好，在汽车、摩托车和3 c 产业中镁合金已经丌始大量应 用，上汽、一汽、二汽、奇瑞、隆鑫、海尔等大型企业也都加大了对镁合金的 研究和生产开发应用镁合金压铸业在我国迅速增长，其中台湾、香港和大陆 投资的镁合金压铸厂几乎分布在全国各地，各种镁压铸机数量已超过2 8 5 多台 【2 2 埘】。 1 2 镁合金发展现状及存在问题 i 2 1 镁合金应用发展现状 过去，镁主要应用于生产铝合金、钢液脱硫、球墨铸铁以及阳极材料上， 镁合金也主要应用于航空航天和高精端军事领域，最近几年随着技术的进步以 及镁原材料价格的降低，镁合金开始大量应用于交通工具、电子通讯、运输系 统等领域。当前汽车工业正面临着资源、能源以及环保等方面的压力，因此对 汽车轻量化的研究及应用得到前所未有的重视。而具有良好回收性能的轻质镁 合金材料在汽车部件上的大量使用将是实现汽车轻量化的一个重要途径。 目前在汽车工业中，镁合金主要用来生产下列部件： ( 1 ) 车内部件：如座椅部件、仪表盘、踏板托架、转向盘等； ( 2 ) 车身系统：门框、顶梁、轮箍、尾板等： ( 3 ) 传动系统：发动机气缸盖、辅助传动支架、齿轮箱盖、阀盖凸轮盖 等。 另外，据资料显示，在今后的5 1 0 年内，汽车上镁合金用量预计将达到 1 0 0 k g ，辆，其中大部分主要将应用于汽车传动系统部件1 1 5 , 6 1 ，与此同时，这 些领域也对镁合金性能提出更高要求 1 2 2 目前存在的问题 镁合金是目前实际应用中最轻的一种金属结构材料，但与铝合金相比，镁 合金的发展还很不充分，其应用范围还非常有限。限制镁合金广泛应用的主要 问题是由于镁合金在熔炼、浇注和加工过程中容易氧化燃烧，由此造成镁合金 的生产难度大；另外镁合金的力学性能较低，特别是些常用工业镁合金的高 4 山东大学硕士学位论文 温强度、抗蠕变性能更低，限制了镁合金在较高温度( 1 2 0 3 5 0 ) 场合的应 用。这些不利因素都影响了镁合金在民用工业尤其是在汽车工业上的广泛应 用。 许多年以来，镁的氧化燃烧现象一直困扰着镁合金的生产过程，严重的阻 碍了镁合金产品的大规模应用。国内外各大材料研究机构一直在致力于解决镁 合金生产的阻燃问题。目前熔剂保护和气体保护是国内外应用最为广泛的镁合 金阻燃方法，但这两种阻燃技术同时带来了环境污染等问题。因此，人们希望 通过合金化的方法达到阻燃的目的，并且已经取得了一定进展。 随着镁合金在汽车、电子等领域的应用发展，现有镁合金种类及本身材质 的局限性也日益突出。镁合金力学性能偏低，尤其是高温强度低、抗蠕变性能 差成为限制镁合金在汽车传动部件等领域进一步应用的主要瓶颈。迄今为止， 工业生产上大量应用的a z 9 1 压铸镁合金，以其较高的室温强度，优良的铸造 工艺性能以及低成本等优点，成为目前应用最广的一种铸造镁合金。由于通常 情况下，汽车传动系统的工作温度一般在1 2 0 2 5 0 范围内，而a z 9 i 合金的 使用温度范围一般在1 2 0 以下，超过该温度，合金在受力状态下容易发生软 化变形1 1 5 - 2 0 】这限制了a z 9 1 舍金在汽车工业上的广泛应用。 前期开发的a e 系和a s 系高温镁合金虽然抗蠕变性能有所提高，但该类 合金室温性能偏低、铸造性能差，并且a e 系镁合金成本高，这些都严重阻碍 了其在汽车工业上的大量推广应用因此开发新型耐热镁合金成为各汽车制造 企业和材料研究者所面临的重要任务 1 3 高温镁合金的研究进展 一般来说，提高合金高温性能的主要途径有细晶强化，固溶强化、晶界强 化和高熔点相的弥散强化等由于在a z 9 1 压铸镁合金中起强化作用的e ( m g l 7 a i l 2 ) 相的熔点( 约4 3 t c ) 4 2 , 4 3 1 较低，在高温条件下容易软化变形， 导致合金高温强度降低，抗蠕变性能变差。通过添加合金元素，可以提高原有 组织中晶界相的热稳定性，或形成新的具有高热稳定性的晶界相，就可以达到 提高镁合金高温性能的效果迄今为止，人们已发现添加r e 、s i 、z r 、c a 、 5 山东大学硕士学位论文 s r 等元素可以有效提高镁合金的高温性能p l o s 4 4 】。 1 3 1 稀土元素的添加 稀土元素指元素周期表中第1 i i