（材料学专业论文）微量元素硅、钙对mg6al1zn合金组织与性能的影响.pdf

摘要 镁及镁合金是最轻的金属结构材料，因具有诸多优异的性能，在航空航天工 业、汽车和电子产品等领域有着非常广阔的应用前景。本论文选取m 哥6 舢1 z n 镁合金为基体，综合合金化和塑性交形的方法，利用硬度测试、拉伸性能测试、 金相组织观察、x 射线衍射分析、扫描电镜与能谱分析等分析测试手段，研究了 添加s i 元素以及复合添加s i 、c a 元素对m g 6 a j 1 z n 镁合金力学性能和组织的影 响，并进一步在不同的条件下成功挤压出所研究镁合金的棒材，初步探讨了挤压 条件对合金力学性能与组织的影响。结果表明： 添加少量s i 元素可以明显的细化m g - 6 1 z n 镁合金的晶粒尺寸。所形成的 m 9 2 s i 新相主要有两种形貌：不规则的多边形状和粗大的汉字状。m 臣s i 相的形 态、数量、尺寸以及分布决定了含s i 镁合金的力学性能。室温下m g - 6 a l - 1 2 1 1 x s i 镁合金的断裂机制和s i 元素的含量有密切的联系，并受m 9 2 s i 颗粒的形态所控 制，改善m 9 2 s i 相的形态提高合金力学性能的一个可行途径。 添加c a 元素后，生成的c a 2 s i 在凝固时充当异质形核核心，能有效的改变 m g - 6 触1 z n - 1 s i 镁合金中m 盘s i 的形貌，形成的新相形貌与添加c a 含量有关。 由于m s i 形貌的改变，m g - 6 a 1 1 z n 一1 s i 镁合金的力学性能得到明显提高。 m g 6 赳1 z n 1 s i - x c a 镁台金的断裂机制和c a 元素的添加量有关；c a 的加入能有 效的阻止镁台金的高温氧化。 热挤压能显著细化镁合金的组织，提高力学性能( 硬度、拉伸强度、屈服强 度、延伸率) ；挤压后的镁合金型材组织不均匀，其主要是由挤压过程中受力不 均匀造成的：在挤压条件不适当情况下，挤压材出现周期性的表面裂纹和内部的 微细裂纹，影响挤压制品的性能。 总之，复合添加s i 、c a 元素可以在一定程度上改善m g 6 a 1 1 z n 镁合金的 力学性能，在适当的条件下，可以挤压出镁合金型材，从而进一步提高镁合金的 力学性能。 关键词镁合会：合会化；挤压；力学性能 北京r 业大学r 学颧l 学位论文 a b s t r a c t m a g i l e s i u ma l l o y sa r et h el i 曲t e s ta p p l i e ds t m c t u r a lm a t e r i a i s t h ee x t r e m e l y l o wd e n s i t yo fm a 目1 e s i u ma l l o y s0 t h e ra d v a m a g e ss u c h 觞h i g hs p e c i 丘cs t i f ! e i i e s s ， s p e c i f i cs t r e n g c l l ，9 0 0 dd i m e n s i o n a ls t a b i l i t ya n dh i g l ld 锄p i n gc a p a d t ym a k e st l i e m a t 幢a c t i v ef o rc o n s i d e 珀t i o no fe n 西n e e r i n ga p p l i c a t i o i l s h lm i st l l e s i s ，b a s e da i l o y s m g - 6 舢1 z ni i la zs e d e sm a 印e s i u ma l l o y sw e f ec h o s e n b ym e a n so fh 孤d n e s s m e a s u r c m e n t ，t e n s i l ep m p e n i e sm e a s u r e m e n t ，o p t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) ，x m y d i 蚴i o n ( t d ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c m s c o p y ( s e m ) a i l 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 但d s ) ，t l l ee f f e c t so ns t m c t u r c 卸dm e c l l a n i c a lp r 叩e n i c sw i t hs i i i c o n a l l dc 吐c i 啪a d d i t i o nw e r ei l e s t i g a t e d o t h e 州i s e ，e x t m d c dm 矩皿e s i 衄b 盯w c r e p r c p a r c d 蛐c c e s s f