（材料加工工程专业论文）mgcual新型镁合金半固态非枝晶组织演变规律研究.pdf

硕士学位论文 摘要 镁合金作为最轻的工程结构材料越来越受到广泛应用，但由于镁是活性金 属，在熔融状态下氧化快，容易燃烧，传统的成形方法难以控制，而采用半固态 成形，液相比例小又能低温作业，氧化燃烧的危险性明显减少，半固态加工技术 是近年来金属成形加工技术研究的热点之一，与传统的铸造工艺相比，具有独特 的技术优势和广阔的应用前景。其突出的特点是易于近终成形，可以提高材料利 用率和节约能源。另外，可以减少宏观偏析、防止内部缺陷，减少气体夹杂，降 低气孔率，从而提高成形件的性能。同时还能减少对模具的热冲击，有利于提高 模具的寿命。因此，综合半固态加工技术的特点和镁合金的优缺点，开发适合半 固态成形的镁合金材料具有很好的发展前景。 a l 是镁合金中最常用、最有效的合金化元素，在m g a i 合金中加入c u 可 改善铸件的韧性及固溶处理特性，可在室温和高温下表现较为良好的力学性能。 c u 的加入能够显著提高m g a i 合金的固相线温度，能够在更高的温度下进行固 溶处理，使较多的合金化元素固溶于合金基体中，增强了随后的时效强化效果， 而且c u 还能显著提高合金的延展性。因此，本论文选取不同c u 、a i 含量的9 种合金作为试验合金，利用等温热处理法制备半固态浆料，观察并分析其半固态 非枝晶组织的演变过程。 研究结果表明：经过等温热处理，m g c u a 1 合金枝晶状组织均有熔断并向 球状组织转化的趋势，但c u 、a 1 元素含量的不同使得组织形态差别较大，对9 种m g c u a i 合金的半固态重熔非枝晶组织及其演变规律进行分析研究，可以看 出，在a l 含量相同时，随着c u 元素含量的增加，合金半固态重熔组织中的初 生固相颗粒的平均等积圆直径逐渐减小，而当c u 含量相同时，随着a l 元素含 量的增加，初生固相颗粒的圆整度逐渐提高，即形状系数逐渐减小。本试验得出 最佳的c u 、a l 元素含量各为5 、5 ，即m g 5 c u 5 a 1 合金相对其他合金具 有较好的半固态非枝晶组织。 比较m g 5 c u 5 a 1 合金在不同等温温度和等温时间下的组织照片，可以 得出：在不同的保温温度下分别保温15 m i n 时，随着保温温度的升高，初生固 相颗粒的平均等积圆直径逐渐减小，形状系数先减小后增大，固相率也逐渐减小； 在6 0 0 进行不同时间的保温处理，随着保温时间的延长，合金组织的转变过程 为：小碎块组织+ 近球形组织一球状组织一粗化的球状组织，从1 5 r a i n 到6 0 m i n 的保温过程中，初生固相颗粒的平均等积圆直径逐渐增大，形状系数先增大后减 小。综上所述，在6 0 0 保温15 m i n 后得到的半固态初生固相颗粒的平均等积圆 直径为4 7 4 0 1 t m ，形状系数为1 3 4 ，固相体积分数为4 8 9 3 。 m g c u a i 新犁合金半固态1 f 枝品组织演变规律研究 当等温温度达到6 1 0 。c 时，m g - 5 c u 一5 a 1 合金随保温时间延长枝晶状组织 已不再存在，但非枝晶组织并未球化，只是出现极少的( 近) 球形颗粒，初生固 相颗粒的形态各异，保温时间达到4 5 m i n 时组织已全部转变为液相，通过组织 比较，m g 5 c u 5 a 1 合金的最佳半固态保温温度及保温时间分别为6 0 0 c 、 1 5 r a i n 。 关键词：m g - c a a l 合金；等温热处理；非枝晶组织；组织演变 硕十学位论文 a b s t r a c t a st h el i g h t e s ts t r u c t u r em e t a li np r a c t i c e ，m a g n e s i u ma l l o yi sw i d e l yu s e dm o r e a n dm o r e ，b u tm a g n e s i u mi sa na c t i v em e t a l ，i ti so x i d i z e dq u i c k l yi nm o l t e ns t a t e a n de a s i l yb u r n ，t h et r a d i t i o n a lf o r m i n gm e t h o d sa r eh a r dt oc o n t r o l ，w h e nu s i n g s e m i s o l i df o r m i n g ，b e c a u s eo fs m a l lp r o p o r t i o no fl i q u i da n dl o w - t e m p e r a t u r e h o m e w o r k ，t h ed a n g e r s o fc o m b u s t i o n s i g n i f i c a n t l y r e d u c e d ，t h e s e m i s o l i d f o r i n g ( s s f ) h a sb e c o m eo n eo ft h eh o t