（材料学专业论文）mg6al1znxsn镁合金的显微组织与力学性能.pdf

摘要 镁合金以其比强度高、密度低、减震性能好及工艺性能优越等一系列的特 点，近些年来正成为金属材料研究领域的一个热点。早斯镁合金开发应用不够 广泛，基础研究也不充分，这就给镁合金的生产应用带来了很多问题。开发新 的高性能镁合金系列是目前研究的主要趋势，但对现有镁合金系统进行合金化 和适当的热处理也可能成为改善材料性能的有效方式。 合金化和热处理是结构金属材料获得产品性能的主要方法。本论文工作把 合金化和热处理这两种改善材料性能的有效方式结合起来，对目前应用较广泛 的镁合金m g - 6 a 1 1 z n 进行了较系统的工艺探索，以期待进一步提高它的常温 高温力学性能。实验中分别研究了s n 元素的加入和不同热处理工艺对材料性能 和微观组织的影响。本文主要讨论了不同的s n 元素添加量对合金的组织和力学 性能的影响：热处理则着重研究了材料的固溶和时效对组织和力学性能的影响。 随后根据对热处理强化过程的讨论结果，通过合适的热处理工艺参数，以性能 和微结构为衡量手段，逐步优化工艺，最终获得高强耐热的新型镁合金。 。实验表明，s n 加入m g - 6 a i - i z n 合金后，形成了球形颗粒状m 9 2 s n 相。加 入了s n 后合金的力学性能得到了一定程度的提高。未加入s n 的铸态合金的抗 拉强度、屈服强度和硬度分别为2 2 0m p a 、1 0 0m p a 和4 6 h b ；当加入s n 含量 为3 m a s s 时，铸态合金的抗拉强度、屈服强度和硬度提高为2 5 0 m p a 、1 2 0 m p a 和5 7 h b 。 热处理研究表明，合金经过4 0 0 0 ，1 0 h 固溶处理后， m 目7 a i l 2 相完全固 溶入基体中，形成过饱和的小m g 固溶体，而m 9 2 s n 是高熔点相，经过固溶处 理后变化不是很大，从而能提高合金的常温和高温力学性能。当加入s n 含量到 达3 m a s s 时，常温抗拉强度、屈服强度和硬度分别达到2 7 4m p a 、1 7 2m p a 和6 3 h b 。高温抗拉强度、屈服强度分别达到2 1 1m p a 和1 1 5 m p a 。从m g - 6 a b l z n 合金的断口看来，其具有典型的解理特征，但是加入s n 以后，断口是具有一定 韧窝和解理面的准解理断裂方式。 关键词m g - 6 a i 一1 z a - - s n ：m 9 2 s n ；显微组织：力学性能；断裂机理 a b s t r a c t m a g n e s i u ma l l o y sa r eb e c o m i n gm o f ea n dm o r ea t t r a c t i v em e t a lm a t e r i a l si n t h er e c e n ty e a r sd u et ot h e i rl o wd e n s i t y , h i 曲s p e c i f i cs t r g t h , w e l ld a m p i n g p r o p e r t ya n ds oo i li nt h ee a r l yt i m e , h o w e v e r , m a g n e s i u ma l l o y sa r cm a i n l yu s e di n t h ef i e l do f m i l i t a r yi n d u s t r yi nw h i c ht h ec o s ti sn o tt h em a i nc o n c e r n t h e r e f o r et h e f u n d a m e n t a lr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ta l el i m i t e d , w h i c hh a v er e s t r i c t e dt h e i r a p p l i c a t i o n s a tp r e s e n t , t h em a i nr e s e a r c ht e n d e n c yi st od e s i g na n dd e v e l o pn o w m a g n e s i u ma l l o y sw i t hi m p r o v e dp e r f o r m a n c e o t h c i - sa p p r o a c ht oi m p r o v et h e p r o p e r t i e so fm a g n e s i u ma l l o y sa l ea l l o y i n ga n dm o d i f y i n gt h ep r o c e s so fh e a t t r e a t m e n t t h i sm a yb e c o m em o r er a p i da n de f f e c t i v ew a yf o rt h