（材料加工工程专业论文）mgznalca合金的显微组织与力学性能.pdf

山丕太堂亟堂僮诠文 m g z n al - o a 合金的显微组织与性能 摘要 本文利用扫描电镜、透射电镜和电子探针观察分析了纯镁及含钙镁合 金氧化膜的形貌、相组成和氧化膜中元素的分布情况，并从热力学角度分 析了c 8 的阻燃机理。随着c a 含量的增加，镁合金铸态表面氧化膜变薄， 即镁合金表面质量越好。含c a 镁合金氧化膜分为三层，由外到内分别为 m g o 层、c a o 层和m g o c a o 层，其中起阻燃作用的是m g o c a o 层。 本文研究了z a 8 5 镁合金在铸态、c a 合金化以及各种热处理条件下显 微组织的形成与变化。在铸态下，z a 8 5 镁合金的显微组织由树枝状a 一 和包围在q m g 晶粒周围的过饱和固溶体和晶界上的第二相组成，经x r d 和t e m 分析，第二相主要是非平衡相m g ：z n ，a i m g z n 。及准晶相组成，其 中m g ：z n “与m g 基体的取向关系是( 0 1 0 ) h ( 3 1 0 ) h ：。当c a 加入量小于 0 9 w t 时，对z a 8 5 镁合金的显微组织没有影响。均匀化处理、固溶处理 都使z a 8 5 镁合金的晶界相体积分数减小，且呈断网或团球状。固溶处理 后的时效处理与固溶处理的显微组织，宏观晶粒组织变化不大，通过t e m ， 可以看到镁基体主要的弥散相是m g ：z n 。相。 测试z a 8 5 型镁合金在铸态、c a 合金化及各种热处理条件下的显微硬 度、抗拉强度。各种显微硬度和抗拉强度曲线表明，不同c a 含量合金化 中，含0 6 w t c a 的z a 8 5 型镁合金的强化效果最好，使z a 8 5 型镁合金的 抗拉强度由1 4 7 m p a 提高到1 6 5 m p a ， z a 8 5 型镁合金最佳的热处理工艺为 3 5 0 c 4 h 固溶处理后在1 7 0 c 下时效8 h 。该工艺下的抗拉强度的平均值为 2 4 3 m p a ，最高抗拉强度达2 9 3 5 m p a 。 关键词z a 8 5 镁合金显微组织性能阻燃 i m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f m g z n a 1 c a a 1 l o y s a b s t r a c t m o r p h o l o g i e s ，p h a s e sa n de l e m e n td i s t r i b u t i o no fo x i d a t i o nf ii m o fp u r em a g n e s i u ma n dc a b e a r i n gm a g n e s i u ma l l o y sa r eo b s e r v e db y s e ma n de p ai np r e s e n tp a p e r t h ei g n i t i o n p r o o fm e c h a n i s mo fc a i sa l s od i s c u s s e dt h e r m o d y n a m i c a l l y i tc a nb ef o u n dt h a tw i t ht h e m o r ec o n t e n to fc ai nm a g n e s i u ma l l o y s ，t h et h i n n e rt h ea s c a s t o x i d ef i l m w i l lb e c o m e t h a ti st os a yt h eq u a l i t yo fm a g n e s i u m a l l o yf i i mb e c o m e sb e t t e r t h eo x i d ef i l mo fc a b e a r i n gi sc o m p o s e d b yt h r e el a y e r sw h i c ha r et h eo u t e rm g ol a y e r ，t h ei n t e r i mc a ol a y e r a n dt h ei n n e rm g o c a ol a y e rr e s p e c t i v e l y t h ef o r m a t i o na n dv a r i a t i o no fm i e r o s t r u c t u r ei nz a 8 5a l l o y w i t ha s c a s t c a a l l o y e da n dd i f f e r e n th e a t t r e a t m e n t s r e s p e c t i v e