ZM5镁合金壳体零件热处理工艺设计

1、本科毕业设计(论文)题目：ZM5镁合金壳体零件热处理工艺设计院 （系）： 材料与化工学院专 业： 金属材料工程 班 级： 110305 学 生： 刘艳妮 学 号： 110305126 指导教师： 李高宏 杨忠 2015年 06月西安工业大学毕业设计（论文）任务书院（系） 材料与化工学院 专业 金属材料工程 班 110305 姓名 刘艳妮 学号 1103051261.毕业设计（论文）题目： ZM5镁合金壳体零件热处理工艺研究 2.题目背景和意义: 随着武器、汽车轻量化时代的发展，越来越多的各种零部件开始采用镁合金材料来代替原来的钢铁、铝材料。尤其是镁合金的熔炼、变质工艺的不合理，特别是热处理对镁

2、合金性能的影响非常大。因此，选择一种合适的镁合金热处理工艺用于壳体具有重要的实际意义。 3.设计(论文)的主要内容（理工科含技术指标）： （1）本文采用相图分析、差热分析和正交试验等方法确定一种适用于镁合金壳体零件的热处理工艺。（2）通过对XRD、组织、性能分析来判定热处理对材料的增强机理。 4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）： 设计基本要求：（1）前期相关文献阅读不少于15篇，其中外文文献3篇；（2） 提出的改进措施和建议，应紧密围绕实际，实事求是。进度安排：（1） 1-3周查阅资料，了解所研究课题并确定具体试验方案，完成开题报告；（2）4-7周进行前期探索试验，按照试验设

3、计表进行试验，并确定最佳试验方案；（3）8-12周对单体产物进行红外测试，确定是否为所需产品，对试验下一步进行探索，选择相关的英文文献进行翻译，制作中期报告；（4）13-15周对试验结果进行检测，同时开始撰写论文；（5）16-17周继续试验研究和试验结果分析并对撰写论文修改论文，准备毕业答辩。 5.毕业设计（论文）的工作量要求 撰写不少于15000字论文 试验（时数）*或实习（天数）： 约60天 图纸（幅面和张数）*： 0 其他要求： 无 指导教师签名： 年 月 日 学生签名： 年 月 日 系（教研室）主任审批： 年 月 日ZM5镁合金壳体零件热处理工艺设计摘 要镁在我国研究很晚，工程应用不普

4、遍，关于ZM5壳体热处理工艺太笼统，各种工艺下的性能各异，具体的还不太完善。随着武器、汽车轻量化时代的发展，越来越多的各种零部件开始采用镁合金材料来代替原来的钢铁、铝材料。尤其是镁合金的熔炼、变质工艺的不合理，严重制约着它的适用范围，特别是热处理对镁合金性能的影响非常大。因此，选择一种合适的镁合金热处理工艺用于壳体具有重要的实际意义。受宝鸡器材厂企业委托，对Mg合金壳体的热处理工艺进行完善。本文主要通过相图、差热分析、过烧反应、正交试验对ZM5的热处理工艺进行研究。通过对金相组织、XRD、SEM、EDS和力学性能的分析，得到一种适用于镁合金壳体零件的热处理工艺。研究表明：通过正交试验发现，在给

5、定水平内，其最好的热处理工艺是：固溶425，16h；时效195，16h。四种主要因子对布氏硬度的影响主次依次为：时效温度、固溶时间、时效时间、固溶温度。热处理后，通过金相、XRD、SEM和EDS分析，（Mg17Al12）相主要以细小弥散方式从过饱和固溶体中析出，提高其屈服强度降低其塑性。对进行最佳热处理工艺的材料进行拉伸试验，其抗拉强度有明显提高，提高为194.118MPa，较未进行热处理提高了9.7%。关键词：镁合金；热处理；正交试验；相图IZM5 magnesium alloy casing parts heat treatment process designAbstract Magne

6、sium alloy was investigated lately in China, the project application is not widespread, ZM5 casing casting on the heat treatment process is too general, the performance of various processes under different heat treatments, concrete is not yet perfect. With the development of weapons and automotive l

7、ightweight era, more and more various parts of began to use the magnesium alloy materials to replace the original steel and aluminum materials. In particular magnesium alloy smelting, modification process is unreasonable, its scope has be severely restricting, especially heating treatment on propert

8、ies of magnesium alloys is very large. So, choose a suitable heat treatment process for magnesium alloy casing has a important practical significance. By commissioned Equipment Factory of Baoji, property of magnesium alloy casing after the heating treatment process will be improved.In this paper, ZM

