（材料加工工程专业论文）ecap变形az614si和zk604si耐热镁合金组织与性能的研究.pdf

太原理 ：大学博士研究生学位论文 e c a p 变形a z 6 1 4 si 和z k 6 0 4 si 耐热镁合金组织与性能的研究 摘要 镁合金作为目前可应用的最轻的金属结构材料，具有优异的室温性能， 但当温度超过1 2 0 。c 时，抗蠕变性能显著下降，其应用受到了极大的限制。 因此，提高镁合金的高温性能尤其是高温抗蠕变性能，是镁合金研究开发 的重要方向。目前工业化的耐热镁合金主要是稀土耐热镁合金和镁基复合 材料，这两种合金由于价格昂贵，难以适应民用工业的需要，开发新型低 成本耐热镁合金成为目前耐热镁合金研究的热点。目前镁合金结构件主要 是铸造镁合金，其强度低，塑性差。变形镁合金具有高强度和高伸长率等 优点，能够满足更高的设计要求。将等通道转角挤压( e c a p ) 技术应用于 耐热镁合金的研发，系统的研究e c a p 技术对耐热镁合金组织及性能的影 响规律，为开发低成本，综合性能优良的耐热变形镁合金材料奠定理论基 础。 本义选用m g a i 系和m g z n 系中较典型的a z 6 1 和z k 6 0 合金，加入 较多量元素s i 形成高温增强相m 9 2 s i 来提高其耐热性，制成a z 6 1 4 s i 和 z k 6 0 4 s i 耐热镁合金，再利用e c a p 技术细化合金组织，提高合金力学 性能。采用金相显微镜( o m ) 、x 1 射线衍射仪( x r d ) 、扫描电子显微镜( s e m ) 及能量分散光谱仪( e d s ) 分析了材料的微观组织；采用电子万能拉伸实验 机测试了材料的室温力学性能，并测试了高温蠕变性能。对e c a p 细化镁 合金的机制、镁合金拉伸变形及断裂机制、m 9 2 s i 相形貌对镁合金室温及 高温蠕变性能的影响机制进行了探讨。研究结果表明： ( 1 ) e c a p 可显著细化镁合金组织。a z 6 1 4 s i 合金经4 道次变形基 太原理 ：人学博士研究生学位论文 体晶粒由铸态3 0 0 9 i n 细化为1 0 p m ，汉字状m 9 2 s i 由铸态的最大7 0 p m 细 化为7 p 。m ；8 道次变形使基体进一步细化为6 0 m ，m 9 2 s i 颗粒细化为5 岬。 z k 6 0 4 s i 合金经4 道次变形基体晶粒由铸态4 0 0 p r o 细化为5 5 9 m ，汉字状 m 9 2 s i 由铸态的最大7 6 p r o 细化为1 8 9 m ；8 道次变形使基体进一步细化为 2 5 p m ，m 9 2 s i 细化为极细小颗粒。e c a p 细化镁合金机制为大塑性引起的 连续动态再结晶。 ( 2 ) 由于e c a p 细化了实验合金组织，使合金力学性能得到大幅度 提高。a z 6 1 4 s i 合金经4 道次变形屈服强度提高1 2 8 ，抗拉强度增加8 9 ， 伸长率提高3 4 0 ；8 道次后，屈服强度进一步提高；但抗拉强度与伸长率 略有降低。z k 6 0 4 s i 合金经4 道次变形后屈服强度提高9 0 ，抗拉强度 提高6 3 ，伸长率提高2 0 3 ；e c a p 8 道次后，屈服强度略有下降，抗拉 强度有较大幅度提高，实验合金硬度随挤压道次增加而增大。 ( 3 ) 实验合金铸态组织中m 9 2 s i 相为汉字状，拉伸断裂时， q - m g m 9 2 s i 相界面微裂纹成为主要的裂纹源，且裂纹易沿o l m g m 9 2 s i 相 界面扩展，导致材料发生脆性断裂。e c a p 使m 9 2 s i 相碎化为颗粒状，合 金的断裂为微孔形核的韧性断裂机制。 ( 4 ) 经e c a p 后合金a z 6 1 4 s i 和z k 6 0 4 s i 高温抗蠕变性能均得到 显著提高，其机制是大量高温稳定相m 9 2 s i 颗粒分布于晶内和晶界，既阻 碍了晶内位错运动，又阻止了晶界滑移。 关键词：耐热镁合金，m g z s i 相，e c a p ，显微组织，力学性能 太原理t 大学博十研究生学位论文 m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fa z 61 4 s ia n d z k 6 0 一4 s ih e a t r e s i s t a n tm a g n e s i u ma l l o y s d e f o r m e db y e q u a l c h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g 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 a lm e t a l l i cm a t e r i a l sa p p l i e dc u r r e n t l y , m a g n e s i u m a l l o y ss h o we x c e l l e n tr o o mt e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e h o w e v