（材料加工工程专业论文）mgliallpc系合金显微组织和力学性能的研究.pdf

西华大学硕士学位论文 m g l i a i l p c 系合金显微组织和力学性能的研究 材料加工工程专业 研究生 马洪波指导教师 赵平教授 摘要 镁锂合金是目前最轻的合金 它不仅具有高比刚度和良好的切削加工性 能 还具有良好的减振性能和抗高粒子穿透能力 因此在通讯电子工业 军工 和航空航天等领域得到日益广泛的应用 将有希望成为2 1 世纪重要的轻质 高 强 环保材料之一 目前国内外学者对镁锂合金进行了大量的研究 但其仍存 在强度低 耐腐蚀性差等缺点 极大地制约了其进一步发展 为了研究提高镁 锂合金强度和塑性的途径 本研究采用真空感应炉和氩气保护方式熔炼 制备 出了m g 7 l i 1 m x l p c 合金 通过进行力学性能测试试验 并采用光学显微镜 扫描电镜 x 射线衍射仪等现代材料分析测试手段 研究镧镨铈混合稀土对 m g 7 l i 1 舢合金组织和性能的影响 分析时效处理对m g 7 l i 1 灿 x l p c 合金组 织和力学性能的影响程度 并且探讨了镧镨铈混合稀土对m g 7 l i 一1 a 1 合金以及 时效处理对m g 7 l i 1 舢 x l p c 的强化机理 研究结果表明 1 m g 7 l i 一1 a 1 合金中加入镧镨铈混合稀土后 组织中出现了稀土化合物 相灿1 1 l a 3 当添加稀土量较大 3 时 检测发现了另一种稀土化合物相 m 9 3 l a 2 加入镧镨铈混合稀土后 m g 7 l i 一1 舢合金的塑性得到了很好的改善 其中m g 7 l i 一1 a 1 4 l p c 合金的延伸率达到6 8 5 是m g 7 l i 1 灿合金的1 3 倍 多 塑性的提高主要依赖于镧镨铈混合稀土良好的细化晶粒作用 3 通过固溶处理 m g 7 l i 1 a 1 x l p c 合金中的a m g 相几乎全部溶解于基 体 而稀土化合物相在热处理过程中 只是发生了形状的改变 没有溶解于基 西华大学硕士学位论文 体 4 固溶 时效处理能提高m g 7 l i 1 a 1 x l p c 合金的强度 镧镨钸混合稀主 含量较低的合金 其热处理强化效果越好 5 m g 7 l i 一1 a 1 x l p c 合金在时效初期有弥散分布的针状瑾 m g 相析出 时 效时间增长 会有a m g 相在晶界上连续析出 在时效的后期 原来析出的针 状技 m g 相会发生明显的粗化 甚至球化 会引起合金力学性能的急速下降 6 m g 7 l i 一1 a 1 合金中添加0 5 的稀土元素y 会引起组织中的c m g 相 的聚集 铸态和热处理态的力学性能都较m g 7 l i 1 a 1 0 5 l p c 合金低 关键词 铸造镁锂合金 镧镨铈混合稀土 固溶 时效处理 力学性能 显微组 织 i i 西华大学硕士学位论文 s t u d yo n 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 s o f m g l i a i l p ca l l o y m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e m a h o n g b os u p e r v i s o r z h a o p i n g a b s t r a c t m g l ia l l o ya r ea m o n gt h el o w e s td e n s i t ym e t a l l i cm a t e r i a l s i ti sn o t o n l yh i g h e rt h es t i f f n e s sa n dt h em a c h i n ew o r kp e r f o r m a n c e b u ta l s oh a sag o o d d a m p i n gc a p a c i t ya n da n t i p a r t i c l ep e n e t r a t ep r o p e r t y s o m g l ia l l o y s a r e a p p l i c a b l et oa e r o s p a c e c o m m u n i c a t i o na n dw a ri n d u s t r y w h i c hw o u l db el i k e l yt o b e c o m eao n eo f i m p o r t a n tl i g h t i n t e n s i t ya n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nm a t e r i a l si n t h e21t hc e n t u r y d o m e s t i ca n df o r e i g ne x p e r t sa n ds c h o l a r sh a v eal o to fs t u d i e do n m g l ia l l o y sa tp r e s e n t b u ti tr e m a i n sl o wi n t e n s i t ya n dp o o rc