（材料加工工程专业论文）硅钙合金对am60镁合金显微组织及性能的影响.pdf

郑州大学硕士学位论文 摘要 摘要 镁合金具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼性能好以及电磁屏蔽能力强等优点， 近年来成为汽车和电子行业的重要轻质材料，被誉为2 l 世纪最富于发展潜力的“绿色 工程材料”。随着汽车轻量化的要求，越来越多的汽车零部件采用镁合金制造来减轻 汽车自重，其中汽车轮毅对于汽车减重具有尤其重要的意义和效果，但轮毂的使用条 件决定其必须同时具有较高的强度和韧性，目前的镁合金材料还达不到这方面的要 求。a m 6 0 及a z 9 1 镁合金是工业应用最为广泛的镁合金。a m 6 0 韧性较好，但强度有 待进一步提高。提高镁合金的强韧性是拓展镁合金在汽车上的应用范围的一个重要方 向。 s i 力口入到镁合金中可以提高合金的流动性，而且形成具有高熔点、高硬度、低密 度、高弹性模量和低热膨胀系数的m 9 2 s i 相。但m s i 相往往形成粗大的汉字型，割 裂基体，造成合金力学性能的下降。适当的c a 加入镁合金中可以细化晶粒，而且对 m 9 2 s i 相可以起到变质作用，使粗大汉字型变成规则细小的多边形，从而起到弥散强 化作用，提高合金的综合性能。由于s 珥日c a 的熔点较高，一般情况下用a l s i 、a 1 c a 和m g c a 等中间合金引入s i 和c a 元素，而直接向镁合金中添加硅钙合金的研究还未见 报道，因此本文通过在a m 6 0 合金的基础上添加硅钙合金，来研究硅钙合金对a m 6 0 合金组织和性能的影响。 本文添加不同量的硅钙合金配制了四种合金。应用光学显微镜( o m ) ，x 射线衍射 仪( x r d ) 、差示扫描量热仪( d s c ) 、带能谱分析( e d s ) 的扫描电子显微镜( s e m ) 等分析 手段，通过对合金显微硬度、拉伸性能、冲击韧性、流动性、自腐蚀电位、极化曲线、 失重腐蚀速率等性能的测试，较系统和深入地研究了硅钙合金对a m 6 0 合金组织及力 学性能的影响及其作用机理。 研究表明，硅钙合金加入a m 6 0 合金中后，直接形成了规则多边形m 9 2 s i 颗粒相， 没有出现汉字型m 9 2 s i ，a 1 8 m n 5 相和硅钙合金中的c a s i 2 相有效的充当了m 9 2 s i 相的异 质形核核心。加入硅钙合金后，形成的m 9 2 s i 颗粒相对基体起到了弥散强化作用，细 化了晶粒，使第二相p - m g l 7 a l l 2 由半连续网状转变为弥散的颗粒状或岛状，显著改善 了合金的显微组织。加入硅钙合金后合金的力学性能得到了一定程度的提高，当加入 的s i 含量为1 8 时，合金的显微硬度、抗拉强度、伸长率分别比原始合金提高了2 5 ， 郑州大学硕士学位论文 摘要 1 3 9 和2 8 5 ，冲击功提高了一倍。a m 6 0 合金的断裂总体上属于脆性断裂，从断口 来看，其具有典型的准解理特征，加入硅钙合金后，断口呈现一定的韧性断裂特征， 是具有定韧窝和撕裂棱的准解理断裂方式。 硅钙合金加入到a m 6 0 合金中后，合金的液相线温度随着硅钙合金量的增大而逐 渐降低，过热度逐渐提高；合金的结晶区间是先减小而后又增大，当加入1 8 s i c a 合金时，结晶区间减小了1 3 3 4 ，提高了合金的铸造性能。另外，在合金凝固时形 成新相m 9 2 s i ，释放更多的结晶潜热，也促使合金的流动性得以提高。a m 6 0 合金凝 固时首先析出g 【一m g 相，然后发生离异共晶反应析出p m g l 7 a l l 2 相，加入硅钙合金后， 由于先析出m 啦s i 相，使初生a m g 相边界处的a l 原子更容易富集，从而更容易发 生离异共晶反应。 热处理研究表明，合金经4 1 0 ，1 2 h 固溶处理后，p m g l 7 a l l 2 完全固溶到基体中， 形成过饱和的a m g 固溶体，而m 勘s i 相是高熔点相，经过固溶处理后，并没有大的变 化，从而能提高合金的高温稳定性。当加入的s i 的含量为1 8 时，合金的晶粒尺寸由 原来的1 8 0 岫减小到8 0 岬；合金的显微硬度得到了一定的提高；随着固溶时间的增 加，合金的晶粒逐渐增大，但在4 8 h 之内增加幅度较小，而后增加比较明显同溶时 间增加，a l 、z n 等原子扩散更加均匀，进一步提高了合金的显微硬度。合金经2 0 5 时效处理后，析出相首先在晶界处形成，随着时效时间的延长，析出相越来越多，并 且逐渐向晶内生长；加入硅钙合金前后的析出方式有明显的不同，由原来的非连续析 出向连续析出转变，晶内析出细小弥散且分布均匀的b 相。时效前的固溶处理时间对 时效析出相的析出方式也有较大的影响，固溶处理时间越长，溶质原子扩散越均匀， 析出相的形核越困难，越有利于以连续析出方式析出。时效析出相起到了沉淀强化作 用，合金的显微硬度得到提高，硅钙合金的加入和固溶处理时间增加延缓了d 相的析 出，延迟了显微硬度达到峰值的时间，而且固溶时间长的合金在相同时效时间下显微 硬度较高。 合金的腐蚀试验表明，a m 6 0 合金腐蚀发生在整个试样表面而且腐蚀坑较深， 而加入硅钙合金后，腐蚀只在局部发生，腐蚀程度明显减轻；当加入的s i 的含量为1 8 时，合金的失重腐蚀速率降低了4 4 8 ：自腐蚀电位提高了0 0 4 v 。 