（材料学专业论文）mg7znxal镁合金部分重熔组织研究.pdf

r e s e a r c ho fm g - - 7 z n - - x a im a g n e s i u m a l l o yo nm i c r o s t r u c t u r e d u r i n gp a r t i a lr e m e l t i n g b y x u l i n y i n g b e ( l u d o n gu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a t e r i a l ss c i e n c e i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo f t 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 m a y , 2 0 1 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：界林营 e t 期：加1 1 年月。e l 学位论文版权使用授权书 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： 胥林营日期：办c 1 年占月，一日 日期：2 t 1 年6 月，o 日 硕十学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 镁合金基本特点1 1 1 1 镁合金的基本特点1 1 2 镁合金的应用与新型镁合金的开发一2 1 2 1 镁合金的应用2 1 2 2 新型镁合金的开发3 1 3 镁合金半固态非枝晶组织5 1 3 1 镁合金半固态非枝晶组织制备原理5 1 3 2 镁合金半固态非枝晶组织制备方法5 1 3 3 影响镁合金半固态非枝晶组织制备的因素5 1 4 本课题的提出、研究意义及研究内容1 0 1 4 1 课题的提出1 0 1 4 2 课题的研究意义1 0 1 4 3 课题的研究内容一1 0 第二章试验方案和分析方法12 2 1 试验材料的准备和前期准备1 2 2 1 1 试验设备1 2 2 1 2 试验原材料1 2 2 1 3 试验合金的熔炼、浇注1 2 2 2 新型合金成分及其比例的确定1 3 2 2 1 合金成分确定及各金属性质1 3 2 2 2 合金比例的定量确定1 4 2 3 等温热处理试验1 5 2 3 1 等温处理的等温温度和保温时问的确定1 5 2 3 2 等温处理实验方案1 5 2 3 3 金相试样制备1 6 2 4 本课题研究方法和技术路线1 6 2 4 1 课题的研究方法1 6 2 4 2 课题的技术路线1 6 第三章m g 一7 z n - x a l 镁合金部分重熔组织研究1 8 3 1z a 7 2 镁合金非枝晶组织制备及讨论1 8 m g 一7 z n - x a l 镁合金部分重熔组织研究 3 1 1z a 7 2 镁合金6 0 0 不同时间半固态组织演变和分析1 8 3 1 2z a 7 2 镁合金6 1 0 不同时间半固态组织演变和分析2 1 3 1 3z a 7 2 镁合金6 2 0 不同时间半固态组织演变和分析2 3 3 1 4z a 7 2 镁合金半固态组织中各元素分布状况及分析2 5 3 2z a 7 4 镁合金非枝晶组织制备及讨论2 7 3 2 1z a 7 4 镁合金5 8 0 不同时间半固态组织演变和分析一2 7 3 2 2z a 7 4 镁合金5 9 0 。c 不同时间半固态组织演变和分析一2 9 3 2 3z a 7 4 镁合金6 0 0 不同时间半固态组织演变和分析3 0 3 2 4z a 7 4 镁合金半固态组织中各元素分布状况及分析3 2 3 3z a 7 6 镁合金非枝晶组织制备及讨论3 4 3 3 1z a 7 6 镁合金5 8 0 不同时间半固态组织演变和分析3 4 3 3 2z a 7 6 镁合金5 9 0 不同时间半固态组织演变和分析一3 6 3 3 3z a 7 6 镁合金6 0 0 不同时间半固态组织演变和分析3 8 3 3 4z a 7 6 镁合金半固态组织中各元素分布状况及分析3 9 3 4 a l 含量对镁合金铸态组织的影响一4 1 3 5 本章小结4 2 第四章c u 元素对m g - 7 z n x a l 合金半固态非枝晶组织的影响4 4 4 1z a 7 2 镁合金加入0 9 c u 元素后非枝晶演变规律分析4 4 4 1 1z a 7 2 + 0 9 c u 镁合金5 9 0 不同时间非枝晶制备和分析4 4 4 1 2z a 7 2 + 0 9 c u 镁合金6 0 0 不同时间非枝晶制备和分析4 6 4 1 3z a 7 2 + 0 9 c u 镁合金6 1 0 不同时间非枝晶制备和分析4 8 4 1 4z a 7 2 + 0 9 c u 镁合金半固态组织中各元素分布及分析一5 0 4 2z a 7 4 镁合金加入0 9 c u 元素后非枝晶演变规律分析5 l 4 2 1z a 7 4 + o 9 c u 镁合金5 8 0 不同时间非枝晶制备和分析5 1 4 2 2z a 7 4 + 0 9 c u 镁合金5 9 0 不同时间非枝晶制备和分析5 3 4 2 3z a 7 4 + 0 9 c u 镁合金6 0 0 不同时间非枝晶制备和分析5 4 4 2 4z a 7 4 + 0 9 c u 镁合金半固态组织中各元素分布及分析一5 6 4 3z a 7 x 及z a 7 x + 0 9 c u 镁合金半固态组织横向对比及讨论5 8 4 4 本章小结6 2 结论6 3 参考文献6 5 致j 射7 1 附录攻读学位期间所发表的学术论文7 2 硕士学位论文 摘要 半固态金属浆料具有良好的流变性和触变性，易于和常规压铸等成型方法相 结合实现近净成型。半固态金属浆料在受较小外界应力时，可以静置或者搬运： 当受到连续较大剪切应变时，坯料又可表现出较小的黏度而像液态金属一样自由 流动。半固态非枝晶组织的好坏直接影响产品成型工艺参数和产品的最终质量， 另外，可以对由半固态浆料进行触变压铸而获得的铸件产品进行热处理，以大幅 提高产品性能。因此制备优异的半固态非枝晶组织是取得合格产品的一大关键。 本文将对具有较宽固液相区间的m g 7 z n x a l 镁合金进行等温热处理，分析 其在等温热处理过程中的组织演变情况，并对其机理进行探讨。本试验中将z n 的 质量分数定在7 ，由于a l 的含量多少对合金的硬度和韧性有一定的影响，本实 验将a l 的质量分数定为2 、4 和6 。试验结果表明，所选的z a 7 2 、z a 7 4 和 z a 7 6 合金均取得了半固态非枝晶组织。 a 1 含量的不同，各合金球状颗粒的最小等效直径、形貌系数和固相率也随之 发生改变。从试验中可以看出，当合金中含a l 的质量分数在4 且在5 9 0 恒温 2 0 m i n 时，合金的固相颗粒比较细小圆整，且分布也比较均匀；随着合金中a l 质 量的增加，铸态组织向半固态组织演变的速率加快。当合金中a l 的质量分数在4 时，可以获得较为细小圆整的球状颗粒。合金铸态组织的维氏硬度随着合金中a l 含量的增加先是增大，当a l 含量超过4 ( 叭) 时，合金维氏硬度又发生降低，当 合金中含4 a l ( w t ) 时，铸态组织的维氏硬度值最大为1 0 1 5 2 。 最后，在上面试验基础上，在部分合金加入了c u 元素，以提高镁合金的延展 性并加强时效效果，提高合金共晶温度，使合金能够在高温下进行固溶强化，增 强后期热处理效果，提高合金的耐腐蚀能力。z a 7 2 + 0 9 c u 镁合金在6 1 0 保温 1 0 m i n 时，合金的等效直径为4 3 0 9 p m ，形貌系数为1 8 2 ，且固相率在4 0 左右。 铸态z a 7 2 + 0 9 c u 镁合金的固相颗粒的维氏硬度值为9 4 2 6 ，晶间液相处的维氏硬 度值数值非常大，高达6 2 8 。z a 7 4 + 0 9 c u 镁合金在6 0 0 下保温1 0 m i n 时，白色 值相分布在灰色基体上，晶粒平均尺寸为3 7 1 3 9 m ，液相率为7 4 4 3 ，形貌系数为 1 6 2 ，合金组织已经演变为球状颗粒组织。铸态z a 7 4 + 0 9 c u 镁合金的固相颗粒的 维氏硬度值为110 2 6 ，晶问液相处的维氏硬度值却非常大，高达2 15 5 。c u 元素的 加入加速了合金由铸态组织向非枝晶组织演变的速率，且加入了c u 元素增加了合 金形核物质，使得合金的固相颗粒更为细小。 通过本试验，丰富了等温热处理制备半固态非枝晶组织的理论。它在能量起 伏和原子扩散的作用下，等温温度越高或保温时间越长，合金中低熔点相分布越 广泛，原子扩散越快，合金中越易在较短时间内形成元素分布均匀，半固态颗粒 m g - 7 z n x a i 镁合金部分重熔组织研究 分布均匀且越细小的非枝晶组织；但是，时间过长或温度过高，将有可能发生组 织的粗化。在等温热处理过程中，初始铸态组织的曲率半径不一，枝晶曲率半径 越小，枝晶熔点越低，枝晶附近溶质浓度越低。两个不同形貌枝晶间存在浓度梯 度，在热处理过程中，这会促使溶质由高浓度处向较低浓度枝晶处扩散，最终达 到成分平衡，组织曲率半径均匀的半固态晶粒。在两颗粒或多颗粒的晶界处存在 的点阵畸变较大，因此存在晶界能，而颗粒的长大和界面的平直化能够降低能量， 使系统趋于平衡，这也是系统在自由能降低的作用下合金逐渐由铸态组织向半固 态非枝晶组织演变的原因之一。 