l y i ss t u d i e d t h em i c r o s t r u c t u r eo fz a 8 5a l l o yc o n s i s t so fd e n d r i t i c a m gg r a i n ss u r r o u n d e db yah i g h l ys u p e r s a t u r a t e dm a g n e s i u ms o l i d s o l u t i o na n dac o a r s ei n t e r m e t a l l i e p h a s e l o c a t e da tt h e g r a i n b o u n d a r i e s i tc a nb eo b s e r v e dt h a tt h em a i nc o m p o n e n t so f t h e g r a i n b o u n d a r yp h a s ea r em 9 2 z n l i ，a i m g z n l la n dq u a s i c r y s t a l t h r o u g ho p t i c a lm i c r o s c o p y ，x r da n ds e m t h ec r y s t a lo r i e n t a t i o n r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd m ga n dm 9 2 z n i s ( 0 1 0 ) h ( 3 1 0 ) m 2 。t h e e f f e c to fc ac o n t e n to nm i c r o s t r u c t u r eo fz a 8 5a l l o yist o os l ig h t t ob ed i s t i n g u is h e do p t i c a l l yw h e nt h ec o n t e n to fc ai sl o w e rt h a n 0 9 w t t h ev o l u m ef r a c t i o no fg r a i n - b o u n d a r yp h a s ed e c r e a s e sa n d t h e s h a p e t u r n si n t od i s c o n t i n u o u sn e ta n ds p h e r i c a lf o r ma f t e r h o m o g e n i z i n g ， s o l u t i o na n d a g e i n g t r e a t m e n t s t h e r ei sn o d if f e r e n tb e t w e e nz a 8 5a ll o ym i c r o s t r u c t u r e sa f t e rs o l u tio n t r e a t m e n t sw i t ha g i n gt r e a t m e n t sa n dt h o s ew i t h o u ta g i n gt r e a t m e n t s o p t i c a l l y b u tm 9 2 z n l l d i s t r i b u t e sd i s p e r s i v e l yi n a m gb yt e m t h ev a l u e so fh a r d n e s sa n dt e n s i l es t r e n g t ho fz a 8 5a l l o yw i t h a s c a s t ，c a a l l o y e da n dd i f f e r e n th e a t t r e a t m e n t sr e s p e c t i v e l yw e r e m e a s u r e da n dw e r em a d ei n t oc u r v e sw i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r s i t c a nb ec o n c l u d e dt h a tt h e 0 6 w t c a b e a r i n g z a 8 5 a 1 1 0 y w h i c h i n c r e a s e st h et e n s i l es t r e n g t ho fz a 8 5f r o m1 4 7 m p at o1 6 5 m p a ，h a s t h eb e s ts t r e n g t h e n i n ge f f e c ta m o n gc a b