（材料学专业论文）mg9znxal镁合金及其半固态组织的研究.pdf

m a t e r i a l sp r o c e s s i n g e n g i n e e r i n g i nt h e s c h o o lo fm a t e r i a ls c i e n c ea n d e n g i n e e r i n g o f l a n z h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rh u a n g x i a o f e n g a p r i l ，2 0 1 1 h i 学位论文版权使用授权书 得的 人或 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，即：学校有 权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。本人授权兰州理工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。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：刈年多月f o 日 日期：v i f 年月pe l i v 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章m g z n a i 合金及半固态研研究现状1 1 1 镁合金的发展l 1 2m g z n a l 镁合金研究现状2 1 2 1m g z n a 1 镁合金z n a l 比的设计2 1 2 2z n 和a l 对m g z n a l 合金组织、性能的影响研究3 1 2 3 其它添加元素对m g z n - a l 镁合金组织、性能影响的研究4 1 3 半固态成形及镁合金半固态浆料制备方法现状6 1 3 1 半固态成形6 1 3 2 镁合金半固态浆料制备方法现状7 1 4 本课题的提出及研究内容9 1 4 1 本课题的提出1 0 1 4 2 本课题的研究内容1 0 第二章实验过程1 1 2 1工艺路线1 1 2 2 合金成分设计1 1 2 3 合金熔炼设备及工艺1 2 2 3 1 实验仪器及药品1 2 2 3 2 实验主要设备1 2 2 3 3 合金熔炼、浇注过程1 3 2 4 热处理工艺1 4 2 5 力学性能分析1 5 2 5 1 拉伸性能测试1 5 2 5 2 断口扫描和微区分析1 6 2 5 3 硬度测试1 6 2 6 半固态等温工艺探索1 6 第三章m g 9 z n x a l 合金的组织观察、力学性能和断口形貌分析一1 7 3 1a 1 、z n 元素在镁合金中的作用1 7 3 2m g 一9 z n x a l 合金显微组织和力学性能1 7 3 2 1m g 一9 z n x a l 合金显微组织分析1 7 3 2 2a 1 含量变化对m g - 9 z n - x a l 合金力学性能的影响2 0 3 2 3m g 一9 z n x a l 合金铸态断口形貌分析2 1 3 3 固溶时效热处理对m g 一9 z n - x a l 组织和性能的影响2 3 3 3 1 热处理工艺确定2 3 v i v i g 一9 z n x a l 镁合金及半固态非枝晶组织的制各研究 1 i 。l l 曼曼曼皇! ! 曼蔓曼曼曼舅舅曼曼曼曼鼍曼曼蔓曼曼曼曼曼曼曼皇皇皇曼 3 3 2 热处理后组织的变化2 4 3 3 3 热处理后力学性能2 9 3 3 4 热处理后硬度变化3 2 3 3 5 热处理后拉伸断口形貌分析3 4 3 4 小结4 0 第四章m g 9 z n x a l 等温热处理制备半固态浆料3 7 4 1 加热时间、温度对m g - 9 z n - 6 a 1 镁合金组织的影响4 1 4 1 1 加热时间对半固态组织的影响3 7 4 1 2 加热温度对半固态组织的影响4 0 4 2m g 一9 z n 一4 a i 部分重熔研究4 1 4 2 1 加热l o m i n 后不同加热温度下半固态组织的变化4 l 4 2 2 加热2 0 m i n 、3 0 m i n 后不同温度下半固态组织变化4 4 4 3m g - 9 z n - 2 a 1 镁合金半固态等温热处理研究4 7 4 3 1 加热温度5 8 0 不同时间的组织变化4 8 4 3 2 加热温度5 9 0 、6 0 0 、6 1 0 不同加热时间组织的变化4 9 4 4 等温热处理中组织演变的机理5 2 4 4 1 枝晶的球化过程5 2 4 4 2 晶粒合并分析5 3 4 4 3 半固态组织中液相演化5 4 4 5 小结5 5 结论5 6 参考文献5 7 致访 6 2 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录6 3 v i 升趋势。