9、5s heat treatment process were studied through the phase diagram, differential thermal analysis, over-burning reaction, orthogonal. Through the microstructure, XRD, SEM, EDS and mechanical properties analysis, to obtain a suitable heat treatment process for magnesium alloy casing parts.The result sh

10、ow: Through orthogonal experiment at a given level, solution 425 , 16h; aging 195 , 16h is the best heat treatment process. The four main factors effect on brinell hardness: aging temperature, solution time, aging time, the solution temperature. Through metallographic, XRD, SEM and EDS analysis, (Mg

11、17Al12) phase mainly in the dispersed mode precipitated from a supersaturated solid solution ,increase its yield strength but reduce its plasticity. Material with optimal heat treatment process for tensile test, the tensile strength has improved significantly, increased to 194.118MPa, than without h

12、eat treatment improved 9.7%.Keywords: magnesium alloy; heat treatment; orthogonal experiment; phase diagram目 录摘 要IAbstractII主 要 符 号 表I1 绪论11.1 综述11.2 课题背景及意义11.3 镁及镁合金国内外研究的现状21.3.1国外镁合金应用发展现状21.3.2国内镁合金应用发展现状31.4 铸造镁合金的应用61.4.1航空航天领域61.4.2军事领域61.4.3汽车领域61.4.4摩托车领域61.4.53C领域71.5 镁合金的热处理71.5.1镁合金热处理特

13、点71.5.2镁合金热处理前准备71.5.3ZM5的热处理工艺81.6 热处理缺陷及其消除方法91.6.1氧化91.6.2过烧91.6.3弯曲与变形91.6.4晶粒异常长大91.6.5 性能不均匀91.6.6铸件的尺寸稳定性101.7 发展前景101.8 本文主要研究工作102 试验过程及方法112.1 试验用原材料112.1.1原材料成分112.1.2合金成分的作用112.2 精炼及变质过程112.3 热处理研究方案122.4 固溶温度和时间确定122.4.1相图分析122.4.2（差示扫描量热法）DSC分析132.4.3过烧试验132.5 时效温度和时间的确定142.6 正交试验142.7

14、 硬度测试和显微组织分析152.7.1硬度测试152.7.2金相分析152.7.3扫描电镜、能谱和XRD分析163 试验结果及分析173.1 固溶温度及时间173.1.1Mg-Al相图173.1.2（差示扫描量热法）DSC分析183.1.3过烧试验183.2时效温度和时间的确定193.3 正交分析203.4 微观分析203.4.1XRD分析213.4.2扫描能谱分析213.4.3金相分析223.5 力学性能测试243.6 试验结果254 结论26致  谢27参考文献28毕业设计（论文）知识产权声明30毕业设计（论文）独创性声明31主 要 符 号 表HB 布氏硬度Ts 淬火温

15、度 Tm,p 固相线温度 Tag 时效温度 Rm 屈服强度1 绪论1 绪论1.1 综述镁基材料是目前可用的密度最小的一种金属结构材料,具有比强度高、易加工、尺寸稳定以及良好的阻尼性、导热性、耐热疲劳性、电磁屏蔽能力、压铸工艺性能等特点1-3,而且还可再生利用 ,被誉为“21 世纪绿色工程金属”，有着很乐观的应用前景。但是,与钢、铝等传统金属材料相比,到目前为止对镁的研究还远远不够。近些年来,国内外出现了研究开发镁基材料的热潮,其中,对镁的合金化的研究是很重要的一个方面。镁的合金化是改善镁合金的力学性能、工艺性能、阻燃性、耐蚀性等的有效手段 ,也是研究开发新型镁基储氢材料和非晶合金的重要途径3。

16、Mg-Al-Zn系合金是目前应用最为广泛的镁合金之一,尤其是AZ91系列(与我国的 ZM5合金基本相当)广受研究者的注意 ,近年来也有较多关于该合金的研究报道4-11,在合金元素的作用方面,人们对稀土元素表现出较大的兴趣5-8,此外也研究了其它合金元素如Sb 等在AZ91合金中的作用910,而作为AZ91合金本身主要添加元素之一的Zn也再度受到关注4-5。随着高速化、舒适化要求的不断提高，以镁合金替代部分壳体零件材料的呼声越来越大；热处理工艺可以提高其生产效率，因此，选择一种合适的镁合金热处理工艺用于壳体具有重要的实际意义。1.2 课题背景及意义我国镁矿丰富,储藏量约31.45亿吨,目前已是世