ea p p l i c a t i o no f 婶e s i u ma l l o y s a l l o y i n ga n dh e a tt r e a t m e n ta r et w om a j o re f f e c t i v em e t h o d st oi m p r o v et h e p r o p e r t i e so f m e t a l l i cm a t e r i a l s t h ep r e s e n tw o r kh a si n v t i g a t c ds y s t e m a t i c a l l yt h e p r o c e s sd e v e l o p m e n tf o rw i d e l yu s e dc o m m e r c i a lm a g n e s i u ma l l o y s ，m g - 6 a i - 1 z n , b yac o m b i n a t i o no f a l l o y i n ga n dh e a tt r e a t m e n t f i r s t l y , t h ee f f e c t so f t h ea d d i t i o no f t i n a n dh e a tt r e a t m e n tt ot h ep r o p e r t ya n dm i c r o s t r u c t u r ea r ei n v e s t i g a t e ds e p a r a t e l y t h es t u d yo fa l l o y i n gm a i n l yf o c u s e d0 1 1t h ee f f e c t so fd i f f 盯e n ta d d i t i o n so fs na n d h e a tt r e a t m e n to nt h ee f f e c to fs o l i ds o l u t i o na n da g i n g o nt h eb a s eo fa b o v e d i s c u s s i o n , t h ea p p r o p r i a t ep r o e e s s i n gp a r a m e t e r sa r ea r r a n g e di np a i r so rg r o u p st o o p t i m i z e t h e p r o c e s sg r a d u a l l y b a s e do nt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d m i c r o s t r u c t o r em e a s u r e m e n t sa n dt h eo p t i m u mp r o c e s si ss e l e c t e df i n a l l y e f f e c t so fs na d d i t i o no i lt h em i e r o s t r u e t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e m g - 6 a i - 1 z na l l o y sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h em i c r o s t r u c t m er e s u l t ss h o w e dt h a t s p h e r i c a lm 9 2 s nh a db e e nf o u n di nb o t ha s c a s t e da n dh e a tt r e a t e da l l o y s t h e m e c h a n i c a lt e s t si n d i c a t e dt h a ta z 6 1h a dt h em a x i m u ms t r e n g t ha n dh a r d n e s so f t h e a s c a s t e da l l o yw h e nt h ec o n t e n to fs nw a s3 0 m a s s m a x i m u mt e n s i l es t r e n g t h a n dm a x i m u my i e l ds t r e n g t ha r e2 5 0 m p a , 1 2 0 m p aa n d5 7 h b i b - m g i t a l l 2p h a s eh a d b e e nd i s a p p e a r e dw h e nt h ea l l o y sh a db e e nh e a tt r e a t e db yt h ep r o c e s s ( 4 0 0 。