i l l l yi n d i 丘色r e n te x t r i l s i o c o n d i t i o n sa n de f ! b c t so fc x t m s i o n d e f o 册a t i o no ns t u d i e da l l o y sm i c r o s 咖c t u r ea i l dp m p e n i e sw c r ed i s c u s s e d t h e r e s u n sa r ea sf o l l o w s ： a d d i n gac c r t a i nc 0 t e mo fs i l i c o nc a i ls i g n j f i c 柚t l y 硼n et l l eg r a i ns i z eo f m g - 已舢一1 z nm a g n c s i u ma h o y s m 9 2 s ip h a s eh 邪t w ok i n d s o fm o i p h o l o g i e s ： i r 】r e g i l l 缸p o l y g o n a n dc o a r s ec h i n e s e s c f i p t 耵l e m e c h a l l i c a l p r o p e n i e s o f m g 一6 a l 1 z n x s im a 弘e s i u ma l l o y sa r ed e t e m i 鹏db yt h em o r p h o l o g y 皿m b c r ，s c a l e a l l dd i s t r i b l n i o no fm s ip h a s e t 1 l ef a d u r em e c h a i i i s mo fm g - 6 舢一1 z n - x s ia tm o m t e m p e r a t l i r e i sam i x e dm c c h 锄i s m ，i n c l u d i n gd e a v a g e 丘跏r c 锄dm i c r o p o r e a g g r e g a t i o n 仃a c t u r c 0 r i 昏no f 缸c t u r eo f t c no c c u r si nt l l ei i l t e r f a c cb e 咐e e m g m a t r i xa n dm 9 2 s ip h a s e s t h ec a 2 s ip h 舔et h a ti san e wp h a s ea f t e rc a l c i u ma d d i t i o ni sa b l et o h c t e r o g e n e o u s 肌c l e 卸t s ，s ot h es h a p eo fm s ii nt h em g 一6 m l z 一1 s ii s 曲a n g e d i m p m v 锄e n to fm e c h 锄i c a lp m p e r t i e so fm g 一6 a l 一1 z n 一1 s ii sa t t r i b u t e dt 0c h a i l g eo f m 9 2 s im o r p h 0 1 0 9 y t h e r ei s ar e l a t i o n s h 主pb e t w e e nc ac o n t e n ta n df r a c t u r e m e c h a n i s mo fm g - 6 a l l z n 一1 s i 1 na d d i t i o n ，t h eo x i d a t i o no fm a 朗e s i u ma te l e v a t e d t e m p e r a t u r ec a nb er e t a f d e db yt h ec aa d d “i o n e x t r u s i o nd e f o 珊a t i o nc a nf i n et h eg r a i no fm a g n e s i u ma u o y sa n dt h e 1 i - m e c h a i i i c a lp m p e n i e sc 卸b ei m p m v e d t h en o n - h o m o g e n e o u sm i c m s t m c t u r eo f e x t r u d e db a ro fm a g n e s i u ma l l o y sw 如o b t a i n c db e c a u s eo fn o n u n i f o 玎ns t i e s si n e x t r i l s i o n i fe x t 兀l s i o nc o n d i t i o ni s o ts u i t a b l e ，e x t n l d e db a rw o u l dh a v ep e f i o