o r r o s i o nr e s i s t a n c e s h o r t c o m i n g s s ow h i c hh a sg r e a t l yr e s t r i c t e dt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n t i no r d e rt o s t u d yo ni m p r o v e m e n to fi t ss t r e n g t ha n dp l a s t i c t h et e s tu s e dt h ev a c u u mm e l t i n g f u r n a c ea n da r g o np r o t e c t i o nm e l t i n gt o p r e p a r e dm g 7 l i 一1a 1 x l p ca l l o y t h e e f f e c t so fl a p r c em i s c h m e t a lo nt h em 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 t h et e s t i n gc a s tm g 一7 l i 1 越a l l o y sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e db ym e a n so fm e c h a n i c a l p r o p e r t ym 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 s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ya n dx r a y d i f f r a c t o m e t e r i n f l u e n c eo ft h ea g i n gt r e a t m e n to nm i c 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 so ft h et e s tm g 7 l i 1 越 x l p ca l l o y sh a v eb e e ns t u d i e d s i m i l a r l y h e a t t r e a t m e n t s t r e n g t h e n i n g m e c h a n i s mo fc a s t m g 7 l i 1a 1 x l p c a l l o y a n d s t r e n g t h e r r i n gm e c h a n i s mo fl a p r c em i s c h m e t a lc a s tm g 7 l i 1a 1h a sa l s ob e e n i i i 蘸肇大学硕士学蹙论义 d i s c u s s e di n 嘲t h t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s 1 r a r ee a r t hc o m p o u n da i l a 3i sf o u n di nm a t r i xw h e na d d i n gl a p r c e m i s c h m e t a lt om g 7 l i l 烈a l l o y a n o t h e rr a r ee a r t hc o m p o u n dm 9 3 l ai sf o u n d w h e nm i s c h m e t a lc o n t e n ti sm o l et h a n3 2 p l a s t i co f 疆哗g e tg o 蕊r a i s ea d d i n gl a p r c em i s c h m e t a lt om g 7 l i l 趟 a l l o y e x t e n s i o no f m g 7 l i 1 a 1 4 l p ca l l o yr e a c ht o6 8 5 w h i c hi sm o r e1 3t l m e s t h a nm g 7 l i l 越a l l o y a l l o yp l a s t i ci m p r o v e m e n td e p e n dl a r g e l yo nr a r e e a r t h w h i c hh a v i n gg o o dg r a mr e f i n e m e n tr o l e 3 碱攮s o l u t i o nt i m ee x p a n d 氇l la m gp h a s eh a sb e e nd i s s o l v e di nm a t r i xs t e p b ys t e p b u tr a r ee a r t hc o m p o u n dp h a s eh a s h tb e e nd i s s o l v e d m e r e l yac h a n g ei n s h a p e 4 a