c 1o h ) ， 一i 北京工业大学工学硕士学位论文 t h em 9 2 s nc o u l di m p r o v et h er o o mt a n p e r a t u r os 灯e n g t h sa n dh i g h - t e m p e r a t u r e s u e n g t h so ft h ea l l o y sb e c a u s et h i sp h a s ec a nn o tc h a n g ea p p a r e n t l ya f t e rh e a t 缸 e a t m e n t w h e nt h ec o n t e n to f s nw a s3 0 m a s s t h em a x i m u mr o o mt e m p e r a t u r e t e n s i l es t r e n g t h , y i e l ds t r e n g t ha n dh a r d n e s sa 托2 7 4 m p a , 1 7 2 m p aa n d6 3 h b t h e m a x i m u mh i g h - t e m p e r a t u r et e n s i l es t r e n g t ha n dy i d d 姗e n g t h 黜2 11 m p a , 1 7 2 m p a t h ef r a c t u r eo fm e c h a n i s mo fa l l o y sw a sc h a n g i n gf r o mc l e a v a g et oq u s i c l e a v a g e w h e ns nh a sb e e np u ti nt h e s ea l l o y s k e yw o r d sm g - 6 a i - i z n - x s n ；m 9 2 s n ；m i c r o s m l c t u r e s ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ； 丘丑c t u r em e c h a n i s m - i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲垒盈 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，e p ：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：幽互2 皇 第1 章绪论 第1 章绪论 金属镁及其合金是目前工业应用中最轻的金属结构材料，常用镁合金的密 度通常介于1 4 9 c r a 3 和1 9 9 c m 3 之问，分别为铝合金和钢铁的2 3 和1 4 。镁 合金具有比强度高、阻尼减震性好、导热性好、电磁屏蔽效果佳、机加工性能 优良、零件尺寸稳定、易回收等优点，在航空航天、汽车、和电子通讯等领域 有广泛的应用前景，被称为2 l 世纪的绿色工程材料【2 卅。然而，在材料领域中 还没有任何一种金属像镁那样，潜力与现实有如此大的差科7 】。例如，约8 0 的镁用于铝合金化的添加剂以及冶金方面，1 3 用于铸造合金，仅3 用作更 有前途的变形制品。因此，利用我国丰富的镁资源和镁工业的基础，研究具有 高性能的镁合金材料具有重大的意义 1 1 镁及镁合金的性质 1 1 1 镁的晶体学特征 镁的晶体结构为密排六方。在2 5 c 时的晶格常数为：a = 0 3 2 0 2 n m ，c = o 5 1 9 9 n m ；晶格的轴比为c a = 1 6 2 3 7 。虽然密排六方晶体的密度和原子配位数 与面心立方晶体相同，但是由于两种晶体原子密排面的堆跺方式不同，晶体的 塑性变形能力相差悬殊。面心立方晶体有1 2 个滑移系，因而具有较高的塑性。 密排六方晶体在室温下只有3 个密捧方向 t t 2 0 】， 互ll o 】和【t 2 t o 】与滑移面组 成了这类晶体的滑移系，其塑性比面心立方和体心立方晶体都低，塑性变形更 多的需地依赖于孪生来进行。因此，密排六方晶体的塑性变形依赖于滑移与孪 生的协调动作，并最终受制于孪生；滑移与孪生的协调动作是此类合金塑性变 形的一个重要特征【8 】口 1 1 2 镁的物理、化学性质 2 9 3 k 下镁的密度为1 7 3 8 9 c m 3 ；接近熔点9 2 3 k 时，固态镁的密度大约为 1 6 5 9 c m 3 ，液态镁的密度约为1 5 8 9 c m 3 。凝固结晶时，纯镁的体积收缩率为 4 2 。由于镁在铸造和冷却时的收缩量大，从而会导致铸件中形成微孔，使铸 件具有低韧性和高缺口敏感性。在标准大气压下，纯镁的熔点为9 2 3 k ，沸点为 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3 8 0 k 。随着压力的增加，镁的熔点逐渐升高。在镁中添加p b ，a l 和s b 等元 素将提高镁的沸点，而添加z n ，c d 则降低镁的沸点【9 l 。 