17、界纯镁出口的第一大国。大规模的镁合金铸件应用和生产方兴未艾,因而我国应加强镁合金表面防护技术的研究12,这对深化我国特色资源的加工利用,改善目前我国靠原材料市场出口创汇,优质镁合金制品几乎依赖进口的被动局面显得尤为重要。特别是当前石油价格攀升到历史最高点75美元一桶,节能问题陡显,要求减轻车的自重,采用镁合金制造交通运输工具的零部件,可达到最大的减重效果13-17。 随着能源的紧张、环境的恶化,人们越来越注重轻量化、绿色化制造。作为一种新型的轻型环保材料,镁合金引起了人们的普遍关注。镁合金是目前应用的最轻的金属材料,其密度小(仅为铝的2/3,钛的40%,钢的23.13%),比强度、比刚度高,具

18、有优良的导电、导热性能,良好的加工成形性能以及高回收等特性18-19,另外镁资源非常丰富,因此在航空、汽车等运输行业以及计算机、通讯等产业得到快速发展。同时,镁合金也存在容易氧化燃烧、耐蚀性差、常温力学性能差、高温强度及蠕变性能低等缺点,大大限制了镁合金的发展和应用20。 镁合金具有一系列的优良性能,在汽车、通讯电子、航空航天业、生物医学等领域得到了日益广泛的应用21。目前,镁合金在轿车上的主要应用形式是铸件33西安工业大学毕业设计（论文）和压铸件。随着人们节约能源及环保意识的增强,现代汽车工业正朝着燃料效率型轻型汽车方向发展,从而迫使汽车制造商竞相开发镁合金汽车零件以减轻车重,镁合金在降低轿

19、车重量上,无论从短期,还是长期来看都具备开发的潜力及竞争力。降低汽车的自重以降低能源消耗和减少污染(包括汽车尾气和废旧塑料),提出了更迫切的要求,使镁合金的基础研究和开发取得了很大的发展;同时,大量的镁合金零部件被生产出来,以代替塑料、铝合金、甚至钢制零件,有人预计,全世界对汽车镁合金的需求量每年将递增20%以上22-26。镁合金不但具有高的比刚度、比强度的特点，而且减震性好、二次加工性好，是实用工程材料中密度最小的金属材料，是以节能减排为主题的现代社会最具吸引力的一种工程金属材料。随着高速化、舒适化要求的不断提高，以镁合金替代部分壳体零件材料的呼声越来越大；热处理工艺可以提高其生产效率，因此

20、，选择一种合适的镁合金热处理工艺用于壳体具有重要的实际意义。1.3 镁及镁合金国内外研究的现状1.3.1国外镁合金应用发展现状国外对于镁及其合金的研究开发较早，到目前镁及其合金材料的开发及应用已进入相对比较成熟的阶段，并已达到产业化的工业规模，其中北美是目前镁及其合金材料用量最多的地区，而欧洲镁及镁合金产业的发展速度也增长迅速。但比较来看，国外不同国家和地区对于镁及其合金材料的开发应用仍然存在较大的差异，其中表现突出的仍然集中在德国、俄罗斯、美国、加拿大、日本等对镁合金研究开发较早的国家。近年来随着油价的不断上升，作为镁合金的主要应用产业的汽车工业，对镁合金应用需求也在增长，导致世界范围内的镁

21、合金应用竞争更趋激烈，并有对中国进行合围趋势。具体应用主要集中在以下几个方面27-31： （1）镁合金在汽车工业中的应用 镁合金在汽车上的应用已经有许多年的历史，从20世纪20年代开始，镁制零件就开始在赛车上应用。到了20世纪90年代，镁合金发展迅速，各国相继出台了镁研究计划，开展了大型的“产、学、研”联合攻关项目和计划。德国政府制订了一个投资2500万德国马克的镁合金研究开发计划，主要研究压铸合金工艺，快速原型化与工具制造技术和半固态成型工艺，以提高德国在镁合金应用方面的能力；1993年欧洲汽车制造商提出“3L汽油轿车”的新概念，美国也提出了“PNGV”（新一代交通工具）的合作计划

22、，其目标是生产出消费者可承受的每百公里耗油3L的轿车，且整车至少80以上的部件可以回收，这些要求迫使汽车制造商采用更多高新技术，生产重量轻、耗油少、符合环保要求的新一代汽车，因此除汽车轮毂外，镁合金还被广泛应用于增压器转子、发动机传动箱体、风扇、发动机零件、整体座椅系统、仪表板整体框架、方向盘、草坪机底盘等其他零部件。 国际国内对于镁合金在汽车上的应用的研究不断发展，应用领域不断扩大，应用的量也相应增加。目前全球汽车平均每辆用镁合金45kg，根据西方汽车工业界的展望，在未来二十年里，平均每辆汽车上的镁合金用量将达到100120kg，将比目前增长50倍以上，届时仅用于汽车的镁合金将超过500万t