关键词：镁合金；半固态；等温热处理；非枝晶组织 硕十学位论文 a b s t r a c t s e m i s o l i dm e t a l s l u r r yh a sg o o dt h e o l o g ya n dt h i x o t r o p y , e a s ya n dc o n v e n t i o n a l d i ec a s t i n gm o l d i n gm e t h o ds u c ha st h ec o m b i n a t i o no fn e a r n e ts h a p e s e m i s o l i d m e t a ls l u r r yc a ns t a n d i n go rm o v i n gw h e ns u b je c tt ot h ee x t e r n a ls m a l ls t r e s sb u ta l s o t h es t o c ks h o w e sf r e e d o mo fm o v e m e n ta st h ev is c o s i t yo ft h el i q u i dm e t a lw h e n s u b j e c tt o c o n t i n u o u sl a r g es h e a rs t r a i n s e m i s o l i dn o n d e n d r i t i cs t r u c t u r eh a v ea d i r e c ti m p a c to nt h em o l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa n dt h ef i n a lq u a l i t yo ft h ep r o d u c t s ， a n dt h e c a s t i n gp r o d u c t s c a nb ed o n eb yh e a tt r e a t m e n tt o i m p r o v ep r o d u c t p e r f o r m a n c es i g n i f i c a n t l y t h em i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o ni nt h ei s o t h e r m a lh e a tt r e a t m e n t p r o c e s s i s a n a l y z e d ，a n di t sm e c h a n i s m i sd i s c u s s e d t h ea m o u n to fa 1a l l o yw i l la f f e c tt h e h a r d n e s sa n dt o u g h n e s st oac e r t a i ne x t e n t t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ez a 7 2 ，z a 7 4a n d z a 7 6a l l o y ss e l e c t e da r em a d es e m i s o l i dn o n - d e n d r i t i cs t r u c t u r e t h em i n i m u m e q u i v a l e n td i a m e t e r , s h a p ef r a c t o ra n dt h ef r a c t i o ns o l i dp h a s eo fa l l o ya l s ow i l lc h a n g e w h e nt h ec o n t e n ti sd i f f e r e n t a sc a nb es e e nf r o mt h et e s t ，w h e nt h em a s sf r a c t i o no fa l i nt h ea l l o yi s4 a n dc o n s t a n t2 0 m i na t59 0 c ，t h ea l l o y ss o l i ds p h e r i c a lp a r t i c l e sa r e r e l a t i v e l yr o u n d i n g ，a n dt h ed i s t r i b u t i o ni sr e l a t i v e l yu n i f o r m ；a l o n gw i t ht h ei n c r e a s