经t 6 热处理后，显微组织第二相由铸态长块状不规则组织变为短圆棒 状组织，力学性能较铸态都有显著的增加，延伸率和显微硬度变化较复杂。经比 较得到z a 9 4 在3 5 0 固溶2 0 h 再经1 7 5 下1 6 h 时效的t 6 热处理后，合金的综 合性能最好，抗拉强度、延伸率和显微硬度分别为：2 8 9 m p a 、4 5 和1 18 h v 。 ( 2 ) m g 9 z n x a l 镁合金用等温热处理法制备非枝晶浆料的过程中，可以看 到随a l 含量的增加，制各出非枝晶半固态浆料的最低温度降低，且制备出的浆 料随加热温度和加热时间变化规律性最好。其中z a 9 2 组织演变球化阶段较短， z a 9 6 较z a 9 4 、z a 9 2 组织随加热温度、时间演变规律性最好，在加热温度5 8 0 保温2 0 m i n 后非枝晶球状颗粒最圆整、最细小，经软件计算后颗粒平均直径 4 6 0 3pm ，形状系数1 1 2 ，固相率4 0 2 。 关键词：镁合金；热处理；显微组织；力学性能；半固态 m g 一9 z n x a l 镁合金及半固态非枝晶组织的制备研究 a b s t r a c t m a g n e s i u ma l l o y sa r ew i d e l yu s e di nt 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 sa n d a e r o s p a c e 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 sh a v ep o o rh i g ht e m p e r a t u r e m e c h a n i c a l p 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 c r e c e n t l y m g - z n - - a 1s y s t e m w i t ht h e p o t e n t i a l o f d e v e l o p i n gh i g h - p e r f o r m a n c e h e a t r e s i s t a n tm a g n e s i u ma l l o y s ，h i g hz i n cl o wa l u m i n u ma l l o y sc o u l de s s e n t i a l l y e l i m i n a t epp h a s ew h i c hw i t hp o o rt h e r m a ls t a b i l i t y t h i sa r t i c l es e l e c t e dm g - 9 z na s t h em a t r i xa l l o ya n dr e s e a r c h e dt h ee f f e c to fa 1c o n t e n to nt h eo r g a n i z a t i o na n d p r o p e r t i e so fm g 一9 z n - x a lm a g n e s i u ma l l o y sw h i c ht r e a t e db yt 6h e a tt r e a t m e n t ， b e s i d e s ，t h ee f f e c to fa 1c o n t e n to ns e m i - s o l i dn o n d e n d r i t i co r g a n i z a t i o nw a s r e s e a r c h e d t h em a i nc o n c l u s i o n sa r eg i v e ni nt h ef o l l o w i n g ( 1 ) t h es e c o n dp h a s eo fm g - 9 z n - x a lm a g n e s i u ma l l o y sc h a n g e df r o mm g z n b i n a r yp h a s et o 百( m 9 3 2 ( a 1 ，z n ) 4 9 ) t e r n a r yp h a s ew i t ht h ei n c r e a s i n go fx v a l u e f r o m2t o6 ，a n dt h en u m b e ri n c r e a s e da sw e l la ss i z em a g n i f i e d t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fa s c a s ta l l o y st