（材料学专业论文）mg4alrecasi耐热镁合金的组织与性能.pdf

m g 一4 a i - r e - c a - s i 耐热镁合金的组织与性能 材料学专业 研究生：黄德明指导老师：陈云贵教授 在阅读分析国内外相关技术文献的基础上，本文以a e 4 1 合金为基础，通 过c a 、s i 元素的微合金化以及用无钕的l p c 稀土( 镧镨铈混合稀土金属) 替代 稀土d i ( 钕镨混合稀土金属) ，以获得常温力学性能相当于和1 5 0 - 1 7 5 耐热 性能优于a f a 2 的廉价镁合金采用光学显微镜、扫描电镜、能谱议、x 射线 衍射分析仪等对合金的微观组织进行了分析，并用万能材料实验机和高温布氏 硬度计测试了合金的室温及高温拉伸性能和高温抗蠕变能力，得出下列重要结 论。 1 c a 能够细化合金的组织，使a e 4 1 合金的组织由树枝晶趋向等轴晶转变， 并在合金组织中形成骨骼状的a 1 2 c a 相和短杆状的a 1 2 d i 相，前者主要分布在 晶界区域，后者同时存在于晶内和晶界。a e 4 l 合金通过c a 微合金化后，其拉 伸性能与a e 4 2 合金相近，蠕变性能优于a f _ a 2 。c a 能够改善合金的高温性能 尤其是高温蠕变性能是因为：较为均匀地分布在晶界区域的a 1 2 c a 相和a 1 2 d i 相，具有良好的热稳定性，高温蠕变过程中其形貌未发生显著变化；而a e 4 2 合 金中针状的a i l l d i 3 相主要分布在晶界，并有。团簇”聚集趋势，高温蠕变过程 中，a i l l l 9 i 3 相会部分分解成短杆状的舢2 d i 相，使其1 5 0 c 以上的性能特别是 蠕变性能降低。 2 c a 加入a e , 4 1 合金后，组织中形成的骨骼状a 1 2 c a 相较粗大，加入s i 进一步合金化后，合金中的析出相形貌得到改善，主要为沿晶界分布的短片状 析出物和晶内分布的短杆状析出相，这两种相在镁基体上分布均匀且尺寸细小， 使合金高温拉伸性能和蠕变性能得到了进一步的改善。 3 以镧镨铈混合稀土取代合金中的钕镨混合稀土后，合金的高温拉伸性能 和蠕变性能略有下降，但是仍好于a e 4 2 合金。导致这种现象的原因主要是稀 i 土元素n d 在镁基体中有一定的固溶度，可以起到一定的固溶强化作用，对基体 强度低的镁合金来说，这种强化作用很重要；此外，含钕镨混合稀土的镁合金 的析出相相对更为细小弥散，强化作用更好。 4 压入蠕变时，合金中裂纹往往出现在亚表层并与表面呈4 5 。左右的位 置。这种现象与压头下的应力分布有关，可以用球形压头下的h e r t z 线以及r i c e 模型来解释。裂纹的形成与晶界的运动密切相关。蠕变过程中塞积在晶界前的 位错群力求获得松弛，故沿晶界便产生空位流流向要攀移的位错。位镨攀移后， 沿晶界的位错分布变得更均匀，有利于晶界的移动，随着温度的升高，晶界的 滑动也变得更加突出。晶界滑动和移动的交替进行，结果导致组织中的三晶界 交点的运动。这种运动往往造成较大的应力集中，严重时出现裂纹 关键词：耐热镁合金：a e 4 1 合金；a e 4 2 合金；c a ；s i ；稀土；微观结构； 拉伸性能：压入蠕变 t h em i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so fm g - 4 a i - r e c a - s i 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 m a j o r i nm a t e r i a l ss c i e n c e g r a d u a t es t u d e n t ：h u a n gd e n t i n gs u p e r v i s o r ：p r o f c h e ny a n g u i b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no f al a r g ea m o u n to f t h er e l a t e da c a d e m i cl i t e r a t u r e s a th o m ea n da b r o a d , as e r i e so fn e wh e a t - r e s i s t a n tm a g n e s i u ma l l o y sh a v eb e e n i n v e s t i g a t e db a s e do na f a ia l l o yb yc aa n ds ia l l o y i n ga sw e l la ss u b s t i t u t i n gl p c ( l a - p r - c e ) m i x e dr a l e - e a l t hm e t a lf o rd i ( n d - p r ) m i x e dr a r e - e a r t hm e t a li nt h i s p a p e r m i rm i e r o s t r u c m mw a sa n a l y