s p o t si nt h ef i e l do f m e t a lp r o c e s s i n gi nr e c e n t y e a r s ，c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a ld i e - c a s t i n gp r o c e s s e s ，s s fh a ss p e c i a l t e c h n i c a l a d v a n t a g e sa n dw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t n e a rn e t s h a p ef o r m i n g ( n n f ) i so n e o f t h eo u t s t a n d i n ga d v a n t a g e so fs s fa n di tc a nb ee n h a n c et h eu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo f m a t e r i a l sa n ds a v er e s o u r c e i na d d i t i o n ，s s fc a nr e d u c em a c r o s e g r e g a t i o n ，a v o i d i n t e n a ld e f e c t sa n du l t i m a t e l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ef o r m e dc o m p o n e n t s a n di ta l s oc a nr e d u c et h ed e t r i m e n t a lh e a t i n ge f f e c ti nt h eu s e dm o l d sa n dp r o l o n g t h e i rp e r i o do fv a l i d i t y t h u s ，c o m p r e h e n s i v et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es e m i s o l i d p r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fm a g n e s i u ma l l o y s ，i t h a st h ev e r yg o o dp r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n ts u i t a b l ef o rt h ed e v e l o p m e n to ft h e s e m i s o l i df o r m i n go fm a g n e s i u ma l l o y a l u m i n u mi st h em o s tc o m m o n l yu s e da n de f f e c t i v ea l l o y i n ge l e m e n t si nt h e m a g n e s i u ma l l o y t h et o u g h n e s sa n ds o l i ds o l u t i o np r o c e s s i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h e c a s t i n gc a nb ei m p r o v e dw h e nc o p p e ri sa d d e di nm g - a ia l l o y ，c a nb ep e r f o r m e d r e l a t i v e l yg o o dm e c h a n i c sp e r f o r m a n c ei nr o o ma n dh i g ht e m p e r a t u r e m g a ia l l o y s o l i dp h a s el i n et e m p e r a t u r ec a nb ei m p r o v e df o rt h ec o p p e r sa d d i t i o n ，c a nb es o l i d s o l u t i o na ta h i g h e rt e m p e r a t u r e ，m a k em o r ea l l o y i n ge l e m e n ts o l i ds o l u b l ei na l l o y m a t r i x ，e n h a n c et h es t r e n g t h e n i n ge f f e c ti ns u b s e q u e n tl i m i t a t i o n ，a n dc o p p e rc a