o o kt h et e n d e n c yo fi n c r e a s e da tf i r s ta n dt h e nd e c r e a s e d ， t h ee l o n g a t i o na n dh a r d n e s sw e r eo nt h er i s e a f t e rt 6h e a tt r e a t m e n t ，t h es e c o n d p h a s eo fm i c r o s t r u c t u r ew h i c hw a sl o n gb l o c ki r r e g u l a rt r a n s f o r m e di n t os h o r tr o u n d b a rm 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 sh a ds i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e dt h a nt h e p r o p e r t i e so fa s - c a s ta l l o y s ，t h ee l o n g a t i o na n dm i c r o h a r d n e s sv a r i e dc o m p l i c a t e d l y b yc o m p a r i s o n ，z a 9 4a l l o yt h a ts o l u t i o n i z e da t3 5 0 t 2f o r2 0 ha n da g i n g e da t17 5 f o r16 hh a dt h eb e s tp r o p e r t i e s ，t e n s i l es t r e n g t h ，e l o n g a t i o na n dm i c r o h a r d n e s s w e r e ：2 8 9 m p a ，4 5 a n d118 h vr e s p e c t i v e l y ( 2 ) i nt h ep r o c e s so fm g 9 z n - x a lm a g n e s i u ma l l o yp r e p a r e df o rn o n - d e n d r i t i c s l u r r yb y i s o t h e r m a lh e a t t r e a t m e n t ，t h em i n i m u mt e m p e r a t u r e o fp r e p a r i n g s e m i s o l i ds l u r r yr e d u c e dw i t ht h ea 1c o n t e n ti n c r e a s e da n dt h er e g u l a r i t yw i t ht h e h e a t i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m et u r n e db e t t e r t h es t a g eo fs p h e r o i d i z e de v o l u t i o nf o r z a 9 2w a sr e l a t i v e l ys h o r t t h er e g u l a r i t yo fz a 9 6w a sb e t t e rt h a nz a 9 2a n dz a 9 4 a tt h eh e a t i n gt e m p e r a t u r eo f5 8 0 h o l d i n gf o r2 0 m i n z a 9 6o b t a i n e dt h e r o u n d e s ta n ds m a l l e s tn o n d e n d r i t i cs p h e r i c a lp a r t i c l e s ，w h i c hc a l c u l a t e db yt h e s o f t w a r et h a tt h ea v e r a g ep a r t i c l ed i a m e t e rw a s4 6 0 3 1 x m ，s h a p ef a c t o rw a s1 1 2 ，a n d s o l i df i a c t i o nw a s4 0 2 k e yw o r d s ：m a g n e s i u ma l l o y ；h e a tt r e a t m e n t ；m 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 