e a r i n gz a 8 5a l l o y ss t u d i e d i nt h ep a p e r t h eo p t i m u mh e a t t r e a t m e n to fz a 8 5a l l o yi ss o l u t i o n t r e a t m e n ta t3 5 0 f o r4 h sa n d a g e i n g a t1 7 0 f o r8 h s t h e a v e r a g et e n s i l es t r e n g t ho fz a 8 5a l l o yw i t ho p t i m u mh e a t t r e a t m e n t i s2 4 3 m p aa n dt h et o p m o s tv a l u ei s2 9 3 5 m p a k e yw o r d s ：z a 8 5 a l l o y ：i g n i t i o n p r o o f ：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 第一章绪论 1 1 镁基合金的研究现状 1 1 1 镁基合金的基本特征 镁是i i a 族碱土金属，为密排六方结构，晶轴c a = 1 6 2 3 6 ，熔点为 6 4 9 c 。1 。镁基合金，与其它常用合金相比，最大的特点是重量轻。纯镁 密度为1 7 4 9 c m 3 ，常见镁合金密度从1 3 1 9 9 c m 3 不等。在金属结构 材料中，镁合金的密度是最低的，仅为铝的2 3 ，钢的1 4 。镁在地球 上的储量很大，除在地壳表层金属矿的含量为2 3 ，位居常用金属元素 第8 位外，在盐湖及海洋中的含量也十分可观，海水中镁含量达 2 1 1 0 “t 。1 。假若镁年产量按1 亿吨计算，连续生产1 0 0 万年；也仅占 海水中镁储量的0 0 1 “1 。 虽然镁合金的强度和弹性模量不很高，但却有较高的比强度和比弹性 模量“1 。此外，镁合金还有其它优异性能。尺寸稳定性好。镁合金突出的 特性是不需退火和消除应力就具有良好的尺寸稳定性，且在负载下具有较 高的抗蠕变强度，这对用于汽车发动机和小型发动机的压铸件具有重要意 义。有良好的减震性能。用镁合金制造仪器的壳体、基座等在传递振动 时起阻尼减振防燥作用，可提高仪器的灵敏度和稳定性“3 。导热性好。镁 合金的导热系数略低于铝合金和铜合金，但远高于钛合金和钢铁材料，比 热则是常用合金中最高的。镁合金外壳导热快、自身又不容易发热，适用 于电子器材的壳体”3 和设计集成度高的电子产品“1 。电磁屏蔽性能较好， 适合于发出电磁干扰的电子产品“1 。可回收性能好，与不能回收利用的塑 料相比，镁合金只要花费新材料价格的4 的费用就可以回收利用，可以 称为对环境友好的材料”1 。切削加工性能极好。镁合金可以最高速度进行 一l 一 切削加工，切削加工相对能耗低于其他金属，镁合金、铝合金、铸铁、低 合金钢切削功率的比值为1 ：1 8 ：3 5 ：6 3 。铸造性能好。镁合金压铸件 最小壁厚可达0 6 m m ，而铝合金为1 2 1 5 m m “1 。模铸生产率高。与铝相 比镁的结晶潜热小，镁在模具内凝固快，一般来说，其生产率比铝高出 4 0 5 0 最高时可达铝的两倍；镁与铁的反应性低，压铸时压铸模烧损 少，与铝合金相比，压铸模使用寿命提高2 3 倍，可维持2 0 万以上“1 。 以上这些特点使镁合金产品有望得到长足的发展。近年来，由于交通、 日用品结构件的轻量化要求，以及能源、环保的重要性，镁合金的研究与 开发成为金属材料科学的活跃领域。先进镁合金材料成为本世纪重要的商 用轻质材料。镁合金在性能、加工成形工艺方面还存在着一些问题，如 强度和弹性较小、熔炼困难、加工性能差、容易腐蚀等。7 ”，阻碍了镁 合金的广泛应用，也是材料方面专家所面临的课题。 1 1 2 镁合金的类型及应用 镁合金类型按生产工艺的不同，镁合金分为铸造镁合金和变形( 轧制、 挤压、快速凝固等) 镁合金。按化学成分的不同，分为镁一铝系合金、 镁一锌系合金、镁一稀士系合金、镁一锂系合金等。1 。 目前，国外在工业中应用较广的是压铸m g 合金，主要有以下4 个系 歹0 ：a z 系列，m g a 1 z n ；a m 系列， m g a 1 m n ；a s 系歹0 ，m g a 1 一s i 和a e 系列，m g a l r e ( r e 或m m ( m i s c hm e t a l ) ，其构成比为：c e5 0 ，l a2 5 。n d2 0 、p r5 ) “”。图1 1 给出镁合金在1 9 9 7 年总消 耗量的分配情况。其中，作为铝的合金化元素的消耗量接近年消耗量的一 半，为镁的主要用途。而用于镁合金构件生产，仅有1 0 1 0 0 0 吨，占3 0 ， 其中9 5 3 0 0 吨为压铸件。