e r , w h e nt h e t e m p e r a t u r ee x c e e d s 12 0 ，t h ec r e e pr e s i s t a n c es i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e sa n d i t sa p p l i c a t i o ni se x t r e m e l yl i m i t e d e n h a n c i n gt h eh i g ht e m p e r a t u r ep r o p e r t i e s o fm a g n e s i u ma l l o y s ，e s p e c i a l l yh i g h t e m p e r a t u r e c r e e pr e s i s t a n c e ，i s a n i m p o r t a n td i r e c t i o nf o rt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fm a g n e s i u ma l l o y s t h ei n d u s t r i a l i z e dh e a t r e s i s t a n t m a g n e s i u ma l l o y s a r em a i n l yr a r ee a r t h h e a t - r e s i s t a n tm a g n e s i u ma l l o y sa n dm a g n e s i u mm a t r i xc o m p o s i t e sw h i c ha r e d i f f i c u l tt om e e tt h en e e do ft h ec i v i l i a ni n d u s t r yd u et ot h ee x p e n s i v ep r i c e t h er e s e a r c he m p h a s i so fh e a t - r e s i s t a n tm a g n e s i u ma l l o y si sf o c u so nt h e d e v e l o p m e n to fn e wl o w - c o s th e a t - r e s i s t a n tm a g n e s i u ma l l o y sr e c e n t l y t h e m a g n e s i u ma l l o ys t r u c t u r a lc o m p o n e n t sw h i c ha r em a i n l ym a d eo fc a s t m a g n e s i u ma l l o y s h o wl o w e r s t r e n g t h a n dp o o rp l a s t i c i t y d e f o r m a t i o n m a g n e s i u ma l l o y sw i t hh i g hs t r e n g t ha n dh i g he l o n g a t i o n ，e t c c a nm e e th i g h e r d e s i g nr e q u i r e m e n t s t h u s ，u s i n ge q u a lc h a n n e la n g u l a rp r o c e s s i n g ( e c a p ) t e c h n o l o g yi nt h er & do fh e a t r e s i s t a n tm a g n e s i u ma l l o ya n ds y s t e m a t i c a l l y i i l 太原理工大学博士研究生学位论文 i n v e s t i g a t i n gt h ee f f e c tl a wo fe c a pt e c h n o l o g yo nt h em i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so fh e a t r e s i s t a n tm a g n e s i u ma l l o yc a ne s t a b l i s ht h eb a s i sf o rt h e d e v e l o p m e n to fn e wh e a t - - r e s i s t a n c em a g n e s i u ma l l o y s w i t hl o w - c o s ta n d e x c e l l e n tc o m b i n a t i o np r o p e r t i e s i nt h i ss t u d y , t y p i c a la z 61 m a g n e s i u ma m o n gm g a 1s y s t e ma n