g i n gt r e a t m e n tc o u l di n c r e a s et h es t r e n g t ho fm g 7 l i 一1 a i x l p ca l l o y s t h el o w e rt h em i s c h m e t a lc o n t e n to fm 妒l 知童熊x 船ca l l o y t h eb e t t e rt h ee f f e c t o f s t r e n g t h e n i n g 5 愆硒a g i n gt r e a t m e n ti nt h ee a r l yl e a dt o d i s t r i b u t ead i s p e r s i o no ft h e n e e d l e l i k ea m gp 瓣e i p i 键6 0 纛 w i t ha g i n gt i m ee x p a n d t h ec o n t i n u o u sa m gp h a s e p r e c i p i r a t ei nt h eg r a i ns e c t o r i nt h el a t t e rp a r to fa g i n g t h en e e d l eo ft h eo r i g i n a l p r e c i p i t a t i o nh a so b v i o u sr o u g ha n de v e nt h eb a l l t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h e s e a l l o y sl e a dt ot h er a p i dd e c l i n e 6 m g 7 l i 一1a ia l l o ya d d e do 5 xw i l lc a u s ea m gp h a s e t oc o n g r e g a t e t h e s t a t eo fa s c a s ta n dh e a t t r e a t r n e n tm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s i sl o w e rt h a n m g 7 l i i a i o 5 l p ca l l o y k e y w o r d s c a s tm g l ia l l o y l a p r c em i s c h m e t a l a g i n gt r e a t m e n t m e c h a n i c a l p r o p e r t y m i c r o s t r u c t u r e i v 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果 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 也不包含为获得西华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 文中做了明确的说明并表示谢意 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的 论文成 果归西华大学所有 特此声明 作者 签名 刍r 粤唧矗 日期 艿 导师 签名 j 刁 日期 洳 2 j j 2 夕 疆华大学硕士学位论文 薹绪论 l l 弓 言 材料及材料科学技术构成2 l 世纪入类社会发展的基础 纵观过去 历史 上的每一次燕大进步往往都是以鸯孝料的突破为前提 如今薪材料的发展更是对 科学技术发展和社会进步有着重要影响 它是离新技本发展的物质基础 在能源紧缺及环境污染园益突懑豹现今时代 随着汽车工妲对低排放 赢 效率 轻量化的要求嬲提离 离性能的轻质材料的开发和应黑越来越雩 起汽车 制造业黪关注 l 3 l 蠢数搌表明 若汽车藏轻舞重1 0 燃油经济性可提高 5 5 n 由于镁合金具有重量轻 镁贻比重为l 7 4 是锅的2 3 钢的1 4 t 朝 高比强度 高蹴嚣l 度 高阻尼性能 抗震动 降嗓音 譬热抉 电磁屏蔽性能 好 铸造 加工和尺寸稳定性能优异 蓊回收 有利于实现循嚣经济 等特点 被誉为 2 熏世纪绿色结构材料 霹前汽车工业实用的轻质材料主要是铝舍金 和镁合金 其中铝合金的使藤院较普遍 然两镁合金凭借其所具有的一些独特 优点代替铝合金成梵当今轻质材料研究麴热点 嗣益成为现代工业产品麴理想 零孝料 6 嗣 现代科技翻相关产业技术的发展 使其各项独特优点西臻宪善 疲焉 范圈迅速扩展 2 0 世纪9 0 年代至今 其市场需求一直量稳定增长的趋势 我国是世赛上镁德量最为丰富的国家 近年来也是原镁产量最大的潮家之 一 占全球翡4 0 以上 其中8 0 的原镁用于患弱 僵我凋在镁工业发展方面 还存在很多的阆题 主要是 原镁生产厂家多 规模小甭显分散 技术比较落 恁 产品质量不够稳定 盘躁产品大多是初级原料 价格低 利润低 效益差 蔫性麓镁合金及高质量镁合金产品麓研制水平远远落屠予图努的许多国家 在 很多领域仍存在空巍 难以满足墨益增长的需求 应焉研究发展的还不够等 9 l l 因此 镁合金开发应用及产业优 