关键词：a m 6 0 镁合金，硅钙合金，显微组织，性能 n 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t m a g n e s i u ma l l o yh a st h ea d v a n t a g e so fl i g h t w e i g h t ，h i g hs t r e n g t l l w e i g h tr a t i o ，h i g h s t i f f h e s s w e i g h tr a t i o ，h i g hd a m p i n gp r o p e n ya n de l e c t r o m a g n e t i s ms h i e l d i n gp r o p e n y a n ds oo n i th a sb r i g h tp r o m i s ef o rm a g n e s i u ma l l o yt 0b ew i d e i yu s e di na v i a t i o na n d s p a c e n i 曲t ，v e h i c l e ，e l e c t r o m m u n i c a t i o n ，a 1 1 di sr e g a r d e da s t h em o s tp m m i s i n gg r e e n m a t e r i a lo ft h e2ls t c e n t u r y f o l l o w i n gw i t ht h e1 i g h t w e i g h to fa u t o m o b i l e s ，m o r ea n d m o r ea u t o m o b i l e s c o m p o n e n t sa r em a d ef r o mm a g n e s i u ma l l o y s ，w h e r et h ew h e e l sh a v ea s p e c i a lm a g n 湎c e n c ea n de f 琵c tf o rt h ew e i 曲t s a v eo fa u t o m o b i l e s b u tw h e e l ss h o u l d h a v eb o t hh i g hs t r e n g t ha n dh i g ht o u g h n e s sd e p e n d i n go nt h e i rw o r k l n ge n v i r o n m e n t ，t h e m a g n e s i u ma l l o y sa tp r e s e n th a sn o ts a t i s f i e dt h er e q u i r e m e n tf o rm a t e r i a ly e t a m 6 0a n d a z 9 1a r et h em o s tb r o a d l yu s e dm a g n e s i u ma l l o y si ni n d u s t r y a m 6 0a l l o yh a sah i g h d u c t i l i t yb u ti t ss t r e n g t hn e e d st ob ei m p r o v e d t h es ia d d i t i o nt om a g n e s i u ma l l o y sc a u s e sa ni n c r e a s e df l u i d i t yo ft h em 0 1 t e nm e t a l t h em 9 2 s if 0 珊e db yt h ea d d i t i o no fs ie x h i b i t sh i g hm e l t i n gp o i n t ，h i g hh a f d n e s s ，l o w d e n s i t y ，h i 曲e l a s t i cm o d u l u sa 1 1 dl o wt h e 肌a le x p a i l s i o nc o e 蕊c i e n t b u tt h ee x i s t e n c eo f t h ec o a r s ec h i n e s es c r i p tt y p em 9 2 s ip h a s ec a nl e a dt ot h er e d u c t i o no ft h em e c h a n i c a l p m p e n i e so f t h ea l l o y s p r o p e ra d d i t i o nc at om a g n e s i u ma l l o y sc a nb ee m c i e n ti nr e f i n i n g t h em i c r o s t r u c t u r e ，a n dc a u s e sam o r p h o l o g i c a lc h a n g