23、，约为目前全球镁年生产量(80万t)的6倍。相较于铝合金、在成熟产品上镁合金将具备更高的性价比：如果按原镁16000元/t和电解铝13000元/t的行业平均成本分析，由于镁合金比重较小（镁比重为1.7kg/m3，铝比重为2.7kg/m3），相同体积的镁合金成本较铝合金低30%。 （2）镁合金在电子领域中的应用 在3C产品领域，以笔记本电脑、手机和数码相机为代表的3C产品朝着轻、薄、短、小方向发展的推动下，镁合金的应用得到了持续增长。镁合金与传统3C产品使用的外壳材料相比具有轻量化、刚性高、减震性好、无磁、散热、可回收等优点；特别是应用于3C产品外壳上其外观及触摸质感极佳，已成为设计和消费的流行

24、趋势。 与塑料相比镁合金具有良好的导热性、刚性，特别是极其易于回收。一旦镁合金的应用进入良性循环之后，其废料不仅不会危害环境，其优良的再生性也会致使镁资源得到充分利用，也使镁合金使用成本更进一步的降低。不仅如此，镁合金还具有非常好的压铸工艺性能，采用压铸的方法制造的镁合金3C类产品外壳，厚度最薄可达0.4mm，并且强度和刚度都极为优异。以耐冲撞性为例，其耐撞强度及吸振性均远较塑料佳，尤其是相同抗力下厚度仅塑料的1/3，且具良好的散热性及防电磁波干扰的性能。 以上特性使镁合金在3C产业（计算机、通讯、消费电子）及电动工具，运动器材等方面的应用，已成为一个新的市场热点，如笔记本计算机、掌上计算机外

25、壳、照相机外壳、摄相机外壳、投影录像机外壳、电视机、音响外壳等，而且其应用领域还在迅速扩大。 （3）镁合金在国防领域及其他领域的应用镁合金由于质量轻而被广泛地应用于国防和航空航天产品，其应用包括飞行器机身及其发动机、起落轮、火箭、导弹及其发射架、卫星探测器、旋转罗盘、电磁套罩、雷达和电子装置以及地面控制装置等。如MD600直升机的主传动系统使用镁合金后，水平旋翼系统的功能得到有效提高。太空飞船和卫星部件使用镁合金后能适应太空运行的特殊环境，诸如由空气动力学加热引起的温度极限、臭氧侵蚀、短波电磁辐射和高能粒子( 电子、质子和小陨石)的冲击等。  镁合金在航空、航天较早得到应用

26、, 在兵器上也得到一定应用，最早应用于军事工业领域是在1916年，被用于制造77mm炮弹引线。国外一些发达国家由于资源原因,对镁合金在兵器上的应用还持谨慎态度。1.3.2国内镁合金应用发展现状 我国的镁储量世界第一，我国已探明的白云石矿资源总量为40亿t，青海柴达木盆地的33个盐湖镁盐储量为47.5亿t，而且储存形式为非常有利于开采的高纯度氯化镁。我国的菱镁矿资源总量31.45亿t，符合炼镁要求的一、二级矿占78%，已探明储量可开采年限至少有1000年之久。而大海则是最大的“镁矿”，海水中含镁约2100亿t，其中每千克海水中约含3.8g氯化镁，可以预见的将来中国绝不会缺镁资源。而与镁

27、不同的是中国的铝土矿资源非常贫乏，中国国内铝土矿资源仅能供应中国生产10年，目前60%的铝土矿资源依赖进口，发展镁合金产业符合中国的资源战略。 我国对镁合金的开发利用也非常重视，科技部、国家自然科学基金委员会等部门针对镁合金开发相继出台了各种研究计划，加深、加快对镁合金材料的应用与开发研究。2000年3月，科技部启动了“镁合金开发应用及产业化”的前期战略研究，全国共有4个研究所、7所高校、20多家企业直接参与了“镁合金开发应用及产业化”项目的实施。该项目开发的新型水氯镁石脱水制备无水氯化镁的工程技术在国际上处于较高水平；开发的皮江法炼镁工艺技术不断提高，有效节约了资源，提高了生产效率，减少了污

28、染；开发的高品质镁合金短流程工艺，降低了成本；开发的具有自主知识产权的10款镁合金冷、热室压铸机及配套设备，国内市场占有率达到50%，基本满足了国内镁合金压铸生产需求。目前该项目已取得一些阶段性成果：解决了材料研究、产品设计、模具制造、压铸成型到表面防腐等系列关键工程技术。成功开发应用了25种镁合金摩托车零件和52 种镁合金汽车零件，分别装车90万辆和54.65万辆，微型汽车单车最高用镁零件9kg，轿车最高用镁零件8.17kg；同时开发了14类镁合金3C产品零件和8 种列车制动器零件，为进一步扩大应用打下了良好基础。同时建立了从镁合金前沿高科技研发到产业化技术开发的研发体系