e o ft h eq u a l i t yo fa 1i nt h ea l l o y , t h er a t eo fa s - c a s tt i s s u et os e m i s o l i do r g a n i z a t i o n e v o l u t i o ns p e e d su p w h e nt h em a s sf r a c t i o no fa 1i nt h ea l l o yi sa t4 ，y o uc a ng e tt h e s m a l lr e l a t i v e l ys p h e r i c a lp a r t i c l e s v i c k e r sh a r d n e s so fa s - c a s to r g a n i z a t i o n t h ea l l o y i n c r e a s e sw h e nt h ec o n t e n to fa 1i nt h ea l l o yi n c r e a s e s ，w h e nt h ea 1c o n t e n te x c e e d s 4 ( 、v t ) ，t h ev i c k e r sh a r d n e s sh a so c c u r r e d ，w h e nt h ea l ( w t ) i sa t4 i nt h ea l l o y ，t h e c a s to ft h ev i c k e r sh a r d n e s si s1o1 5 2 f i n a l l y ，o nt h eb a s i so ft h ea b o v ee x p e r i m e n t s ，c ua l l o y e l e m e n t si sa d d e dt o i m p r o v et h ed u c t i l i t yo fm a g n e s i u ma l l o y sa n dt os t r e n g t h e nt h ea g i n ge f f e c t ，i m p r o v e t h ee u t e c t i ct e m p e r a t u r eo ft h ea l l o y ，t h ea l l o yc a nb ec a r r i e do u ta th i g ht e m p e r a t u r ef o r s o l i ds o l u t i o ns t r e n g t h e n i n g ，a n de n h a n c ep o s t - t r e a t m e n te f f e c t sa n di m p r o v et h e c o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fa l l o y s w h e nz a 7 2 + 0 9 c ua l l o yi sh o l d i n g10 m i na t610 t h e a l l o yo fe q u i v a l e n td i a m e t e r i s4 3 0 9 l _ t m ，s h a p ec o e f f i c i e n to f1 8 2 ，a n dt h es o l i d f r a c t i o na t4 0 v i c k e r sh a r d n e s sv a l u eo ft h ec a s tz a 7 2 + 0 9c us o l i dp a r t i c l e so fi s 9 4 2 6 ，b e t w e e nt h el i q u i dc r y s t a l ，t h ev i c k e r sh a r d n e s sv a l u e i s v e r yl a r g e ，u pt o 6 2 8 w h e nz a 7 4 + 0 9 c ua l l o yi s h o l d i n g 10 m i na t6 0 0 ，t h ew h i t e0 【一p h a s ei s d i s t r i b u t i o no ft h eg r a ym a t r i x ，t h ea v e r a g eg r a i ns i z ei s3 7 13 1 x m ，l i q u i dr a t ew a s 7 4 4 3 ，s h a p e c o e f f i c i e n to f1 6 2 ，a l l o y o r g a