n i m p r o v et h ed u c t i l i t yo ft h ea l l o ys i g n i f i c a n t l y t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rc h o o s i n g 9 k i n d so fa l l o ya td i f f e r e n tc o p p e ra n da l u m i n u mc o n t e n ta sa ne x p e r i m e n ta l l o y ， u s i n gi s o t h e r m a lh e a tt r e a t m e n tm e t h o df o rs e m i s o l i dp u l p ，o b s e r v a t i o na n da n a l y s i s t h ee v o l u t i o np r o c e s so ft h es e m i - s o l i dc r y s t a lb r a n c ho r g a n i z a t i o n e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w e dt h a tt h eb r a n c hc r y s t a l l i no r g a n i z a t i o n o f m g c u a ia l l o yi sf u s i n ga n dh a v eat r e n do ft r a n s f o r m a t i o nt og l o b u l a ro r g a n i z a t i o n ， b u tt h ed i f f e r e n tc o p p e ra n da l u m i n u mc o n t e n t sm a k et h eo r g a n i z a t i o nf o r m sq u i t e d i f f e r e n t ，a c c o r d i n g t o a n a l y z i n g t h es e m i s o l i dr e m e l t i n g c r y s t a l b r a n c h o r g a n i z a t i o na n d e v o l u t i o nr u l eo ft h e ，m g c u a ia l l o y s ，i tc a nb es e e nt h a tw i t h t h es a m ea 1c o n t e n tt h ea v e r a g ep r o d u c tc i r c l ed i a m e t e ro ft h eb o r ns o l i dp h a s e d l l i p a r t i c l e sf o rt h es e m i 。s o l i dr e m e l t i n gt i s s u eo ft h ea l l o yr e d u c eg r a d u a l l ya l o n gw i t h t h ei n c r e a s eo fc ue l e m e n tc o n t e n t ，b u tw h e nt h ec o n t e n to fc ua r es a m e ，a l o n gw i t h t h ei n c r e a s eo fa ie l e m e n tc o n t e n t ，t h es a m el e n g t hp e l l e t so ft h eb o r ns o l i dp h a s e d p a r t i c l e se n h a n c eg r a d u a l l y ，n a m e l yt h es h a p ec o e f f i c i e n t sr e d u c e g r a d u a l l y t h e e x p e r i m e n to b t a i n st h eb e s tc ua n da ie l e m e n t si nt h e5 ( 、t ) ，5 ( 、t ) ，n a m e l y m g 。5 c u 一5 a ia l l o yr e l a t i v et oo t h e r a l l o y h a s g o o d s e m i s o l i db r a n c h o r g a n i z a t i o no fc r y s t a l 。 