的前期战略研究项露予2 0 0 1 年8 月 正式通过论证 势将该项霾列麓 十五 国家科技攻关重大项嗣 最终墨标是 要充分发挥我墓镁资源优势 通过技术集成创新和机削与体制创新 加强镁合 金疲用开发 建立具有国际竞争力的镁合金高新技术产鼗群 将镁资源转化必 经济优势 l 2 镁及镁合金的发展与应用 西华大学硕士学位论文 1 2 1 纯镁的性质 元素周期表中 镁的原子序数为1 2 相对原子质量为2 4 3 2 电子轨道分 布为1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 属i i a 族碱土金属 镁具有密排六方结构 镁单胞内沿主 要晶面和晶轴方向的原子排布如图1 1 所示 在2 5 时 a 3 3 0 e h c 5 1 9 9 a c a 1 6 2 3 5 在配位数等于1 2 时 原子半径为1 6 2 a 1 12 1 室温变形时 镁只有一 个主滑移系 因此镁的塑性比铝低 室温塑性很差 随着温度的提高 镁的滑移 系会增多 从而塑性显著提高 f i g 1 1c r y s t a ls t r u c t u r eo fm a g n e s i u m 图1 1 镁的晶体结构 镁的标准电极电位为一2 3 7 v 比铝 一1 7 1 v 低 是电负性很强的金属 其耐蚀性很差 1 7 镁在室温下很容易被空气氧化 生成一层很薄的氧化膜 这 种氧化膜孔多疏松远不及铝的氧化膜那样致密坚实 耐蚀性很差 在标准大气压 下 纯镁的熔点为9 2 3 k 沸点为1 3 8 0 k 镁的一些重要的物理参数和常见性质见表1 1 1 3 1 及表1 2 1 5 1 6 1 2 2 镁合金的主要性能和优点 纯镁的优点很多 但是力学性能较低 纯镁单晶体的临界切应力只有 4 8 4 9 x 1 0 5 m p a 纯镁多晶体的强度和硬度也很低 因此都不能直接用做结构 材料 其使用范围受到很大的限制 通过在纯镁中添加合金元素 可以改善合 金的物理 化学和力学性能 1 8 2 西华大学硕士学位论文 表1 1 纯镁的一些熏要物理参数和常见 生质 t a b l e1 1s o m ei m p o r t a n tp h y s i c a lp a r a m e t e r sa n dc o m m o n s e n s i b l ec h a r a c t e ro f p u r e m a g n e s i u m 2 3 性质数值性质数值 琢子序数 1 2 沸点 k1 3 8 0 3 原子价2 气化潜热 k j k g 叫 5 1 5 5 4 0 0 栩对蒙予质爨 2 4 3 0 5 0 舞华游热 k j k g 6 l1 3 6 2 3 8 原子体积 c i l l 3 m o l 1 4 0 燃烧热 k j k g q 2 4 9 0 0 2 5 2 0 0 溅子壹径 太3 2 0 镁蒸汽魄热容c p l d g 1 1 0 8 7 0 9 柏松比0 3 3 m g o 生成热qp k j m o l 0 6 1 0 5 室温 g c m 3 1 7 3 8 结晶对盼体积收缩率 篱 3 9 谑 2 密度 熔点 g c m 3 1 5 8 4 磁化率v 1 0 q m k s 6 2 7 6 3 2 电阻温度系数 2 7 3 3 7 3 k 1 0 3 9 固态镁中声音抟撩速度 瓣 s 4 8 0 0 电阻率p nq m 4 7 标准电极电位 热导率天 w m k 1 1 5 3 6 5 5 6 氢电援 1 5 5 2 7 3 k 下的电导率 1 0 q m 吖 2 3 甘汞电极 v 1 8 3 焉结晶温度 k 4 2 3黠光的反射率 入 o 5 0 0 l a m 7 2 熔点 k 9 2 3 1 夫 l 0 0 0 1 t m 甍 7 4 镁单晶平均线膨胀系数 2 8 8 3 0 8 k 入 3 0 0 0 u m 8 0 沿a 轴 l o 督1 2 7 1 天穆 0 0 0 i x m 篱 9 3 沿c 轴 l o 飞t 2 4 3 熔化潜热 k j k g 1 3 6 0 3 7 7 收缩固一液 4 2 塞 熔点至塞温 5 9 5 4 k 下的表面张力 n m 1 0 5 6 3 3 西华大学硕士学位论文 表1 2 纯镁的机械性能 1 5 1 6 1 t a b l e1 2m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp u r em a g n e s i u m 抗拉强度屈服强度弹性模量伸长率断面收缩率 加工状态硬度皿s o f f m p ao g m p a e g p a 6 1 l r 铸态1 1 52 54 5893 0 变形态 2 0 09 o4 51 1 51 2 53 6 镁合金的主要性能及优点如下 低密度 镁的密度为1 7 4 9 e m 3 约为铝的三分之二 铁的四分之一 l9 1 目 前美国及其他发达的西方国家 在汽车制造领域广泛使用镁合金以实现节能降 耗的目的 2 0 1 据统计 一部汽车己有二十多个部件由镁合金压铸件制成 汽车 的重量也由此降低 资料表明一辆汽车若采用4 0 公斤的镁合金替代传统的钢材 及铝材 可使汽车总重降低1 0 0 公斤以上 2 高比强度 铸造镁合金的比强度约为铸钢的2 倍 铸铝的1 5 