ei nm s ip a n i c l e sf r o mc o a r s e c h i n e s es c r i p ts h a p et oas m a l ip o l y g o n a lt y p e r e l a t e di n v e s t i g a t i o n sh a v er e v e a l e dt h a t t h em o d i n c a t i o nm e c h a n i s mo fc ai sp o l y g o n a lt y p em 9 2 s ip a n i c i e sn u c l e a t ef b m c a s i 2 p a r t i c l e s t oi m p o r ts ia n dc a ，m a n yo ft h es t u d i e sh a v eb e e nr e a l i z e db ya 1 s i ，a 1 。c ao r m g c am a s t e ra l i o y s h o w e v e li e s sw o r kh a sb e e nc a r r i e do ni m p o n i n gs ia n dc ab y s i l i c o c a l c i u mw h i c hi sa p p l i e dw i d e l yi ns t e e l m a k i n g i nt h i sp a p e r ，f o u rk i n d so fn e wa m 6 0 a l l o yh a v eb e e nd e v e l o p e dw i t hs i l i c o c a l c i u m e f 侥c t sa n dm e c h a n i s mo fs i l i c o c a l c i u ma d d i t i o no nt h em i c r o s t m c t u r e sa n dp m p e n i e s h a v e b e e n i n v e s t i g a t e du s i n gm o d e ma n a j y s i sa n dt e s tf a c i l i t i e ss u c ha so d t i c a l m i c r o s c o p y ( o m ) ，x 。r a yd i f h c t o m e t e r ( x r d ) ，d i f r e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r i c ( d s c ) ， s c a l l l l i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) w i t he n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o m e t e r ( e d s ) a n d l i i 塑型查堂堡主兰堡堕苎垒壁翌垦垒曼三 w h i l s tt h et e s to ft h e i rn u i d i t y ，m i c r o h a r d n e s s ，t e n s i i et e s t ，i m p a c tt o u g h n e s s ，c o r r o s i o n p o t e n t i a l ，p 0 1 a r i z a t i o nc u r v e sa n d l o s tw e i g h tc o r r o s i o nr a t e e x p e r i m e m a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep o i y g o n a lt y p em 9 2 s ip h a s ec a nb eg a i n e d d i r e c t l vw i t hs i l i c o c a l c i u ma d d i t i o n ，a n dt h ec o a r s ec h i n e s es c r i p tt y p em 9 2 s ip h a s ew o n t b ef o u n d i ti sp o s s i b l eb e c a u s et h em o d m c a t i o nt h a ta 1 8 m n 5p a r t i c l e sa n dc a s i 2p a n i c l e s i ns i l i c o c a l c i u ma c ta st h eh e t e r o g e n e o u sn u c l e a t i o nf o rt h em s ip h a s e t h em 9 2 s i p a n i c l e sh a v et h ee 仃e c to fs e c o n d p h a s es t r e n 群h e n i n g t h em i c r o s t r u c t u