1 1 3 镁的力学性能 常温下镁的拉伸性能和压缩性能见表1 ，2 9 3 k 下镁的最高纯度为9 9 9 8 时，动态弹性模量为4 4 g p a ，静态弹性模量为4 0 g p a ；镁的纯度为9 9 8 0 时， 动态弹性模量为4 5 g p a ，静态弹性模量为4 3 g p a 。随着温度的增加，镁的弹性 模量下降1 9 1 表1 - 12 9 3 k 镁的典型力学性能 t a b l el - ! m e c h a n i c a l 0 l 妇o f p u r em g 1 1 4 腐蚀性能 镁的标准电极电位为一2 7 3 v ，比铝( 一1 7 1 v ) 低是电负性很强的金属， 其耐蚀性很差。镁在潮湿大气，海水，无机酸及其盐类，有机酸甲醇等介质中 均会发生剧烈的腐蚀；只有在干燥的大气，碳酸盐，氯化物，铬酸盐，氢氧化 钠溶液，苯，四氯化碳，汽油，煤油及不含水和酸的润滑油中才稳定。镁在室 温下很容易被空气氧化，生成一层很薄的氧化膜。这种薄膜多孔疏松，脆性较 大，远不如铝及铝合金的氧化膜坚实致密，耐蚀性差。在存储和使用过程中， 必须采取适当的措施防止镁的腐蚀，如表面氧化和涂油，涂装等【9 1 。 1 1 5 工艺性能 镁为密排六方晶格，室温变形时只有单一的滑移系 o o o l ，因而镁的 塑性比铝低，各向异性也比铝显著。随着温度的升高，镁的滑移系会增多，在 - 2 - 第l 苹绪论 4 9 8 k 以上发生( 1 0 1 1 ) 面上【l l - o 】方向滑移，从而塑性显著提高。因此镁合 金可以在5 7 3 k 8 7 3 k 温度范围内通过挤压，轧制和锻造成型。此外，镁合金 还可以通过铸造成型，且镁合金的压铸性能比大多数铝合金好【9 】。 1 2 镁的合金化 1 2 1 合金元素在镁合金中的作用 合金元素的溶解度特征对镁合金的性能有很大的影响，根据h u m c - r o t h c r y 固溶度准则，很多元素都能与镁形成固溶体，与镁形成固溶体的各种元素的合 金化作用是比较显著的【埘。因此，深入研究镁合金的合金化原理，指导镁合金 的开发是十分重要的。 根据在镁中的存在形式及对二元镁合金力学性能的影响，合金元素可以分为 以下三类【i l 】： ( 1 ) 同时提高镁合金的强度与塑性的元素，按强度递增的顺序为：灿、历、 c a 、a g 、c e 、g a 、n i 、c u 、1 1 1 ；按塑性递增的顺序为：t b 、g a 、z n 、a g 、 c 文c a 、a i 、n i 、c u 。 ( 2 ) 只提高镁的塑性，而对强度影响很小：c d 、t i 、l i 。 ( 3 ) 降低塑性而提高镁的强度：s n 、p b 、b i 、s b 。 下面主要介绍常用的一些合金元素的作用【1 2 1 ： o ) a l 改善合金铸造性能，但有形成显微缩松的倾向。可固溶强化和时效 沉淀强化。 ( 2 ) z n 增加熔体流动性，弱的晶粒细化剂，有形成显微缩松倾向。在镁合 金中的固溶度约为6 2 m a s s ，有沉淀硬化作用，时效过程中有多种非平衡析 出相。共晶点温度较低( 3 4 7 0 c ) 。 ( 3 ) m n 其加入对镁合金的机械性能影响不大，但降低塑性。在镁合金中 加入1 - 2 5 m a s s m n 的主要目的是提高合金的抗应力腐蚀倾向，以沉淀f c m n 化合物，形成稳定的金属问化合物来控制固溶的铁含量从而提高耐腐蚀性能和 改善合金的焊接性能。同时能细化沉淀产物，增大蠕变抗力。 ( 4 ) s i 降低铸造性能，与、z i l 、a g 等元素形成稳定的硅化物，可改善 北京工业大学工学硕士学位论文 蠕变性能。m 9 2 s i 为租大的汉字状析出，主要分布在晶界，而且熔点高，增加 了熔炼的温度和难度，通过固溶处理无法改变m 9 2 s i 的数量和分布【t 3 - - 1 5 】。 ( 5 ) 盈最有效的晶粒细化剂，可强烈细化晶粒，减少热裂倾向和提高机械 性能和耐热性。在镁合金中加入0 5 - 0 8 m a s s 的z r ，其细化晶粒的效果最好。 但与s i 、a l 、m a n 等不能同时溶入镁合金中，否则因形成稳定化合物而起不到 细化作用；从熔体中清除f e 、a i 、s i 等元素，稍微改善室温抗拉性能。 ( 6 ) r e ( 稀土元素) 可以显著提高合金的耐热性( 与稀土形成的化合物具有 很高的热稳定性) ，细化晶粒，减少显微疏松和热裂倾向，改善铸造性能和焊接 性能，一般无应力腐蚀倾向，其耐腐蚀性不亚于其它镁合金。常用的稀土元素 有c e 、l a 、n d 、p r 、y 等。 c a 本身很轻，价格便宜，可以细化晶粒，提高合金高温蠕变抗力【埔一7 1 应用比较广泛。 1 2 2 镁合金的强化机制 1 2 2 1 固溶强化固溶强化时溶质原子固溶入晶体的晶格中，由于溶质原 子与基体原子的原子半径和弹性模量不同使晶格畸变，从而使合金得到强化i 阍。 根据h u m e - r o t h e r y 固溶度准则，溶质与基体原子的原子半径尺寸差大于1 5 ， 就不会形成浓度较大的固溶体。镁的原子半径为3 2 a ，符合上述尺寸的元素有 l i ，a l ，t i ，c r , z n , g e ，y t ，s n , n b ，m o ，p d , a g , n d 和b i 等【嘲。