可见，在镁合金构件中主要为压铸件。 国外常用的典型压铸m g 合金的应用范围如下：a z 9 1 为最常用m g 合 金，具有良好的铸造性能与最高的屈服强度，可用于任何形式的部件，如 汽车座椅、变速箱外壳等：a m 6 0 和a m 5 0 用于要求高延伸率和韧性、高抗 弯曲性能的工件，如车轮、车门、座架等：a s 2 1 和a s 4 1 用于较高温度 下的强度较高的部件：a e 4 2 用于高温下高蠕变强度下的部件。图1 2 为 m e r c e d e b e n z 跑车的座架，用了5 个a m 2 0 和a m 5 0 压铸件，重8 4 k g 。如 果用钢件，将重3 5 k g ，另外还需要2 0 到3 0 个冲压件和焊接件。可见，镁 件的使用大大减轻车重、节省燃料消耗、减少废气排放、降低环境污染“。 表1 11 9 9 7 年西方国家镁的消耗( 总量为3 3 3 7 0 0 吨) 1 f i g 1 1c o n s u m p t i o n o f m a g n e s i u m i n w e s t e r n w o r l d i n1 9 9 7 ( t o m l3 3 3 ，7 0 0 t o n n e s ) 图1 2l i e r e e d e sb e n s 汽车上的镁合金压铸座架 f i g 1 2d i e c a s tm a g n e s i u ma 1 1 0 ys e a tf r a m ef o r1 4 e r c e d e sb e n sm o t o rc a r 我国是世界上著名的“镁大国”，镁资源约占全球总量的7 0 ，拥有 5 0 0 家镁生产企业，年实际生产量已超过2 0 0 k t ，1 9 9 9 年实际生产量已超 过1 5 0 k t 。但是，由于我国对镁合金及其加工技术的研究尚处于起步阶段， 常用铸造镁合金主要有m g z n z r ，m g z n z r r e 和m g a 卜z n3 个 系列1 。 镁的需求是逐年增长的。表1 1 为1 9 9 5 年到2 0 0 2 年世界镁的产能与 要求。可以看出，西方国家的生产增长已超过需求增长，而其它地区，包 表1 11 9 9 5 2 0 0 5 年镁的产能与需求( k t ) “2 t a b l ellt h et h r o u g h p u ta n dd e m a n do fm a g n e s i u r ad u r i n g1 9 9 5 2 0 0 5fk t ) “2 括我国在内，需求增长落后于产能增长。从国内外镁合金应用情况来看， 在工业中能够广泛使用的铸造镁合金的牌号数量有限，不能满足镁合金不 断增长的需要，研发新型高强铸造镁合金是材料领域的新方向。 1 1 3 镁加工技术的发展水平与趋势“3 “ 新镁合金及其特种性能的研究开发。目前，世界各国已开发出各合金 系列的百余种镁合金，其中常用的镁合金的特点见表1 2 ( 表中各符号的 意义见表1 3 ) 。铸造和压铸镁合金开发得比较充分，其成分及室温性能 见表1 4 。特殊性能的新镁合金的开发包括高耐蚀性镁合金、高温镁合金、 超轻m g l i 合金的研制。 腐蚀是严重影响镁合金应用的最大问题之一。影响镁合金耐蚀性的重 要因素是f e 、c u 、n i 等金属杂质。常用提高镁合金耐蚀性的方法为采用 高纯镁锭和s f 。气体保护熔炼。高纯的a z 9 1 d 在盐雾试验中的耐蚀性是 a z 9 1 d 的1 0 0 倍，比低碳钢好得多，也超过了压铸铝合金a 3 8 0 的。福特 表1 2 镁合金的特点 t a b l el2c h a r a c t e r is t i c so fm a g n e s i u ma li o y s _ _ p “- _ _ - _ ， m 1 0 0 a t 6 i h n _ c o g m 一曲n 一州d “- - z 眦n 0 0 m _ 研一 n i h o 呻_ - 一，、一一 z 9 i c _ n酬t o p - 蚺 憎州 a z z a - t b h _ _ 一t 一 e 0 2 i 1 _ l _ 一嘏一嘲前e d t w 一o _ h 叫呷- 岫 旺n o 删酬崎_ - 一神州_ d o _ 雕- 一- 埘- c h 竹唧 m u i a 他1 o 一_ _ _ r , _ _ _ t _ m c ( 细叩 “t 轴)m - - _ 坼_ l * h - e r 晴城- 时- 哪l n 蛳c ( 瑚1 k l f 州 - 一a - 岫 鼢t 5o 一删_ 鲰- _ - 岫_ - - 瑚一c i 枷叩， o m i g 一州m 悱一 唧- 岫_ _ i d p 一_ - - 2 j 0 c f 删 删 n h - 一啪_ - 啊岫忡2 9 0 t 甘，仉一嘲_ 一_ 岫 r e 舅 t 6 i w i * 