z e db yo p t i c a lm i c r o s c o p e ( o l v o ，s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e ( s e m ) ，x - m yd i f f r a c t i o n ( x r d ) a n de n e r g yd i s p e r s i v e s p e c t r o s c o p y ( e d s ) t h e i rt e n s i l ep r o p e r t i e se x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u t f i l lt h e e l e c t r o u n i v e r s a lt e s t i n gm a c h i n e , a n dt h e i ri n d e n t a t i o nc r e e pp r o p e r t i e sw i f f f et e s t e d o n t h eb r i n e ut e s t e ra t1 5 0 a n d1 7 5 t h em a i nr e s u l t sa r ep r e s e n t e da sf o l l o w s 1 - c ac a nr e f i n et h em i c r o s t r u c t u r eo fa f a la l i o ya n dt e n dt oc h a n g et h e n a i e r o s t m c t u r em o r p h o r l o g yc o n f i g u r a t i o nf r o md c n t r i t i ct oc q u i a x i a lg r a mw i t ht h e i n e r e a o fc aa d d i t i o n t h e r ea r et w ok i n d s o fp r e c i p i t a t i o np h a s e si nt h e c a - c o n t a i n i n ga e 4 1a l l o y s ，o n ei st h es k e l e t o n - s h a p e da 1 2 c ap h a s ee x i s t e di nt h e g r a mb o u n d a r y , a n o t h e ri st h es h o r tr o d - l i k ea l z d ip h a s ee x i s t e dw i t h i nt h eg r a m a n d i nt h eg r a i nb o u n d a r y n et e n s i l ep r o p e r t i e so ft h ec a - c o n t a i n i n ga f a ia l l o y sa r e t h es a m e 嬲t h a to fa f a 2a l l o y , a n dt h e i rc r e e p - r e s i s t a n tp r o p e r t i e sa l eb e t t e rt h a n t h a to fa e 4 2a l l o y t h er e a s o nt h a tc ac a ni m p r o v et h ee l e v a t e dt e m p e r a t u r e p r o p e r t i e so f 肛4 la u o y , e s p e c i a l l yt h ec r e c p - r e s i s t u n tp r o p e r t i e s ，i s t h a tt h e h e a t - r e s i s t a n tp h a s e sa 1 2 c aa n da 1 2 d id i s t r i b u t eh o m o g e n e o u s l yi ng r i nb o u n d a r i e s a n dd on o tc h a n g ea te l e v a t e dt e m p e r a t u r e , w h i l et h en e e d l e - s h a p e da i u d i 3 s t r e n g t h e n i n gp h a s eo fa e 4 2a l l o yw i l ld e c o m p o s ei n t ot h es h o r tr o d - l i k ea 1 2 d i p h a s ea ta b o v e1 5 0 2 c ac o u l di m p r o v et h ec r e e p - r e s i s t a n tp r o p e r t i e so fa e 4 1a l l o y , b u