d i c a l s u r f a c ec r a c ka n di m e r i o rm i c m c r a c k ，s om em e c h a i c a lp m p e n i e so fe x t n l d e d p m d u c tw i l lb ed e c r e a s e d t h er e s l l l t sa b o v e m e n t i o n e ds h o wt h a tt h em e c h 孤i c a l p m p e n i c s o f m 乎6 舢- 1 z nm a g l l e s i u ma l l o yc a i l b ei m p r 0 v e da tac e n a i ne x t e n t hs u i t a b l e c x t n l s i o nc o n d i t i o n ，m a 驴e s i 岫b a r 啪b eo b t a i c db yh i 曲e re x t m s i 册m t e k e y w o r d s m a g n e s i 姗a n o y s ；a 1 1 0 y i i l g ；e x t r u s i o n ；m c c h a l l i c a lp r o p 删c s i 】i 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 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 繇冀颦嗍盟6 上 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，即：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都或部 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) 签名： 望坠耸 导师签名日期；2 垒q ： 第1 章绪论 1 1 镁与镁合金发展和应用 镁及镁合金是迄今为止在工程应用中最轻的金属结构材料。镁的原子序数为 1 2 ，相对原子质量为2 4 3 2 ，电子结构为1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 ，在元素周期表中，属i i a 族碱土金属。纯镁的密度为1 7 3 8 酢m 3 ，普通镁合金的密度从1 3 1 9 9 ，c m 3 不等。 常规镁合金比铝合金轻3 0 5 0 ，比铜铁轻7 0 以上，可大大减轻结构件的重量。 同时，镁合金具有高的比强度、比刚度、尺寸稳定性高、阻尼减震性好、易切削、 铸造性能好、易于回收利用等优点，被誉为“2 1 世纪绿色工程材料”1 1 卅。图1 1 栩 对比了几种典型金属结构材料与非金属材料的比强度和比刚度，可见镁合金优良 的力学性能，这些优异性能，使镁合金在航空工业、汽车、摩托车、光学仪器、 机械设备和电子产品等领域有着非常广阔的应用前景。 - 蛐 f = ：鬻。1 几 一 音m卡h 卅 科麓： e 剥日卧 墨 瞄9 沁点曼，c 醌盥9 8 。剁 晶 g f 2 0 a z 9 1 d 图l 一1 儿种材料比强度与比刚度的比较州 f i g 1 1s p c c i 雠s 雠n 垂ha n ds p e c i 雠s t i 血e s so f v 盯i o u ss 曲c t m l 眦t e r i a l s 镁合金的研究和应用至今有一百多年的历史。在二战期间，镁合盒的研究与 应用获得较大的发展，主要用于军事目的，大多用在飞机上【3 】。二战以后，开始 开发和应用民用镁合会。进入2 0 世纪9 0 年代巾期以来，由于环境和能源问题越 柬越突出，重新唤起人们对镁的重视n 近年来，镁合金及其成型技术的研究和 柬越突出，熏新唤起人们对镁的重视近年来，镁合金及其成酗技术的研究和 享暑zi乱苫一 一c点呈f矗d。一 l o c e i s u 岳u d s gc薯面芒|。田 北京工业人学工学硕士学位论文 应用获得重大进展，镁合会的材料质量不断提高而生产成本不断下降，促进了镁 产量及消费量的增加，近十年全球镁产量及其消费量如表1 2 所示【9 1 ，镁合金的 研究与开发成为近年来金属材料领域的热点。 表1 1 近十年全球镁产量及其消费量 t a b l e1 一lm a 肛e s i u mp m d u c t i o na n dc o 锄m p t i o ni np a s t1 0y e a r s 镁合金应用的领域比较广泛。目前镁的主要用途仍然是充当铝的合金元素和 还原金属，不过作为镁合金主要生产方法的压铸在近几年也呈显著增加趋势，镁 合金零部件及其型材正逐渐得到人们的认可和应用。表1 2 是2 0 0 0 2 0 0 5 世界镁 消费结构的变化【叭，由此可见铝合金化元素、钢铁脱硫、镁压铸件仍然是镁消费 的三个主要部分。在镁及其合金的各种消费结构中，镁压铸件最具有增长潜力， 目前来看，汽车工业的应用是镁产量增长的主要原因。