29、，突破了一批前沿核心技术和产业化关键技术，培育组建了十几家有关镁合金及制品的股份制公司，建立了一批镁合金产业化基地，启动了镁合金标准体系建设工作，并已完成一批标准的制定。  镁合金材料作为21世纪新型绿色环保结构材料,将在实现产品轻量化技术领域起到越来越重要的作用,西方工业发达国家已将镁合金材料作为重要的战略物资进行研究开发,对其相关材料和制造技术的研究实行严格保密。而我国是镁资源最丰富的国家,可利用的镁资源占世界贮量的70%,是世界上原镁生产和出口量最大的国家。但是,我国镁产品和镁合金加工技术水平较低,属于典型的以牺牲资源和环境为代价的原料出口性产业。开展兵器用镁合金材料及镁合金零

30、件的研发,争取形成具有自主知识产权的镁合金在兵器上应用的集成技术,即可加快和推动国防工业科技技术进步,使我国武器研制和生产达到国外同等先进技术水平,同时,也为镁合金在民品上的应用提供先进制造技术,拓宽镁合金的应用领域,实现军民品双向互动,带动镁合金产业发展,将我国的镁资源优势转化为镁技术优势和产业优势都具有重大战略意义。 镁合金的研究主要也都是针对镁合金耐蚀性差、耐磨性差、铸造性差及易燃这些缺点而进行的。 1）镁合金的耐蚀性研究 镁平衡电位较低(-21363伏),比铝的标准电位(-11663伏)低,在常用介质中也都很低,如在NaCl溶液中,镁具有所有结构金属中最低的电位;此外,镁的氧化膜疏松(

31、=0179),不像氧化铝膜那样致密而有保护性,所以镁合金的耐蚀性能较差,长期以来阻碍了镁合金的使用。另外,镁有极高的化学活性,当与不同类金属配合时易发生电解腐蚀和微电腐蚀,影响镁合金耐腐蚀性的主要元素是Fe、Cu、Ni等杂质元素。 目前解决镁合金耐蚀性的方法主要有以下几种: 快速凝固:快速凝固提高镁合金的抗腐蚀能力,主要原因是一方面合金化元素在基体中过饱和而增大基体的腐蚀电位,另一方面氧化膜中合金化元素的适当增加而提高氧化膜的稳定性。 表面合金化:在表面形成具有铝的合金层。铝合金表面的氧化膜致密,对合金有很好的保护作用。 表面涂层处理:用物理气相沉积技术能获得非平衡态的镁合金薄膜,并能提高膜中

32、合金化元素的含量,有利于提高镁合金的抗腐蚀能力。在其表面涂上一层环氧树脂涂层,当涂层的阴抗大于临界值时,涂层具有保护性。日本一家公司已经生产出一种镁合金防锈剂,它减少了对环境污染和再处理时带来合金成分变化而损害其加工性的问题,它可在镁合金的表面形成一层纳米级的薄膜,既有良好的电磁屏蔽性,又有好的附着性。 表面氧化处理:表面氧化如微弧氧化是近年来兴起的一种表面处理新技术。利用微弧区瞬间高温烧结作用直接在Al、Mg、Ti等非铁金属表面原位生长陶瓷膜,以提高镁合金的耐蚀性。 2）镁合金的耐磨性研究 耐磨性的好与坏主要是合金表面的问题,科学家们在这一方面都做了不少的工作,如阳极氧化、化学镀镍磷等。 3

33、）镁合金的阻燃研究32-35 (1)压铸过程中的阻燃:针对镁合金在压铸充填过程中易燃、易氧化的特点,国外目前采取的方式是改进压铸技术,隔绝镁与氧发生反应的条件。利用一定压力的氩气作用在封闭的坩埚内的熔池液面上(通过浸在熔池中的坩埚内的熔池液面上,通过浸在熔池中的泵体将镁合金液定量压出,直接充型压铸)。由以上可以看出,生产镁合金所需要的设备复杂,因而提高了生产成本,这也是我国至今没有在汽车行业大量使用镁合金铸件的原因。针对我国目前大多数压铸机均为普通的冷室铸机的情况,如果镁合金能使用(普通冷室压铸机),那么必将促进镁合金在我国的使用。(2)添加合金元素阻燃 能够降低镁活性的元素是Be和Ca。加入