c o m p a r i s o nt h eo r g a n i z a t i o np h o t oo fm g 5 c u 5 a 1 a l l o y i nd i f f e r e n t i s o t h e r m a lt e m p e r a t u r ea n di s o t h e r m a lt i m e ，c a no b t a i nt h a t ：i nd i f f e r e n ti n s u l a t i o n t e m p e r a t u r eh e a tp r e s e r v a t i o n15m i n u t e sr e s p e c t i v e l y ，a l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo f t e m p e r a t u r eh e a tp r e s e r v a t i o n ，t h ea v e r a g ep r o d u c tc i r c l ed i a m e t e ro fb o r ns o l i d p h a s e dp a r t i c l e sd e c r e a s eg r a d u a l l y ，s h a p ec o e f f i c i e n td e c r e a s e sf i r s ta n da r e r i n c r e a s e sg r a d u a l l y ，a n d s t e a d yr h e o l o g i c a la s p e c ta l s od e c r e a s eg r a d u a l l y ；d o i n g h e a tp r e s e r v a t i o np r o c e s s i n gf o rd i f f e r e n tt i m ei n6 0 0 ( 2 ，a l o n gw i t ht h ee x t e n s i o no f t h eh e a tp r e s e r v a t i o nt i m e ，t h ec h a n g ep r o c e s so ft h ea l l o y o r g a n i z a t i o ni s ：s m a l l p i e c e so r g a n i z a t i o n + n e a r l ys p h e r i c a lo r g a n i z a t i o n - - g l o b u l a ro r g a n i z a t i o n - - g l o b u l a r o r g a n i z a t i o no fc o a r s e n i n g ，k e e p i n gi n s u l a t i o np r o c e s sf r o m15t o6 0m i n u t e s t h e a v e r a g ep r o d u c tc i r c l ed i a m e t e ro fb o r ns o l i dp h a s e dp a r t i c l e si n c r e a s eg r a d u a l l y ， s h a p ec o e f f i c i e n t sf i r s ti n c r e a s e sa n dt h e nd e c r e a s e s t os u mu p ，t h ea v e r a g e p r o d u c t c i r c l ed i a m e t e ro fb o r ns o l i dp h a s e dp a r t i c l e si s4 7 4 0 t mt oh e a tp r e s e r v a t i o n15m i n i n6 0 0 c ，t h e s h a p ec o e f f i c i e n ti s1 3 4 ，a n dt h es o l i dp h a s ev o l u m ef r a c t i o ni s 4 8 9 3 w h e nt h ei s o t h e r m a l t e m p e r a t u r e r e a c h610 * c ，t h ed e n d r i t i c s t r u c t u r e o r g a n i z a t i o no fm g 一5 c u 一5 a 1a l l o yh a sn ol o n g e re x i s t e dw i t ht h eh o l d i n gt i m e e x t e n d ，b u tt h eb r a n c ho r g a n i z a t i o nd i dn o tn o d u l i z i n g ，o n l yaf e w ( n e a r l y ) s p h e r i c a l p a r t i c l e s ，b o r no fs o l i dp h a s e dp a r t i c l e ss h a p e s ，t h eo r g a n i z a t i o nh a st u r n e di n t o l i q u i dw h e nt h eh o l d i n