tt h e r e e x i s t st h ec o a r s es k e l e t o n - s h a p e da l z c ap h a s e t h em i e r o s 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 sb e c o m eb e t t e ra f t e ra d d i n gs o m es ii n t ot h ec a - c o n t a i n i n ga l l o y s t h e r e a r ct w ot y p e so f n e w p r e c i p i t a t i o np h a s e s o r i ei st h es h o r tf l a k ep h a s ee x i s t e di nt h e g r a i nb o u n d a r y , a n o t h e ri st h es h o r t r o dp h a s ee x i s t e dw i t h i nt h e 础t h et w on e w p r e c i p i t a t i o np h a s e sa r ef i n ea n dd i s p e r s e de v e n l yi nt h ea l l o y s ，w h i c hi m p r o v et h e p r o p e r t i e so f c aa n ds i - e o n t a i n i n ga l l o y s 3 w h e nd ir a r e - e a r t hm e t a li na b o v et h ec aa n ds i - c o n t a i n i n ga l l o y si s r e p l a c e db yl p cr a r e - e a r t hm e t a l ，t h e i rt e n s i l ea n dc r e e pp r o p e r t i e sd e c r e a s ei na c 廿 t a l ne x t e n ta te l e v a t e dt e m p e r a t u r e ，b u tt h e ya r eb o r e rt h a nt h a to fa e 4 2 t h e r e a s o nl i e si nt w os i d e s ，t h ef i r s ti st h a tn de l e m e n tc a nd i s s o l v ei nt h em g m a t r i x , w h i c hc a ni m p r o v et h es t r e n g t ho ft h eh 瞄墩t h es e c o n di st h a tt h ep h a s e so ft h e d i - c o n t a i n i n ga l l o y s a r ef i n e rt h a nt h a to ft h e l p c c o n t a i n i n ga l l o y s ，s o t h e s t r e n g t h e n i n ge f f e c ti sb e t t e r 4 t h ec r a c k se x i s ti nt h es u b s u r f a c eo fc r e e p i n gs a m p l ea n dh a v ea4 5 0 v e i s u s t h es a m p l es b r f a c e ，w h i c ha l er e l a t e dt ot h ei n d e n t a t i o ns t r e s sd i s t r i b u t i o na n dc a nb e e x p l a i n e db yh e r t zc n l w ea n dr i c em o d e lt 1 l ec r a c k sf o r m a t i o nh a sac l o r e l a t i o n s h i pw i t hd i s l o c a t i o nm o v e m e n t 1 h ed i s l o c a t i o n sa c c u m u l a t e di nt h ef r o n to f g r a i nb o u n d a r i e sh a v eat e n d e n c yt or e l a x a t i o n , w h i c hc 锄】s ev a c a n c ym o v i n gi n t o t h e s ed i s l o c a t i o n s t h u st h ed i s l o c a t i o n sd i s t r i b u t eh o m o g e n e o u s l ya f t e rt h e yc