s ； s e m i s o l i d 硕十学位论文 第一章m g z n a 1 合金及半固态研究现状 与传统的结构材料相比，镁合金具有以下一些性能特点：比强度高、刚性佳， 优子钢、铝；极佳的防震性，耐冲击、耐磨性良好；优良的热传导性，改善电子 产品散热问题，特别是便携式对散热要求高的电子产品，如笔记本电脑；非磁性 金属，抗电磁波干扰，电磁屏蔽性佳，不需对产品表面进行屏蔽处理；加工成型 性能好，成品外观美丽，质感佳；材料可1 0 0 回收，回收率高，符合环保要求； 尺寸稳定，收缩率小，机械性能不易因环境温度变化而改变，特别是低温性能优 良( 相对于塑料) ；与传统结构材料相比，镁合金的制造能耗要小，特别是热加工 过程中的能耗。 由于镁合金的这些优点，在近些年，镁合金逐渐地由原来主要用于航空及军 事领域转向民用，比如3 c 产品已开始大量使用镁合金零件。目前，镁合金的主 要成形方式是压铸，其中9 0 的镁合金是由压铸生产的。据镁业资料统计，从 2 0 0 4 2 0 0 8 镁合金压铸件年产量以1 5 2 0 的速度飞速发展，其中北美达到3 0 ， 欧洲则超过了6 0 。 1 1 镁合金的发展 1 8 0 8 年，英国化学家s i rh u m p h r e yd a v y 首次从镁和汞的混合氧化物中提炼 出了镁汞齐，然后制备出了少量含杂质的金属镁。1 8 2 8 年法国科学家a b u s s y 以钾还原无水氯化镁制备了金属镁。1 8 8 3 年m i c h a e lf a r a d a y 首次通过电解还原 氯化镁制备出纯镁。1 8 5 2 年德国科学家r o b e i r tb u n s e n 建立了第一座用于电解无 水氯化镁的电解池。1 8 8 6 年德国g r i e s h e i me l e k t r o n 公司在s t a s s f u r t 建立了世界 上第一家镁厂。1 9 1 6 年美国道屋( d o w ) 化学公司建立起了自己的第一家电解 氯化镁生产镁的工厂。1 9 2 7 年，高强度镁合金m g a l 9 z n l ，即a z 9 1 诞生了，极 大地促进了镁在工业上的应用；从此，镁的应用开始走向结构材料。 2 0 世纪6 0 年代以前，世界上8 0 9 0 的镁用于军事工业和航空航天工业， 6 0 年代以后镁的应用才开始慢慢扩大到民用工业，如汽车工业，镁的产量稳步 上升。2 0 世纪7 0 年代中期，镁合金在汽车上的用量开始回落，当时很多人出于 价格不稳定、成型困难和耐蚀性能的等方面的考虑，认为镁合金不可能成为未来 汽车的最好选择。7 0 年代末，由于世界范围内的石油危机，汽车制造商们又转 向寻求利用轻质的镁合金材料制造汽车部件。美国、日本、德国等政府也参与进 来，相继出台了各自地研究计划、组织了一系列的攻关项目，把镁原料作为2 1 世纪的重要战略物资，加强了镁合金在汽车、计算机、通讯及航空航天等领域的 应用开发研究【lj 。8 0 年代，镁合金材料开发取得了长足进展。人们发现f e ，n i ， m g 一9 z n - x a l 镁合金及半固态非枝晶组织的制备研究 c u 等杂质元素以及f e 与m n 的比例对镁合金耐蚀性的影响非常大，为此开发了 新一代的压铸镁合金a z 9 1 d 等，此间还开发了耐热的a s 4 1 及a s 2 1 合金【z j 。 9 0 年代开始，由于各国环保部门对汽车尾气排放时限制，镁合金在汽车上 的应用急剧增加【3 】。9 0 年代以来，德国在镁合金压铸领域一直处于领先地位， 奔驰汽车公司最早将镁合金压铸件用于汽车座支架，奥迪汽车公司第一个推出镁 合金压铸汽车仪表板。日本镁合金的开发与应用也十分迅速，如本田公司首先制 造出镁合金汽车轮毂、转向系统、凸轮轴等零部件；三菱公司与澳大利亚合作， 开发出超轻镁合金发动机等。目前，日本多家汽车公司都生产和应用大量镁合金 壳体类压铸件。v o l k s w a g e na u d i 公司在镁的应用方面进行了大量的开发研究， 最为突出的工作就是在a u d i 车上使用了镁合金b 8 0 变速箱。p a s s a t 和a u d ia 4 及a 6 型车用的镁合金变速箱重分别为1 3 6 k g - - 一1 4 5 k g ，减重4 5 k g 。a z 9 1 镁合 金力学性能优异，特别是可以提高变速箱整体件的高温蠕变性能，从而广泛应用 于此部件。多种不同形状v w - p a s s a t ( v o l k s w a g e n a g ) 齿轮箱，其材质均为a z 9 1 d 合金。f o r d 公司采用a z 9 1 合金制造的四轮驱动变速器已成功应用了十余年，其 结构质量比铝合金壳轻2 5 左右，且密封性良好，并且由于箱体及其连接方式 设计合理，从而没有产生任何高温蠕变问题。