dz k 6 0 a l l o ya m o n gm g z ns y s t e mw a ss e l e c t e da sm a t r i xm a t e r i a l s h i g h e ra m o u n t s o fe l e m e n ts iw a sa d d e dt of o r mh i g ht e m p e r a t u r ep h a s em 9 2 s if o ri m p r o v i n g i t sh e a tr e s i s t a n c e t h ea z 61 4 s ia n dz k 6 0 4 s ih e a t r e s i s t a n c em a g n e s i u m a l l o y s w e r em a d e e c a pt e c h n i q u ew a su s e dt or e f i n et h e a l l o y s m i c r o s t r u c t u r ea n dt oi m p r o v ei t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o p t i c a lm i c r o s c o p e ( o m ) ，x r a yd i f f r a c t i o n ( x a d ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a n d e n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o s c o p y ( e d s ) w e r eu s e dt oa n a l y z e t h e a l l o y s m i c r o s t r u c t u r e e l e c t r o n i cu n i v e r s a lt e n s i l et e s t i n gm a c h i n ew a su s e dt ot e s t t h ea l l o y sr o o mt e m p e r a t u r em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dh i g ht e m p e r a t u r ec r e e p r e s i s t a n c e t h e m a g n e s i u ma l l o y s r e f i n e m e n tm e c h a n i s m b y e c a r m a g n e s i u ma l l o yt e n s i l ed e f o r m a t i o na n df r a c t u r em e c h a n i s m sa n dt h ee f f e c t m e c h a n i s mo fm 9 2 s ip h a s em o r p h o l o g yo nt h er o o mt 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 sa n dh i g ht e m p e r a t u r ec r e e pr e s i s t a n c eo f t h em a g n e s i u ma l l o y sw e r e s t u d i e d t h er e s e a r c hr e s u l t sa r es h o w na sf o l l o w s ： ( 1 ) t h em i c r o s t r u c t u r eo fm a g n e s i u ma l l o y sc a nb es i g n i f i c a n t l yr e f i n e d b ye c a p a f t e r4 - p a s se c a p , t h em a t r i xg r a i n so fa z 6 1 4 s ia l l o ya r ec h a n g e d f r o m30 0 9 mo ft h ea sc a s ta l l o yt o10 ，t m c h i n e s es c r i p tt y p em 9 2 s ip a r t i c l e s 太原理r ：大学博士研究生学位论文 a r ec h a n g e df r o mt h em a x i m a l7 0 9 mo ft h ea sc a s ta l l o yt o7 9 m a f t e r8 - p a s s e c a p , t h em a t r i xg r a i n sa r ef u r t h e rr e f i n e dt o6 9 ma n dt h em 9 2 s ip a r t i c l e st o 5 岬t h em a t r i xg r a i n so fz k 6 0 