l i m b e d , w h i c hi sh e l p f u lf o rt h em o v e m e n to f g r a i nb o u n d a r i e s w h e ni n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e , t h em o v e m e n to ft h eg r a i nb o u n d a r i e sb e c o m e se a s i e r n 啦a l t e m a t es l i p p i n ga n d c l i m b i n go ft h eg r a mb o u n d a r i e sr e s u l ti nt h em o v e m e n to ft h ej u n c t i o no ft h r e e g r 蜀f i n s ，w h i c hl e a d st oas t x e s sc o n c e n t r a t i o na n df i n a l l yt h ef o r m a t i o no fa b o v et h e c r a c k s k e y w o r d s ：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 ；a f a ra e 4 2 ；c a ；s i ；r a r ee a r t h ； m i e r o s t r u e t o r e ；t e n s i l e ；i n d e n t a t i o nc r e e p 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 镁合金是目前最轻的金属结构材料，早期镁合金主要应用于航空航天领 域。上个世纪七十年代初，石油危机爆发，汽车工业才开始利用镁合金制造零 部件，以减轻车重，节省燃油。九十年代开始，随着环境恶化不断加剧，欧美 发达国家加强对汽车尾气排放的限制，促进了镁合金在汽车上的应用0 1 。与此 同时，镁合金由于具有减震、导热、耐冲击、可回收等优异特性，在电子产业 中也不断得到应用，并有取代工程塑料的趋势嘲。自上世纪9 0 年代以来，随着 科学技术的不断进步，镁的价格不断降低，全球镁合金的用量急剧攀升嘲。 我国是世界上镁资源储量最丰富的国家，目前镁的产能和产量已分别占世 界的四分之三和- - 分之一；在年出口量和成本最低方面，我国也是世界第一阻”。 最近二十年来，镁合金的应用范围及使用量都在不断扩大，尤其是在汽车零部 件生产上嘲。要拓展镁在汽车工业中的进一步应用，必须大力开展耐热镁合金的 研究开发，以满足作为汽车的传动与动力部件的耐热性要求。这对于我国汽车、 摩托车等行业中镁合金零部件在国际市场上的竞争力，也将产生极大的推动作 用。 1 2 镁及其合金 镁，m a g n e s i u m , 源自m a g n e s i a , 为小亚细亚的一个古老城镇名，1 7 7 5 年 b l a c k 在m a g n e s i a 确认了镁元素。1 8 0 8 年，英国科学家h u m p h r e yd a v y 用电 解汞和镁的混合物制得了镁汞齐，将镁汞齐中的汞蒸馏后，就提到了银白色的 金属镁。1 8 2 8 年，法国科学家a b u s s y 采用钾还原熔融氧化镁获得了纯镁n ”。 1 8 8 3 年m i c h c a lf a r a d a y 首次通过电解还原氯化镁制备出纯镁。目前，镁作为 一种重要的金属元素，主要用在镁合金压铸，钢铁脱硫，以及用作为铝合金的 添加剂口1 镁在地壳中的储量为2 5 ，是继铝、铁、钙、钠和钾元素之后占 第六位，已经知道的含镁的矿物有6 0 多种。海水里也含有1 4 的镁，仅次于 氯元素和钠元素居第三位。 整垄奎兰登杰兰望矍基 1 2 1 纯镁的特性 镁为银白色金羼，宅戆一臻物理豫学常数凳轰i i 。鑫钵然憨燕密接六方 ( h o p ) ( 如图1 1 所永) ，无同素异构转变。镁在2 5 时的晶格常数为：a = 0 3 2 0 2 n m , c - - - o 5 1 9 9 n m ；照骢辘跑失c a = 1 6 2 3 7 ，j 豢接近理想鳃球状密搀结秘 的轴比系数i 6 3 3i t 0 e 当温度低于3 0 0 c 时，只有3 个滑移系( ( 0 0 0 1 ) c l l 2 0 ， ( o o o t ) 2 l l o 】，( 0 0 0 1 ) 1 2 1 0 ) ，这三令潘移系坶平行嗲基匿( 0 0 0 1 ) 。当基嚣 与应力方向一致时，滑穆将会发生，滑移方向沿着原予密排方向 姗埘。 表1 1 镁的一些物理化学常数删 t a b l ei it h e p h y s i c a la n dc h e m i c a ld a t ao f m a g n e s i u m 2 四川大学硕士学位论文 a 屡 8 屡 层 卜口叫 图1 i 纯镁的晶格结构及主要原子面 f i g 1 1t b em a g n e s i u mu m tc e l lc r y s t a la n dm a i n 砒鲫i cp l a n e 镁具有很高的化学活泼性，在潮湿的大气、海水、无机酸及其盐类、有机酸、 甲醇等介质中都会引起剧烈的腐蚀。