r e o fa m 6 0 c a s t i n gm a g n e s i u ma l l o yi se f 艳c t i v e l yr e f i n e db ya d d i t i o ns m a l la m o u n to fs i i i c o c a l c i u m ， a n dw i t ht h ei n c r e a s eo fs i i i c o c a l c i u m ，m ef r a c t i o no fp m g l 7 a 1 1 2p h a s ei si n c r e a s e g r a d u a l l y ；t h ep m g l 7 a l l 2p h a s eb e c 栅en n e ra n di t sd i s t r i b u t i o ni sm o r ed i s p e r s i o n t h e m i c r o h a r d n e s s ，t e n s i l es t r e n g t ha n dr a t eo fe l o n g a t i o no fa s c a s ta l l o yw i m1 8 s i a d d i t i o nw a s2 5 ，1 3 9 a n d2 8 5 h i g h e rt h a na m 6 0a l l o y ，a n dt h ei m p a c tt o u g h n e s s w a s2t i m e st h a to fa m 6 0a l l o y w i t ha nh c ps t m c t u r e ，f a i l u r eo fa m 6 0a l l o y si su s u a l l y b r i t t l et h r o u 曲c l e a v a g eo rq u a s i - c l e a v a g ef r a c t u r e i nc l e a v a g e 触c t u r e ，m i c r o c r a c k s d e v e l o pa l o n gc e r t a i nc r y s t a lp l a n e s ，w l l i c hi s ( 0 0 0 1 ) f o rm a g n e s i u m t h ef r a c t u r eo f a m 6 0w i t hs i l i c o c a l c i u ma d d i t i o n so b v i o u sf e a t u r e st h ec o m b i n a t i o no fq u a s i - c l e a v a g e a n dl o c a lg l i d i n gf r a c t u r e t h er e s u l t so ff l u i d i t ya n ds o l i d i f i c a t i o ns h o wt h a tt h e n u i d i t y i s i n l p m v e d s i g n m c a n t l yb ya d d i n gs i l i c o c a l c i u m n l el i q u i d u st e m p e r a t u r eo fa m 6 0a l l o yw a s d e c f e a s e dg r a d u a l l yw i t ht h ea d d i t i o no fs i l i c o c a l c i u m ，a n dt h es o l i d m c a t i o nm n g e d e c r e a s e df i r s t l yt h e ni n c r c a s e da g a i n t h ed i v o r c e de u t e c t i ci n 幽ea l l o yw i t hs i l i c o c a i c i u m a d d i t i o nh a p p e ne a s i l yb e c a u s et h ef o n a t i o no fm 9 2 s ip h a s eb o o s tt h ea la t o m si n s o l i d l i q u i db o u n d a r y t h er c s u l t so fh e a tt r e a t m e n t ss h o wt h a tt h e p - m g i 7 a l l 2d i s s o l v e dc o m p l e t e l yi n m a t r i xa n df o 玎n e ds u p e r s a t u r a t e da m gs 0 1 i ds 0 1 u t i o na f t e r4 1 0 a n d1 2 hs o l i ds o l u t i o n t r e a t e d t h em 9 2 s ip h a s ed o e s n tc h a i l g ea r e rs o l