从长远来看，铝合金生产 中的用镁量会减少，压铸生产中用镁量会增加，钢铁脱硫用镁将保持现有水平。 随着镁合金成形技术的不断发展和推广应用，镁合金部件将被越来越广泛地应用 在汽车、家电、通讯电子、轻便工具、航空航天、军事工业等领域。 表1 22 0 0 0 2 0 0 5 世界镁消费结构的变化 t a b l e1 2t h ec 0 唧a r i no fm a 印e s i u mc o n s u m p t i o n 鉴于镁合金诸多优点和应用潜力，美国、日本、德国、澳大利亚等国相继出 台了各自的镁合金研究计划，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。我国镁产量自1 9 9 8 年以来连续7 年保持世界第一【1 0 j ，国家 2 科技部也将“镁合金应用及产业化”列为“十五”攻关的重大专项之一。 1 2 镁的合金化 金属镁很少直接作为结构材料使用，通过添加合金元素，并进行微观组织结 构设计，引入固溶强化、沉淀强化、弥散强化等机制，使镁合金的力学性能有大 的改善和提高，从而使镁合金可以按需要应用在不同领域。 1 2 1 合金元素在镁中的固溶度 根据h u m e r o 廿”r v 固溶度规则和容差因子，两种原子大小相差1 5 ，固溶 度较大，晶体结构相同，原子价相同，较易形成固溶体。镁的原子半径为 o 1 6 0 2 m ，因此有如图1 2 【1 1 1 虚线以内的2 6 种元素可以满足该规则，与镁形成 固溶体。如果考虑相同原子价，相同晶体结构的元素相互之间的固溶度大，对镁 来说，符合条件的元素只有c d 和z 。 图1 2 镁中合金元素与镁半径比较 f i g 1 2a t o m i cd i a m e t e r so fe l 锄c n t s 柚df a v o 啪b ks i z ef a c t o ri nc 0 p a r ew i t hm a g 口e s i u m 对于镁合金的研究也基本证实了上述理论，几种溶质元素对镁强化的大致效 果如表1 3 所示f 1 2 1 。由表可知，c a 、c e 、t i l 是最有效的固溶强化的元素，但是 由于和镁的原子尺寸有较大的差距，其强化效果也仅限于此。而m g t h 基的镁 3 北京i 业太学工学坝j 学位i 仑卫 合金虽然具有优异的抗蠕变性能，但是因为t h 具有放射性，基本失去了民用的 价值1 1 l 】。 表1 3 几种溶质元素对镁固溶强化的大致效果 t a b k l 3a p p r o x i m a t es o l i ds o l u t i o ns t r 朗g t l l 印i n ge 能c to nm go fs e v e r a ls o l u t e s 1 2 2 镁中合金元素的作用 材料的宏观性能与其显微组织结构是紧密相连的。根据合金化的原理，可以 针对目的采用细化晶粒、添加微合金化元素、控制变形程度、热处理工艺等手段 达到调整镁合金组织结构，提高和改善镁合金的性能。 对比各种合金元素在镁中的存在形式，镁中的合金元素可以分为以下三类 【1 3 】： 第一类是同时提高镁合金的强度与塑性的元素，按强度递增顺序为：、 z i l 、c a 、a g 、c e 、g a 、n i 、c u 、t h ： 按塑性递增顺序为：t b 、g a 、z n 、a g 、c e 、c a 、舢、n j 、c u ； 第二类合会元素是只提高镁的塑性而对强度影响很小，有c d 、1 f 1 和l i ； 第三类是以牺牲塑性而提高镁的强度，有s n 、p b 。b i 和s b 。 第l 罩绪论 1 3m g 舢z n 镁合金的特点和| 生能 m 窟a 1 一z j l 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ob 、oo 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1 1 4 】。 舢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 。舢含量对m g - 舢合金力学性能的影 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【1 5 】。当铝含量超过8m a s s 时，镁合金延性急剧下 降。 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1 时镁合金热裂倾向增大，通常含锌的镁合金的 锌含量 l 【3 ，1 舅。 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 l 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 1 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能【1 5 】。 1 4 硅、钙在镁合金的作用 硅在镁中的固溶度较小，6 3 8 8 时，s i 在镁中的固溶度最大，为1 3 8 。 