gt i m er e a c ht o4 5m i n t h r o u g hc o m p a r i n gt h eo r g a n i z a t i o n ， t h eb e s ts e m i s o l i dh e a t i n gp r e s e r v a t i o nt e m p e r a t u r ea n dt i m eo fm g 5 c u 5 a 1 a l l o yi s6 0 0 a n d1 5r a i n k e y w o r d s ： m g c u - a ia l l o y ；i s o t h e r m a lh e a t t r e a t m e n t ；n o n d e n d r i t i c m i c r o s t r u c t u r e ；m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o n i v 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 镁合金的特点及其应用现状 1 1 1 镁及镁合金的特点 金属镁具有密度小、比强度比刚度高、易切削加工等优点，同时又有着铸造 性能差、耐蚀性差、耐磨性差、易氧化燃烧等缺点。纯镁的机械性能很低，不能 直接用作结构材料【1 3 】。基于实际应用中不同的需求，既考虑要保持金属镁本身 密度小的优点，又要达到耐磨、耐蚀、阻燃、高的强度及硬度等方面的要求，针 对不同的目的就出现了不同性能特点的镁合金。镁合金具有如下特点和优势： ( 1 ) 比强度、比刚度均很高。比强度明显高于铝合金和钢，比刚度与铝合金 和钢相当，但远远高于用作工程材料的塑料。 ( 2 ) 弹性模量较低。当受到外力作用时，镁合金的外力分布将更均匀，可避 免过高的应力集中，在强度范围内承受冲击载荷时，镁合金的吸收能力比铝高 5 0 左右。因此，镁合金适于制造需要承受猛烈冲击的零件。同时，当其受到冲 击或摩擦时，表面不会产生火花。 ( 3 ) 阻尼减震性能好。镁具有非常好的滞弹、减震性能，可吸收震动与噪音， 用它来做一些设备的机壳，对于减少噪音传递、提高防冲击与防凹陷能力十分有 效。在相同的载荷作用下，其减震性是铝的1 0 0 倍，钛合金的3 0 0 5 0 0 倍。 ( 4 ) 良好的切削加工性能。镁合金的良好切削加工性能主要表现在：允许用 较高的切削速度来减少切削加工时间，比其他金属具有高出几倍的刀具寿命，很 少停机换刀，节省了操作时间与刀具成本，有良好的断屑特性及温度传导性能， 可免于使用冷却液或润滑剂，一次切屑可获得优良的表面光洁度，很少出现集屑 现象。 ( 5 ) 良好的铸造性能。在保持良好结构的条件下镁制品壁厚可小于0 6 m m 。 而铝只能在1 2 1 5 m m 的范围内才能与镁相比，塑胶制品在相同强度下是无法 达到的。另外，镁合金在长时间使用或温度升高时，其组织是不会产生变化的， 在低温( 1 0 以下) 时，也不会出现脆裂问题。 ( 6 ) 回收利用率高。镁合金的产品可完全回收再提炼，并作为a z 9 1 d 、a m 6 0 等的二次材料进行铸造。由于镁合金可回收利用的能力既完全符合环保的要求， 又可以解决对压铸件的需求不断增长的现状，所以镁合金比许多塑料材料更具吸 引力。 ( 7 ) 电磁屏蔽性能良好。镁合金具有良好的阻隔电磁波功能，适用于发出电 磁干扰的电子产品，可用于移动电话等的壳体，屏蔽辐射对人体健康的危害。 m g c u - a i 新型合金t 同态非枝品组织演变规律研究 ( 8 ) 比弹性模量低。与高强铝合金、合金钢大致相比，在铸件的等截面刚度 随其厚度呈立方比而增加时，整体构件重量轻。同时，受外力时容易产生大的变 形使受力构件的应力分布更加均匀，避免高的应力集中，在弹性范围内能承受大 的变形量。因此，镁合金适宜于铸造受猛烈碰撞的零件，如轮毂和传送带轮等。 ( 9 ) 尺寸稳定性好。不需要退火和消除应力就具有尺寸稳定性是镁合金突出 的特点。体收缩为6 ，是铸造金属中最低收缩量中的一种，冷却至室温的线收 缩为2 左右。在负载荷的情况下，又具有好的蠕变强度，这种性能对发动机零 件和小型发动机压铸件具有重要意义。 ( 1 0 ) 热导率高。镁合金的导热性比塑料要好的多，镁合金作为电子产品壳体 可以把内部电子器件产生的热很快的导出，而不至于使电子器件高温而发生故 障，这是工程塑料无法比拟的 4 - 8 j 。 除上述主要特性外，镁合金还具有在长期使用条件下的良好抗疲劳性，低的 裂纹倾向和无毒、无磁性等一些特点。 1 1 2 镁合金的应用现状 一国外镁合金应用的概况 自1 8 0 8 年镁合金面世到1 8 8 6 年开始应用于工业领域，在这7 8 年中一直发 展缓慢，到了2 0 世纪，镁合金才开始广泛应用于飞机轮毂、高性能的导弹弹翼、 飞机机翼桁架等关键部件【9 1 。近二十年来，随着汽车工业的迅速发展和镁合金压 铸技术的日趋完善，国外汽车发达国家镁合金压铸件使用已迅速扩展到转向盘、 仪表盘框架、制动马达、悬架零件、框架零件、发动机构件、座椅架、气缸罩盖、 离合器外壳、转向柱轮、手制动杆、变速箱进气歧管、轮毂等几十种零件【l0 1 。 