i ds 0 1 u t i o nt r e a t e d t h ea v e r a g eg r a i n s i z eo fa l l o yw i t h1 8 s i a d d i t i o nd e c r e a s e df r o m 18 0 l mt o8 0 恤m t h em a t r i x e s ， m i c r o h a r d n e s sv a l u e sw e r ei n c r e a s e da n e rs o l i ds o l u t i o nt r e a t e d w i t hi n c r e a s i n gs o l i d s o l u t i o nt i m e ，t h ea v e r a g eg r a i ns i z eo f a n o yi n c r e a s eg r a d u a l l y ；b u ti t ，su n c o n s d i c u o u si n 4 8 h ，a n df o l l o w si n c r e a s i n gr a p i d l yt h em i c r o h a r d n e s sv a i u e sw e r eg o n eo ni n c r e a s i n 窟 1 v 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a c t b e c a u s ea l 、z na n do t h e rs 0 1 u t ea t o m sd i f 如s e dm o r eu n i f o r m i t ya r e r2 0 5 a g i n gh e a t t r e a t e d ，p - m g l 7 a 1j 2p h a s e sp r e c i p j t a t e di ng r a i nb o l l l l d 撕e s 矗r s t 】y w i t hi n c r e a s j n gt h e a g i n gh e a tt i m e ，m o r ea n dm o r ep m g l 7 a l l 2p h a s e sp r e c i p i t a t e da n dg r e wf 幻mg r a i n b o u n d a r i e st ot h ei n s i d eo fg r a i n s t h em e a n so fp r e c i p i t a t i n gm e c h a n i s mi sd i f 瓷r e n t o b v i o u s l yw i t hs i l i c o c a l c i u m a d d i t i o na n dc h a n g e dd i s c o n t i n u o u sp r e c i p i t a t i o ni n t o c o n t i n u o u sp r e c i p i t a t i o ng r a d u a l l y ，0 nt h eo m e rh a n d ，s o l i ds 0 1 u t i o na n da g i n gh e a t t r e a t m e n t sc o u l d n tc h a n g et h es h a p eo fm 9 2 s ip h a s eo b v i o u s l y t h es o i i ds 0 1 u t i o nt i m e b e f o r ea g i n gh e a tt r e a t m e n th a di m p o r t a n te f 绝c tt o o b e c a u s em o r es 0 1 i ds 0 1 u t i o nt i m e ， a i l dm o r eu n i f o m l i t yo ft h es 0 1 u t ea t o m s ，a n di t sd i 伍c u l tt on u c l e a t ef o rp r e c i p i t a t e dp h a s e t h em i c r o h a r d n e ，s sv a l u ei si n c r e a s e da f t e ra g i n gh e a tt r e a t m e n t sf o rp r e c i p i t a t i o n i nt h e s a m ea g i n gh e a tt r e a t m e n tt i m e ，t h em i c r o h a r d n e s sv a l u ew a sh i g h e ro fl o n gs o l i ds 0 1 u t i o n t i m et h a nt l l a ts h o r ts 0 1 i ds 0 1 u t i o nt i m e c o r r o s i o ne x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o