倍 一些可 变形的镁合金其比强度超过普通碳钢的2 3 倍 高比刚性 在强度相同时 镁合金的比刚度要明显高于铝合金 这一性能 特点有利于制造刚性好的整体构件 抗振动 低噪音 镁合金构件在外力的作用下容易变形 从而使受到的应力 分布均匀 在一定的条件下可避免过高的应力集中 2 2 在弹性范围受冲击载荷 时 其吸收的能量比铝高二倍 加工费用低 镁合金具有良好的切削加工性能 按每分钟切削一定量的金 属来计算 去掉等量的镁合金比其它金属更容易 德国大众汽车公司加工一个 曲轴箱耗时仅为铝的8 5 此外 镁合金具有良好的阻尼性能 良好的电磁屏蔽性能 优异的铸造性 能 可生产较为复杂的的铸件 镁合金具有良好的焊接性能 1 2 3 镁合金的分类和编号 一般来说镁合金的分类依据有三种 合金化学成分 成形工艺和是否含锆 按化学成分 镁合金主要划分为m g a 1 m g m n m g z n m g i 迮 m g z r 4 西华大学硕士学位论文 m g t b m g a g 和m g l i 等二元系 以及m g a 1 z u m g a 1 m n m g m n c e m g r e z r m g z n z r 等三元系以及其它多元系合金 按成型工艺 镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金 两者在成分 组织 性能上存在很大差异 铸造镁合金主要应用在汽车零件 机车罩壳和电器构件 等 2 3 1 铸造镁合金多用压铸工艺生产 其主要的工艺特点为 生产效率高 精 度高 铸件表面质量好 铸件组织优良 可生产结构复杂的构件 变形镁合金 一般是指可用挤压 轧制 锻造等成形方法加工的镁合金 从2 0 世纪4 0 年代 开始 变形镁合金已经开始应用于汽车 航天 航空 国防军工等领域 进入2 0 世纪9 0 年代后期 变形镁合金开始用于汽车 电子以及其它民用产品领域 近 几年来变形镁合金的研究呈现迅猛发展的趋判2 4 有关镁合金的文献也从年开 始急剧增加 尽管国际上对变形镁合金进行了大量的研究 为变形镁合金的应 用提供了一定的基础 但是依然没从根本上解决变形镁合金的塑性成形困难 抗腐蚀性能差以及高生产成本等问题 铝 锆为镁合金中的主要合金化元素 根据是否含锆 镁合金可划分为含 铝镁合金和无铝镁合金两类 由于大多数镁合金不含铝而含锆 从而市售镁合 金系也可按是否含锆划分为无锆镁合金和含锆镁合金两大类 锆对镁合金具有 强烈的细化晶粒作用 人们习惯于采用美国a s t m 镁合金命名法来对镁合金编号 目前国际上尚 没有统一的镁合金编号体系 a s t m 命名法规定镁合金名称由字母 数字 字母 三部分组成 第一部分由两种主要的合金元素的代码组成 按元素含量的高低 顺序排列 第二部分由这两种元素的质量分数组成 按元素的代码顺序排列 第三部分由指定的字母a b c 如组成 表示合金的不同发展阶段 1 2 4 镁合金的强化方式 镁合金的强化根据其强化原理的不同 可分为以下几种 1 2 4 1 固溶强化 固溶强化是合金元素固溶到基体 溶剂 后 使基体的位错密度增大 同 时晶格发生畸变 畸变产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作用 使合 金元素原子聚集到位错线附近 形成 气团 位错运动要克服气团钉扎作用 带气团一起运动 或者从气团挣脱出来 因而需要更大的切应力 另外 合金 西华大学硕士学位论文 元素的原子还会改变固溶体的弹性常数 扩散系数 内聚力和原子的排列缺陷 使位错线变弯 使位错运动阻力增大 从而使材料得到强化 使得合金元素固 溶到基体形成固溶体 合金的强度 硬度都会得到提高 2 5 根据h u m e r o t b e r y 定律 如果溶质 溶剂原子尺寸相差超过1 5 就不 能形成无限固溶体 且固溶度很小 因此对镁来说 适合这一原子尺寸范围的 元素有l i c d z n z r n 胁 t h s n s b w n d a g 等等 2 6 2 7 另 外 要形成无限固溶体 还要有相同的原子价和相似的晶体结构 而能满足这 一条件的只有c d 和z n 如果不能满足这些条件 那么只能形成有限固溶体 另外随着溶质原子价的增大 从第 族到第 族 高电负性镁和溶质之间的电 化学特性也不同 镁与之形成第二相或稳定的化合物 金属间化合物或系列化 合物 而不再是固溶体 电负性的影响 镁基合金中 大部分合金元素与镁 在固态下有限固溶 并具有包晶或共晶转变 固溶强化作用随温度升高而下降 晶格畸变弹性应变能的作用及原子不均匀分布均会因温度升高 使原子扩散能 力增大而减弱 同时 高温强度不同于室温强度 它更依赖于原子扩散能力 甚至有扩散型形变 只有那些能提高原子间结合力 降低扩散系数 提高再结 晶温度及阻止扩散型形变的元素 才会有更佳的提高高温强度的作用 1 2 4 2 析出强化 当合金元素在基体中的固溶度随温度的下降而降低时 析出强化就成为另 一种强化方式 2 8 1 产生强化的机制是析出相阻碍位错运动和滑移 提高了屈服 强度 析出相本身并不是强化的充要条件 析出相的形状 尺寸 性能以及析 出相与基体之间界面的性质也是关键的因素 为增强镁合金的析出强化 选择 合金元素应该考虑到以下几条标准 2 卅 组成元素应该在高温下在镁中具有足 