另一方面，相同电子价， 相同晶体结构的元素相互之间的固溶度大，对于镁来说，符合条件的元素只有 c d 和z n 。另外，低价金属容易使高价金属固溶，因为额外电子的加入提高了 合金金属之间的结合能和结构的稳定性。 2 2 2 析出强化当合金元素在基体中的固溶度随温度的降低而降低时， 析出强化就成为了另一种强化方式。产生强化的机制是析出相阻碍位错运动和 滑移，提高了强度。 析出相的形状，尺寸，性能以及析出相和基体之间的界面关系是关键因素。 为了增强镁合金的析出强化，选择合金元素应考率到以下几条标准：元素应该 在高温下在镁中有足够的固溶度，且随温度的降低而降低，以提高合金的时效 强化能力；析出相中应含有较多的镁，在提高析出相百分含量的同时减少所需 的合金元素量。 第l 苹绪论 1 2 2 3 弥散强化弥散强化机制与析出强化机制相似，但与析出相不同的 是弥散强化的颗粒在合金凝固过程中，一般熔点较高，而且不溶于镁基体，所 以具有较好的热力学稳定性能1 2 0 l 。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，析出相可能逐渐粗化和软化，失去强化效果，而弥散相却能依然阻 碍位错滑移，保持了合金的高温强度。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分离而形成裂纹，导致合金韧性下降。 1 2 2 4 细晶强化晶界是滑移传递的主要障碍，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 的提高。细晶强化对于密排六方结构的镁合金更为明显【2 1 1 。合金的屈服应力与 晶粒尺寸的关系可用关系式表示：e = o t + k d - 1 尼式中：a t 和k 是与材料相关的 两个常数，o 为屈服强度，d 为晶粒直径。 1 3 镁合金的研究现状及应用前景 1 3 卜镁合金的研究现状 近年来镁合金的研究和应用已经受到了发达国家和地区的高度重视，加大 了对镁合金研究开发和应用的投入。中国具有丰富的镁资源，为了将我国的资 源优势转化为技术，经济优势，国家加大了对镁合金相关技术的支持力度，推 动了镁合金的开发与应用。目前已开发的镁合金主要有m g - a 1 ，m g - z n ，m g - r e ， m g - z r 和m g m n 这个五个合金系。镁合金可以分为铸造镁合金和变形镁合金两 大类。前者主要通过铸造得到镁合金产品。传统的铸造工艺比较成熟，近年来， 铸造领域中出现一些新的生产工艺和技术，如压力铸造技术( 镁合金机构件一 般都是压铸件，现在世界工程结构镁合金需求的9 8 来自压铸行业) 和半固态 成型技术等。它们都被用来开发新型镁合金材料，并且取得了很大的进展。 1 3 2 镁合金的发展方向 1 3 2 1m g a i 系合金 目前应用最广泛的压铸镁合金是m g - a l 系合金。 常用的4 个系列为：a z ( m 乎z n ) 系列、a m ( m g - a i i n ) 系歹0 、a s ( m g - a i s i ) 系 北京工业大学工学硕士学位论文 列和a v 玎m g - a i - r e ) 系列。a z 系列合金a z 9 1 具有良好的铸造性能和最高的屈 服强度，其压铸件广泛应用于汽车座椅、变速箱外壳等多种形式部件。a m 系列 合金a m 6 0 、a m 5 0 具有较高的延伸率和韧性。用于抗冲击载荷、安全性较高的 场合如车轮、车门等。a s 系列镁合金a s 4 1 、a s 2 1 和a e 系列的镁合金a f a 2 是2 0 世纪7 0 年代开发的耐热压铸镁合金【i i 】。近年来，日本结合加入c a 和r e 元素，开发了一种新的耐热镁合金a c m 5 2 2 ( m g - 5 a i - 2 c a - 2 r e - 0 3 m n ) ，可在1 5 0 2 0 0 ( 2 范围使用瞄l 。s b 、s n 、b i 等元素被认识到也是提高m g - a l 合金抗蠕变性 能的新的合金元素僻】 1 3 2 2i g - z n 系合金最近，m g z n 系合金的主要研究成果之一是新型 m g - z 血- c u 合金的开发c u 可以提高m g - z n 合金的强度、韧性和铸造性能。较 典型的是z c 6 3 ( m g - 6 z 小3 c i 卜o 5 m n ) 合金，其砂型铸件时效处理后具有o - - - - 2 3 5 m p a 、6 e 2 = 1 5 0 m p a 、汹的良好力学性能：而且c u 对该合金的抗蚀性危害 很小，也许是因为c u 主要集中于共晶相m g ( c u , z n h 中的缘故。通常，m g - z n 合金铸件存在显微孔洞等问题而很少应用，但其变形产品的发展前途较好，如挤 压时效后的z k 6 0 合金具有o = 3 6 0 m p a 的高强度和8 = 1 0 的塑性【们。m g - z n 合 金加入r e 可以改善铸造性能和蠕变抗力 1 3 2 3 _ g 一旺系合金稀土元素符合提高镁合金高温性能的要求。