4 s ia l l o ya r ec h a n g e df r o m4 0 0 p mf o ra sc a s t a l l o yt o5 5p r o c h i n e s es c r i p tt y p em 9 2 s ip a r t i c l e sa r ec h a n g e df r o mt h e m a x i m a l7 6 p mo ft h ea s c a s ta l l o yt o18 9 i na f t e r4 - p a s se c a et h em a t r i x g r a i n sa r ef u r t h e rr e f i n e dt o2 5g ma n dt h em 9 2 s ip a r t i c l e sa r ev e r ys m a l l p a r t i c l e sa f t e r8 - p a s se c a rt h er e f i n e m e n tm e c h a n i s mo fm a g n e s i u ma l l o y b ye c a pi s c o n t i n u o u sd y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o nc a u s e db yl a r g ep l a s t i c d e f o r m a t i o n ( 2 ) t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ee x p e r i m e n t a la l l o yi m p r o v ed u et o t h em i c r o s t r u c t u r er e f i n e m e n te f f e c tb ye c a et h ey i e l ds t r e n g t h ，t e n s i l e s t r e n g t ha n de l o n g a t i o no fa z 6 1 4 s i a l l o ya f t e r4 - p a s se c a pi n c r e a s eb y 12 8 ，8 9 a n d3 4 0 ，r e s p e c t i v e l y t h ey i e l ds t r e n g t ho ft h e8 - p a s se c a p a z 61 4 s ia l l o yf u r t h e ri m p r o v e sw h i l et h et e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o n s l i g h t l y r e d u c e t h e y i e l ds t r e n g t h ，t e n s i l es t r e n g t h a n d e l o n g a t i o n o f z k 6 0 - 4 s ia l l o ya f t e r4 - p a s se c a pa r ei m p r o v eb y9 0 ，6 3 a n d2 0 3 ， r e s p e c t i v e l y t h ey i e l ds t r e n g t ho ft h e8 - p a s se c a pz k 6 0 4 s ia l l o ys l i g h t l y d e c r e a s e sw h i l et h et e n s i l es t r e n g t hi n c r e a s e ss i g n i f i c a n t l y t h eh a r d n e s so ft h e e x p e r i m e n t a la l l o yi n c r e a s e sw i t ht h ep r e s s i n gt i m e si n c r e a s i n g ( 3 ) m 9 2 s ip h a s ei s s h o w nw i t hc h i n e s es c r i p tt y p ei nt h ea s c a s t m i c r o s t r u c t u r eo ft h ee x p e r i m e n t a la l l o y t h em i c r o c r a c k si nt h e 仅一m g m 9 2 s i p h a s ei n t e r f a c eb e c o m et h em a i nc r a c ks o u r c e t h ec r a c kp r o p a g a t i o ne a s i l y v 太原理工大学博士研究生学位论文 a l o n gt h e0 【一m g m g a s ip h a s ei n t e r f a c ec a nr e s u l ti nt h eb r i t t l ef r