v o l k s w a g e n 一度每年消耗镁四万 吨以上，用于生产b e e t l e 汽车的变速箱、曲柄箱和传送箱，单台车用镁在2 0 k g 以上【3 1 。 同时随着a v c c ( a u d i ov i d e oc o m p u t e rc o m m u n i c a t i o n ) 产业的发展，镁合金 在电子工业中的应用也具有很大的潜力。当今世界，电子工业是发展最迅速的行 业，数字化技术的发展导致各类数字化电子产品的不断涌现。电子元器件越来越 趋于高度集成化和小型化，如便携式电脑、数码录像机、数码照相机、手机等日 新月异，更新速度之快令人膛目结舌。这些都要求部件具有减震、导热性、耐冲 击性，而镁合金正是这些电子产品的最佳壳体材料，目前在日本己经有大量电子 产品采用镁合金作为外壳材料。镁合金作为a v c c 的外壳部件材料有取代工程 塑料之势【4 1 。 1 2m g z n a l 镁合金研究现状 1 2 1m g z n a l 镁合金z n a i 比的设计 目前，m g z n a l 镁合金的研究主要集中在z n a i 比及z n 、a l 元素添加 量上做大量的研究5 ，6 1 。有文献【6 1 写到：当a l 量低于8 时，随z n 含量增加，合 金的抗拉强度提高、伸长率下降；而当含a 1 量高于8 时，随z n 含量增加， 合金抗拉强度降低，伸长率提高。不过z n 含量较高，将影响到合金的铸造性能， 有文献【7 1 表明：当含z n 量很小( 1 时) ，m g z n a l 合金处于可铸造区，而随 着含z n 量增加，则进入热裂区，并且该热裂区随含a l 量不同而变化；当z n 含 量进一步增加时，进入可铸造区和脆性区1 6 j 。 2 硕士学位论文 尽管通过控制z n 和a l 含量可以使m g z n a l 系耐热镁合金具有与a z 9 1 和或a s 4 1 等合金相当或更好的高温抗蠕变性能和铸造性能，但z n 、a i 含量 不能过大，且z n 、a 1 含量过大反而降低合金的高温力学性能，因而通过控制z n 、 a l 含量提高合金的高温蠕变性能和组织性能都具有一定的局限，为了进一步提 高m g z n a l 镁合金系综合力学性能和铸造性能，还需要从其它方面入手研 究，比如现在国内外研究的微合金化取得了很多成果。 1 2 2z n 和a l 对m g - z n a l 合金组织、性能的影响研究 在m g z n a l 合金中，z n 、a i 的加入量和比值直接影响到合金组织和性 能，为此国内外研究学者围绕z n 、a l 的添加量及比值对m g z n a l 合金的组 织、性能做了大量的研究，由于m g z n - a 1 合金第二相总类较多、转变情况较 复杂，现在的研究数据也不一致相同。z h a n g 等【8 ，9 】对m g z n a l 镁合金的研 究较早，他们发现m g 一( 8 1 2 ) z n 一( 2 - 6 ) a l 合金的典型铸态组织为a m g 基体与晶界共晶体( a 相和粗大的三元金属间化合物m g x z n v a l z 相) ，且a l 含量 2 有m g z n 相没有m 9 1 7 a 1 1 2 相。在性能上m g 一( 8 1 2 ) z n 一( 2 6 ) a 1 合金 抗拉强度和屈服强度均优于a z 9 1 d ，其中z n 含量8 一1 2 时，随a l 含量的增 加合金屈服强度升高，a l 含量4 时合金的强拉强度达到最大( 除1 2 、1 4 高 锌合金抗拉强度随a l 含量增加反而降低) 。随后武汉大学姚三九【1 0 , 1 1 等对m g 一 ( 2 0 - 2 5 ) z n 一( 5 1 0 ) a 1 合金研究发现：合金铸态组织主要由仅m g 相、共 晶产物( a 相+ m g a 2 ( a 1 ，z n ) 4 9 相) 和m g l 7 a i l 2 相组成。当z n 含量一定，随a l 含量的增加，m g l 7 a 1 1 2 数量增多，尺寸增大，合金的强度和硬度下降；当a l 含 量一定，z n 含量增加，共晶产物和m 9 1 7 a 1 1 2 相都增多，从而导致合金强度和硬 度都升高。同时，曾小勤等对【1 2 】m g 一( 5 1 0 ) z n 一( 2 9 ) a l 的研究发现： 随z n 和a l 元素的增加，m g 一( 5 1 0 ) z n 一( 2 9 ) a l 铸态化合物相增多， 且越来越粗大，当a l 含量5 时，离异共晶化合物相周围出现片状b 析出相。 而在塑性随元素z n 、a i 含量的增加而降低。 李冠群【l3 j 等的研究结果表明，当z n a i 比在1 1 5 - - l 范围内，合金组织主要 由a - m g 相合m 9 1 7 a l t 2 相组成，当z n a 1 大于1 时合金相主要由q m g 基体相合 m 9 3 2 ( a i ，z n ) 4 9 相组成。