稀土 元素熔点高，在镁中扩散慢；许多稀土元素在镁中具有较大的极限固溶度，固溶度 随着温度的下降而急剧降低，时效处理时，沉淀初期通常具有共格亚稳相( 如 d 0 1 9 ，六方超点阵，a = 2 a m g , o = - c m g ) 析出，具有较大的时效硬化效应；m g = r e 化合物析出相的高温稳定性好，不易长大；并且，析出相( 如m 翻y 5 、m g l 2 n d 、 m g l 2 c o * 的镁原子分数一般较大，较少的稀土含量可形成较大体积分数的弥散 沉淀相。m g - r e 系合金是超过2 0 0 温度应用的镁合金。常用的稀土元素为y 、 n d 、c e 、l a 、d y 、g d 等。在发现厅可以细化m g - r e 合金晶粒后，e k 3 0 a 是 第一个开发并在航空发动机上得到应用的铸造高温稀土镁合金口1 。随后e z 3 3 、 q e 2 2 、q h 2 1 、e q 2 i 等合金相继得到了开发。含1 1 1 的镁合金如h z 3 2 a 和h k 3 1 a 具有3 5 0 高温下的良好抗蠕变性能，但t h 元素的放射性限制了其使用【2 ”。目 前开发最成功的是m g y - n d 基的w e 5 4 和w e 4 3 合金。w e 5 4 合金t 6 状态具有 o - = 2 7 5 m p a , o o 2 = 2 0 0 m p a 6 = 4 的良好力学性能。由于w e 5 4 合金在1 5 0 c 长期 第1 章绪论 暴露时将导致韧性降低到不能接受的水平，故w e 4 3 合金得到开发，w e 4 3 合 金具有优良的综合力学性能和性能的长时间温度稳定性【2 4 1 。 1 3 3 镁合金的成型技术 1 3 3 1 镁合金的压铸1 9 1 6 年美国d o w 化学公司首次研究开发出压力铸 造技术( 简称压铸) ，具有高效率，自动化且适合大批量生产金属材料零部件等 优点，是一种去掉近无切削的特种铸造方法。该方法适用于生产镁、铝和锌等 有色合金的零部件，基本原理是液态或半液态金属在高压作用下，以较高速度 填充到模具中，并在压力作用下凝固而获得所需铸件。 压力铸造要求合金熔体具有良好的流动性和充型性。镁及其合金的熔点低， 大多数合金的流动性比较好；镁的比热容低，其铸件容易获得高的冷速；镁的 密度低，因而在适中的压铸压力下可以获得理想的致密度较高的铸件。因此， 镁合金比较适合压力成型。由于镁的流动性优于铝和锌，可以压铸出薄壁件， 原材料消耗小，大大降低成本，从而在汽车工业中大量采用镁合金压铸件实现 减重【蛔。 1 3 3 2 镁合金的半固态成型2 0 世纪7 0 年代初，美国麻省理工学院f l e m i n g s 教授研究发现，处于凝固状态( 固相线与液相线温度区间) 的金属材料经强力搅拌 后，枝晶被打碎，生成球状晶组织，具有成形时所需要的优异性能( 即流变性和触变 性) ，并称之为半固态成形【2 6 l 。因为镁是活性金属，在熔融状态下氧化剧烈，容易燃 烧，一般成形方法难以克服；而采用半固态成形，液相比例小又能进行低温作业，氧 化和燃烧的危险性明显减少。所以镁合金半固态成形技术为解决这一难题提供 了条件。 1 3 3 3 反复塑性加工制备超细晶粒材料由东京大学研究开发的多次加工 方法原理如图1 - 1 所示。这种方法是将镁合金加工成屑或粗粒粉末填充到模具 内，经单纯压缩成型后再进行挤压，2 种方式反复进行，使材料充分搅拌和粉末充 分均匀化，在反复加工过程中，材料固化到一起，粒得到细化，最终得到的材料为 具有微细组织的成型固体。用a z 3 l 屑( 约3 4 m m ) 经上述反复加工后，再将其热 挤压加工成棒，材料原始晶粒为1 0 0 i _ t m ，经单纯压缩加工，其晶粒达到2 0 3 0 肛m ， 经2 0 0 次反复加工后，平均晶粒达到5 1 t m ，充分反应了这种方法的晶粒细化效果 【2 7 2 引。 北京工业大学工学硕士学位论文 图1 1 反复塑性加工工艺流程 f i g i ir e p e a t e d p l a s t i c p r o c e s s 1 3 4 镁合金的应用 1 3 4 1 镁合金在汽车工业上的应用镁合金用作汽车零部件通常具有一下 的优点： 1 提高燃油经济性综合标准，降低废气排放和燃油成本，据测算，汽车所 用燃料的6 0 消耗于汽车自重，汽车每减重1 0 ，耗油将减少8 l o ； 2 质量减轻可以增加车辆的装载能力和有效载荷，同时还可以改善刹车和 加速性能。 3 可以极大改善车辆的噪声，振动现象。 镁合金在汽车中主要可以作为如下两种类型的零部件：( 1 ) 壳体。镁合金 不能用作汽车车身结构部件，但是对于强度要求不是很高的各种壳体部件来说， 镁合金却是首选。汽车零部件通常都是大批量生产，采用压铸方法生产汽车零 部件，不仅效率高、成本低，而且具有很好的表面粗糙度。目前，各汽车公司 生产的壳体类镁合金零件相当多，有离合器壳体、阀盖、阀板、仪表板、变速 箱体、曲轴箱、窗户马达壳体、发动机前盖、汽缸盖和汽缸头盖等。用镁合金 制造壳体类零件，不仅可以减轻重量，而且由于镁合金的阻尼衰减能力强，降 低了汽车运行时噪音。