r r o s i o nt o o kp l a c ew h o l es a m p l e s u r f a c ei na m 6 0a l l o y w h 1 ec o r r o s i o nt o o kp i a c eap a no ft h es a m p l eo ft h ea l l o yw i t h s m a l la m o u n ts i l i c o c a l c i u ma d d i t i o n sa n dt h ed e g r e ew a s1 i g h t e rt h a na m 6 0a l l o y t h e c o r r o s i o np o t e n t i a lo fa l l o yw i t h1 8 s ia d d i t i o nw a so 0 4 vh i g h e rt h a nt h a to fa m 6 0 a l l o y ，a n dt h el o s tw e 培h tc o h d s i o nr a t ew a s4 5 l o w e r t h a nt h a to fa m 6 0a l l o y k e yw o r d s ：a m 6 0m a g n e s i u ma l l o y ；s i l i c o c a l c i u m ；m i c r o s t m c t u r e ；p m p e n y v 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭等 违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切法律责任 和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) 强保辛 劲。占年，月2 d 日 郑 l 大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景 早在1 8 0 8 年，英国化学家s i r h u m p l l r e yd a v y 就制备出少量含有杂质的金属镁， 从此，历史掀起新的一页。世界各国的科学家们都在努力寻找提炼镁的方法以及解决 镁应用的问题。然而由于技术水平以及其它方面的影响，镁的应用一直受到限制。当 今的世界面临着能源的危机，环境的严重污染，降低能源消耗、提高能源利用率、减 少环境污染以及节约地球有限资源是当今人们所面临的一个十分重要而紧迫的问题。 例如，汽车生产厂家都在以减轻汽车的自重，从而降低能耗、减少污染、提高效率这 一重要措施来提高自身的竞争力。有关资料显示：汽车自重每减轻1 0 0 k g ，油耗可减 少o 7 l ，k m 【2 】；汽车自重每减轻1 0 ，燃油的效率可提高5 5 【3 】o 由此，镁合金的研 究与应用又被提上日程，世界各大汽车公司已经将镁合金制造汽车的零部件作为重要 的发展方向【4 8 1 。 镁的密度只有1 7 8 9 ，c m 3 ，为铝的2 3 ，钢的1 4 【9 】，具有高的比强度、比刚度、 减振性、导热性、可切削加工性和可回收性，因而被称为2 l 世纪的“绿色”工程材 料，表1 - 1 列出了几种常用结构材料的性能。另外，镁也是自然界中分布最广的元素 之一，金属中仅次于a l 和f e 占第三位。因为镁合金具有优良的综合性能，能被应用 于汽车，计算机，通讯等广阔领域。 表1 1 镁与其它结构材料的性能比较 ! ! ! ：! ：! ! ! g ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! 坚g ：坚! ! ! ! ! ：! 竺! ! ! 竺竺! ! ! ! ! ! ! ! ! 12 ：! ! 垡! ! ： 材料 密度弹性模量比弹性模量 强度比强度热导率 减震系数 类别 幢c 一 ，g p a ，g p a - c m 3 g - l ，m p a m p a c m 3 g - i 例c m k 1肠 铸铁7 41 8 02 4 3 2 0 0 一4 0 02 7 5 4 8 01 0 1 7 铝 2 77 0 2 5 92 0 0 - 3 5 0 7 3 1 2 82 4 7 2 5 塑料1 5 - 21 5 2 51 0 1 2 5 l o o 2 5 05 0 1 6 7 2 0 5 0 j 墨羔! ! ! 垄：堑! ! ! ：! ! !坠! ! ! ! ! ： ! ! ：竺 汽车生产商尝试用镁压铸件来减轻汽车重量的方法至少已经有7 0 多年的历史 了。最早如德国的a l d e r 工厂在1 9 2 7 年到1 9 3 0 年之间，在其生产的每辆汽车上就 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 用了平均7 3 8 埏左右的镁。到了上世纪8 0 年代初，北美的汽车生产商们为了达到 c a f 色( 平均燃油标准) 的要求而重新尝试将镁用于制作汽车零部件以减轻汽车的净重 量。新型商用镁合金如a z 、a m 系列合金的成功开发也极大地激发了企业商的兴趣， 一些企业在这一领域里投入了大量的人力和物力，并成功地将其研究成果付诸生产。 