同时，杨明波l 1 4 】等对m g 一( 3 8 ) z n 一( 2 3 ) a l 的合金研究发现z n a 1 比大于或等于1 的铸态组织主要都由q m g + m 9 3 2 ( a 1 ， z n ) 4 9 + m g z n 组成。刘强1 15 等对m g 一6 z n 一( 2 6 ) a l 的研究与前两者的研究差 距较大，他们的研究发现：当a l 含量2 时，合金铸态组织为0 t m g 相和m g z n 相组成；a l 含量4 时为g t m g 相和片状m g l 7 a l l 2 相；当a l 含量达到6 时，除 了仅一m g 相和粗大的骨骼状m g l t a l l 2 相外还有少量的m 9 3 2 ( a 1 ，z n ) 4 9 相。力 学性能上，随着a l 含量的增加合金的抗拉强度和屈服强度都降低，延伸率小幅 度升高，硬度持续上升。此外，陈吉华【l6 】等对m g 6 z n x a l 的研究结果在组织上 与刘强研究大体相同：x = 2 时，合金由a m g 相与m g z n 相组成；x = 4 时，合金 3 m g 一9 z n - x a l 镁合金及半固态非枝晶组织的制备研究 由a - m g 、m g i7 a i l 2 和m 9 3 2 ( a 1 ，z n ) 4 9 三种相组成；x = 6 时，合金由a - m g 、 m g l 7 a i l 2 组成，x r d 物相分析后不确定m 9 3 2 ( a 1 ，z n ) 4 9 的存在。 上述不同研究者的研究结果虽然存在一些差异，但都证实了z n 和a l 含量 的变化对m g z n a l 系合金组织和性能影响较大，而这些差异有可能来自于原 材料、不同熔铸工艺、组织分析条件差异或操作上的原因。 1 2 3 其它添加元素对m g z n a l 镁合金组织、性能影响的研究 已有研究发现，在m g z i 卜a l 系镁合金中添加微量c a 、s r 、s i 、r e 、a 1s t i b 和t i c 等添加物有利于合金组织的改善和性能的提高。 1 2 3 】a 1 5 t i b a 1 5 t i b 在m g z n a l 合金中作用主要表现在细化晶粒，以达到改善合金性 能的目的。王迎春和王建强【1 7 , 1 8 】等都研究了a 1 5 t i b 对m g 一8 z n 4 a i 一0 3 m n 铸造 镁合金显微组织的影响，结果发现：m g 8 z n 4 a 1 0 3 m n 铸造镁合金的显微组织 主要由a m g 相、a 1 2 m g s z n 2 相、m 9 3 2 ( a i ，z n ) 4 9 相组成。加入o 5 的a 1 5 t i b 可显著细化合金的铸态组织，晶粒大小由1 2 0 - 1 3 0um 减少到3 0 - 4 0 l lm 。且 随着a 1 5 t i b 加入量的增加，合金的共晶m g 相数量和合金的显微硬度均呈增 加趋势。邓想【1 9 】等研究a 1 5 t i b 对m g 1 6 z n 6 a 1 0 3 m n 铸造镁合金的研究得到了 和王迎春等人相同的结果，a 1 5 t i b 的加入都很大程度上细化了合金的组织。后 者的研究还得到了a 1 5 t i b 对合金组织的影响：未加入a l s t i b 前 m g 8 z n 4 a 1 0 3 m n 合金显微组织主要由a m g 相和m 9 3 2 ( a l ，z n ) 4 9 相组成； 加入a 1 5 t i b 之后，合金显微组织主要由a m g 相和a 1 m 9 2 z n 三元相组成。此外， 王迎春【2 0 】等还研究了a 1 5 t i b 对m g 8 z n 4 a 1 0 3 m n 铸造镁合金时效过程的影响， 结果表明，未加a 1 5 t i b 的m g 8 z n 4 a 1 0 3 m n 合金的时效析出过程为：过饱和固 溶体一细小弥散析出相一再结晶软化和析出相的聚集长大；添加a 1 5 t i b 的 m g 8 z n 4 a 1 0 3 m n 合金的时效析出过程为：过饱和固溶体一细小弥散析出相一 析出相的聚集长大。固溶处理后，与未加a 1 5 t i b 的前合金相比，合金的显微硬 度显微硬度峰值都有一定程度的提高，随着t i 元素在合金中含量的增加，合金 的析出相形成激活能呈先增大而后减小的变化规律。 1 2 3 2c a 、s r 、s n 为了提高m g z n a l 合金高温性能，经常在这类合金中单独或复合加入c a 、 s r 、s n 等能与合金生成高熔点相。 1c a 的单独加入 c a 是提高镁合金的重要性能的重要元素【2 1 1 。在镁合金中，c a 由于与m g 的 半径比大于15 因而固溶能力较弱，但它与镁的亲和力较强，可以作为有效的 结构改善元素和弥散强化相生成元素，提高合金基体耐热性能和屈服极限。