a c t u r eo ft h e m a t e r i a l s h o w e v e r , t h em 9 2 s iw a sb r o k e ni n t og r a i n yb ye c a rt h ef r a c t u r e o ft h ea l l o ys h o w sad u c t i l ef r a c t u r em e c h a n i s mw i t hn u c l e a t i o nm o d e l ( 4 ) b o t ht h eh i g ht e m p e r a t u r ec r e e pr e s i s t a n c e so ft h ea z 6 1 4 s ia l l o ya n d z k 6 0 4 s ia l l o yi m p r o v er e m a r k a b l yb ye c a rt h em e c h a n i s mi st h a tal a r g e n u m b e ro fh i g h t e m p e r a t u r es t a b l ep h a s eo fm 9 2 s ip a r t i c l e sa r ed i s t r i b u t e di n t h eg r a i ni n t e r i o ra n dg r a i nb o u n d a r i e s ，w h i c hn o to n l yh i n d e rt h ei n t r a g r a n u l a r d i s l o c a t i o nm o v e m e n t ，b u ta l s op r e v e n tg r a i nb o u n d a r ys l i d i n g k e yw o r d s ：h e a t r e s i s t a n tm a g n e s i u ma l l o y ，m 9 2 s ip h a s e ，e c a p ， 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 v i 太原理i ：人：学博十研究生学位论文 1 1 镁合金研究现状 1 1 1 镁合金概述 第一章绪论 镁合金被称为“2 l 世纪的绿色工程材料”，在现有结构材料中，其密度最小，根据 合金成分不同，通常在1 7 5 1 9 0 9 c m 。范围内，约为铝合金的6 4 ，钢的2 3 。虽然 镁合金的强度、刚度与弹性模量不及铝合金与钢，但其比强度明显高于铝合金与钢，比 刚度与铝合金和钢大致相同【1 0 】。工程塑料尤其是纤维增强的工程塑料的比强度很高， 但其弹性模量很小，比刚度远小于镁合金，尤其是工程塑料难以回收利用。镁合金具有 良好的切削加工性能，可用较大的切削速度，若切削镁合金所用功率为1 ，则铝合金为 1 8 ，铸铁为3 5 ，钢超过6 3 【l 】。此外，镁合金还具有高的阻尼减振性、电磁屏蔽性等特 性使得其在电子、家电、通讯、仪表、汽车及航天航空等领域得到越来越广泛的应用1 4 川。但由于镁合金塑性变形能力差，高温稳定性差，耐蚀性差，且熔炼成型时易氧化燃 烧等不足，使其应用范围受到很大限制。因此，变形镁合金、耐热镁合会、阻燃镁合金 的研究成为目i 订镁合会研究的热点。 1 1 2 变形镁合金 1 变形镁合金概述 根据加工方式不同，镁合金材料可分为铸造镁合金和变形镁合金两大类。目前以铸 造工艺生产的镁合金件占总镁合金生产件的8 0 以上。但在铸造生产过程中，由于各种 原因，不可避免的产生各种缺陷，如气孔、组织疏松等。另外，由于铸件的组织粗大， 其力学性能受到很大影响。与铸造镁合金相比，变形镁合金晶粒细小，组织致密，具有 更高的强度，更好的塑性和韧性，更适合于制造大型结构件和满足结构多样化的要求 6 - 8 。通过变形可以生产规格多样的板、棒、管、型材及锻件等产品。特别是高性能变 形镁合金在与其他结构材料的竞争中将脱颖而出，会得到更广泛的应用【9 1 。但是，如图 1 - 1 所示【，由于镁的晶体结构为密排六方，a = o 3 2 1 r i m ，c = o 5 2 1 n m ，c a 为1 6 2 3 ，与 理论值1 6 3 3 十分接近。在常温下，多晶密排六方结构的镁合金的塑性变形仅限于基面 1 太原理1 ：大学 尊十研究生学位论文 0 0 0 1 滑移与锥面 1 0 i 2 孪生。因此，在室温塑性变形过程中，镁晶体 只有3 个几何滑移系和两个独立滑移系，塑性较差【1 0 】。当温度高于4 9 8 k 时，滑移也出 现在柱面 1 0 1 0 矛h 锥面 1 0 1 1 的 方向上，滑移系增多，满足了v o nm i s e s 屈服准， 呈现明显的延性转变，塑性大大提高。同时由于发生回复和再结晶而造成的软化也会使 镁合金具有较高的塑性，在这个温度以上，镁合金可以进行各种塑性变形，如轧制和挤 压等【8 ，1 1 1 。 