s i 在m g 合金中主要形成m 甑s i 相，弥散分布在晶界周围。加入硅能改善蠕变性 能，与m 、z n 相容，形成稳定的硅化物，是弱的晶粒细化剂【1 6 1 7 l 。s i 元素与 m 复合添加入镁中，形成强度较好的a s 系列压铸镁合金，但是a s 系镁合金由 于在凝固过程中会形成粗大的汉字状m 9 2 s i 相，损害了铸造性能和机械性能f 1 8 j 。 近年来开始研究在其他合金系中添加微量的s i 元素，来改善镁合金的力学性能。 黄正华等人的研究表明，添加s i 元素后，a z 9 1 d 的硬度和延伸率提高，而强 度稍有降低；a g a r b o g g i n e i2 0 】等人研究了在快速凝固m g 灿合金添加s i 元素的 影响，结果表明s i 元素是有效的晶粒长大抑制剂，可以显著提高m 叠8 刖合金的 力学性能。在变形镁合金中添加s i 元素的研究尚未见到报道。 如前所述，c a 元素是提高镁合金性能最有效的元素之一。c a 钙加入镁中可 北尿i 业人学工学顿十学位论文 减少镁的氧化及显微疏松，在变形合金中加入少量钙( 0 0 5 0 2 ) ，丁细化组 织，提高机械性能，但钙含量超过0 3 时，会使镁的焊接性能变坏陬“。文献【2 2 】、 【2 3 】研究了c a 对a z 9 1 组织和力学性能的影响，结果表明：添加c a 能细化a z 9 1 的组织，减少m 9 1 7 1 2 相的数量，随着c a 含量的增加，a z 9 1 镁合金的热裂倾 向增加，室温拉伸强度和延伸率降低，屈服强度强度增加。合金中是否出现新相 和c a 的添加量有关，添加少量( 0 3w t ) 的c a ，合金中未形成新相f 2 4 1 ，而是 主要固溶在m 9 1 7 越1 2 中【吲，当c a 含量超过一定量后，合金中出现新相a 1 2 c a 。 在含s i 的镁合金中，加入钙可改善m 9 2 s i 形态，提高合金的韧性1 2 6 引。对于c a 在高锌镁合金的研究表明，c a 的加入有助于提高抗蠕变性能并细化晶粒【2 9 j 。在 m g 1 2 l i 镁合金中添加c a 元素，在初生的单一m g u 固溶体的枝晶间出现片状 的共晶体b 相m c a ，且共晶化合物的数量和c a 元素的添加量有关 3 0 】。迄 今为止国内外对复合添加s i 、c a 元素在变形镁合金中的研究甚少。 1 5 镁合金的塑性变形 纯镁的晶体结构为密排六方结构，在2 5 时的晶格常数为：a = o 3 2 0 2 砌， c = 0 5 1 9 9 ：晶胞的轴比为d a = l 。6 2 3 7 【2 1 。由于晶体发生塑性变形时滑移面和滑移 方向往往是金属晶体中原子排列最密的晶面和晶向1 3 ，镁在低温时的塑性变形 仅限于基面 0 0 0 1 的滑移及角锥面 1 0 t 2 ) 孪晶，因此镁的滑移 系少，与其他常用金属比较如铁( b c c 结构) 、铝( 妣结构) 、铜( f c c 结构) 塑性变形能力差。在温度高于4 9 8 k 时，温度升高增加了原子振动的振幅， 最密排面和次密排面的差别减小，因此会激活潜在的滑移面和滑移方向，使附加 角锥滑移面 1 0 t 1 ) 启动，这时镁呈现明显的延性转变，塑性大大提耐3 2 1 。 塑性变形能有效改善铸造镁合金的力学性能，变形镁合金比铸造镁合金具有 更高的强度、更好的延展性和更多样化的机械性能【3 3 】，研究新型镁合金制备技 术成为变形镁合金材料的主导方向之一。根据h a l l p e t c h 公式： 口= 盯o + 翮1 7 2 ( 1 1 ) 式中仃多晶体的屈服强度； 盯。单晶体强度； 6 第1 章绪论 b _ c c ( g r a i ns i z e ) 吧d 1 2 圈1 3 晶粒细化对镁台金屈服强度的影响f 7 】 f i g 1 - 3e f e c to fg r a i ns i z eo ns t r e n g c h0 fm a g n e s i u ma l l o y s 七为常数； d 为晶粒尺寸 晶粒细化是提高金属材料性能的重要途径。值得注意的是，因为七的大小依赖于 滑移系的多少【州，所以j | 值对h c p 结构如镁的金属的影响远大于f c c 和b c c 结构如铝、铁、铜的金属。图1 3 【7 l 比较了晶粒细化对镁和铝的 屈服强度的影响，可见其潜力远远大于铝合金，而这种潜力还远远没有发挥出来。 目前对于镁合金深加工的研究，国内外普遍采用挤压、轧制、锻造的方法， 尤其以挤压的研究最多。因为镁合金大多( 镁锂合金除外) 是密排六方结构，滑 移系少，室温下的塑性变形能力较差。又因为镁合金的滑移面是其基面 0 0 0 1 ， 镁合金在受单向拉( 拉) 力的状态塑性也比较差。挤压时的应力状态为三向压缩， 应变状态为两向缩短一向伸长1 3 5 】，在挤压过程中镁合金发生强烈的动态再结晶， 形成等轴状晶粒【3 6 】，从而提高镁合金的性能，挤压态的镁合盒具有比轧制和锻 造态更优越的性能。除了提高变形镁合金的性能之外，镁合金的深加工技术还能 制备各种各样的镁合金型材，如镁合金管、棒、带等型材。