34、1%的Ca能提高燃点250。含Ca的氧化膜阻止氧液并阻止Mg的挥发,从而提高了燃点。但Ca量过高时,在晶界上出现富Ca金属间化合物,降低力学性能。 铍与镁的亲和力大于镁与氧的亲和力,因此可先让镁与氧反应,又因为氧化铍的致密度系数大于1,因此在镁合金中添加适量铍可以防止镁的燃烧。 (3)稀土阻燃 研究结果表明,随着Ce添加量的增加,镁合金起燃温度逐渐增加,说明Ce对镁合金的阻燃具有显著作用。1.4 铸造镁合金的应用镁作为最轻的金属材料，具有一系列独特的性能优点。但以往因其耐蚀性差，制造困难和原料价格高昂等三大瓶颈问题而阻碍了它的大规模工业应用。镁的密度为1.8,仅为铝2/3，其轻质和可回收使用之

35、特点使之日益成为现代工业产品的理想材料，20世纪90年代，其市场需求一直呈现稳定增长的趋势36。全球镁合金的需求年均增长达到10%左右，西方镁合金的市场需求增长率达到了15%以上，未来镁合金的市场需求将呈现快速增长的趋势。镁合金主要应用于汽车、3C、航空航天领域，其中应用于汽车产业（70%）、3C行业（20%）、军事和航空航天（10%）。1.4.1航空航天领域就航空材料而言,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。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。航空材料减重带来的经济效益和性能的改善十分显著,商用飞机与汽车减重相同重量带来的燃油费用节省,

36、前者是后者的近100倍。而战斗机的燃油费用节省又是商用飞机的近10倍,更重要的是其机动性能改善可以极大提高其战斗力和生存能力。正因为如此,航空工业才会采取各种措施增加镁合金的用量。1.4.2军事领域镁合金重量轻、比强度和刚度好、减振性能好、电磁干扰屏蔽能力强等特点能满足军工产品对减重、吸噪、减震、防辐射的要求。1.4.3汽车领域 镁合金用作汽车零部件通常表现为以下优点: （1)提高燃油经济性综合标准,降低废气排放和燃油成本,据测算,汽车所用燃料的60%消耗于汽车自重,汽车每减重10%,耗油将减少8%10%; （2)重量减轻可以增加车辆的装载能力和有效载荷,同时还可改善刹车和加速性能; （3）可

37、以极大改善车辆的噪音、振动现象。1.4.4摩托车领域 50多年来,经过不断的技术革新,镁合金在摩托车上的应用也不断在广度和深度上进行扩展,应用车型从赛车扩展到运动型摩托、轻便型摩托、概念型摩托,覆盖欧美日十几种主要摩托车品牌,镁合金应用部件涵盖动力系统,传动系统以及各种摩托车附件四十余种,其中仅英国的Dymay轮毂就应用多达400种车型。国内摩托车镁合金的应用目前尚属空白,重庆隆鑫率先试制出型号为LX150的“镁合金绿色概念摩托车”,在国内引起了广泛的关注,所采用的12个零部件如今已有3个实现了规模化生产。1.4.53C领域 3C产品Computer,Communication,Consume

38、r Electronic Product(计算机类、通讯类、消费类电子产品)是当今全球发展最快的产业,数字化技术导致了各类数字化产品的不断涌现。镁合金3C产品最早出现于日本,1998年,日本厂商开始在各种可携式商品(如PAD、手机等)采用镁合金材质,如今运用镁合金最普遍的3C产品是笔记本电脑,也是由日本Sony公司率先推出的。在3C产品朝着轻、薄、短、小方向发展趋势的推动下,近年来镁合金的应用得到了持续增长。1.5 镁合金的热处理1.5.1镁合金热处理特点由于镁合金中原子扩散速度慢，所以固溶处理后通常在静止或流动空气中冷却即可达到固溶处理的目的。另外，绝大多数镁合金对自然时效不敏感，固溶后在室

39、温下放置仍能保持固溶状态下的原有性能。1.5.2镁合金热处理前准备a.热处理用保护气氛镁合金热处理在工艺上主要应注意防止零件在高温加热过程发生氧化和燃烧，加热炉常用空气循环电炉，炉温波动5，加热体与零件之间应安置屏蔽罩，一般用不锈钢制作。炉内需保持中性气氛（二氧化碳或氩气）或含50%左右的二氧化硫的大气气氛。二氧化硫由管道通入炉膛或者事先在炉内按50%左右的比例放置黄铁矿（FeS2）或黄铜矿（CuFeS2），按含50%的SO2计算，每立方米炉膛容积加人1.332kg的FeS2。4FeS2+11O22Fe2O3+8SO23Mg+SO2=2MgO+MgSMgO和MgS复合表面膜很致密，具有保护作用