但在干燥的大气、碳酸盐、氟化物、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却 很稳定“”。 在室温下，镁与空气中的氧起作用，形成氧化镁薄膜，氧化镁薄膜的致密度 系数a 可由式( 1 1 ) i t s 计算： ；竺型丝型：0 7 9 ( 1 1 ) m m j p t 式中m 和m 蚴为氧化镁和镁的相对分子质量，户拍| d 和p 蚴为氧化镁和镁 的密度。由于a 值是小于1 的，所以氧化镁薄膜是疏松的。由于氧化镁薄膜比 较脆且不致密，故其耐腐蚀性能很差。镁的氧化与其细碎程度和温度有关，粉状 和薄带状的镁易于燃烧，镁锭与镁制件一般不会燃烧。颗粒越细越容易氧化， 镁粉的爆炸极限浓度为3 0 9 m 3 ，温度越高越易氧化。 镁除了可以生成氧化物o v l 9 0 ) 外，还可以生成氮化物( m g 烈2 ) 和碳化物 ( m g c 2 ) “。 3 瓣粥大学矮士学位论文 袭 ，2 缝镁豹力学谯缝 t a b l e1 2m e c h a n i c a lp f o p 硎o f p u r em a g n e s i u m 船工抗拉强度屈虢强壤 释瞧模量姊长率断蠡收缩率硬度 状杰 t m p a 吼，m p a e ，g p a 6 ( )甲c ) h b s 铸态 1 1 52 5 4 589 3 0 变形状态 2 0 09 0 4 5i i 51 2 53 6 镁可以还原多种金属化合物制得相应的金属单质。镁无毒性，无磁性，导 热惶熊嶷好，霹进行阳极氧化处理两罄上美露的颓色。镁是柔软的金瓣，有魏 好的疲游强度和抗震能力。纯镁的力学性能见袭1 2 洲所示。 与镁构成围溶体的金属杂璇。可增加镁的抗腐蚀健憩，丽不与镁枣每成固溶 体的杂质贝u 使镁的抗腐蚀性降低渊。镁能和铝锌锰锆稀士等多种金属构成合金， 这些合金元素可以提离镁的机械性能和抗腐蚀能力。铁镍铜等金属不溶解于镁， 会降低镁的抗膳蚀能力。 1 2 2 镁合金酌纂本性质 受到其本镊特性的限制，纯镁不熊作为结构材料采使用，通常是以会金方 式使用。镁合鑫是百前最轻鹩众属结鞫乖| 辩，舆有如下的特征飘”1 。 1 ) 镁合众具有的优点： 密度低。镁合金静密度遵常为1 7 5 i 8 5 9 c m 3 ，仪为铝合众的2 ，3 ，钢铁的 l “。比强度高予铝合金和钢材，远高予工程塑料。比刚度与铝合金相当； 藏震性能好。镁合金的弹住模量较低，受力时能产生较大的弹往变形；程 受到冲诲和振动时能吸收较大的能量，有利于减震和降噪； 留簸热工性能好。冒瑷高速切箭，以缩短翔工对闯，减少动力消耗，延长 刀具寿命，也可以进行研磨和撇光； 无磁往，掰用于电磁羼蔽。蔫终移动电话翡拜壳辩，可敬掇高逶活质量， 同时减少电磁波对人体的伤害： 镁会金不岛铁反应，不容易嵇模，胃酸提藉锾模其的傻萎j 寿命； 镁含金的动力学粘度低，相同的液体状态下的充型速度远大于铝含金，加 4 四川大学硬士学位论文 上镁合金的熔点低、比热容和相变潜热小，故熔炼耗能少；凝固速度快，可以 提高生产率； 可以重复回收利用，减少环境污染。 2 ) 镁合金存在的缺点： 镁合金的弹性模量低； 镁合金化学性质活泼，电极电位很低，易被氧化和腐蚀； 镁合金在低温时的刚度较低； 镁合金的高温强度和高温抗蠕变能力很难满足一定的服役要求； 镁合金熔炼和铸造技术复杂，容易形成夹杂缩孔，导致合金的制造成本较 高。 1 2 3 镁合金的发展概况 镁合金的应用始于上世纪2 0 年代，在二次世界大战中德国将镁合金应用于 战斗机上。2 0 世纪4 0 5 睥代的冷战时期掀起了镁合金材料改性研究热潮，随着 战争阴影褪去，镁合金研究的前沿技术逐步从航空、航天、军事领域向民用领域 转化。镁合金的进一步发展，使它有可能取代目前广泛使用的一部分铝合金 但近4 0 年来，民用领域中镁合金的发展较钢和铝迟缓，部分原因是出现了塑料 及纤维增强材料，这些材料与迄今为止开发的常规镁合金相竞争，但它们通常 的使用温度在1 0 0 ( 2 以内 2 1 3 a a z 系和a m 系镁合金是目前商业化应用最广泛的m g - a l 基铸造镁合金。a z 系镁合金( 如a z 9 1 ) 的屈服强度高，广泛应用于制造形状复杂的薄壁压铸件， 如传动系的壳体、电子器材壳体、手动工具等“1 含铝量比a z 系合金低的a m 系 合金( 如a m 6 0 ) 具有优良的断裂韧性，不足的是屈服强度较低，通常用于承受 冲击载荷的场合嘲捌；铝含量过低的a m 2 0 合金具有更好的韧性，缺点的是铸造 性能差，只用于制造汽车的座椅框架等构件嘲。a z 系和a m 系镁合金的高温蠕 变性能比常用的铝合金低一个数量级还多，温度高于1 2 0 c 时拉伸强度迅速降 低，高温蠕变性能差给镁合金的广泛应用带来了困难。 由于镁与稀土组成的合金在高温下非常稳定，稀土能够减少镁合金缩松及 热裂倾向，利用这一性质开发了含稀土的镁合金a f _ 4 2 伍5 “1 。