n i z a t i o n h a se v o l v e di n t o s p h e r i c a l i i i p a r t i c l e s t h ev i c k e r sh a r d n e s s v a l u eo fc a s tz a 7 4 + 0 - 9 c um a g n e s i u ma l l o y s o l i d p a r t i c l e si s 110 2 6 ，i n t e r g r a n u l a rl i q u i dc o e x i s t e n c ev i c k e r sh a r d n e s s i sv e r yl a r g e , u pt o 2 1 5 5 c ua 1 1 0 ye l e m e n t ss p e e d su pt h er a t eo fe v o l u t i o nf r o mt h e g a s ts t r u c t u r et ot h e n o n d e n d r i t i cs t r u c t u r e ，a n d e l e m e n t sa d d e dt o i n c r e a s et h ea l l o yc un u c l e a t l o n s u b s t a n c e s ，m a k i n gt h ea l l o ym o r es m a l ls o l i dp a r t i c l e s t h r o u g ht h i se x p e r i m e n t ，i te n r i c h e dt h et h e o r yo f t h ep r e p a r a t i o no fn o n - d e n d r i t i c s t r u c t u r eb ys e m i s o l i di s o t h e r m a lh e a tt r e a t m e n t u n d e re n e r g ya n da t o m i c , d i f f u s l o n e 脏c to fi s o t h e r m a lt h et e m p e r a t u r e i sh i g h e ro r t h eh o l d i n gt i m ei sl o n g e r , t h e d i s t r i b u t i o no fl o wm e l t i n gp o i n tp h a s e i sm o r ee x t e n s i v ea n d a t o m l cd l f l u s l o n f a s t e r n o n d e n d r i t i cs t r u c t u r ea n df i n e rp a r t i c l e s i z ed i s t r i b u t i o nw i l lb em a d em o r e e a s i l vi nar e l a t i v e l ys h o r tp e r i o do f t i m ed i s t r i b u t i o n i nt h ei s o t h e r m a lp r o c e s s ，t n e i n i t i a lc u r va c u r er a d i u so fc a s td i f f e r e n t ，t h e s m a l l e rr a d i u sc u r v a t u r eo fd e n d r l t e ，t h e 1 0 w e rt h em e l t i n gp o i n to fd e n d r i t e ，t h e l o w e rt h ed e n d r i t en e a rs o l u t ec o n c e n t r a t i o n i s t h eg r a d i e n ti sd i f f e r e n tb e t w e e nt w od e n d r i t i cm o r p h o l o g y ，i nt h e h e a tt r e a r m e n t p r o c e s s ，w h i c hw i l ll e a dt oh i g hc o n c e n t r a t i o no fs o l u t e a tt h ed e n d r i t et ot h el o w e r c o n c e n t r a t i