杨光 昱等【2 2 ，2 3 1 研究了c a 对砂型铸造合金m g 5 z n 3 a 1 0 2 m n 相组织和力学性能的影 4 硕士学位论文 m mm ml,m,mi 皇 响。结果表明：当c a 加入量为0 4 3 时，合金相组成为0 t m g 和m g z n a i c a 相，当c a 量分别为o 9 5 ，1 8 0 时，相组成为a 1 2 c a ，m g z n a 1 c a 和a m g ， 随着c a 量增加，a 1 2 c a 相比例增大，合金组织明显细化；另外，c a 的加入量增 加，合金的室温抗拉强度和延伸率下降趋势，而固溶处理后，合金抗拉强度和屈 服强度都升高，延伸率降低。石雅静【2 4 】：通过合金制备、微观分析和力学性能 测试等方法研究了c a 对z a 6 3 合金微观组织和力学性能的影响。结果表明： 在z a 6 3 合金中加入0 5 c a 时，由于合金中的c a 含量较少，主要以固溶原子 存在，没有含c a 相生成，故合金的相组成不变；当加入1 o 的c a 后，合金中 生成了细小高熔点a 1 2 c a 相，其相组成为a - m g 相 【( m 9 3 2 ( a 1 ，z n ) 4 9 ) 相、s ( m g z n ) 相和a 1 2 c a 相，并随着c a 含量的增加，a 1 2 c a 相也增多。c a 元素的加入，合 金晶粒细化，半连续网状的t 相变为细小粒状或棒状，颗粒状e 相更为细小。 随着c a 含量的增加。固溶时效态合金在室温1 5 0 和1 7 5 温度下的抗拉强度 和延伸率基本上呈先升高后降低的趋势。当c a 含量为1 o 时。合金在各温度下 的抗拉强度和延伸率都达到最大值。 2c a 与s r 的复合加入 由于c a 在镁合金固溶能力较小和单独c a 的引入在提高合金抗高温性能的 同时也带来其它性能降低的不利方面。因此，为了提高合金的综合性能，在加入 c a 的同时需要加入其它元素进一步改善合金的组织和性能。目前的研究中，s r 很多时候被一同加入作为改善合金的元素。万晓峰等【2 5 】研究了s r 、c a 对 m g 1 2 z n 4 a 1 。0 3 m n 组织和力学性能的影响，实验得出了以下结论：( 1 ) s r 加入后 的m g - 1 2 z n - 4 a 1 0 3 m n 合金，铸态组织中的块状准晶相转变为m 9 3 2 ( a 1 ，z n ) 4 9 相， 同时组织中出现了a m g + m 9 5 i z n 2 0 共晶组织。c a 与s r 同时加入合金后，铸态组 织中出现了热稳定性较高的a m g + a 1 2 m 9 5 z n 2 共晶相，它的体积分数随c a 加入 量的增加而增加。( 2 ) s r 的添加明显改善了合金在室温和2 0 0 温度下的拉伸性 能，其中抗拉强度和屈服强度随s r 加入量的增加呈先增大后减小的趋势。c a 与 s r 的复合加入使合金抗拉强度降低，但屈服强度有一定提高。( 3 ) m g 1 2 z n 一4 a 1 0 3 m n 合金中单独添加s r 导致合金抗蠕变性能降低，但与c a 复 合加入后，蠕变性能明显改善，当c a 加入量达0 4 时，合金呈现良好的高温抗 蠕变性能。 3s n 的单独加入和与c a 的复合加入 m g z n a l 合金中加入s n 后，在显微组织中形成了显微硬度和熔点都较 高的具有c i 结构的m 9 2 s n 颗粒相，从而改善合金的室温力学性能和高温抗蠕变 性能。廖锟【2 6 j 等在z a 6 2 中加入少量s n 元素发现：显微组织中的m g z n 得到了 一定程度的细化，并且在晶界上析出弥散的m 9 2 s n 相；m 9 2 s n 相得弥散分布起 到钉扎晶界、阻碍位错运动的作用，显著提高了合金的强度和塑性。但s n 含量 过大，就会大量析出m 9 2 s n 相，同时也促进m g z n 相大量析出而粗化，最终将 会使合金的抗拉强度降低。此外，他们还研究了在s n 对z a 6 2 合金化的基础上 5 元素的基础之上，她还研究了微量c a 元素加入对z a 6 2 合金合金的影响，结果 表明明微量c a 的加入在合金的退火过程中，可能具有加速m g z n 相和m 9 2 s n 相 的析出过程，稳定合金高温组织的作用。 1 2 3 3 其他元素 张春香【2 8 】等研究低s i 合金化对m g 8 z n 4 a 1 0 3 m n 合金组织性能的影响发 现：低s i 能明显提高合金的流动性和耐磨性，并能细化合金的晶粒。当s i 量( 质 量分数) 小于o 4 1 时，合金的显微硬度、刚度、强度和塑性都得到了明显的提 高；当s i 量大于0 6 9 时，由于汉字状m 9 2 s i 的出现，导致合金显微硬度、刚 度、强度和塑性都呈下降趋势。