该合金的室温屈服 强度接近a $ 4 1 合金，比a z 9 1 合金低，但在1 5 0 以上时具有较高的屈服强度。 5 秘摧夫学磺士学短论文 在2 0 0 。c 以下所有温度的蠕变强度甚至超过a s 2 1 含金，而冲击强度接近a s 4 1 合 鑫，奔予a m 6 0 余金秘a z 9 l 会金之溺。鸯莲祷a z 9 1 合会穗篦较，a e 4 2 会金鹃串 温抗蠕变能力邋好于压铸a z 9 1 含金，但这仍不能满足濑度在1 7 5 以上的汽车 交速籍究俸窝笈动蔽零棒懿经憝要求。嚣瑟牙发t m g - z n 系合鑫，其审一类楚 m g - z n - c u - m n 合金，如z c 6 3 ( m g - 6 z n 2 7 c u - 0 5 m n ) ，另一炎是m g - z n r e 。 i t z e 5 3 ( m g - 5 。5 z n - 3 r e ) 等。 此外，稀士元素y 、n d 在镁中具有很高的周溶度，稀土镁含金经固溶处理 嚣，m g - r e 纯会物垒蘸溶入基体串，在瓣羧过程孛程缝斑瑗“g p 8 嚣、巾凌 奎 渡相1 3 及盯最后转变为稳定相p m 9 1 2 n d y 2 或p m g n n d y 2 等。稀士镁合金表现出 售镊会鑫一襻戆孵效疆诧特征，霹送一步改善镁会金戆嶷湛移态浸撬缓健戆， 在m g z n - c u 、m g m 和m 哥a 争r e 等合金系列也发现了类似的时效强化现象。 嚣孬蓼，在镁合金豹势发中圭要鳃决豹翘题楚；由予镁豹纯学毪震懑泼，逶 常情况下，易氧化、腐蚀，甚至在较商漱度下处于固态的镁合金也会发生氧化 燃烧，麓镁会金骢生产、妇工积处理謦来极大豹困难，使镁会金豹生产变褥+ 分困难、甚至十分危险。韧性和耐冲击值低；般不能作为承受较大载荷的结 掏部终傻惩。热强性移撬矮交黢戆差。 l 。3 耐热镁会金 一般的镁含金在1 2 0 c 以上的强度特别是蠕变强度会随温度升高1 掰大幅度 下降，严重地袋制了镁仓金作兔运载工具的动力及传动部件的墩用。提离镁会 盒的高温力学能能一直炬材料科技工作者努力的方向。 i 3 1 奎臻体系疑其研究应用现状 耐热镁合金的研究舞发开始予2 0 世纪中期，墨煎的耐热镁念金体系主要宥 镁铝系、镁一镣系和镁稀土系。 镁锻系合垒主要确- m g - a 1 s i ( a s ) 系、m g - a i - c a ( a x ) 系、m g - a l r e ( a e ) 系、 m g - a i s r ( a j ) 系等。镁铝系合鑫的耐热性改滋主要集中在研究徽鬣元素对 m g t t a l t z 相结构的稳定，或者抑制m g l 7 a i r 2 相的形成，形成新的离熔点热稳楣。 a s 系合金童要有a s 4 1 f m g - 4 a i 。1 o s i ) 和a s 2 1 ( m g - 2 2 a l - 1 0 s i ) ，是 由德国大众公司开发成功的。这类合金舆有热稳定相m 9 2 s i ，该帽在3 0 0 e 以下 6 四川大学硕士学位论文 相当稳定，通过共晶方式以多角形大颗粒状存在于晶内或者以“汉字状”存在 于晶界啪1 。由于合金组织中存在m g l 7 a i l 2 ，其抗蠕变性能的提高有限。a s 合金 在较慢的冷却条件下，生成的m 9 2 s i 呈粗大的“汉字状”，显著地恶化合金的性 能。通常是加入s b 、p 和c a 等分别生成m 9 3 s b 2 、c a s i 2 和m 9 3 ( p 0 4 ) 2 作为异质 核心来细化m 9 2 s i 吼”。a s 合金中铝含量较低，合金流动性差，压铸成型比较 困难，易于热裂。目前，a s 4 1 已经用在大众汽车“甲壳虫”系列的发动机和空 冷汽车发动机曲轴箱上。a s 2 1 比a s 4 1 的铝含量更低，抗蠕变性能更好，但是 由于合金的液相线温度高，合金的流动性差，铸造更难，较难应用。 a x 系合金主要有m g a l c a 3 3 合金( m g 3 a i - 3 c a - o 6 m n ) 和a c m 5 2 2 合金 m g - 5 a i - 2 c a - 2 r e - 0 3 m n ) 。上世纪7 0 年代大众公司率先尝试开发含c a 量 为l 的m 争m c a 压铸合金在m g m 合金中添加c a 的作用有三点o ”：一是防止 镁合金在熔炼和热处理过程中氧化；二是细化镁合金组织；三是加入适量的c a 可以与合金中的烈和m g 等元素形成高熔点的化合物a 1 2 c a 和m 9 2 c a ，以抑制 m g l 7 a i l 2 相形成。研究发现嘲：c a 的加入量超过l 时，合金有热裂和粘模倾向， 脱模性能变差；而c a 的加入量超过2 时，热裂和粘模现象又可以消除；进一步 加入0 1 s r , 可以极大的提高合金的抗蠕变性能和耐腐蚀性能。m g a i c a 3 3 合金 具有良好的压铸性能和高温力学性能，在1 7 5 以下其蠕变抗力优于a e 4 2 合金， 主要原因是c a a i 比值大于0 8 ，合金中m g l 7 m 1 2 相被稳定 簦j m 9 2 c a 基沉淀相大量 取代“。