1 9 9 6 年至2 0 0 0 年全球用于汽车零部件的镁合金压铸件的数量平均每年递增2 5 以上，其中在北美增长速度为3 0 ，在欧洲则超过6 0 嘣1 1 1 。表1 1 为世界汽车 工业上镁合金压铸件应用的统计表1 1 2 】。 表1 1 世界汽车工业上镁合金压铸件应用的统计表( 单位：千吨) t a b l e1 1t h ea p p l i e ds t a t i s t i c so fm a g n e s i u ma l l o yd i ec a s t i n g si nw o r l da u t o i n d u s t r y ( u n i t s ：t h o u s a n dt o n s ) 注：以上数据为幽际镁协会的统计资料 据专家测算，汽车所用燃料的6 0 是消耗于汽车自重，如果汽车自重能减 轻1 0 ，其燃油效率将可提高5 以上【13 1 。如果每辆汽车能使用7 0 千克镁合金 2 硕士学位论文 则二氧化碳的年排放量将能减少3 0 以上f h l 。这迫使汽车制造商采用更多的高 新技术，以生产出重量轻、耗油少、符合环保要求的新一代汽车。目前各大汽车 制造商想尽一切办法来减轻汽车重量，因此各种轻质材料也就在汽车上运用的越 来越广泛【15 1 ，表1 2 为日本汽车在9 0 年代所用材料的平均值【16 1 。 表1 2 日本汽车所用的主要材料的平均值( 单位：k g 台) t a b l e1 2t h ea v e r a g em a i nm a t e r i a lo fj a p a n e s ec a r ( u n i t s ：k g s e t s ) 欧洲正在使用和研制的镁合金汽车零部件有6 0 多种，北美正在使用和研制 的镁合金零部件有1 0 0 多种，是世界上汽车用镁合金量最大的地区【1 7 】。世界各 大汽车公司都已经把采用镁合金零部件的多少作为衡量其汽车产品是否领先的 标志【18 1 。福特汽车公司计划在今后2 0 年内将每辆汽车的镁合金用量提高到1 l3 千克，其在2 0 0 0 年整车镁合金使用量就已经达到1 0 0 多公斤【19 1 。如下表1 3 所 示： 表1 3f o r d 公司2 0 0 0 年使用的镁合金零部件分析( 单位：千克) t a b l e1 3t h ea n a l y s i si nf o r dc o m p a n yo fm a g n e s i u ma l l o yp a r t si n2 0 0 0 ( u n i t s ：k i l o g r a m ) 二国内镁合金的应用概况 在我国镁资源非常丰富，镁产量19 9 0 年世界排名为第9 位，1 9 9 5 年跃居第 2 位，仅次于美国【2 0 1 ，到2 0 0 5 年则居于世界首位。8 0 年代以前基础十分薄弱， 3 m g c u a l 新型合金半同态非枝晶组织演变规律研究 镁合金压铸的产业刚刚起步，镁铸件只在一些军事工业和航空工业上应用。改革 开放以来，桑塔纳轿车在上海投产，随着风动工具轻量化和小型化的要求，镁合 金铸件才开始进入民用，中国镁用量以每年1 2 增长，19 9 8 年突破2 万吨，其 中8 6 0 0 吨即4 3 用于铝合金的冶炼，尽2 4 0 0 吨即1 2 用作镁合金零部件的压 铸，镁合金压铸无论以吨数还是以百分数计算，规模都甚小。到目前为止在汽车 行业，国内也只有上海乾通汽车附件有限公司为上海大众汽车公司的桑塔纳轿车 配套生产的变速壳体和壳盖，是由镁合金压铸生产的( 利用德国技术) ，镁合金 用量仅为8 5 千克辆，而国外汽车的镁合金用量平均为4 0 千克辆【2 1 1 。 近几十年来，由于产品设计越来越考虑到轻量化和可持续发展的要求，镁合 金件在我国的需求量大幅度上升，正以其巨大的优势在汽车、电子行业中不断地 得到开发和应用，对强度要求不是很高的壳体件和受力不是很大的支架类零部 件，用镁合金代替塑料、铝合金、甚至钢质件1 2 引。 我国的镁工业还处于起步阶段，镁合金的应用与国外相比还有很大的差距， 限于技术开发能力，大多原镁只能用于出口而造成国内资源的极大浪费。随着我 国加入w t o ，我国名族工业受到来自外围世界市场的强烈冲击，面临的形势也 越来越严峻，特别是汽车行业。为了提高国产汽车的市场竞争能力，振兴名族汽 车工业，发展低成本、高性能、绿色化的轻量型轿车已成为当务之急。汽车和电 子产品的小型和轻量化，必然对制件的性能提出了越来越高的要求。具有低密度、 高比强度、高比刚度、良好的阻尼性、热传导性和电磁屏蔽性等性能的镁合金作 为工程应用中最轻的金属材料，是制造这些零件的理想材料。 我国镁合金发展及应用与国际水平有很大差距，不仅体现在压铸技术的研究 和应用上，更体现在零部件的设计理念上，要达到世界标准、提高产品竞争力， 我国汽车行业需要应用大量的镁合金压铸零部件。可见我国镁合金有广阔的应用 市场，发展潜力非常大【2 3 。 