3 a t 置山- k 一岫呻_ 胛l c o f i z a 弘n h _ - _ _ 一_ _ - z | c 珏 朋h 一 - _ 憎- - - t 研_ 口“嘲_ 州r z 翻a 珏酊 mh d 却_ r 一即抽f * 2 删唯一憎_ - _ 啊l 州- 琊i h o 一嘲- 咖- _ 州， z “i t ，i o 口u i a - t 憎删- 珊l t i p i z “l 彤h - _ 一 h a _ 斟 f o o 一 p 匍囊砷”l c ( ，铆 l t 舡f 雌 - 睁一- m ，触re m d - - 竹_ - - 嘲 a j u “0 4 一l f mq 岫b 柚，- f - 止竹【一- - 鸵i - fs _ - 陇f a s 4 i - 砷，g 啦i - 憎“- 州l 竹埘- 豳科- i - - - 曲_ 崎 a i 口f b _ 一曲；l p - 期- ，_ , _ z 3 i i - p 0 _ - 坼h - 一h 一b r 由- 刊 珏l f 辅雌 习l f m m “- _ _ a f 驰托_ a - _ 盟咄t ， m i f 0 一舶一d 蝇h 一- _ 一c - k _ - - ，- 一 z 3 1 t ， w d h a m 哪v 卫【帆- t ，囊_ _ io l a w l m r z 队砸_ 如呻l z h l l l z - t l z h 2 i 十o _ 删* _ - - _ 一一 o i o y e n l m d d k n d , m p - 2 i “干i - _ - 玎幢一c ，m - 珏 p 一c e l l , l i n d m m l a h z “- t ，囊一 棚 _ r m 一h 一- _ - _ - _ - i 一_ 曲y c ，i 1 v - o _ _ 时 z 1 i _ p v _ - - - - _ 口 1 d - _ - n m d k m _ 竹 刁n 一一_ _ 霜_ - - 到“t ，l i 一_ - 蹦2 i 午o _ _ ，一a c - ，_ _ t _ _ - 声i - h 2 4 一- _ z v 2 1 4 g a d _ ，一一a 咖 ：d d 2 1 棚v 一 “，a _ _ - _ 岍- _ _ 曲，_ _ - f ”h 呻- - 一 - - - t l 曲i - - 瞳一_ ，- 霄- 4 h 一一， - _ l e v d o 吖q 5 - r 札2 - h 一o 0 1 0 4 5 c - h 叶帆o l p a _ n - - “- _ 纠i _ - 岍w - _ d m e _ - - 一k 一- n 咖蛐h 1 l 1 1 0 2 4 1 , 一o + 0 0 0 q 5 “m h 她一 1 1 1 _ d 一_ b l _ o + 3 0 q 1 + w w m , i d a l l l a i i l l m a + 曲l a l + 4 & m t l i 一a z , l l d c - h - - h e l i i m i n i i i i i i h i + 4 1 1 n i 一- r “o - h 0 , 0 0 2 m - 0 0 3 0 s c - 8 表1 3 镁合金合金元素的代号“5 d - l p n k m 圈雌i ld - 蛔i t 一日札蝣d - k n i o 丑目- _ kz h t _ m - iss 出 bb k 瞳i hll l t h l q mt cc _ m m 柚u - w y u r h 皿 nn y 毗k 柚口 pl - dzz - k pi m q鄂h - f r0 h 口- 抽 表1 4 镁合金的公称成分及典型的机械性能 t a b l ei 4n o m i n a lc o m p o s i t i o n sa n dt y p i c a lr o o m t e m p e r a t u r em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fm a g n e s i u ma l l o y s “1 1 曼兰1 5 邑一- - - 竺i = 匦= 量皇三= 耍 登茧生置量；美量曼三宣 _ _ - - _ - _ “i m l i n h 五n nt 1 5 a i 珊7 tt i ，t t 打忙一1 晴 1 1 7 i ， a z g i a - l 1 j 0 m 1 n i q lu a ：i i” 日：n - t s 1 0 i a 1 1 l l j 1 lt ， t l 时。t q l n。 o 啦i mi i t 7 “i n 4 ， m m n t 7 e 聃nt 巷i n 口u “h a t “nlj 扭，n “ z “i ” 。 i n ”，l 廿i ，n 。 