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 以在提高析出相的百分含量的同时减少所需的合金元素量 元素在镁中的扩散速率应较低 以减少过时效倾向和位错的攀移 总的来说 弥散且不易粗大的共格析出强化效果较好 镁的许多合金元素 的固溶度随温度的降低而降低 但由于镁的原子半径较大 析出相通常不能满 足界面共格的要求 而是形成与镁基体非共格的复杂析出相 在高温下这些相 6 西华大学硕士学位论文 很容易粗大和软化 1 2 4 3 弥散强化 弥散强化的机制与析出强化类似 但与析出相不同 弥散强化的颗粒在合 金凝固过程中产生 一般熔点较高 而且不溶于镁基体 所以具有良好的热力 学稳定性 3 0 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 逐渐粗大化和软化 失去强化效果 而弥散相却能继续阻止位错的移动 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源 导致合金韧性的降低 1 2 4 4 细晶强化 晶界是滑移传递的有效障碍 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 3 0 3 2 1 细晶 强化对于密排六方 h c p 结构的镁合金效果更为明显 合金的屈服应力与晶粒 尺寸的关系可用h a l l p e t c h 关系来表示 a y i e l d 0 0 l d q 圮 1 1 式中0 0 为晶格摩擦力 k 为p e t c h 斜率 d 为晶粒直径 研究表明 3 4 35 1 常用镁合金的k 值为2 8 0 3 2 0 m p a a m j u 而铝的k 值仅为6 8m p a f m u 当镁 合金中的细晶粒 1 0 u m 达到一定比例时 合金就表现出超塑性 3 6 1 1 2 5 镁合金的制备技术 镁合金具有较强的铸造工艺适应性 几乎所有的铸造方法都可以用来生产 镁合金铸件 其中砂型铸件 金属型铸件 压铸件 熔模铸件和壳型铸造铸件 的应用最为广泛 镁合金铸件成本在很大程度上取决于铸锭价格 铸造性能以 及所要求进行的热处理类型口刀 一i 压铸是镁合金最主要的成型工艺 世界镁合金铸件的9 3 是用压铸工 艺生产的 分为冷室和热室两种 3 7 3 8 冷室压铸时浇入压铸室的金属液由压射 冲头压入型腔 热室压铸时金属液直接射入型腔 热室压铸一般用于薄壁件 7 一 西华大学硕士学位论文 二 二 生产效率高 浇注温度低 缺点是费用较高 冷室压铸的优缺点与之相反 压 铸工艺目前发展的有真空压铸和充氧压铸 3 9 1 真空压铸时在压铸过程中抽除型 腔内气体 以消除或减少压铸件内的气孔和溶解气孔 提高压铸件的力学性能 和表面质量 目前已成功地用真空压铸法生产出镁合金汽车轮毂和方向盘 4 0 4 3 1 充氧压铸又称无气孔压铸 在充型前将氧气或其他活性气体冲入型腔以置换型 腔内空气 充型时活性气体与金属液反应生产弥散分布的金属氧化物 达到消 除铸件内气孔和气体的目的 删 二 重力铸造也是常用的铸造方法 与压铸相比 重力铸造合金特别是含 锆合金的浇注温度比压铸合金高得多 其二是重力铸造用于存储和浇注设施可 以更开放些 并且可以用氩气来代替保护性气氛中的干燥空气 4 5 1 三 半固态成形技术 4 们 半固态铸造具有充型平稳 金属液氧化损失少 铸件尺寸精度高 孔洞类缺陷少 可进行热处理和铸型使用寿命长等优点 表 1 3 所示 根据铸造成形工艺流程不同 半固态铸造分为触变铸造和流变铸 造两类 触变铸造生成过程为 将已制备的非枝晶组织锭坯重新加热到固液两相区 达到一定粘度后 进行压铸或挤压成形 触变铸造易实现坯料的加热和输送自 动化 具有节省能源 环境污染小 生产过程安全性高等优点 是目前半固态 铸造的主要工艺方法 流变铸造的特点是 对于冷却凝固过程中的金属熔体进行强烈搅动 待熔 体达到一定固相分数时再对其进行压铸或挤压成形 流变铸造工艺简单 能耗 和铸件成本低 但半固态金属浆料的保持和运送要求严格且困难 自动化生产 困难 从而发展非常缓慢 4 7 1 四 挤压铸造 4 9 5 0 1 采用低的充型速度和最小的扰动 使金属液在高压下 凝固 以获得可热处理的高致密度铸件的铸造工艺 分为直接挤压铸造和间接 挤压铸造两种 直接挤压铸造法适于生产形状简单的对称结构铸件 其工艺特 点是无浇注系统 充型压力直接施加在型腔内的金属熔体上 充型金属液凝固 速度快 所获得的铸件组织致密 晶粒细小 但浇注金属液需精确定量 间接 挤压铸造法的特点是充型压力通过浇道传递给充型金属液 铸件的成品率较 低 不适于生成大型铸件 但它不需要配置精确的定量浇注系统 生产柔性好 西华大学硕士学位论文 因此目前其应用要比直接挤压铸造法广泛 表1 3 触变注射成形法与压铸法的比较 4 8 t a b l ei 3p r e s s u r ec a s t i n ga n di n j e c t i o nc a s t i n g 4 8 i 生产方面 9 西华大学硕士学位论文 五 快速凝固技术 5 1 1 是设法将合金熔体分散成细小的液滴 减小熔体 体积与散热面积的比值 提高熔体凝固时的传热速度 抑制晶粒长大和消除成 分偏析 合金成分及组织均匀 容易产生亚稳相 因此 快速凝固材料具有优 异的力学性能和抗腐蚀性能 1 2 6 镁合金的应用 