1 1 3 镁合金的分类 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 r e 、m g z r 、 m g t h 、m g - a g 和m g - l i 等二元系，以及m g a i - z n 、m g a i - m n 、m g - m n c e 、 m g r e z r 、m g z n z r 等三元系及其他多组元系镁合金。镁合金种类不如铝合金、 锌合金丰富2 4 , 2 5 。 按成形工艺，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于汽车零件、机件壳罩和电器构件等。 铸造镁合金多用压铸工艺生产，其主要工艺特点为生产效率高、精度高、铸件表 面质量好、铸态组织优良、可生产薄壁及复杂形状的构件等。为了使镁合金能够 大量用作结构材料，开展变形镁合金的研制非常必要。由于密排六方的镁变形能 4 硕十学位论文 力有限，易开裂，因此早期的变形镁合金要求其兼有良好的塑形变形能力和尽可 能高的强度，对其组织的设计，大多要求不含金属间化合物，其强度的提高主要 依赖合金元素对镁合金的固溶强化和塑性变形引起的加工硬化。目前，变形镁合 金中主要含有a 1 、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。 铝、锆为镁合金中的主要合金化元素。根据是否含铝，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 晶粒细化作用，但是z r 和a i 、m n 会形成稳定的金属间化合物并沉入坩埚，从 而无法开发含铝的a k 型镁合金。 1 1 4 新型镁合金的开发 由于镁合金的开发潜力和应用优势，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： 1 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i z 6 1 。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有a z ( m g a 1 z n ) 系、a m ( m g a 1 m n ) 系和m g a i 基镁合金，然而当温度高于15 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 i 合金蠕变强度，m g a i 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，这使其受到很大的限制。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【2 7 】。 2 耐蚀镁合金 镁合金电极电位低，当镁合金与其他合金接触时，一般会发生阳极电偶腐蚀。 阴极可以是与镁直接有外部接触的异种金属，也可以是镁合金内部的第二相或杂 质相【2 引。对于氢过电位较低的金属如f e 、n i 、c u 等，作为杂质在合金内部与镁 构成腐蚀微电池、导致镁合金发生严重的电偶腐蚀。而那些具有较高氢过电位的 金属，如a i 、z n 、c d 等，对镁合金的腐蚀作用相对较小。镁合金基体与内部第 二相形成的电偶腐蚀在宏观上表现为全面腐蚀。微量元素的添加可以有效改善镁 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【2 9 1 。 5 m g c u a i 新型合金、 ，同态1 f 枝品组织演变规律研究 镁合金的耐蚀性问题可通过两个方面来解决f 3 0 】：( 1 ) 严格限制镁合金中的f e 、 c u 、n i 等杂质元素的含量。例如，高纯a z 9 1h p 镁合金在盐雾试验中的耐蚀性 大约是a z 9 1 c 的1 0 0 倍，超过了压铸铝合金a 3 8 0 ，比低碳钢还好得多。( 2 ) 对 镁合金进行表面处理。根据不同的耐蚀性要求，可选择化学表面处理、阳极氧化 处理、有机物涂覆、电镀、化学镀、热喷涂等方法处理。例如，经化学镀的镁合 金，其耐蚀性超过了不锈钢。目前解决镁合金耐蚀性的方法主要有以下几种： 净化合金成分或开发新合金 使镁合金耐腐蚀性能下降的主要杂质元素有铁、镍、铜和钴。控制这些元素 的含量是解决镁合金腐蚀的有效途径之一，目前，开发高纯镁合金已成为欧美汽 车工业增加镁用量的主要途径【3 1 1 。 改善镁合金的微观结构 合金成分、加工处理方法都会影响到镁合金的腐蚀性能。通过添加合金元素 来改变镁合金中的相结构和基体腐蚀电位，从而提高镁合金的耐蚀性，是解决镁 合金耐蚀性差的重要途径之一。非晶态金属玻璃可能作为一种新的耐蚀镁合金材 料。在镁合金中添加锆也是一种可行的方法【3 2 1 。 镁合金的表面防腐蚀处理 镁合金表面由于较差的耐蚀性限制了它的应用。解决镁合金的腐蚀防护问题 一般从控制杂质含量、制备高纯合金、表面改性等几个方面入手。 3 阻燃镁合金 镁合金高温时极易发生氧化，经常会在熔炼的过程当中氧化燃烧。为解决镁 合金在熔炼过程中的氧化燃烧问题，人们先后采用了熔剂保护法【3 3 3 8 l 、气体保 护法和合金化阻燃法。熔剂保护法最大缺点是反应过程中产生的有害气体严重污 染环境并损害人体健康；而气体保护法中经常采用且具有良好保护效果的s f 6 气体，其温室效应是c 0 2 的2 4 9 0 0 倍。