其中管和棒主要采用 挤压方法加工成形【3 7 】。挤压具有细化晶粒的作用，能同时提高材料的强度和塑 性。挤压变形可显著提高镁合金的强度、硬度和延伸率，如对z k 6 0 挤压后其抗 拉强度提高到5 0 0 m p a 以上，延伸率高达1 0 【3 2 】，在a z 系镁合金中也有类似的 效果。a m 6 0 、a z 9 1 、z k 6 0 和z k 6 1 等合金热挤压件的性能优于铸锭，延伸率 北京【业大学工学硕十学位论史 高达l o 以上。 1 6 变形镁合金的发展 图1 4 变形镁台金与铸造、压铸镁合金的性能门 f i g 1 4t e n s i l ey i e l ds t r e n g t hv s e 1 0 n g a t i o n0 fm g a l l o y s 目前，大多数的镁合金结构材料都来自压铸件，其中8 0 用于汽车零部件。 然而，压铸产品的变形性能差，不能承受复杂载荷以及体积相对较小，使镁合金 的更广泛应用受到限制，图1 4 【7 】对比了变形镁合金与酱通铸造、压铸镁合金的 典型力学性能，可见变形镁合金具有更大的优势，随着现代社会的发展，镁合金 在大型结构件上的应用是其未来应用的必然趋势【矧。目前使用和正在研发的变 形镁合金可分为：常规变形镁合金、超轻变形镁合金以及快速凝固变形镁合金 p 。但是因为镁合金大多是( l a 系列合金除外) 是密排六方结构，在室温下的 塑性变形能力较差【4 叭，提高镁合金低温下的成形性成为当前国内外对变形镁合 金的研究重点之。 目前对变形镁合余的研究才刚刚起步，还只停留在对现有商用镁合金变形规 律和塑性成形性能的改善上，离变形镁合金产品的实际大规模应用还存在一定的 距离。进一步弄清楚镁合金的变形行为，开展相变规律和合金相控制研究，发展 新型镁合金和相应的变形处理技术，以获得理想的组织结构模式，从而提高镁合 金的力学性能是变形镁合会研究所面临的核心和热点问题。与变形镁合金的应用 要求相比，现有的变形镁合金仍存在韧性不足、强度较低、抗腐蚀性较差等问题， 第1 章绪论 因而限制了镁合金的应用1 4 2 】。 新型变形镁合金及其成型工艺的开发，已受到国内外材料工作者的高度重 视。镁合金加工技术的关键课题是：设计合理的加工工艺流程；设计合理的加工 生产配套工具；制定出各种成分、各种规格镁合金铸锭、板坯、半成品的加热制 度；制定各种成分、各种规格镁合金热轧、挤压和锻造工艺参数；制定出各种成 分、各种规格镁合金精轧和冷成形加工工艺参数；制定出各种成分、各种规格镁 合金的热处理制度等【4 卅。目前，变形镁合金主要含有a l 、m n 、r e 、y 、z r 和 z n 等合金元素。这些元素一方面能提高镁合金的强度，另一方面能提高热变形 性，以利于锻造和挤压成形。a z 3 1 b 和a z 6 1 c 是最重要的工业用变形镁合金【1 5 j 。 我国变形镁合金材料的研制与开发仍处于起步阶段，缺少高性能镁合金材料 和高性能镁合金板、棒和型材，国防军工、航天航空用高性能镁合金材料仍依靠 进口，民用产品尚未进行大力开发m 。因此，研究和开发性能优良、规格多样 的变形镁合金材料显得十分重要。 1 7 本文的研究目的和内容 本课题以具有更优越性能的变形镁合金为着眼点，选取目前应用最广泛的 a z 系合金为基体，拟在镁中添加6 州m 和1 州z n 形成镁合金基体，通过 微含金化的方法，复合添加微量元素s i 、c a ，得到一种综合性能优越的新型变 形镁合金，再利用挤压加工制备性髓优越的镁合金型材，为镁合金应用的扩大提 供理论和技术准备。具体的研究内容如下： 1 熔炼新型镁合金m 哥6 1 z i i x s i x c a ( x 1 ) ，并测试均匀化处理后的力 学性能( 硬度、强度、塑性) ，观察含硅镁合金m g 6 舢1 盈x s i 和及钙含量不同 镁合金的m g 6 舢1 z n 1 s i 。x c a 的微观组织及测试其力学性能。 2 研究s i 、c a 在m g 6 础1 z n 镁合金中的存在形式以及对性能改菩的作 用机理。 3 选取某一种m 哥6 a l 一1 z n x s i x c a 镁合金进行挤压加工，分析挤压对镁合 盒组织的影响；分析挤压温度、挤压比对镁合会组织与性能的影响。 9 第2 章材科的制备与实验方法 第2 章材料的制备和实验方法 2 1 试验方案 采用传统的铸锭冶金法，制备不同s i 元素含量的m g 一6 越一1 z n x s i 镁合金和 不同c a 元素含量m g - 6 舢一1 z i i 一1 s i x c a 镁合金，研究s i 在m g - 6 a l 1 z n 镁合金和 c a 在m g - 6 舢- 1 z n 1 s i 镁合金中的存在形式与各种作用机理。实验方案如图2 - 1 所示。 2 2 材料的制备 图2 1 试验方案流程图 f i g 2 1h o w s h to fp m j e c if o r 唰p t = r i 眦m 2 2 1 合金成分选择和配料 实验合会的名义成分如表2 1 所示，每种合金铸锭的设计重量为1 5 k g ，分 别采用含有9 9 9 的纯镁、9 9 9 5 的纯铝、9 9 9 纯锌、5 0w t 的铝硅中间合 金以及3 0w t 镁钙中问合金为原料熔炼目标合金。