o no ft h ed i f f u s i o n ，u l t i m a t e l ya c h i e v i n g b a l a n c e dc o m p o s i t l o n ，o r g a n l z a t l o n o fs e m i s o l i du n i f o mr a d i u s o fc u r v a t u r e o ft h eg r a i n l a t t i c ed i s t o n i o n1 sl a r g e r b e t w e e nt h et w o0 rm o r eg r a i nb o u n d a r i e so fp a r t i c l e s ，s o t h e r ei sg r a l nb o u n d a r y e n e r g y ，g r a i n 伊。叭ha n ds t r a i g h t n e s so f t h ei n t e r f a c ec a nr e d u c et h ee n e r g y ，t h es y s t e m t e n d st ob a l a n c e , t h i si so n eo f t h er e a s o n st h a tt h es y r u c t u r ec h a n g ef r o m t h ec a s ta l l o y t ot h es e m i s 0 1 i dn o n d e n d r i t i cm i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o ng r a d u a l l yu n d e rt h e s y s t e m f r e ee n e r g yr e d u c e d ， k e yw o r d s ：m a g n e s i u ma l l o y ；s e m i - s o l i d ；i s o t h e r m a l h e a tt r e a t m e n t ；no n 。d e n d r i t l c s t r u c t u r e i v 硕十学位论文 1 1 镁合金基本特点 第一章绪论 1 1 1 镁合金的基本特点 镁是所有金属结构材料中最轻的金属，密度约为1 7 3 8 9 c m 3 ，熔点为6 4 8 9 ， 沸点为1 0 9 0 。c 。以镁为基的合金其密度范围在1 7 5 至1 8 9g c m 3 ，与锌合金相比 约轻7 3 ，与铝合金相比约轻3 6 ，与钢相比约轻7 7 ，有其自己显著的优点： 密度小、比强度高、易加工等；但同时又有铸造性差、耐蚀性差、耐磨性差、易 燃等缺点。 表1 1 纯镁的物理性质 镁广泛存在于菱镁矿m g c 0 3 、白云石c a m g ( c 0 3 ) 2 、光卤石k c i m g c l 2 h 2 0 中。纯镁的强度较小，但镁合金是良好的轻型结构材料，已经广泛应用于空间技 术、航空、汽车和仪表等工业部门瞳3 ，镁合金具有其自己独特的优点： ( 1 ) 镁合金具有高的比强度和比刚度，其弹性模量比铝合金、钢、铁都要低， 因此在同样的外力作用下，应力分布更均匀，可以避免过多的应力集中；在弹性 范围内承受冲击载荷时吸收能量的本领比铝要高出5 0 ，能够更好的保护结构件， 具有减震降噪功能，适合制造易于遭受猛烈冲击的产品，现在已经被运用在汽车， 航空等产业旧3 。 ( 2 ) 镁合金具有良好的导热性，约6 0 - - 7 0 w ( m k ) ，具有电磁屏蔽功能。镁 合金的散热性高过塑胶2 0 0 倍，可用作易于发热的电子零件，也可以用来吸热散 热。它还具有电磁屏蔽功能，可用来制作易于发射电磁辐射的电子零件的外壳， 免除身体过多地暴露在电磁辐射氛围中h 3 。 ( 3 ) 镁合金具有良好的铸造性能和加工性能畸1 。镁合金的熔炼过程可以在铁素 体不锈钢坩埚炉中进行，也可以在为了防止坩埚外表面氧化起皮而在碳钢外表面 外包镍基合金的坩埚炉中进行，并且使用寿命比碳钢坩埚高几倍。 m g 一7 z n x a l 镁合金部分重熔组织研究 ( 4 ) 镁合金金属液的粘度低，充型能力较强，易于完成复杂铸型型腔的充填工 作，可以很容易的完成壁厚在1 0 2 0 m m 之间的压铸件，最小壁厚可达0 6 m m ， 其尺寸精度比铝压铸件高出5 0 。镁合金的结晶熔点和结晶潜热都比铝合金小， 且对模具的冲蚀性小，也不易粘型，提高了镁合金模具的使用寿命。镁合金较铝 合金相比压铸周期短，生产效率高，切削加工速度高1 。目前，世界镁合金铸件的 9 3 都是压铸工艺生产的，镁压铸件年产量以每年高达1 8 的速度在逐年增长。 ( 5 ) 镁合金与铝合金相比，则更适于压铸，这是因为：镁合金的压铸温度较 低，对模具的热冲击力比较小，镁合金与铁质模具间的亲和力及固溶铁的能力较 小，一般不会发生“粘模 现象，这样的模具寿命较长，从而降低了产品成本。 镁合金与铝合金相比，其动力学粘度更低，在相同的流体状态下镁合金的充型 速度要远大于铝合金，镁合金可以很容易地生产出壁厚1 0 m m 2 0 m m 的压铸件， 最小壁厚可达0 6 m m ，压铸件的尺寸精度比铝合金的要高出5 0 n 1 。另外，由于 镁合金的熔点低、相变潜热小、凝固速度快，因此镁合金压铸周期相比于铝合金 缩短约百分之五十，大大提高了产品生产效率隅1 。 ( 6 ) 镁合金是目前最轻的金属结构材料，密度小，并且其良好的比强度和比刚 度，良好的导热性，切削加工性，铸造性，尺寸精确稳定性，优越的减震降噪功 能，电磁屏蔽功能以及可回收性赢得了工业界的关注，已经广泛应用于航空航天， 汽车，电子和3 c 产品，并且以每年2 0 的速率递增，呈现出极大的应用前景旧1 。 1 2 镁合金的应用与新型镁合金的开发 镁合金由于有着比重轻，比强度高，导热性，切削加工性能好，电磁屏蔽能力 强，尺寸稳定，资源丰富，容易回收等一系列优点得以在现代汽车工业、通信电 子业和航空航天业等领域正得到日益的广泛运用。 1 2 1 镁合金的应用 2 0 世纪2 0 年代，镁在汽车上得到了开始应用。近年来n0 1 ，美国一些汽车公司 用镁量不断提升。1 9 9 7 年福特公司用镁量为1 7 5 0 0 p 屯，通用汽车公司9 5 0 0 吨，至1 1 2 0 0 3 年福特公司用镁量1 7 9 0 0 吨，通用汽车公司跃升至3 0 8 0 0 吨。镁合金汽车压铸件在 汽车非结构体应用方面正在取代铝合金压铸件，正在争夺汽车市场上的轻金属份 额3 。这是因为在同样能保证汽车部件性能要求和安全性一系列前提下，镁合金 部件要比同样形状的铝合金压铸件轻2 0 2 5 ，并且镁合金压铸件具有更薄更复杂 形状，接近净尺寸成形，可以把许多复杂部件通过铸造或压铸成一个一体化整体， 节省了许多加工、连接部件的成本，节省了总装成本和时间。镁合金有着比铝合 金更好的可铸造性，具有高强度重量比，高刚度重量比，孔隙度最少n 别。国外关 于镁合金应用，包括从工艺到设备的专利技术不断出现，中国如不及时开展镁合 2 硕十学位论文 金及其压铸技术的开发研究，这些专利技术对中国镁合金技术的未来发展将会起 到越来越大的限制，对中国在全球业内的竞争地位是十分不利的。所以，中国应 认清形势，努力奋斗，形成有战斗力的镁科研优势。金属镁作为性能优异的结构 材料和功能材料，是过去十年全球增长最快的金属，在当前中国及世界主要经济 体普遍加快出台刺激经济，扩大需求的背景下，镁行业应主动出击，注意把握政 策性的市场机会，为镁材料开辟更大的市场空间。中国有色金属工业协会镁业分 会统计，2 0 0 6 年，中国生产原镁5 2 6 万吨、镁合金2 1 1 万吨，中国已经是世界上最 大的镁和镁合金生产国和出口国。2 0 0 7 年一月份至十月份，中国的镁合金产量达 到5 3 万吨，而中国的载货车和轿车对镁合金的需求量达到5 3 万吨，2 0 1 5 年预计达 到6 9 万吨，2 0 2 0 年可达到7 5 6 万吨，中国的镁行业要更加注意开发潜在的国内市 场，以科研生产为基础力求创新，开发新型镁合金产品，提升深加工的产业化水 平，为今后以高附加值产品进入国际市场做好坚实的准备。 1 2 2 新型镁合金的开发 由于镁合金的发展潜力和应用优势，已经取得了显著效果，因此引起了许多 国家、企业和研究机构的高度重视，为了提高镁合金更为广泛的应用，各国加大 了对新型高性能镁合金的开发，且已取得了一定的成效： 耐热镁合金 耐热镁合金可以根据获得耐热性的方法的不同而分为三大类：镁基复合材料、 合金化耐热镁合金和快速凝固镁合金n 引。耐热性能差是阻碍镁合金广泛运用的主 要原因之一，当高温时，合金的抗拉强度及抗蠕变性能大幅下降，使其在关键材 料的部位难以得到重用。美国、日本已经均将耐热镁合金的开发作为重要突破方 向。目前，已经商业化的耐热镁合金主要有a z ( m g a 1 z n ) 系、a m ( m g a 1 m n ) 系 和m g a 1 基镁合金，然当高于1 5 0 后其拉伸强度迅速降低。 目前，在提高镁合金耐热性能的合金元素主要有三类：第一是稀土元素；第 二是c a 、s r 等碱土金属：第三是第、v 族元素，如s i 、s n 、s b 等元素。r e 比 s i 能更有效地增大m g a 1 合金蠕变强度，m g a 1 r e 系的a e 4 2 、a e 4 1 镁合金具 有比a s 系镁合金具有更高的蠕变强度，虽然添加稀土元素可以得到较好的耐热 性，但是成本较高，这使其受到很大限制。