40、。b.装炉状态 装炉前必须将镁合金工件表面的粉尘、细屑、油污和水汽等清除干净，保证表面清洁和干燥，特别是高温固溶处理时要尤为注意。由于不同镁合金的熔点不同，因此同一炉次只能装一种合金。镁合金工件必须在炉内排列整齐，且相邻工件间应预留足够的空隙，以便于热风流通，保证温度均匀性。c.热处理设备 通常使用电炉或燃气炉对镁合金进行固溶处理和人工时效，炉内需要配备高速风扇或者其他可用来循环气体以提高炉温均匀性的装置，炉膛工作区的温度波动必须控制在±5K范围内。加热炉同时需要配置可靠性高的超温断电装置和报警系统。由于固溶处理的保护气氛中有时含有SO2，从而使用气密性好且有保护气体人口的炉子比较合

41、适。此外，热处理炉内还必须装有足够的热电偶，以便能连续、实时地测量炉温，炉内任何一点的温度都不能超过最高允许温度。热源必须屏蔽良好，以免镁合金工件因受热辐射而产生局部过热。在使用不锈钢作屏蔽装置时，必须避免加热过程中钢件的氧化皮落在镁合金工件上，否则会导致工件腐蚀。镁合金在热处理时较少采用盐浴，禁止使用硝盐。d.热处理质量控制 （1）装炉温度 Mg-Al-Zn系合金在进行固溶处理时，应该在260左右装炉，然后缓慢升温至合适的固溶温度以防止共晶化合物发生熔化而形成熔孔。从260升温至固溶温度所需的时间取决于装炉量，工件的成分、尺寸、质量和截面厚度等，通常为2h。保温适当时间后在静止的空气中冷却。

42、（2）温度控制 镁合金在热处理时对温度控制精度的要求较为严格，固溶处理时允许的最大温度波动范围为±5K。因此，需要精确控制热处理炉的炉温并保证其温度分布均匀，同时要求炉子具有良好的密封性。（3）变形控制 镁合金在加热时强度会降低，从而工件在自重作用下容易变形。同时，工件中的应力在加热过程中被逐步释放或消除，也可能导致镁合金工件弯曲口镁合金工件的变形或弯曲在很大程度上受工件尺寸、形状和截面厚度的影响。因此，需要根据这些因素和工件尺寸精度的要求，采用合适的支撑方法或选择适当的放置位置来减轻或消除镁合金工件的变形。有时，人们采用专门的夹具和支架来防止工件变形。不论采取何种措施，都不应该影响

43、工件周围的热循环。采用夹具等措施虽然能够减小工件的弯曲和变形，但是某些镁合金铸件在热处理后仍然需要矫直。在固溶处理后人工时效前进行矫直比较合适。（4）淬火介质 镁合金固溶体的分解速率小，因而固溶处理后通常需要在静止的空气中冷却。如果是厚截面工件且装炉密度大，那么宜选择人工强制气冷。QE22A合金例外。QE22A合金在333368K下水淬可以获得最佳的力学性能，但是其工件会因剧烈的水淬而变形，因此可以选择冷却速度高于3K·S-1的空冷淬火口镁合金工件选用乙二醇或者油作为淬火介质时可以获得良好的力学性能，同时工件变形程度小。1.5.3ZM5的热处理工艺 ZM5合金可进行各种类型的热处理，

44、但T4和T6状态最常用。淬火温度Ts=（410420）±5，空冷，Ta=（175200）±5，各时效16h或8h。T6的强度，尤其是屈服强度比T4高，但塑性明显降低。根据本课题目壳体的要求，选择T6热处理处理方式。1.6 热处理缺陷及其消除方法 镁合金热处理时容易产生的五种常见缺陷是：氧化、过烧、弯曲与变形、晶粒异常长大和性能不均匀。1.6.1氧化 如果镁合金工件进行热处理时没有使用保护气体，则会发生局部氧化甚至在炉内起火燃烧。通常向热处理炉内通人（0 .51.5）%S或（ 3）%CO ，或含（0 .5）%Cq保护气体，或惰性气体来避免镁合金工件的氧化。惰性气体由于成本过高

45、而较少应用。此外，需要保证炉膛的清洁、干燥和密封。1.6.2过烧 加热速度太快、加热温度超过了合金的固溶处理温度极限，以及合金中存在较多的低熔点物质时，镁合金工件容易出现过烧现象。通常采用分段加热或从533K升温至固溶处理温度的时间要大于2h，并将炉温波动控制在±5K范围以内，以及降低锌含量至规定的下限等方法来避免镁合金工件的过烧。1.6.3弯曲与变形 热处理过程中没有使用夹具或支架、工件缺少支撑以及热量分布不均匀等都会导致镁合金工件弯曲和变形。为了减小或消除镁合金工件的弯曲与变形，需要对以下几个方面加以注意： 对于截面薄、跨度长的工件需要支撑；对于形状复杂的工件应使用夹具或成形支架