为了防止镁合金的氧化和燃 烧，整个熔炼过程采用d y f 5 型镁合金覆盖剂保护。 采用x 射线荧光光谱法( x i 心) 法，在m a g i cp w 2 4 0 3 型x 射线荧光光谱 分析仪上测试实验合会的实际成分。预研工作表明，、z n 及s i 元素的实际成 表2 1 试验台金名义成分设计m ，) t a b l e 2 一lr e s e 盯c ha l l o y sc o m p o s n i o nd e s i 鲫( w t ) m g 6 舢- 1 z n 6 01 0一一b a l m g - 6 a i 一1 z n 2 s i 6 01 00 2一b a l m g _ 6 a 1 1 z n m 4 s i 6 0 1 0 0 4 一b a l 。 m g 6 一1 z n - 0 6 s j 6 01 oo 6一b a l m g 毛蛆- 1 z n 加8 s i 6 01 0o 8一b a l m g 一6 朋一1 z n - 1 s i 6 01 01 0一b a l m g 姒j - 1 z n 一1 s i - o 2 c a 6 01 + o1 0o 2b a l m g 一6 m 一1 z n 一1 s i 一0 4 c a 6 o 1 01 o0 4 b a l m g 巧a l 一1 z l l - 1 s i - o 6 c a 6 01 o1 00 6b a l m g 缶m 一1 z n - 1 s i - o 8 c a 6 o1 01 o0 8b a l _ m g 6 a l - 1 z n 一1 s i 一1 c a 6 o1 01 0 1b a l 注：表中成分为重量百分比( 耐) ，除有特殊说明外，本文均采用重量百分比 分和名义成分相差不大，其烧损率可忽略不计；铸锭设计重量为1 5 0 0 克，实际 重量一般在1 4 3 魄左右比设计重量小，理论上可认为烧损的元素几乎全是m g ， 这样可以得到m g 元素的烧损率为6 7 ；c a 的实际成分与理论成分的偏差 最大，主要是因为c a 具有很高的化学活性和亲和力，在熔炼过程中可先于m 叠 与氧发生反应，同时c a 元素与d y f 5 型镁合金覆盖剂的组分之一的m g c l 2 生反 应，生成c a c l 2 ，从而导致c a 元素的大量烧损，c a 元素的烧损率在7 0 左右。 考虑上述的烧损率后进行合金的熔炼，得到的合金实际成分和名义成分基本 一致，如表2 1 至表2 3 所示。为叙述方便，本文均采用名义成分表述合金种类。 第2 章材料的制备与实验方法 表2 2m g _ 6 赳1 z n - x s i 镁台金的实际成分 t a b 2 - 2p r a c t i c a lc o m p o s i t i o no fm g - 6 越- 1 z l i - x s ia l l o y s 表2 - 3m g _ 6 a l - l z b _ x s i - 1 s i x c a 镬合金的实际成分 1 曲2 3p 珊池l m p o s i 虹o no fm g - 6 a l - l z n 1 s i x c aa 0 y s 2 2 2 镁与覆盖剂的反应 为防止镁溶液的燃烧，熔炼过程中采用熔剂层保护下的熔炼。镁合金熔剂有 两种作用：覆盖作用，熔融的熔剂借助表面张力的作用，在镁熔液表面形成一 连续、完整的覆盖层，隔绝空气，阻止m g - 0 2 、m 哥h 2 0 反应，防止了镁的氧化； 精炼作用，熔融的熔剂对非金属夹杂物具有良好的润湿、吸附能力，并利用与 金属的密度差，把金属夹杂物随同熔剂自熔液中排除。 在熔炼过程中，有刺鼻的气味和白色烟雾放出，这主要是由于覆盖剂和镁熔 北京t 业大学l 学硕七学位论文 液的作用。其主要反应如下： 2 m g c l 2 + 0 2 2 2 m g o + 2 c 1 2 ( 2 一1 ) m g a 2 + h 2 0 2 m g o + 2 h c l ( 2 2 ) 2 h c l + m g = m g c l 2 + h 2 ( 2 3 ) m g + c 1 2 = m g c l 2 ( 2 - 4 ) m g c l 2 + 5 m g o = m g c l 2 5 m g o ( 2 5 ) 2 2 3 合金的熔铸和均匀化处理 实验合金采用常规铸锭冶金法制备。熔炼在s g 2 7 5 1 2 型坩埚电阻炉中进 行，坩埚采用自制的低碳钢坩埚，熔化温度为8 0 0 左右。熔炼时将坩埚预热至 5 0 0 ，在坩埚底部均匀撒上一层粉状d y f _ 5 型镁合金覆盖剂；炉料预热至1 5 0 以上，依次加入镁锭、铝锭，并在炉料上撒层d y f 5 型覆盖剂；升温熔炼， 合金锭熔化后，加入中间合金和锌锭。在装料和熔炼过程中，一旦发现熔液露出 并燃烧，应立即补撤d y f - 5 型覆盖剂，覆盖剂不宜过多，以盖住裸露的合金液 面为宜。炉料全部熔化后，猛烈搅拌5 8 m i n ，以使成分均匀，搅拌结束后补充 覆盖剂。