通过微合金化及综合利用各种合金元 素的强化作用来提高耐热性能，这是今后耐热镁合金的发展重点n 引。 耐蚀镁合金 镁合金电位低，当镁合金与其他合金接触时，一般会发生阳极电偶腐蚀。微 量元素的添加可以有效改变镁合金的耐蚀性能，已经成为目前提高镁合金耐蚀性 的有效手段。例如，在熔融状态的镁合金中添加少量l a 可以显著提高镁合金的耐 蚀性，但应当注意量的加入，过多的l a 的加入反而会降低合金的耐蚀性能：n d 功能阳极氧化电源，结合专用的电解液对氧化时的“火花 进行主动控制，形成 “无火花”阳极氧化工艺。这种氧化层孔隙直径小，附着性好，表面光滑，不会 在棱边棱角处产生烧损现象n 引。 阻燃镁合金 镁合金高温时极易发生氧化，所以经常会在镁合金熔炼浇注过程中采取s f 6 、 s 0 2 、c 0 2 、a r 和熔剂保护法，但是这会对环境造成一定污染，同时也会加大产品 成本。在纯镁中添加c a 元素会极大提高镁液的抗氧化抗燃烧能力，但是c a 元素 的加入却会造成合金力学性能的降低；铍的加入也可以阻止合金氧化，但是当铍 含量过高时，就会引起晶粒粗化和增大热裂倾向。混合稀土的添加可以起到一定 程度的阻燃作用，但添加量的多少会直接影响到阻燃效果，因此，添加何种元素， 各种元素添加量的多少，多种元素之间的最佳比例，这些都将是影响合金最终阻 燃性能所要考虑的因素。 稀土镁合金 近年来，逐渐开发出了高性能的m g g d 、m g - s c 、m g - y 和m g d y 系n 。在 m g g d 系中添加a g 、z n 、z r 、m n 和s c 后合金的性能发生了明显变化n 引，同时 混合稀土镁合金的研究也取得了一定成果n 引。铸造m g g d z r 合金中添加1 l a 或 1 c e 后，不但减小了树枝晶间距，同时也改善了合金力学性能和时效强化行为。 上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心在从事m g n d z n z r 、 m g g d y - z r 等稀土镁合金研究时，通过调整r e 和z n 的比例，开发了低成本的高 强度铸造镁合金m g 3 r e z n 1 z r x ( n z 3 0 k ) ，该合金具有中等的高温强度、优异的 抗蠕变能力和耐蚀性能。其力学性能约为：o r b = 2 8 0 3 2 0 m p a 、吼，= 1 5 0 1 8 0 m p a 和万= 1 0 2 0 ，目前该合金已经应用于导弹、汽车轮毂和发动机支架等产品上 面。 高强高韧镁合金 在某些系列镁合金中加入适量的一些金属可以显著提高合金的拉伸强度和屈 服强度，另外也可以通过粉末冶金、高挤压比及等通道角挤等方法使合金晶粒细 化，从而提高强度，抗拉强度，高塑性。日本井上明久等人就采用快速凝固方法 制成高强度镁合金m g 2 a t y - 1 a t z n ，其强度为超级铝合金的3 倍，并且拥有超 塑性，高耐蚀性能和高耐热性。 4 硕士学位论文 i i 1 3 镁合金半固态非枝晶组织 1 3 1 镁合金半固态非枝晶组织制备原理 2 0 世纪7 0 年代美国麻省理工学院的f l e m i n g s 等人最早提出非枝晶组织理论， 他们认为合金熔体在半固态温度区间进行的机械搅拌会促进熔体产生大量的等轴 晶粒。其过程为，铸态枝晶组织在机械搅拌过程中会受到剪切力以及液体的冲刷， 当枝晶受力超过其能承受的最大抗弯强度时，初生枝晶二次枝晶臂会脱落下来， 形成新的结晶核心。枝晶本身也在液体冲刷作用下逐渐向非枝晶转化，最终获得 颗粒状半固态非枝晶组织心0 1 。 自非枝晶理论被提出以后，广大科技工作者对镁合金半固态非枝晶组织形成 理论有了一定的认识，主要有以下几个方面： 枝晶机械断裂理论f l e m i n g s 等人最早提出非枝晶组织理论，他们认为合 金熔体在半固态温度区间进行的机械搅拌会促进熔体产生大量的等轴晶粒。铸态 枝晶组织在机械搅拌过程中会受到外界影响，当枝晶受力超过其能承受的最大抗 弯强度时，二次枝晶臂会脱落下来，形成新的结晶核心。枝晶本身也逐渐向非枝 晶转化，最终获得颗粒状半固态非枝晶组织乜。 枝晶熔断理论 h e l l a w e l l 等人提出了枝晶熔断理论。他们认为，机械搅拌会导致熔体发生紊 乱，固液界面之间会产生温度波动，由此产生强烈的温度起伏。当枝晶进入高温 区域时，枝晶局部可能会由于高温而发生重熔脱落，枝晶臂根部溶质富集区来不 及及时扩散，导致枝晶根部熔点降低，在合金熔体冲刷作用下枝晶断裂乜羽。 晶粒漂移和混合一拟制机制 张景新等人认为在电磁搅拌环境下，合金熔体会发生强烈的混合对流，此时 合金的凝固过程不同于常规铸造时的静态结