卜一口一 ( a ) f a 层 b 层 层 口l ( c ) ( b ) c 【0 0 0 1 】 摹沁10lolo 【2 l l o 】 一题 鼍 二 铽耋 ：1 0 0 o , 2 1 1 0 】 r 【0 0 0 1 】 ( d ) 图l 一1 金属镁的晶体结构及重要的晶面和晶向 ( a ) 原子位置；( b ) 基面、晶面和 121 0 晶带轴的主要晶面； ( c ) 1 10 0 】晶带轴的主要晶面；( d ) 主要晶向 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 a n ds i g n i f i c a n tc r y s t a lp l a n ea n dc r y s t a ld i r e c t i o n s 1 】 ( a ) a t o mp o s i t i o n ；( b ) b a s a lp l a n e 、c r y s t a lp l a n ea n dt h em a i nc r y s t a lp l a n eo f 【20 z o n ea x i s ； ( c ) t h em a i nc r y s t a lp l a n eo f 11o o z o n ea x i s ；( d ) t h em a i nc r y s t a ld i r e c t i o n 太原理i ：人学| 尊+ 研究生学位论文 西方发达国家对变形镁合金的研究与开发十分重视，变形镁合金材料己系列化，产 品应用领域不断扩大。特别是美国的变形镁合金材料体系较为完备，合金系列有m g a 1 、 m g z n 、m g - r e 、m g - l i 等，可以加工成板、棒、型材和锻件等，而且开发出了快速凝 固高性能变形镁合金、非晶态镁合金及镁基复合材料等 1 2 - 1 8 】。美国为了保证在2 1 世纪 前期镁原料和镁产品的充足稳定的供应，与世界上最大的镁生产企业挪威n o v s k h y d r o 公司签订了长期合作关系。英国开发出的m g a i b 挤压镁合金已成功地用于 m a g n o x 核反应堆燃料罐。以色列研发出可用在航天飞行器上、兼具优良力学性能和耐 蚀性能的变形镁合金。日本也在1 9 9 9 年由科技部、教育部、体育部和文化部共同组织 实施了“先进镁合金基础科学与技术研究”计划，重点研究镁的新合金和新工艺，开发 超高强度变形镁合金材料和可冷压加工的镁合金板材【1 6 。1 8 10 1 。 我国变形镁合金材料的研制与开发起步晚，且发展缓慢，变形镁合金材料的合金体 系及加工技术一直沿用国外体系与技术，缺少高性能镁合金板、棒和型材，国防军工、 航空航天用高性能镁合金材料仍然依赖进口，民用产品尚未大力开发。直至国家镁合金 科技计划的启动和实施才加速了变形镁合金的研发步伐，许多高校及企业科研工作者在 高性能变形镁合金材料及其加工制备技术方面进行了研究，并取得了一定成绩1 9 。2 5 】。 从2 ( ) 世纪4 0 年代起变形镁合金就开始应用于汽车、航空航天等领域，但用量很少，进 入2 1 世纪，变形镁合金产品丌始应用于自行车、电子产品及其他民用领域。在航空航 天领域，变形镁合金由于密度小、刚性好、强韧性好，应用较为广泛，在美国和欧洲等 国家，座舱架、吸气管、导弹舱段、壁板、蒙皮及直升飞机机匣等零部件都已使用变形 镁合金材料。变形镁合金在汽车行业主要用来制作壳形件与支撑结构部件。美国、以色 列、欧洲国家已丌始将变形镁合金板材用热冲压成形方法来制造车身零件，用热锻、热 冲压成形工艺生产汽车底盘等承载零件。在民用工业中，自行车领域变形镁合金用量较 大，由于镁合金密度小、比强度高、阻尼减振性好，用镁合金制造的自行车舒适、轻便、 速度快。我国台湾和欧洲等地生产的变形镁合金白行车车架重量仅为1 4 k g ，整车重量 为4 k g 。目6 订已经开发出符合a s t m b l 0 7 规范要求的变形镁合金管材和棒材，以产业化 生产的镁合金自行车零件有曲柄、夹器、竖管、车圈和车架附件等，生产的成车主要有 折叠车和山地车。鉴于变形镁合金的显著优势和巨大的发展潜力，近年来在国家镁合金 科技计划的支持下，国内许多科研院所开展了大量的从基础理论到应用技术的研究与产 业化研发工作，已研制出具有世界先进水平的大型中空薄壁镁合金型材，并批量生产镁 合金纺织机械型材、摩托车货架、通用发动机支架等形状复杂的镁合金挤压型材。此外， 1 太原理工人学| 尊士研究生学位论文 随着镁合金板材加工工艺的发展，变形镁合金在3 c 电子产品中的应用也越来越广泛， 欧洲、美国、日本及我国己经用镁合金批量生产3 c 电子产品的外壳及内部支撑零件， 使这类产品具有质量轻、美观、传热性好、耐冲击等优点【1 0 】。 2 变形镁合金系 根据主要合金元素的不同变形镁合金系主要有m g - a 1 、m g - z n 、m g - m n 、m g r e 、 m g l i 等 2 6 1 。其中，目前常用的合金系是以m g a 1 为基础的m g 。a 1 z n 和以m g z n 为基 础的m g z n z r 三元系，即a z 系列和z k 系列。 ( 1 ) m g a 1 一z n 该系合金是发展较早、研究较充分的合金系，常用的有a z 3 1 、a z 6 1 、 a z 8 0 等。