因为镁合金在熔炼过程中易燃烧，在搅拌过程应注意防止熔融合金滚的 飞溅。将熔液在8 0 0 保温1 5 2 0 m i n ，除去表面熔渣，在不锈钢模具中进行浇 铸。浇铸前在模具内涂一层脱模剂，脱模剂的主要成分如表2 4 所示，2 0 0 烘 于。浇铸温度为7 6 0 7 8 0 。为了改善铸锭的成分偏析，减少非平衡组织， 需要对铸锭进行均匀化处理。所有合金的均匀化退火温度都为4 5 0 ，保温时间 为1 0 小时。 表2 4 脱模粼的主要成分 w 1 ) t a b l e 2 - 4c 0 m p o s i t i d no f n l e a s i n ga g i ( w t ) 2 2 4 合金的挤压 根据以前的试验结果，选择m g 一6 舢一1 z n ( o 6 - 0 8 ) s i - ( 0 2 一o 4 ) c a 进行挤压加 工。挤压加工在t x j 一6 5 0 挤压机上进行，最大压力为6 5 0 吨。铸锭尺寸为中9 0 笫2 章材料的制备j 实验方弦 1 0 m m 。棒料加热在r c l o 8 0 炉中进行，模具加热在r x 6 1 5 中进行。实验具 体参数为：挤压简温度3 4 0 ，镁棒温度3 0 0 一4 2 0 ，模具预热温度为3 7 0 ， 挤压后空冷。试验共分两组，分别研究挤压比和温度对挤压加工的影响，其中挤 压温度是对镁合金挤压加工影响最大的因素。挤压温度分别为3 0 0 、3 4 0 、 3 8 0 、4 2 0 ，挤压比为1 6 、2 0 、2 5 。 2 3 试验方法 2 3 1 微观组织观察和结构分析 ( 1 ) 金相样品的制备与观察采用日本0 l y m p u sp m g 3 金相显微镜，对合 金在铸态、挤压态的显微组织进行观察和分析。重点观察合金铸态与挤压态组织 的晶粒大小、第二相分布、加工态组织及再结晶状况等。腐蚀液分两种，铸态的 组织腐蚀液选用酒石酸饱和溶液2 m l + 蒸馏水9 8 m i 溶液。挤压态的组织腐蚀液 选用4 的硝酸酒精溶液。 ( 2 ) x - 射线衍射分祈采用德国的d 8a d 试c e 型旋转阳极x 掰线衍射仪， 分析合金的相组成。 ( 3 ) 扫描电镜观察与能谱分析在q i i a n t a 2 0 0 型扫描电镜上观察合金铸态 组织中的第二相分布状况以及拉伸试样的断口形貌，并用g e n c s i s7 0 0 0 x 射线能 量分散谱仪( e d s ) 定性和定量分析第二相的成分。 2 3 2 力学性能测试 ( 1 ) 硬度测试在皿r v u 1 8 7 5 型布洛维光学硬度计上分别测试合金的铸 态、均匀化态、挤压态的布氏硬度。试验条件为：2 5 m m 钢球，施加压力3 0 6 n ， 保持压力1 m i i i 。每个试样至少测量五个硬度值，取其算术平均值。 ( 2 ) 拉伸性能测试拉伸性能测试在m t s 8 1 0 材料试验机上进行。分别测试 合金在铸态和挤压态的室温拉伸力学性能( 包括抗拉强度o “、屈服强度oo 2 和 延伸率6 ) 。其中铸态拉伸试样根据g b 6 3 9 7 8 6 金属拉伸试验试样的规定加 工成标准圆形试样，挤压态根据g b 厂r 1 6 8 6 5 1 9 9 7 变形铝、镁及其合金加工制 品拉伸试验用试样，加工成标准圆形试样，如图2 2 所示。实验过程按g b 2 2 8 8 7 会属拉伸试验方法的规定进行，拉伸速率为1 m m m i n ，每种合会测定三个 北京r 业入学工学烦 学1 n 伦交 试样，取三个测定值的平均值。结合拉伸断口形貌观察，分析s i 和c a 对合金拉 伸性能与断裂行为的影响。 心铸态 。怕ij y ， t i 。 一1 7 i b 1 挤压态 图2 _ 3 拉伸试样示意图( 单位：m m ) f j g 2 - 3s c h e m a l i cv i e w0 ft s d en m p l e 2 3 3 高温氧化性能测试 高温氧化性能实验参照国标g b 厂r 1 3 3 0 3 - 9 1 进行。恒温氧化实验在普通箱式 炉中进行，样品放入预先灼烧恒重的氧化铝坩埚中，分别在3 5 0 、4 0 0 、4 5 0 氧化，连同坩埚称取氧化前后( 冷却至室温) 的重量，得出氧化增重曲线。天平 的感量为0 1 m g 。 第3 章m g 一6 1 z n x s i 镁合金的组织与性能 通过微合金化的方法提高a z 系镁台金的性能仍然国内外研究的焦点之一。 加入的微量元素主要包括r e 、y 、s b 、s r 、s i 和c a 等，研究表明这些合金均能 不同程度细化合金铸态组织及改普力学性能。镁台金加入s i 元素后，合金组织 中出现高熔点的m 9 2 s i 相，m s i 强化相具有与基体相近的低密度( 1 9 9 c m 。) 高弹性模量及低热膨胀系数陋】等特点。本章在m 6 a l 一1 z n 基体中添加微量元素 s i ，系统研究了m 争6 a l 一1 z n - x s i 合金的微观组织和室温力学性能，并对添加s i 后台佥性能的变化及其断裂机制做出合理的解释。 3 1s i 对m g - 6 m - l z