日本开发的a c m 5 2 2 合金跚可在1 5 0 c 2 0 0 1 2 的范围使用，显微组织为 初生的* m g 和在晶界分散着的黑色的a i - c e 相粒子及浅色的m g - c a 和c a 等相 组成的化合物。该合金已用于批量生产汽车发动机油盘、摩托车发动机盖。 a e 系合金的典型代表是a e 4 2 合金( m g - 4 a i - 2 r e ) 。早在上世纪7 0 年代。 f o e r s t e r j e m g - a l 合金中加入c e 后合金的高温性能得到改善。在m g - a i - r e 系合金 中陆”，! 优先和m 结合生成具有体心正方晶体结构的舢1 1 r e 3 相( 有文献也称 为a 1 4 r e 相，r e 为l a 、b l d 、c e 及p r ) 和立加, a v e s 晶型的a 1 2 r e 相( r e 为y 或n d ) 。 在压铸条件下，a e 合金优异的高温性能得益于弥散分布的横跨晶界并伸入晶粒 内的针状共晶a 1 1 l r e 3 对相邻晶粒的钉扎作用嘲由于稀土与舢结合形成化合 物，减少t m 9 1 7 a i l 2 化合物的数量，从而提高合金的高温性能。a i - r e 相熔点高， 加上稀土元素的扩散速度慢，具有较高的热稳定性。a f _ 弭2 合金在铸态和蠕变之 后只有舢一r e 耐热相，没有m g l t a l l 2 形成，在2 0 0 ( 2 的高温仍具有优良的蠕变强 7 秘艇大学硪士学整谵文 度。目前a e 4 2 含金已经被通用公司用予生产交速箱。佩是a e 4 2 合金生产成本 商，铸造毪耗较差，筏蒸壅嚣受嚣袋裁。 a j 系合金由加拿犬n o r a n d a 公司汗发成功的，a j 合金的特点是m g 基体 孛魁豹逮遣秘嚣溶度较蘸，薄片获静a 泌酝g 荚瑟体存奁予鑫赛或者二次 枝晶间。a j 合企具有与a m 和a z 台金相似的室温性能，高温蠕变性能优于 a f a 2 。在1 7 5 嚣兵蠢霞羹戆菝臻交魏施秘投弹强度。a j 5 2 ( m g - 5 a l - 2 s r ) 合金表现出良好的蠕变抗力和高温性能；原因怒合金中肘含量低，m g l 7 a l l 2 相 被寒熔点熬a h s r 巍m 9 1 3 越3 s r 袈壤找。a j 6 2 x 会金( m g - 6 a i - 2 a s r ) 其骞雯 好的铸造性能，而抗蠕变性能和高温性能没有照著地降低，由予a j 6 2 x 合金具 有足够熬螺拴载葛持久戆力、褰的疲劳缀歉窝综会程缀毪毙，狻震亲爱产汽车 曲轴箱。低s r 含量的a j 6 2 l x 含金( s r 含量2 1 4 ) ，由于a l 在m g 赫体中的 嚣溶量凑稍徽戆增热，函嚣增热合金黪控l 孛强发潮。 镁锌系合鑫主要有m g z n - c u 系、m g z n - r e 系、m g - z n - a i - c a 系等。 m g - z n - c u 系会金楚2 0 鬣纪7 0 - 8 0 年代羚发出来黥毅墅会金，致m g - z n 合金加入c u 可以改善合金的必晶相结构，能盟著提高含金的娥展性并增强z n 豹时效疆化效嶷。越终，c u 鸯入会金巾戆提毫焚基温发，霞予燹毫漫发下进髫 固溶处理。在m g z n - c u 系合鑫中，大多数c u 以共晶相m g ( c u ，z n ) 2 存在，不 会损害会金故抗疼蚀性熊。m g - z n c u 系会金的室漫力学性能与a z 9 1 掇当，高 温稳定性好。z c 6 2 合众( m g - 6 z n 一1 5 c u - o 3 5 m n ) 藿e1 5 0 c 时具有良好的抗 蠕变技缆。z c 6 2 会金的抗拉强度、屈服强度秘延伸率均好予a s 2 1 合垒。z c 6 2 合金的z n 含量较高，铸造时存在严重的热裂倾向，快速冷却时热裂倾f 句更加严 重，只能用于金羼型和砂型铸逐。m g - c u - z n 含金阶2 1 霹以应用在汽车的发动擞 上。 m g - z n - r e 系合金中最具代表性舱是z e 4 1 0 哇g - 4 。5 z n - 1 7 r f ：1 0 z r ) 秘 z e 3 3 ( m g 3 5 z n - 3 r e - i 0 z r ) 合金，这两种含金与我国的z m 2 和z m 4 合金 相当。m g - z n - r e 系合鑫在凝固过程中先析出榭技状的o c ( m g ) 固溶体，舆有亚共 晶组织特征，台金中有一定数鬣的q 哪g ) 和锌一稀土化龠物的共貉体。该类合金 具有明漫的时散强化特点，热处理后细小的含稀元素的耐热棚以瞬状分布在貔 o v i g ) 晶羿 3 1 o m g - z n - r e 系合金中稀土冠素可以改善合盒的铸造性能和摊高合金 的蠕变强度，z e 4 1 合金在1 5 0 。c 2 0 0 c 的温度范围有搬好的抗蠕变性能，尤其 甚 四川大学硕士学位论文 在1 0 0 3 0 0 c 温度范围具有良好的瞬时拉伸屈服极限。z e 4 1 合金被广泛应用 于飞机和汽车的发动机和齿轮箱等啪1 。 c a 加入m g - a i 基合金中可以显著提高合金的抗蠕变性能，但是又会在压 铸过程中出现热裂和粘模问题。