在汽车领域的应用 5 2 巧6 镁在汽车上的应用始于2 0 世纪2 0 年代 汽车用 镁高峰是在1 9 7 1 年 仅v w b e e t l e 车型用镁量达到4 2 万吨 占到当年西方镁 耗量2 5 现在 德国大众汽车公司用镁仍领先于其他汽车制造厂 在v w p a s s a t 和奥迪a 4 和a 6 车型上 每辆车用镁量1 4 公斤 2 0 0 4 年全球汽车工业镁压铸 件和镁合金需求总量为1 1 7 万吨 2 0 0 5 年全球汽车工业镁合金市场份额占到全 球镁市场总需求8 8 近年来 美国三大汽车公司用镁量不断上升 国外目前 平均每辆汽车使用镁合金已达4 0 k g 1 0 年内将达到1 7 8 k g 据专家估计2 0 1 0 年 消耗镁合金总量可达2 0 0 3 0 0 万吨 为目前的4 7 倍 在航空领域的应用 5 7 5 9 镁由于其低密度 高比强度的特性使得其很早就 在航空工业上得到应用 就航空材料而言 结构减重和结构承载与功能一体化 是飞机机体结构材料发展的重要方向 有着重要的应用意义 目前应用较多的 是m g l i m g r e 合金 在3 c 领域的应用 6 嘶2 3 c 产品 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 其外壳或机架以往主要用工程塑料制作 现 正逐渐被镁合金取代 与传统3 c 产品所使用的材料相比 镁合金充分表现出 轻量化 刚性较高 振动吸收性良好 电磁波绝缘性佳 耐腐性佳 散热性 良好 质感极佳及可回收使用 的特点 镁合金3 c 产品最早出现于日本 应 用规模正以2 0 的速度增长 在其它领域的应用 6 3 6 4 由于镁合金生产能力和技术水平的提高 极大地 刺激了其在民用领域的应用 如用做手动工具 轮椅 康复和医疗器械及健身 器材 镁牺牲阳极 型材用镁合金等 电动工具 风镐风钻 纺织工业用具 石化工业导管 特别是精密仪器底盘 机架 壳体等类应用无疑将大有所为 这些领域中以压铸件发展速度为最快 2 0 0 5 年进入快速增长期 l o 西华大学硕士学位论文 新型镁合金的未来开发方向 6 h6 3 全球汽车工业和镁工业都在积极努力开 发新型镁合金 新型镁合金将能够满足汽车非结构件和结构件的性能和使用要 求 具有耐高温 抗蠕变和抗腐蚀性能 重点是开发镁合金在汽车结构件方面 的应用 在车体主要部件方面的应用 美国汽车研究理事会和美国能源部合作 确立了两大镁开发研究项目 汽车结构镁铸件和结构 动力等轻金属镁部件应 用潜力开发 有资料报道 美国通用汽车公司已经开发新型抗蠕变镁合金 命 名为a c x 含有铝 钙 锶 具有低成本优势 可用于汽车发动机和变速箱 这种新型镁合金至少比a e 4 2 镁合金抗拉强度高4 0 压缩抗蠕变能力高2 5 具有和a z 9 1 d 一样良好抗腐蚀性能 成本比a z 9 1 d 稍高 但具有同样可铸造 性 世界上已经有几家公司引入新型抗蠕变镁合金生产技术 可以使用特殊抗 腐蚀冷却液在汽车发动机方面和铝合金相竞争 1 3 镁锂合金的性能及研究状况 m g l i 合金又称为超轻合金 镁的密度为1 7 3 8 9 c m 3 锂的密度为 0 5 3 8 9 c m 3 在镁金属中加入锂 可降低镁合金的密度 改善合金的塑性和稳 定性 成为一种性能较为优异的超轻结构材料 它不仅具有较小的密度 一般 为1 3 5 1 6 5 9 c m 3 比普通镁合金轻1 4 1 3 比铝合金轻1 3 1 2 而且还 具有高的比强度 比刚度和优良的减振性能及抗高能粒子穿透的能力 因此是 兵器 宇航 汽车 电子等领域的最理想的优选材料 1 3 1 m g l i 合金的历史与现状 2 2 2 3 1 9 1 0 年 德国m a s i n g 在研究l i n a k 与m g 相互作用时 意外的发现 m g 和l i 发生有趣的结构转变 并认为该结构是超结构 1 9 3 4 1 9 3 6 年 德 美 英三国研究者相继单独研究了镁锂合金的结构转变 测定了二元合金相图 证实了镁含量达5 7 时出现b c c f c c 结构转变 1 9 5 4 年 f r e n c h 等提出了完整 精确的m g l i 二元平衡相图 1 9 4 2 年 美国冶金学家提议向镁基合金种添加金 属锂 使镁基合金的点阵结构由h c p 变成b c c 结构 已期在改善合金的加工性 能的同时进一步降低镁基合金的密度 由于军事的需要 美国b a t e l l e 研究所曾 进行了大规模的m g l i 系合金研制工作 试验熔铸批次达1 7 0 0 次 研究目标 西华大学硕士学位论文 是开发比重低 比刚度 比强度高 成形加工方向性不明显的超轻合金 其后 一段时间 镁锂合金的研究相对处于低潮 这与十多年来关于镁锂合金的力学 性能和时效强化的研究效果不理想有关 但是 仍然取得了一些进展 洛克希 德导弹与航空公司和毋m 公司利用n a s a 报告中的l a l 4 1 信息 开发了飞机 用m g l i 合金零件 另有镁锂合金用于制造宇宙飞船中电气仪表框架 外壳 防护罩以及防宇宙尘壁板等 近4 0 年的m g l i 合金研究结果给人以启迪 m g l i 系合金有一系列尚待解 决的问题 要通过一般重金属元素的添加来获得低密度 高比强度兼有其它优 良性能 稳定性 耐蚀性等 的超轻合金看起来是比较困难的 