其中a z 3 1 塑性变形性能良好，一般用作生产镁合金薄板材料，也可用于生 产挤压型材和锻造等，其不足是由于合金元素含量低，强度性能低，而且不能通过热处 理工艺来提高强度。通过变性加工，a z 3 1 的屈服强度一般在1 6 0 1 9 0 m p a 之间，延伸 率为1 5 2 3 左右。与a z 3 1 相比，a z 6 1 具有更高的强度，同时还具有良好的塑性变形 能力。a z 6 1 主要用于挤压型材与锻造。a z 6 1 由于合金元素含量高，塑性变形能力相对 差，不适合轧制工艺，在轧制过程中边裂和纵裂的问题目前还无法解决。a z 6 1 可利用 热处理工艺来改变其力学性能，如固溶处理、时效处理等。a z 8 0 体现了高强度和塑性 的完美结合，被大量用于挤压和锻造生产中。由于其优异的性能和低廉的价格，a z 8 0 仍是目前用量较大的变形镁合金。此外，a z 8 0 还可通过时效处理提高其屈服强度与抗 拉强度，同时塑性降低很少。a z 8 0 的屈服强度一般在2 1 0 2 5 0 m p a 之问，伸长率为5 9 左右1 i 。 ( 2 ) m g z n z r 该系合金主要有z k 3 1 、z k 4 0 a 、z k 6 0 、z k 6 1 等，属于高强度变 形镁合金，可通过热处理工艺来强化。其中z n 为主要强化元素，合金的屈服强度和抗 拉强度均随z n 含量的增加而提高，但伸长率略有下降，z n 还可以消除镁合金中f e 、 n i 等杂质元素对腐蚀性能的不利影响。z r 在该系合金中为辅助元素，其主要作用是在 合金液冷却凝固时作为结晶核心，从而细化品粒，同时z r 还能降低合金元素的扩散速 率，阻止晶粒长大。z k 6 0 是该合金系中应用最广泛的一种变形镁合金，具有高的强度， 良好的塑性及耐蚀性，并可利用热处理进一步强化。可加工成板材、管材、型材和锻件 等，用来制作航空航天领域和一些需要承受较大载荷的零件 1 , 2 7 2 9 】。 3 变形镁合金加t 技术 与其他变形金属一样，变形镁合金几乎可以用所有的金属塑性成形工艺来生产，成 太原理 ：大学博+ 研究生学位论文 形原理也相同，不同的只是是具体工艺参数的变化。 ( 1 ) 挤压成型技术镁合金受其塑性变形能力的限制，挤压一般为温挤压与热挤 压。挤压是使金属坯料在三向应力状态下变形，可充分发挥金属的塑性，特别是对于塑 性差的镁合金来说，挤压工艺比轧制和锻造要容易的多，因此，挤压加工成为镁合金塑 性成形的重要方法，几乎所有的变形镁合金都可以进行挤压加工。镁合金挤压可细化晶 粒、保留挤压纤维织构可提高强度、可得到优良的表面质量以及良好的尺寸精度【l 】。镁 合金挤压所用设备和工艺与其他变形金属基本相同。典型的挤压成形工艺流程为：挤压 坯生产_ 加热_ 挤压一矫直一热处理。挤压温度、挤压速度和挤压比是镁合金挤压工艺 的重要工艺参数，通过合理控制这些工艺参数可以获得理想的组织性能和生产效率。镁 合金挤压温度及速度根据合金类型不同而有差异，一般可在3 0 0 4 5 0 。c 温度范围及 0 5 3 0 m m i n 速度下进行挤压，挤压比一般在1 0 ：1 1 0 0 ：1 之间，经过预挤压的坯料的挤 压比可适当增大 8 , 3 0 , 3 1 】。 ( 2 ) 轧制变形镁合金板材的生产主要是通过轧制工艺来完成，其工艺流程为： 铸锭铣面_ 铸锭均匀化一加热_ 开坯_ 板坯剪切_ 板坯加热_ 粗轧一酸洗_ 加热_ 中 轧_ 中断或下料_ 加热_ 精轧_ 产品退火_ 精整_ 氧化上色- 涂油包装【3 1 | 。镁合金薄板 轧制主要有以下特点：成品率低，由于镁合金塑性差，轧制过程中容易产生边裂和纵 裂；生产效率低，轧制的道次变形量小，而且相邻道次之问需要重新加热，生产周期 长；利润相对大，镁板价格是镁合金价格的二十倍；品种单一，由于受生产设备及 镁合金自身塑性差等的限制，通常选用强度较低、塑性较好的变形镁合金a z 3 1 作为轧 制镁合金薄板的主要原料 1 , 3 1 】。镁合金轧制温度一般在2 5 0 , - - - 4 5 0 。c 之问，轧制温度与坯 料原始状态有关，挤压态的坯料晶粒尺寸小，塑性变形能力强，可采用较低的轧制温度。 铸态的坯料组织粗大，塑性变形能力差，必须采用较高的轧制温度。对于铸态坯料，轧 制前还需进行均匀化处理，以消除成分偏析，提高铸锭坯料的塑性。镁合金的轧制速率 比铝合金和钢的轧制速率低得多，轧辊的速率控制在1 0 9 0 m m i n 。镁合金板材采用多 道次、小压下量工艺进行轧制，道次压下量一般控制在1 0 2 0 之间，相邻道次问需重 新加热，以保证镁合金的塑性变形能力。镁合金板材在轧制后一般要进行退火热处理， 使加工组织发生回复和再结晶，以消除应力。另外，镁合金冷作硬化的敏感性大，矫顽 力很高，低温下不易矫平，因此，对于厚板需在较高温度下矫直 1 , 3 0 , 3 1 】。 ( 3 ) 锻造锻造是生产高质量镁合金的的重要工艺，镁合金可锻造成不同形状和 尺寸的锻件，镁合金锻造与铝合金相似，具有较高的力学性能和较低的加工成本。由于 气 太原理工人学博士研究生学位论文 受塑性变形能力所限，镁合金锻造常采用压机模段来控制恰当的变形程度、变形速度和 锻造温度。为保证镁合金坯料的可锻性，锻造温度一般控制在2 0 0 - 4 0 0 。