有研究表明：高锌含量的镁合金流动性极佳， 甚至好于a z 9 l 合金。a l o u 等人在m g - a 1 c a 合金中加入8 的z n ，使合金具 有了优良的铸造性能l 。美国的 m r a 公司开发的z a c 8 5 0 6 合金( m g 8 z n - 5 a 1 0 6 c a ) ，其显微组织中没有m 9 1 , r a l l 2 共晶相存在，而出现一种细小的金属 间化合物相m g - z n - a 1 - c a 。z a c 8 5 0 6 的抗蠕变性能好于a e 4 2 ，甚至比a 3 8 0 铝 合金还要好；高温屈服强度与a e 4 2 相当。可以用于汽车的动力系统。 稀土之所以是改善镁合金耐热性能最有效金属元素，原因在于：稀土元素 在镁中的扩散速度慢；生成的含稀土元素的强化相熔点高且很稳定；在晶内连 续析出含稀土的金属间化合物与基体有良好的共格关系，能很好阻止位错的运 动；晶界的网状共晶相或着离异共晶相以及时效析出相能阻止晶界的滑动m 1 。 需要说明的是稀土元素在镁中的固溶度差别很大，其中l 矗、c e 等的溶解度很小， 而y 、g d 等的溶解度很大。因此含l a 、c e 等元素镁合金时效强化不显著，而 含y 、g d 等元素的镁合金时效强化效果好旧。镁稀土系合金主要有m g - r e - z r 系、m g - k e - a g 系、m g - y - r e 系等。 第一个以r e 为主要合金化元素的耐热镁合金是e k 3 0 a ( m g 3 r e - 0 7 z r ) ， 该合金满足在2 0 0 高温强度和抗蠕变性能的要求，在航空发动机上碍到了应 用。e k 4 1 ( m g 一3 5 r f 啪6 z r - 0 4 z n ) 是在e k 3 0 a 基上进一步增加r e 含量， 其铸造性能有进一步改善。 镁合金中添加a g ，能增强时效强化效果，提高合金的高温强度和抗蠕变性 能。q e 2 2 a ( m g - 2 2 d y - 2 5 a g - 0 6 z r ) 合金在固溶处理和人工时效后，在 2 5 0 以下的拉伸强度和抗蠕变性能良好。q e 2 2 a 中加入质量分数为0 0 5 0 1 5 的c u ，可以使a g 的含量降低至l ，可大量降低合金的成本，加入c u 后 合金的高温性能更稳定，而不影响合金的室温性能。虽然q e 合金具有优异的 高温强度，但是抗氧化能力相当差o ”q e 2 2 a 可广泛应用于生产飞机和导弹的 优质铸件。用1 1 1 部分取代d y ，可进一步提高m g d y - a g - z r 合金的室温和高温 性能，由此开发了q h 2 1 a 合金。 钇在镁合金中的固溶度较高( 1 2 4 m a s s ) ，添加后既可利用固溶强化又可 9 辨媸大学矮士学整论文 借助稀士化合物对晶界的强化来提高镁合金的高温抗蠕变性能和高温拉伸性 糖，改荣瘸涟缮为。会企裹温镶缝茨改荣翔霆予嚣溶强亿窝沉淀产耱熬弥数强 化m “。m g - y - n d - z r 系列合金在温度高达3 0 0 时，仍然具有优良的蠕变性能， 譬如在镁台金孛h r a 4 - 5 鹣钇嚣髟戏髂姗5 4 帮w e 4 3 含金，鸯2 5 0 泼上戆离 温性能优良，农3 0 0 时性能可保持1 0 0 0 h 之久。3 0 0 0 的抗拉强度为1 5 0 m p a - 1 7 0 m p a 。这类会金在飞撬亵赛孥熬汽敝圭获褥蔽蔫。 此外，有人研究了含s m 、s e 和g d 及重稀土金属的稀土镁合金，也获 孬7 辜越戆力学整戆，缳是鸯这些会衾孛猱土含量衰，会佥豹馀貉器囊。 1 3 2 存在的麓黢及发鬟趋势 总体上讲，现有的耐热镁合金的性能无法趔过铝合众( 见袭1 3 ) ，一方面 与镁熬零 正性能毒关，篼一方嚣是镁糖精熬瓣热佳能番特发援。现骞熬瓣热镁 合金主隳采用合金化手段来提簖性能。就镁铝合金系来说，高温蠕变性能差， 糖翻m g l t a i | 2 会金携农鑫爨熬不连续揍是并壤莛它鲍热稳强化胡来取代是关 键。在a s 合金中m 9 2 s i 缀然能掇高合金的耐热性能，但怒它并不能抑制m g l t a l l 2 摆约辑爨，m 9 2 s i 本龛豹形貌援大地影嗨其强诧终甩，弼时也繁来铸造性麓懿 恶化。a x 系合金虽然可以减少合金中m g l 7 a 1 1 2 的数量，提高含金的耐热性能， 但是会喾来铸逸对的热裂和牯横阉题。镁锌系会金的器发也是要抑制 蕊熔点的 m g - z n 合金相出现，高的锌含鬣可以解决一些铸造缺陷，但又存在组织粗大不 均和会金比重较蔫等闻题。因_ l 嗽，在镁铝系葶镁锌系念金中主鼹加入元素铝秽 锌的量不宣太商，在保证铸造雠能的前提下应尽可能低。稀土耐热镁合金具有 良好的室湿力学性能和离湿耐热性能，主要存农的问题是由于稀含鬃较赢， 导致高成本，铸造往能也不理想，商业化应用滩以推广潮 商她化应用的耐热镁合金的使用性能要求；工作漩度 1 2 0 c ；应力范围： 3 5 - 7 0 m p a t 室潞延伸率硝；衙于腐蚀、抗蠕交性能良好，且易于回收。现有的 耐热镁会金系巾，镁铝系和镁镩系价格低廉，但是耐热性能不壤想；镁一稀土系 的耐热性