之后，欧洲在8 0 年代末期也开始了类似的研究发展计划。而镁压铸汽车零部件在欧 洲的真正广泛应用只是近年来的事情，但其发展十分迅速。发展速度远超过北美与世 界其它地区。目前在欧洲正在使用或正处于研制中的镁基压铸汽车零部件至少超过 6 0 种。综合看来，仪表盘基座、座位框架、方向盘轴、发动机阀盖、变速箱壳、车 轮、汽车车身等几十种零部件使用镁合金普及率最高。 我国拥有极其丰富的镁资源，镁的生产能力极强，近年来原镁产量占全球的4 0 以上，其中8 0 的原镁用于出口。可是，中国的镁工业却没有受到本国汽车、电子通 讯等行业的重视。2 1 世纪是镁合金材料飞速发展的时代，发达国家已经领导了新世 纪镁材料发展的新潮流。加入w t o 以后，全球的经济一体化将使我国的制造业面临 更大的挑战和机遇。因此，要想使我国在激烈的世界高新技术中占据一席之地，必须 尽快开展镁合金产业化成套技术装备的研制和开发，使中国不仅成为镁资源大国，而 且成为镁产品强国。因此，我国汽车、摩托车等交通行业的骨干企业，己经结合具体 产品或部件制订出采用镁合金的新产品研究开发计划。 1 2m g a l 系合金的研究现状 m g a l 系合金具有良好的机械性能、铸造性能和抗大气腐蚀性能，是目前应用最 广泛的铸造镁合金。常用的4 个系列为：a z ( m g a l - z n ) 系列、a m ( m g a 1 m n ) 系列、 a s ( m g a 1 - s i ) 系列和a e ( m g a l - r e ) 系列。 1 2 1a z 系合金的研究现状 a z 系合金是现有镁合金中最常用的，当铝含量为9 时，镁合金的强度最大， 当a l 为3 时，合金的塑性最好，当a l 含量为6 时，合金的综合性能较好。在这 一系列合金中，a z 9 l 由于良好的可铸造性及极好的机械性能与物理性能而成为目前 工业中最常用的压铸镁合金。为提高其抗蚀能力，先后开发出a z 9 1 a 、a z 9 l b 、 a z 9 l c 、a z 9 l d 、a z 9 l e ，依次合金元素的纯度增加以提高其抗腐蚀能力。其典型应 ， 郑州犬学硕士学位论文 第一章绪论 用为汽车部件、计算机部件，移动电话部件、运动器材部件、手动工具、家用器材 等。由于a z 9 1 合金的沉淀强化相m g j7 a l l 2 相的热稳定性较低( t m = 4 3 7 ) ，在从室 温加热到2 0 0 时，m 9 1 7 a l l 2 相的硬度便减少5 0 6 0 16 1 ，从而失去强化作用。国内 外研究多集中于通过改变a z 9 l 合金中的m g l 7 a 1 1 2 相的数量、形状、大小和分布来提 高其高温性能。通常在合金中加入s b 19 1 、b i 【1 6 1 、s n 【2 0 】、b e 【2 1 】、c a 1 扪、s i 【2 0 】、r e 【1 3 ，1 7 】 等元素来改善合金的显微组织，从而提高合金性能。 1 2 2a m 系合金的研究现状 a m 系镁合金由于含铝量较低，使合金中含铝的二次化合物相的析出量减少，故 该系合金具有优良的塑性和韧性，强度则有所降低。主要合金为a m 6 0 、a m 5 0 、a m 2 0 ， 其中a m 6 0 b 为高纯牌号，与a z 9 1 d 一样具有优良的耐蚀性能，用于要求较高塑性、 韧性和耐蚀性的场合代替a z 9 1 d 合金，制作经受冲击载荷、安全性能要求较高的零 部件，典型应用为汽车座架、方向盘、仪表盘、通风器等。在其添加的主要合金元素 中，铝通过固溶强化和形成沉淀析出相，提高合金的强度和耐蚀性，降低塑性：锰在 镁合金中抑制铁元素的活性，有效提高合金的耐蚀性，而且本身也起一定的固溶强化 作用；少量添加锌可以显著改善合金的铸造性能。 1 2 3a s 系合金的研究现状 a s 系列镁合金早期的研究开始于2 0 世纪7 0 年代【2 2 】，主要合金为a s 4 1 、a s 2 l 和a s 2 1 x ，其强化机理主要是在晶界及晶界附近形成细小弥散的m s i 热强化相。 然而，a s 系合金中往往形成粗大汉字型m 9 2 s i 相，从而降低合金的延伸率。研究表 明2 4 25 1 ，微量的c a 、s r 、p 等元素的加入可以变质并净化m 9 2 s i 相，细化合金组织， 改善合金室温及高温下的性能。 1 2 4a e 系合金的研究现状 a e 系列的主要合金牌号为a e 2 1 、a e 4 l 和a e 4 2 。在a e 系列合金中可能存在 的合金相有m g l 7 a l l 2 、a l 【l r e 3 、a 1 2 r e 、m g l 2 r e 、a l i o r e 2 m n 7 和m g c e 2 。r e 提高各 金室温和高温性能的机理为固溶强化和形成m g r e 相或a 1 r e 相起到沉淀强化。 现在，提高m 分a l 合金的高温抗蠕变性能仍是镁合金研究的一个热点，常用的 方法是降低铝含量以减少熔点低且在高温下易软化和粗化的p m g l 7 a l l 2 相以及加入 可形成较高热稳定性弥散相的合金元素( 如r e 、s i 、c a 等) 【2 2 】。