许春香【2 9 】等研究添加y 含量( 0 1 5 ) 对铸 态m g 8 z n 4 a i 0 3 m n 显微组织和力学性能的影响表明，适量的y 元素( 0 5 ) 使z a 8 4 合金组织明显细化，网状的百m 9 3 2 ( a l ，z n ) 4 9 变成颗粒状。李金锋【3 0 j 等研 究了s i 、y 对m g z n a l 镁合金研究结果表明，s i 、y 的加入改善了合金的组 织和力学性能，主要是抗拉强度得到显著的提高。杨明波1 3 1 1 等研究了t i c 对金 属型铸造z a l 0 4 合金组织、力学性能和凝固行为的影响得出：添加0 5 t i c 对 z a l0 4 合金组织的构成没有影响，但t i c 的加入细化了合金组织，使 m 9 3 2 ( a 1 ，z n ) 4 9 从连续状变为半连续状或颗粒弥散分布；从而提高了合金高温、室 温拉伸性能和蠕变性能，也使合金凝固温度范围降低和铸造流动性提高。 1 3 半固态成形及镁合金半固态浆料制备方法现状 1 3 1 半固态成形 半固态成形技术( s s f ) 起源于2 0 世纪7 0 年代：其基本概念、理论和技术在 美国麻省理工学院f l e m i n g s 教授等的努力下逐步创立，f l e m i n g s 把一种建立在 球形结构或者说触变性结构上开发出来的新工艺称之为半固态金属加_ t 3 2 , 3 3 】。 半固态加工的基本工艺路线可分为流变成形( r h e o f o r m i n g ) 和触变成 ( t h i x o f o r m i n g ) 两种( 参见图1 1 两者工艺流程图【3 4 】) ：流变成形是指直接利用已 制备好的具有球形组织的半固态浆料进行重力铸造、压铸以及模锻等成形的工 艺；触变成形是把具有非枝晶组织的半固态坯料重新加热至两相温度区间，再进 行压铸、挤压或轧制成形的工艺。尽管流变成形工艺以流程短、生产成本低以及 废料循环再利用性具有一些优点，但合金供给料存在诸多问题，如合金种类的不 同，产品的有限体积，生产零件的质量不同【35 1 。触变成形虽然工艺流程长，增 6 硕士学位论文 加操作工序，但是易于控制，能够实现流水线自动化生产，因而在半固态加工工 艺应用初期更受到厂家的青睐。另外触变成形适合小批量生产，生产材料尺寸、 大小控制较流变成形精确，因此也更能避免材料浪费，节约生产成本。钢铁材料 半固态浆料的保存和阶段式输送较为困难，因此目前主要采用触变成形为主。而 我们本文制备的浆料主要为半固态触变压铸做准备。 尽管这两种半固态成型技术在工艺上有所不同，都要求用于成型的半固态金 属浆为均匀、细小、圆整的非枝晶组织，且浆料的固相率应在4 0 - 6 0 范围。 因此，能否制备具有球形组织的半固态浆料，是半固态金属成型技术的基础与关 键，也是半固态成型研究领域的重点课题。国内外学者在此方面已做了大量的研 究工作，并提出了许多半固态金属浆的制备方法【3 6 - 3 8 1 。 镛羹健坯 定量努钳蜷麓t 新砸热至半圆蠢运至压甜曩 图1 1 半固态金属成型工艺流程图 半固态成形技术是在同液相区直接成形的一种新型材料成形技术。它具有铸 造和固态塑性成形的优点。如具有一定的流动性、飞溅小、体积收缩小、晶粒较 细小均匀、变形抗力小，组织均匀、成分偏析小、致密性高、力学性能好、零件 尺寸精度高和生产效率高等特点，被称为2 l 世纪新兴的最具发展前途的金属精 密成形关键技术之一【3 9 1 。同传统的铸造方法相比，半固态成形方法具有节能高 效、金属收缩小，气孔率低，偏析轻，组织均匀细小的优点，而且半固态成形制 备的零件尺寸精度高，产品力学性能优异。同锻造成形方法相比，半固态成形具 有模具使用寿命高。金属流变性能好，金属变形抗力小，坯料的成形性好的优点。 1 3 2 镁合金半固态浆料制备方法现状 可实行半固态成形的合金有铝、铜、锌、银、镁等各种合金和碳钢、不锈 钢这些常用材料。目前最成功的和最广泛的应用就是铝合金的制备【4 0 1 ，而镁合 金的研究还在发展阶段。半固态加工技术的核心内容就是生产具有球形组织的半 固态浆料，现在很多很多半固态浆料制备方法【3 6 - 3 8 l 大都最早应用于铝合金的制 备，关于镁合金半固态浆料的制备工艺大都沿用或在铝合金半固态浆料制备方法 的基础之上发展。下面主要介绍一些有关镁合金半固态浆料制备的方法。 1 3 2 1 机械搅拌法 7 机械搅拌法制备半固态镁合金，是通过控制搅拌温度、搅拌速度和冷却速度 等工艺参数，使初生树枝状晶破碎，形成球状颗粒组织。北京科技大学的徐跃等 4 1 - 4 2 】对机械搅拌法制备镁合金半固态组织进行了详细的研究，并对机械搅拌法 制备半固态流变浆料直接成形工艺进行了详细研究。研究表明：制备浆料的温度 相对越低，剪切速率越大，固相率越高，固相颗粒越细小、均匀、圆整。 管仁国等人【4 3 】采用波浪