i一 d ，l ” l 1 9 ，口 ， i i j竹 口，i l 1 2 ，hh“l ”， q l ii 2 l ，丑 i 1 i 2 ，i ，ni n4 o3l n l j a l l n ， hi hl * ”2，- u ，j h - i i l n ，4 02i qn 瑚，2i ”t i ，柚li 罄2 i弘 i j ，l ，铆”l 打 i 叠*t lg u u 瑚冀l 篇 i h。 ， ，柚 t 瞄瑚- bm lw 州 ”t 柚hl n #j n廿 1，m ”臼 h 膏i ” *-村 u郴冀l j 蜘“ul n u l hi 篮l *amb _l hi 斟瑚l ox讨 斟*i ml m埘nui 口h $ 1 1 1”i ”i n 竹i *h ，4 5i * l 曩，伸1 1 0一对 公司生产的r a n g e r 汽车的离合器壳体就采用a z 9 1 d ，在盐雾大气中运行 了l o 年仍1 日完好。国内目前这方面的研究也取得很大进展，如我国研制 的新型压铸镁合金，其成分与德国的t l v w 0 3 0 成分相当，但杂质含量低， 除具有较高强度，硬度和韧性外，还有较高的抗蚀性能。较差的高温性能， 限制了镁合金的应用，近年来镁合金的高温性能有了显著的改善，传统的 m g z r 合金过去只耐1 5 0 c ，现在能耐3 0 0 c 的高温。美国的m g t h 合金 ( m g 一( 2 4 t h 一( 1 5 2 5 ) z n 一( o 5 1 o ) z r 热轧板，耐高温达3 5 0 c 。 传统高温压铸镁合金主要是a s 系列，含a 1 量的减少和s i 的加入，减少 了m g 。，a l 。：相，增加了熔点相对较高的m g ：s i 相，提高了合金的高温强度。 据加拿大的z h a nz h a n g “”报导，1 g z n a 1 系合金的不仅具有与a z 9 1 相当 的室温性能，还具有较高的高温抗蠕变性能。m g l i 合金是密度最低的合 金系，其密度可低到1 3 5 1 6 5 9 c m 3 ，故在航空航天及兵器工业中具有广 阔的应用前景。目前，美国、日本、俄罗斯对m g - l i 合金的研究十分活跃， 从基础理论到应用开发都进行了广泛研究。目前。国内仅有东北大学，哈 尔滨工业大学和山东大学作了一些前期的研究工作。镁合金在熔铸及静置 时，为防止金属的氧化、燃烧，要用干燥的熔剂覆盖，它们很容易进入制 品中，形成非金属夹杂，导致铸件力学性能及耐蚀性的恶化。国外大多数 镁合金厂采用s f 。和a r 或c o ：的混合气体来保护，近来s f 。对全球变暖的 作用已经引起关注，有证据表明s o ：可以代替s f 。，但s o ：同样存在大气污 染问题。如何研制出一种无公害、有效的镁合金熔炼保护技术一直是国内 外关注的问题。国内在熔体保护方面也作了大量的研究工作，并取得了较 好的成果。如上海交大新研制的新型无公害熔剂j d w j 覆盖剂、j d w j 精炼 剂，各项性能均优于从德国进口的熔剂。工业生产熔炼镁合金( a e 、a z 、 a m 等系列合金) 时为了使合金具有更高的力学性能，必须控制合金成分、 熔炼温度等生产条件。 镁合金铸造与压铸技术的发展新方向。铸造镁合金占整个镁合金产品 用量的7 0 ，镁合金产品的应用开发得益于压铸工艺技术的发展。据报道， 1 9 9 2 年仅美国、日本用于生产镁合金压铸件的冷、热室压铸机就超过了 1 6 0 台，生产的产品从汽车零部件到电子工业用电器壳体、手动工具、运 动器材等等。而国内目前仅桑塔纳汽车公司一家采用德国引进技术生产镁 合金压铸件。从铸造机械生产来看，国内目前生产镁合金压铸专用设备的 厂家还很少，尤其是自动化方面与国外相比还有较大的差距。近2 0 年来， 一些新的压铸方法包括真空压铸、充氧压铸、半固态压铸、金属压缩成形 技术( m c f ) 也相继发展应用。其在消除铸造缺陷，提高铸件内在质量方 面具有传统压铸方法无法比拟的优点。 镁合金加工技术的发展趋向。主要包括：1 ) 设备不断更新，自动化 程度不断提高。压铸自动化主要内容为：自动供给熔体，自动喷涂脱模剂、 自动取出的单机自动化，结合物流与信息流的全厂管理自动化。2 ) 此项 技术包括的主题有：快速造型技术，模具c a d c a m 技术，同步工程技术， 模具高速切削技术。模具电火花加工技术，模具快速造型技术，模具标准 化技术，共用模座技术，快速换模技术以及模具c a e 分析模拟技术等。3 ) 镁合金压铸技术的改进与完善，包括从镁合金配料到制出成品件的全过程 的各项技术，诸如：高效的熔炼技术，对环境安全的保护气体，熔体净化， 模具与压铸件的温度控制技术与装备，真空压铸技术，高效脱模剂，压铸 工艺参数的优化，工件尺寸精确控制技术，和表面处理技术，工作安全及 应用研究等。4 ) 变形镁合金加工技术的发展方向。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。