近年来，日本联合加 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 入c a 和r e 元素，开发了一种新的耐热镁合金a c m 5 2 2 ( m g 5 a l 一2 c a - 2 r e o 3m n ) ， 可在1 5 0 2 0 0 范围使用【2 2 】。s b 、s n 、b i 等元素被认识到也是提高m g a l 合金抗蠕 变性能的新的合金元素1 1 6 1 9 ，2 6 1 。 1 3 镁合金目前存在的问题 由于镁的晶格结构是密排六方，滑移系少，在温度较低时主要为 0 0 0 1 ( 1 1 2 0 ) 基面滑移及少数 1 1 1 0 ) ( 1 1 2 0 ) 棱面滑移，在很小的应变下就会产生微孔，所以表 现出来的塑性较差1 1 1 】，其塑性变形能力比a l 差很多，难以加工成型，这使得镁合金 的大部分制品只能以铸件的形式得到应用。现在普遍应用的镁合金的高强合金系为 m g a l z n 和m g z n z r ，其强度和韧性均比铝合金低。因此现有镁合金的室温强度和 韧性均有待于进一步提高。 由于镁元素极为活泼，镁合金在熔炼和加工过程中容易氧化燃烧，这使镁合金的 生产难度较大，解决镁合金燃烧问题也是提高镁合金广泛应用的一个重要因素( 1 2 ，】。 当温度升高时，镁合金的强度下降很快，强度随温度的保持率( 在温度升高时保 持室温强度的百分率) 很低，图l 1 为高强铸造镁合金z e 6 3 ( m g 一6 z n - 3 r e ，t 6 状态) 和铝合金2 0 1 1 ( a 1 4 6 c u o 7 a g o 3 5 m n 一0 3 5 m g 一0 2 5 t i ，t 6 状态) 的强度随温度的保持 率。由图可见，镁合金的高温强度稳定性较差，这一特征限制了其应用的范围。如何 提高镁合金的高温性能便成为广大材料工作者研究的个重点f 1 4 】。 5 0 l o o1 5 02 0 0 温度 图l - 1 镁、铝合金高温下的强度保持率 f i g 1 - 1s t r e n g t hp e r c e n t a g e o f m ga n d a la i l o y s i n h i g h t e m p e r a t u r e 常用的铸造镁合金的结晶温度间隔一般都较宽，充型性不好，凝固收缩大，热裂 倾向严重，致使镁合金铸造工艺复杂，严重阻碍了它的应用和发展。 o 謇斟毒f蹯魁骠 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 耐蚀性差曾是镁合金扩大应用的另一大障碍。由于镁的电极电位低，化学性质活 泼，在潮湿的空气、水中的化学性是不稳定的，与大多数无机酸相互作用剧烈。镁的 氧化膜与铝的氧化膜不同，是不致密的，不能保护内部金属的继续腐蚀。随着表面处 理技术的发展以及高纯镁合金的问世，这一障碍正在被逐步地克服。 因此，要扩大镁合金的应用范围，使其满足轮毂等大型铸件所要求的高强度和高 韧性以及抗疲劳及耐腐蚀，就必须提高镁合金的强韧性和耐腐蚀性能，本课题正是在 这种情况下提出来的。 1 4 镁合金强韧化方法 1 4 1 纯化、净化i l 】 纯化和净化就是要降低材料中气体的含量、减少夹杂物、控制杂质元素的含量。 铸造镁合金在熔炼过程中容易受周围环境介质的影响，进而影响合金熔体质量，导致 铸件中出现气孔、夹渣、夹杂和缩孔等缺陷。因此，为了提高镁合金的强韧性，需要 对镁合金熔体进行净化处理。通常可以从正确使用熔剂、加强熔体液面的保护和对熔 体进行充分的净化处理等三个方面来进行控制。 1 4 2 合金化 目前，提高铸造镁合金的强韧化的一个主要方法就是合金化，即向纯镁中添加合 金化元素，利用固溶强化、沉淀硬化和弥散强化来提高合金的常温及高温性能阶3 0 1 。 合金化设计从晶体学、原子的相对大小，以及原子价、电化学因素等孙】方面进行考虑， 选择的合金化元素应在镁基体中有较高的固溶度，并且随着温度变化有明显的变化， 在时效过程中合金化元素能形成强化效果比较突出的过渡相。除了对力学性能进行优 化外，还要考虑合金化元素对抗蚀性、加工性能及抗氧化性的影响。根据合金化元素 对二元镁合金机械性能的影响，可以将合金化元素分为三类2 7 ，2 9 l ： 提高强度韧性的( 以合金元素作用从强到弱排序) ， a l ，z n ，c a ，a g ，c e ，g a ，n i ，c u ，t h ( 以强度为评价指标) ， t h ，g a ，z n ，a g ，c e ，c a ，a l ，n i ，c u ( 以韧性为评价指标) ； 能增强韧性而强度变化不大的，如c d ，t l ，“： 明显增强强度，而降低韧性的，如s n ，p b ，b i ，s b f 3 2 】。 郑州大学硕j 学位论文 第一章绪论 1 4 2 1 固溶强化【3 3 j 固溶强化是合金化元素( 溶质) 完全溶入基体金属( 溶剂) 中，溶质原子在溶剂晶格 点阵处取代了溶剂原子，从而通过原子错排及溶质与溶剂原子之间弹性模量的不同而 强化基体金属。另外，如果溶质原子能提高合金熔点，增大弹性模量，减小原子的自 扩散，则抗蠕变性也随之得到改善。固溶后屈服强度的增加将与加入溶质元素浓度的 二分之一次方成正比，如图1 2 所示。 根据h m u e r o t h e r y 规则，当溶质原子和溶剂原子的半径