因此 8 0 年代 中期开始 人们着手探索通过其它途径来改善此合金性能的可能性 这些途径 包括m g l i 基复合材料 m g l i 合金的快速凝固 r s p 工艺 m g l i r e 系合 金等方面 同时 人们并未放弃传统的提高合金性能的各种尝试 即常规元素 添加 冷热加工 时效热处理等方面 德国人k s c h e m m e 等人首次使用激光 对m g l i a i 合金进行表面热处理 日本人近年来对m g l i 合金的研究较多 进行了m g l i 合金添加常规元素 稀土元素 r e 的性能及时效机理 冷热加 工性能等方面的研究 并取得一定成果 据报道日本学者研制了一种超轻镁合 金比重为0 9 5 9 c m 3 比水还轻 该合金可以在室温下进行冷轧成形 薄材厚度 仅为0 0 4 r a m 可用于肮天以及诸如笔记本计算机等需要使用坚固而又轻质材 料的电子产品 许多添加其它金属元素具有较高强度的m g l i 合金的塑性却很 低 因此 近年来m g l i 合金超塑性的研究较多 1 9 8 4 年 前苏联的o a k a i b y s h e v 对m a 2 1 m g 8 1 l i 5 2 a 1 4 7 c d 0 2 1 m n 1 3 8 z n 的超塑性进行了研 究 表明晶粒度为1 5um 的材料中获得了超塑行为 它的应变速率敏感性指数 值m 为o 5 5 在4 5 0 及1 0 2 s 1 应变速率下获得4 7 5 的延伸率 1 9 9 0 年 美 国的p m e t e m i e r 等人采用箔材压焊方法在两相m g 9 0 l i 合金中取得晶粒度为 乱3 5um 的细晶组织 并在1 5 0 2 5 0 温度区间获得高达4 6 0 的延伸率 后 来e m t a l e f f 等又制得晶粒度小于6um 的m g 9 0 l i 合金 在1 0 0 下获得4 5 0 延伸率 k h i g a s h i 和j w o l f e n s t i n e 温轧二元两相m g 8 5 l i 合金 使得其具 有非再结晶结构材料的最大延伸率 高达6 1 0 gg o n z a l e d o n e l 等人取得d 为5 1 x r n 的m g 9 o 和d 为3 5 9 m 的m g 9 0 l i 5 o b 4 c 材料 在2 0 0 c 和1 0 3 s 1 2 西华大学硕士学位论文 1 获得分别为4 5 5 和3 5 5 的延伸率 日本藤谷涉等人对铸态m g 8 l i 合金在 3 0 0 下得到3 0 0 的延伸率 国内对于镁锂合金的研究已有近l o 多年的历史 研究工作主要在东北大 学 山东大学 上海交通大学等高校 这些高校主要进行了m g l i 基合金及复 合材料的制备工艺研究 电阻炉氩气保护熔炼m g l i 合金及其力学性能研究以 及轧制温度方面的研究 另外 中科院沈阳金属所在超轻结构镁合金研究方面 做了探讨 研究了m g l i 合金的熔铸工艺 轧制工艺等方面的特性 1 3 2m g l i 合金的几个重要体系 2 3 1 m g l i 合金具有令人羡慕的优点 低密度 高比强度 良好塑性等 同时 又存在一些缺点 强度不高 热稳定性差 耐蚀性能差等 添加一般重金属和 轻金属合金元素形成合金元素微量多元化是所用的主要方法 主要有2 大系列 4 个小系列 1 3 2 1m g l i 三元合金系 1 3 2 1 1m g l i a 1 系 此系合金研究得相对较多 j a c k s o n 等首先研究了不同l i 含量 4 1 1 挤压材的力学性能 表明相同l i 含量 随灿含量增加强度提高 延伸率下降 相同a 1 含量 随l i 含量增加 强度下降 延伸率上升 l i 含量增加 力学性 能稳定性提高 b u c k 把注意力集中在b 相区 其研究表明 m g l i a 1 合金具 有较高的强度 经热处理可强化 但高强度总是与极端脆性相伴 并且在低温 8 2 下高强度缺乏稳定性 f r o s t 等也表明了此合金在6 6 和9 3 的温度 下很快过时效 实验还表明 工业合金l a l 4 1 a 在室温下还会发生相的分解 可见此合金稳定性很差 为了探索时效硬化机理和力学性能不稳定的原因 进行了许多研究 从x 射线和相图研究表明 m g l i 2 a 1 为不稳定强化相 在低温下力学性能稳定性差 与强化相分解为稳定相甜l i 有关 m c d o n a l d 研究了低a i 含量时析出相与时间 温度的关系 指出在9 5 和1 5 0 之间 平衡相a 1 l i 析出遵守a r r h e n i u s 方程 具有4 1 8 6 8 4 6 0 5 5 k j m o l 的激活能 a l a m o 等研究了m g 1 1 2 l i 0 9 a l 合金的 西华大学硕士学位论文 结果表明 相的反应机理如下 p p 臼 m g l i 2 a 1 c t 室温 p p 0 m g l i 2 a 1 a l l i a 2 0 0 c 并指出a 1 含量小于0 7 时 a l l i 相仍为稳定结构 1 3 2 1 2 m g l i z n 系 该系合金中l i 和z n 含量对性能的影响基本上与m g l i a 1 系相类似 但强 度更高 脆性较小 由于z n 的密度 6 5 9 o