5 ) 镁合金的表面处理技术和应用研究。镁合金 的表面处理技术的研究方向主要包括：化学转化处理技术；阳极氧化技术 和电镀技术及非铬系低污染表面处理技术等。要扩大镁合金铸件、压铸件 和加工材的应用范围，用户和设计者应紧密配合，协调，全面周密地考虑 镁合金材的优点及其应用的可能性，以保证最终设计和生产出来的镁合金 制品性能及性价比优于被其取代的钢、铝、塑料等产品。6 ) 镁合金半固 态射铸技术的发展。半固态射铸是一项高新技术，正处于高速发展与不断 完善阶段。镁合金半固态射铸对于提高铸造工序铸件的表面质量有着特别 重要的意义。因此，该工序良品率的提高成为压铸业的竞争焦点，谁能大 幅度提高良品率，谁就会成为市场竞争的胜利者。无疑，半固态射铸法将 会成为生产镁合金铸件的主流。如何降低设备造价、减少维修费用、降低 原材料成本、缩短射铸周期等已成为半固态射铸技术开发的主攻方向。7 ) 镁合金压铸废料包括料头、流道、溢流槽、切屑、废品与退货件。对切屑 的回收、贮存、运输与熔化尤应注意，以免生产爆炸事故或火灾。近年来， 镁合金的废料回收与综合利用技术已取得突破性进展，美国已建成2 个年 产9 0 k t 的再生镁厂，装备有新型气体炉和分配电炉以及先进的铸锭生产 线和现代化实验室，以低廉的成本和优质再生镁锭使废料变成有用的材 料。 i 2 镁合金阻燃工艺研究、开发与应用 镁合金具有比重小、比强度高和比刚度高等优点，主要应用于航空航 天业。随着汽车、电子工业的迅猛发展，镁合金正在得到更加广泛的应用， 预计镁合金将成为二十一世纪的重要轻质高强度材料。目前阻碍镁合金广 泛应用的主要因素是熔炼工艺。镁是活泼金属，在高温下与氧发生氧化反 应，甚至燃烧。因此，镁合金在熔炼过程中，必须采取一定的阻燃措施。 目前常用的阻燃方法有三种。 1 2 1 熔剂阻燃法 其阻燃机理是利用低熔点的无机化合物在较低的温度下熔化成为液 态，在镁合金液面铺开，阻止镁液与空气接触，从而起到保护作用 17 q 所需熔剂一般要满足以下要求：熔点比镁合金的低、密度比镁合金的 小、有较小的粘度、不含有对金属液质量有害的杂质及夹杂物“。 m g c i ：是多数熔剂的重要组分，它可以在镁熔体表面形成一层连续的 覆盖层，不但可以阻止镁与空气中的氧和水蒸气反应，而且能消除m g o 产 生的隔热作用，使其表面的温度不会迅速上升，从而有效地阻止镁合金的 燃烧“”。另外它能把悬浮质点m g o 润湿，使它沉至坩锅底。k c i 和m g c l ： 配合使用，能降低熔剂的熔点1 。 虽然在镁合金熔炼过程中，熔剂可起到有效的阻燃作用，但在使用过 程中放出大量有刺激性气味的有害气体，不仅威胁人体健康，而且还会造 成环境污染。再者，熔剂的使用，容易形成镁合金夹杂，影响镁合金质量。 1 2 2 气氛保护阻燃法 熔剂的使用造成操作者的不方便，带来熔渣清除问题和空气污染。避 免使用熔剂的方法是将整个熔化和操作处理在惰性气体下进行，即使用气 氛保护阻燃法。该法阻燃机理是在镁合金液的表面覆盖一层惰性气体或者 能与镁反应生成致密氧化膜的气体，从而隔离空气中的氧。l f l 前用的主要 保护气体是s f 。，s o ：，c 0 ：和a r 等“。 c o z 气体保护法可起到良好的阻燃效果，因为c o 。气体在高温下与镁 发生反应1 ： 2 m g + c o z = 2 m g o + c( 无定型) 无定型碳存在于氧化膜的空隙处，提高了表面膜的致密度系数，使a = 1 0 3 i 1 5 。带正电的无定型碳还能强烈地抑制镁离子透过表面膜的扩 散运动，故也能抑制镁的氧化。 s 0 ：气体保护法，早期采用罩壳内燃烧硫产生保护性气体，现在s o ： 仍为一些铸造厂使用。镁与s o ：的反应式如下”2 1 ： 3 m g + s 0 2 = 2 m g o + m g s 2 m g + s 0 2 = 2 m g o + s s o z 与镁熔体发生反应，并在镁熔体表面生成很薄较致密的带有金属色泽 的m g s m g o 复合表面膜，可抑制镁的氧化。当s 0 ：从气氛中消失时，该 表面就会破裂，镁熔体即发生燃烧：当温度高于7 5 0 c 时，此膜也将破裂， 不再起防护作用。 阻止镁氧化更有效的方法，是使用少量规定浓度的s f 。实践表明用 s f 作保护气具有很好的保护效果s f 。是一种无色、无嗅、无毒、不导电、 化学惰性很强的气体，同空气一起作用于合金液表面，形成一种与合金液 暴露于空气中所形成的氧化镁完全不一样的氧化镁薄膜，其中混入了少量 致密度大的m g f ：这一层薄膜致密而连续，可以阻止镁合金液进一步氧化 。”。空气中s f | 浓度过低( 小于0 0 1 体积分数) 或过高( 大于1 体积 分数) ，s f 均无防护作用，总之，防护气氛中s f o 的实际加入浓度一般不 宜超过1 ，大于此值不仅镁的抗氧化效果下降，而且气氛对设备具有严 重的腐蚀作用o ”。 有研究表明，在空气s f 。