鉴于多年来人们在熔剂和气体保护方面 遇到巨大困难，早在2 0 世纪5 0 年代就有人提出阻燃镁合金的问题，即通过向镁 合金中添加合金元素，使其在熔炼过程中自动生成保护性氧化膜，这样将大大降 低设备及工艺的复杂程度，也不会对环境造成严重污染，具有巨大的发展潜力。 半个世纪来，材料界对阻燃镁合金的研究和开发给予了足够重视，先后开发了含 c a 、含b e 和含稀土阻燃镁合金。 4 高强高韧镁合金 尽管镁合金具有高的比强度和比刚度、很好的抗磁性、高的电负性和导热性、 良好的消振性和切削加工性能，但是镁合金的强度总的来说低于铝合金，尤其当 温度升高时，它的强度和抗蠕变性能大幅度下降，大大限制了其应用。所以提高 镁合金的室温强度和高温强度是镁合金研究中要解决的首要问题。目前国内外主 要从稀土元素合金强化、镁基复合强化和快速凝固粉末冶金法等方面进行研究， 6 硕士学位论文 以期获得高强和或高韧镁合金【3 9 1 。 1 2 半固态成形技术 1 2 1 半固态成形技术特点及现状 一半固态成形技术及其特点 半固态成形是1 9 7 1 年由d a v i ds p e n c e r 在其博士论文中首次提出的，依据其 实验发现：凝固中的金属材料经强力搅拌，将生成近球形或棒状晶组织，在半固 态温度下，该组织具有很好的成形性。对于镁合金成形而言，由于易产生显微缩 松，降低其使用性能，很少用砂型和金属型铸造，而大部分采用压铸技术生产。 传统的压铸使镁合金液以高速的紊流和弥傲状态充填压铸型腔，使型腔内的气体 在高压下或者溶解在压铸合金内、或者形成许多弥散分布在压铸件内的高压微气 孔，这些高压下溶解的气体和微气孔在高温下的析出和膨胀导致铸件变形和表面 鼓泡，因此用传统压铸方法生产的镁合金压铸件，与其他合金的压铸件一样，不 能进行热处理强化，也不能在较高温度下使用。为了消除这种缺陷，提高压铸件 的内在质量，近年来研究开发出半固态金属成形技术【4 们。 半固态成形与传统的压铸成形相比具有如下的优点【4 1 】： ( 1 ) 充型平稳、无金属喷溅、金属液氧化损失少； ( 2 ) 实现无湍流充填，降低了气体卷入的概率； ( 3 ) 型腔充填温度低，导致热冲击减弱和更短的加工周期，铸件凝固收缩小， 延长模具的使用寿命； ( 4 ) 内部缺陷少，可随后进行热处理，导致制件后继性能的提高； ( 5 ) 成形力较小，耗能少，以较少的工序实现较复杂结构件的成形，且力学 性能接近锻件水平； ( 6 ) 操作安全。 半固态成形的主要应用研究方向有如下几点： ( 1 ) 浆料或坯料制备方法研究，包括流变组织结构形成机制的确切描述。 ( 2 ) 成形过程的数学描述。 ( 3 ) 合金设计，使其在半固态温度区间下，温度变动不致影响其工艺性和力 学性能，以适应更高的固相体分率和更快速的制件成形。 半固态成形作为一种新型的成形方法，有着显著的优点，已经广泛应用于汽 车、电子通信、航空航天和国防等高科技领域【4 2 1 。与传统的金属液态或固态成 形技术不同，半固态金属成形技术一般包括三个步骤：非枝晶组织坯料的制备、 二次加热、触变成形。而这其中最为重要的步骤是非枝晶坯料的制备【4 3 1 。到目 前为止，人们已经开发出许多非枝晶组织坯料的制备方法，如机械搅拌法、电磁 搅拌法、液相线铸造法、超声波处理法、浇注温度控制法、化学晶粒细化法、应 7 m g c u a i 新犁合金中同态非枝晶组织演变规律研究 变诱发熔体激活法和压射成形法等，但这些制备方法有着投资巨大、可操作性差 等缺点【4 4 1 。而半固态等温热处理作为2 0 世纪9 0 年代中期开发出的一种非枝晶 坯料的制备方法，由于其减少了非枝晶坯料的制备，而是在坯料的二次加热中直 接实现组织的非枝晶转变，因而具有工艺简单，提高效率等优点【4 5 1 。 二半固态成形技术现状及发展趋势 目前半固态加工技术主要应用于铝合金零部件的生产，但镁合金所具有的优 异性能已经引起广大科研工作者和生产厂家的注意，采用半固态加工技术生产的 镁合金零部件也越来越多，即使是新近提出的注射成型技术，世界范围内已有 1 0 个国家，共2 6 4 台注射成型机组在进行实际生产【4 6 1 。 2 1 世纪是镁合金应用飞速发展的时代，镁合金的应用已经列入国家“十一 五”科技攻关计划。近年来我国在汽车、计算机、通讯等领域的飞速发展，以及 国外制造业向中国内地的转移，都为我国镁合金的进一步应用提供了有利机遇。 到目前为止，半固态工艺成功地应用于工业大规模生产的范围，主要局限于汽车 铸铝零部件上。扩大镁合金半固态成型技术应用的必要条件是高质量的产品和大 批量的生产规模以及较低的材料消耗和较高的生产效率，因此必须扩大半固态镁 合金及合金坯料的生产厂家，稳定提高半固态镁合金坯料的质量，扩大半固态镁 合金成型技术的应用市场。借鉴镁合金压铸和半固态铝合金加工技术发展、应用 的经验，在开展镁合金流变性能等基础研究的基础上，在积极开发镁合金半固态 浆料制备和成型新方法的同时，尽快将半固态镁合金加工技术产业化，并提供高 质量、高附加值的半固态镁合金零部件，充分发挥镁合金半固态加工技术的工艺 优势、环保优势和产品优势，才会使镁合金的半固态成型技术具有较强的竞争力 和适应性【4 7 , 4 8