( 2 ) 支架。虽然镁合金不能用作汽车上的大的受力部件， 但是却可以用作支架类受力小的结构部件，并且具有巨大的发展潜力，如方向 第l 苹绪论 盘、转向支架、刹车支架等。镁合金作为结构件还有其突出的优点。由于其比 强度高，因此可以在相同重量下得到较高的强度，而且阻尼性能良好并具有很 高的抗冲击韧性，尤其是适合于制造经常承受冲击的部件。这类零部件有转向 轴、座椅架和轮毂。转向轴经常承受较大的扭矩，座椅架和轮缎长时期承受冲 击、采用阻尼性良好的镁合金后，不仅收到了极好的减重效果，而且提高了汽 车行驶过程中的平稳性和安全性。镁合金轮毅最初是使用在赛车上面，后来逐 步转向普通轿车i 可以采用a z s l 、a m 6 0 等合金 1 o 4 2 镁合金在3 c 产品上的应用3 c 产品c 咖p l n c o m m u n i c a t i o n , c o n s u m e r e l e c b o 玎i c p r o d u c t ( 计算机类、通讯类、消费类电子产品) 是当今全球发 展最为快速的产业，数字化技术导致了各类数字化产品的不断涌现。镁合金3 c 产品最早出现于日本，1 9 9 8 年，日本厂商开始在各种可挟式商品( 如p d a ，手 机等) 采用镁合金材质，如今运用镁合金最普遍的3 c 产品是笔记本电脑，也 是由日本s o n y 公司率先推出的。在3 c 产品朝着轻、薄、短、小的方向发展 趋势的推动下，近年来镁合金的应用得到了持续增长。 1 4a z 系镁合金的研究及s n 对镁合金的作用 1 4 1a z 系镁合金的研究 m g - a i z n 系( a z 系) 变形镁合金的主要特点是强度高，能够进行热处理 强化，并有良好的铸造和加工性能，但耐蚀性和耐热性较差，且o b 、a ；d 2 相差 较大，可加工成板材、管材、型材和锻件，用来制作承力较大的零件鲫。 是镁合金中最重要的合金元素。室温下铝在镁中的固溶度为2m a s s ， 7 1 0 k ( 共晶温度) 时上升到1 2 7m a s s 。a i 含量对m g - a i 合金力学性能的影 响研究表明，镁合金的塑性随着铝含量的增加先增加后降低，而抗拉强度的增加 在5 8m a s s 左右达到峰值【2 6 1 。当铝含量超过8m a s s 时，镁合金延性急剧下 降，所以本课题a l 含量选择6 m a s s z n 具有固溶强化和时效强化的作用，通常与铝结合来提高室温强度。但 z n 的含量不宜过高，含锌量大于l m a s s 时镁合金热裂倾向增大，通常含锌的 镁合金的锌含量小于l m a s s 1 6 川。 北京工业大学工学硕士学位论文 目前对于a z 系镁合金的研究，主要集中在商业上应用较多的a z 3 1 和 a z 9 1 ，其中a z 3 1 和a z 6 1 是变形镁合金，a z 9 1 是铸造镁合金。a z 3 1 镁合 金是目前应用最广泛的变形镁合金，a z 6 1 因为铝的含量更高，所以比a z 3 l 具 有更高的强度和硬度，a z 6 1 具有a z 系镁合金最好的综合性鲥2 6 l 。但是它的耐 热性能和常温高温强度有待进一步提高。 1 4 2s n 对镁合金的作用 在1 9 3 4 年的一个专利当中，最早提及了含s n 元素的镁合金。根据一些文献 报道，s n 在镁合金中可以起到强化的作用，但是会损失一些塑性。近年来有一 些学者对含s n 的镁合金进行了研究。d r p e r b r a k e 3 0 1 研究了m g - s n - a i 合金的显 微组织和力学性能，s n 含量为1 0m a s s 左右，结果显示s n 在镁合金中形成单 一的金属问化合物m 9 2 s n ，在晶界问连续分布；合金的屈服强度有显著提高 h o n g m e il i u 3 t 】研究了m g - s n 二元合金的组织和力学性能。孙扬善嗍研究了s n 对a z 9 1 镁合金组织和力学性能的影响。本文通过在m g - 6 a i - i z n 镁合金中添加 微量的s n ，进一步研究s n 对a z 系镁合金显微组织和力学性能的影响，以及合 金的断裂机理。 1 4 2 1 固溶、沉淀强化由m g - s n 二元相副3 3 1 可知，s n 在镁中有一定的 溶解度，所以具有固溶强化的效果。温度为5 6 1 时，s n 在m g 中的固溶度达 到最大值1 4 4 8m a s s ，随着温度下降，固溶度大幅度降低，在2 0 0 时降低至 o 4 5m a s s ，室温下更小，所以过饱和的m 9 2 s n 从固溶体中沉淀( 或脱溶) 而 引起强化效应。 1 4 2 2 第二相强化过饱和的s n 以第二相m 9 2 s n 的形式从基体中析出。具 有c l 结构的m 9 2 s n 相显微强度高( h v i l 9 ) 、熔点高，是一种有效的强化相。 m 9 2 s n 硬质颗粒可以起到阻止晶界滑移的作用，从而提高了拉伸强度。并且，这 些第二相颗粒构成位错滑移的障碍、引起位错塞积，所以合金的屈服强度得到了 提高。