混合气体中，混入适量的干燥的c o ：气体， 可以改善和加强s f e 的保护效果，试验表明，在7 6 0 c 下甚至在表面剧烈 地搅动状态下，仍能对镁合金熔体起到良好的保护作用。 但是s f e 对全球变暧的长期作用已经引起人们关注，s f 。的“全球变暖 能力”是c o ：的2 3 9 0 0 倍“”。气氛保护法的显著优点是在熔炼过程中不易 产生夹杂。存在的问题是设备复杂，提高了镁合金的生产成本。有些气体 会对环境造成污染，有时还会腐蚀价格昂贵的设备。 1 2 3 合金化阻燃法 通过合金化的方法来达到阻燃目的是镁合金熔炼阻燃的发展方向。目 前常用的阻燃合金有铍、钙和富铈稀土。 关于b e 阻燃方面，较早是f o r e s t e r 报导过，在m g 一7 i a l 0 7 t z n - 0 0 5 m n 合金中加入0 0 0 7 0 0 1 j 6 的b e 并且用n ：保护熔化后，可直接 在空气中浇注而不发生燃烧。”。 文献 2 6 也指出，b e o 填充于m g o 中，提高了氧化膜的致密度，起到 了有效的阻燃作用。 国内研究较早较系统的是上海交通大学的丁文江、曾小勤等人。“， 主要以研究b e 为阻燃合金的阻燃机理为主。上海交大材料系通过在阿 a z 9 1 d 合金中加入b e 和r e 元素，使镁合金的燃点提高了2 5 0 3 0 0 ， 最高的能在8 0 0 燃烧，常规力学性能与a z 9 1 d 的相近，但由于b e 的加 入，导致晶粒粗化，降低了合金的塑性。 添加镀的问题是：镀具有一定的毒性，不但对人体有害，而且废弃的 炉渣危害环境，过量的铍具有增大晶粒和热裂的倾向。”。 关于c a 阻燃方面，日本较早有专利报道镁合金中添加钙可以阻燃。“： 英国人哈德的研究表明钙可以增强液态镁的抗氧化性能。 日本九州工业研究院的秋山茂等人研究发现。”，当纯镁中添加的钙含 量达到5 时，出现第一个氧化燃烧点时的温度比纯镁的提高约2 5 0 c ，而 且只要不发生机械破坏，燃烧点就难以产生：且证实在镁钙二元合金的表 面生成了一层致密的氧化膜，其主要成分是氧化钙。 国内也有不少学者研究c a 对镁合金的阻燃性能。刘兆晶等人研究了 c a 和z n 对铸态镁高温抗氧化性及室温力学性能的影响，认为m g 中加入 c a 后，能显著提高m g 的高温抗氧化性，但室温力学性能都有所降低”“。 赵云虎，曾小勤等人研究了b e 和c a 对m g - 9 h l 一0 5 z n 合金表面氧化 行为的影响，认为a z c a 合金表面的氧化膜中生成的氧化物是m g o 和c a o ： a z c a 合金氧化时，c a 发生外氧化，形成单独的c a o 层，在c a o 之下内氧 化生成m g o 1 。 关于稀土阻燃，是较新的一种合金化阻燃方法，外国学者很少有研究， 主要集中在国内。哈尔滨工业大学的黄晓峰于2 0 0 1 年研究了富铈稀土对 镁合金起燃温度的影响，认为镁合金中添加稀土c e 可以有效地防止镁的 氧化燃烧；含稀土c e l 的镁合金的起燃温度与不含稀土的镁合金相比提 高了1 7 0 ( 2 ，合金表面膜光滑，无燃烧现象；稀土在镁合金中的分布由心 部到表面逐渐增加，并在表面与m g o 反应生成c e ：0 3 ，含富铈稀土的镁合金 的表面膜是由m g o ，c e ：0 ，和h l ：0 。及m g 擅l 。：组成的，正是它阻碍了镁合金 的进一步氧化反应。 黄晓锋于2 0 0 2 在( a z 9 1 d 加铈阻燃镁合金氧化膜结构分析一文中 指出，加铈以后，a z 9 1 d 镁合金起燃温度增加，并且随着铈含量的增加， 起燃温度增加；合金可以在大气中熔炼，铈含量为1 时，起燃温度达到 了7 2 4 ( 2 ：表面膜中，铈在中间致密复合层中含量最高，氧在氧化镁层中 含量最高，表面膜内层的元素含量向基体元素含量接近，表面膜可以分为 3 层，外层主要是由氧化镁组成的。中间层主要是由m g o ，c e ：0 。和h l ：0 ， 及m g ，a 1 ：组成的，结构致密。内层向基体成分接近1 。 1 3 m g z n a l 合金研究、开发与应用 1 3 i m g z n a i 合金物理冶金进展 z n 是镁合金中最常用的合金元素，由m g z n - - 元相图可知。约2 的z n 可固溶入m g 中，其余的z n 贝1 会与m g 形成m g z n 化合物。”。当z n 含量为4 8 时 能与m g 形成共晶产物( o + m g z n ) ，其共晶温度仅为3 4 2 c “。随着zn 含量 的增加，材料的硬度会提高1 。在一定范围内，提高z n 含量，可以降低镁 合金的熔点，从而降低熔炼镁合金所必需的过热温度。但是，z n 含量过 高，不仅会造成材料的密度增大，而且m g z n 化合物增多，将导致材料的 脆性增加。 a 1 也是镁合金中常用的合金元素，它的固溶强化作用及与m g