c 之间，常温下 锻造很易脆裂，温度过高会由于氧化及晶粒粗大而产生不利影响。镁合金锻造温度范围 窄，导热系数大( 8 0 w m k ) ，锻件接触模具后降温很快，塑性降低，变形抗力增加， 使镁合金锻造变得困难。因此，需要对模具进行预热到2 0 0 - - 一3 0 0 。c 。此外，镁合金对变 形速率敏感，当变形速率增大时塑性显著下降，所以镁合金锻件需要多次锻造成形。等 温锻造是镁合金的重要加工方法，镁合金重要航空航天零件主要采用等温锻造工艺。精 密冲锻成型技术是将冲压成型与锻造成型相结合，将加热后的镁合金坯料在加热模具中 进行冲压和锻造，其技术关键在于成型模具与成型工艺，包括模具设计、模具温度控制、 变形率与变形速度等参数的控制。由于锻造要求镁合金有较高的塑性变形能力，因此镁 合金锻造对合金显微组织，特别是晶粒尺寸有严格要求，只有晶粒细小的镁合金铸锭才 可用锻造工艺加工。常用的锻造镁合金有m g a 1 一z n 系和m g z n z r 系8 ，9 ，3 0 1 。 1 1 3 阻燃镁合金 1 镁合金的氧化燃烧机制及合金化阻燃机理 镁合金的研究开发一直存在一大世界难题，即易氧化燃烧，这严重阻碍了镁合金的 工业生产和应用。为了解决镁合余在熔炼和成形过程中的氧化燃烧问题，目前国内外一 般采用熔剂覆盖或气体保护法熔炼镁合金 3 2 - 3 4 】，但存在很多问题，自订者在熔炼过程中产 生有害气体严重污染环境并对人体健康构成危害，后者s f 6 气体的使用产生严重的温室 效应，带来严重的环境问题。因此，2 0 世纪5 0 年代就有科技工作者提出了合金化阻燃 的想法，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致密的保护膜，从 而阻止镁合金与空气接触，阻止镁合金的进一步氧化燃烧。由于合金化阻燃方法简单， 可降低设备及工艺的复杂程度，避免造成环境污染，因此阻燃镁合金的研究具有巨大的 发展潜力，得到了广泛重视。 镁合金容易氧化燃烧是因为镁与氧之间的化学亲和力很大，在高温下镁极容易与空 气中的氧发生反应，生成氧化镁；其次镁与氧反应生成氧化镁的反应过程生成大量热， 由于氧化镁绝热性好，反应生成的热量不能迅速向外扩散，进一步加速镁的氧化燃烧； 另外，氧化镁结构疏松、不致密，不能阻止空气向金属内部扩散，氧化燃烧界面将以相 当快的速度从表面向内部延伸3 2 1 。因此，向镁合金中添加的合金元素应具有以下几个特 点【l 】：第一，形成的氧化膜必须是完整的、致密的，能把金属表面完全覆盖住。金属氧 6 太原理t 大学| 尊十研究生学位论文 化膜是否致密，取决于氧化膜的致密度系数( 氧化物的体积v m o 与金属体积v m 的比值， 即昕= v m o v m ) 。当致密度系数驴1 时，氧化膜完整致密，a l 时，氧化膜不致密，不具 有保护性。表1 1 是一些常见金属氧化膜的仪值。第二，膜在介质中是稳定的。如果氧 化膜在高温下呈液态或气态，则不稳定，如v 2 0 5 熔点为6 7 4 。c ，在高温下呈液态，因而 不具有保护性。第三，氧化膜与基体金属具有良好的附着力，氧化膜应具有一定的塑性 和强度。第四，合金元素与氧的亲和力要大于镁与氧的亲和力。合金元素对镁合金阻燃 性能的影响比较复杂，相应的作用机理还不是非常清楚。目前研究主要集中在元素b e 、 c a 、r e 等对镁合金燃点及性能的影响上。 金厢 氧化! c 【 表1 1 常见金属氧化膜的a 值 1 、a b l e 1 1t h ev a l u eo faf o rc o m m o nm e t a lo x i d ef i l m 2 阻燃镁合金国内外研究现状 ( 1 ) 添加元素b e 的阻燃镁合金b e 是当自订工业生产中常采用的阻燃元素。铍的 密度比镁小，是表面活性元素，镁熔体表面铍的浓度是镁液内部的1 0 左右，铍与氧的 亲和力大于镁与氧的亲和力，而且氧化铍的致密度系数q 值大于1 ，有很高的热力学稳 定性，氧化铍的导热性非常好，不会造成熔体温度的剧烈升高而使镁合金燃烧。因此， 在镁合金中添加b e 能提高抗氧化性能，起到阻燃作用。2 0 世纪4 0 年代b u m s 系统地研 究了b e 在镁合金中的作用，认为b e 可以大幅度提高镁合金的抗氧化性能，但是过量则 会导致合金晶粒粗大，他建议b e 的含量应低于0 5 【35 | 。h o u s k a 等研究认为仅在纯镁 中添加0 0 0 1 的b e 就可以使其燃点温度提高2 0 0 。c t 35 1 。赵云虎等3 6 1 研究表明a z 9 1 合 金中加入少量b e 后，合金燃点提高到6 4 0 ，较未添加前高出1 0 0 ，进一步提高b e 含量，燃点继续增加，加入o 3 b e 燃点达到7 5 0 。c 。但由于b e 量增大，引起晶粒粗化， 恶化合金力学性能，并增大了热裂倾向。本文作者较系统地研究了元素b e 对镁合金 a z 9 1 d 起燃温度的影响，当b e 加入量增加到0 3 时，镁合金起燃温度提高2 5 0 3 0 0 太原理工大学博士研究生学位论文 ，可使镁合金直接暴露在大气下熔炼鲫。对表面氧化膜分析表明，氧化膜是由m g o 、 b e o 、a 1 2 0 3 组成的复合保护膜，在