不仅s n 元素，第四主族元素的s i 、g e 和p b 也有相似的作用【3 4 如。 第l 章绪论 1 5 本论文研究的主要内容 通过上述对镁合金的合金元素、研究现状、发展动向和应用前景等多方面 的探讨，以及对m g - 6 a i i z , n 镁合金的综合评述，本文重点介绍了s n 元素的合 金化和热处理工艺对合金组织和性能的影响，期待进一步提高合金常温和高温 的力学性能，作者确定了如下试验内容： 1 以合金元素s n 对m g - 6 a i i z n 镁合金组织和性能的影响为主线进行成分 设计，选择合适的熔剂作为熔炼的覆盖剂和精炼剂，并确定合适的工艺进行熔 炼和铸造。 2 利用金相显微镜( o m ) ，扫描电镜( s e m ) ，能谱分析( e d s ) 和x 射 线衍射等分析手段对合金的显微组织和相组成进行观察和分析。 3 对合金进行t 4 和t 6 两种不同的热处理，分析t 4 和t 6 两种热处理工 艺对合金力学性能的影响。 第2 章实验过程 2 1 试验方案 第2 章实验过程 本实验采取的工艺流程如图2 1 所示。 图2 - 1 试验流程图 f i g 2 if l o wc h a r to f t h ee x p e r i m e n t 2 2 试验材料与试验方法 2 2 1 合金的配料 1 3 - 北京工业大学工学硕士学位论文 熔炼m g - 6 a 1 1 z n - x s n 合金采用的炉料：m g 锭 w ( m g ) - - - - - 9 9 9 】；z n 锭 州( z n ) = 9 9 9 吲；a i 锭 、) l ，( j ) - - - - 9 9 9 】：s n 条【、) l r ( s n ) = 9 9 9 】 纯镁很少直接作为结构金属材料使用，必须通过添加适量的合金元素，使 得镁合金的组织和力学性能得到改善。根据文献综述中对于m g - 6 a i i z n 系镁 合金的评述，本论文以m g - 6 a 1 i z n 为基础合金，研究微量元素s n 对其组织性 能的影响，以制备高强耐热的镁合金材料。将试验合金分别编号为：l # ，2 # ， 3 # ，4 # ，5 # 。成分配料如表2 1 所示： 表2 1m g 6 a i i z n - x s n 镁合金化学成分 t a b l 0 2 - lt h ec o m p o s i t i o no f t h em g - 6 a i i z a - x s nm a g n e s i m na l l o y s 2 2 2 熔炼与铸造 熔炼在s g 2 7 5 1 2 型电阻炉中进行，坩埚采用自制的钢坩埚。在不锈钢模 具中进行浇铸，铸锭形状为长方体，尺寸为3 3 m m x l 0 0 m m x l 5 0 m m 坩埚和铸模 的形状如图2 1 所示。为了防止镁合金的氧化和燃烧，整个熔炼过程采用l u - 2 型镁合金覆盖剂( 成分如表2 2 所示) 。浇铸前在模具内涂一层脱模剂，脱模剂 的主要成分如表2 3 所示，2 0 0 c 烘干。试验合金的具体熔炼过程如下： 1 将坩埚预热至暗红色，并在坩埚底部及壁上撒上适量的p j - 2 溶剂。装 入m g 锭和m ，撒上一层适量的i u 2 溶剂，升温溶化 2 待m g 锭和a l 全部熔化后升温至7 4 0 7 6 0 c ，撒入适量的l u - 2 溶剂 覆盖，并升温至7 8 0 8 0 0 c 时加入z i l 和s n ，在不破坏液面情况下搅拌5 至l o 分钟后除去液表面的脏物，撤上适量的l u 2 溶剂。 第2 章实验过程 3 消除浇嘴，坩埚壁以及合金液面上的熔渣，撒入适量的i u - 2 溶剂覆盖。 4 将合金液升温至7 8 0 8 0 0 c 静止3 0 分钟，降温至大概7 6 0 c 浇铸。 图2 - 1 坩埚和铸模的形状图 f i g 2 1t h es h a p ao f t h ep o ta n dd i e 表2 - 2 二号熔剂成分 t a b l 0 2 - 2 t h e c o m p o s i t i o n o f t h e n o r 旺 熔剂化学成分， m g c l 2 k c ic a f 2 3 8 拓3 2 - - 4 05 一培3 ，5 - 1 5 北京工业大学工学硕士学位论文 表2 - 4m g - 6 a 1 1 z n - x s n 镁合金实际化学分析成分表 t a b l 0 2 - 4 t h ea c t u a lc o m p o s i t i o no f t h e g g - - s m l z n - x s na l l o y s 2 3 热处理工艺 2 3 1 固溶处理 固溶处理是将金属加热到接近固相线温度或共晶温度，长时间保温，然后 淬火至室温的过程。由于在铸造过程中，铸锭内可能存在着严重的晶内偏折和 区域偏析及非平衡结晶相，使铸锭的性能不均匀。固溶处理可以消除枝晶偏析， 使非平衡相溶解，固溶入基体，使溶质的浓度逐渐均匀化。根据以上分析，参 考国内外研究文献，确定将本试验的合金的固溶温度定为4 0 0 和4 2 0 度。 确定好固溶温度后，需在此温度下保温一段时间，其目的是使溶质原子