46、等；对于壁厚不均匀的工件将薄壁部分用石棉包扎起来。同时，需要合理放置炉内工件以保证炉内气氛的良好循环和热量的均匀分布。通过退火处理可以消除铸件中的残余应力。此外，在热处理过程中加热速度要保持适中。1.6.4晶粒异常长大 逐层凝固时使用冷铁，导致局部冷却太快，如果随后热处理时没有预先消除内应力则容易导致镁合金出现晶粒异常长大现象。热处理前进行消除应力处理、铸造时注意选择适当的冷铁以及固溶处理时采用间断加热法可以有效避免镁合金晶粒的异常长大。1.6.5 性能不均匀 炉温不均匀、炉内热循环不充分或者炉温控制不精确、厚截面工件的固溶处理时间不够和工件冷却速度不均匀等是导致镁合金工件性能不均匀的主要原因

47、。防止镁合金性能不均匀的主要措施有：用标准热电偶校对炉温；控制炉温的热电偶要放在炉温要求均匀的地方；装炉时必须保证炉内充分的热循环；定期检查加热炉的控温装置以确保其工作正常；对于厚截面工件适当延长固溶处理时间以获得完全均匀一致的组织；必要时进行二次热处理。1.6.6铸件的尺寸稳定性 所有的铸造镁合金在368K左右正常使用时都具有良好的尺寸稳定性，几乎没有尺寸变化。某些Mg-Al-Mn和Mg-Al-Zn铸造合金在368K以上保温较长时间后，尺寸会缓慢增大，Mg17Al12相（ZM5合金平衡组织为a+Mg17Al12）的析出是铸件尺寸不稳定的主要原因。由于母相和析出相的密度不同，因此铸件尺寸会发生

48、变化。随着Mg17Al12相的不断析出，铸件的尺寸变化逐渐减小。1.7 发展前景镁铝合金作为一种更轻、更节能、更环保的材料,它的研究及应用技术已经形成产业化,并在一些领域得到广泛和成功的运用。未来,镁铝合金将更加广泛地应用于航空、航天、汽车等领域。研究开发新型镁合金材料既有巨大的经济效益,也有良好的社会和环境效益。随着世界各国对镁合金研究开发不断加大投入,除传统的性能要求以外,研究开发高强、耐高温、耐腐蚀以及稳定力学性能的镁合金是今后发展的方向37。1.8 本文主要研究工作镁在我国研究很晚，工程应用不普遍，关于ZM5壳体热处理工艺太笼统，各种工艺下的性能各异，具体的还不太完善。随着武器、汽车轻

49、量化时代的发展，越来越多的各种零部件开始采用镁合金材料来代替原来的钢铁、铝材料。尤其是镁合金的熔炼、变质工艺的不合理，严重制约着它的适用范围，特别是热处理对镁合金性能的影响非常大。因此，选择一种合适的镁合金热处理工艺用于壳体具有重要的实际意义。受宝鸡器材厂企业委托，对Mg合金壳体的热处理工艺进行完善。本文主要通过相图、差热分析、过烧反应、正交试验对ZM5的热处理工艺进行研究。通过对组织、XRD、SEM、EDS和力学性能的分析，得到一种适用于镁合金壳体零件的镁合金较好的热处理工艺。与同组同学进行了镁合金制备工艺的研究，并将最佳制备工艺下的ZM5进行最佳热处理工艺，分析其组织、性能的增强机理。2

50、试验过程及方法2 试验过程及方法2.1 试验用原材料2.1.1原材料成分本试验选用ZM5（Mg-Al-Zn）中作为基础材料,其合金成分见下表：表2.1 ZM5镁合金的化学成分( %)AlZn MnSiCuFeNi杂质总量7.59.00.20.80.150.5 0.300.200.050.010.502.1.2合金成分的作用 Al：能提高Mg合金的强度，改善压铸件的可铸造性。但是，在晶界上析出-Mg17Al12的金属间化合物会降低其合金的抗蠕变性能。 Zn：Zn在合金中的作用是能提高铸件的抗蠕变性能。 Mn：在Mg中加入Mn对合金的力学性能的影响不大，但能降低合金的塑性。能略微提高合金的熔点，在

51、含Al的Mg合金中可形成MgFeMn化合物，提高合金的耐热性。 Si：用于改善压铸件的热稳定性和抗蠕变性能。 Cu、Fe、Ni：这3种元素在Mg合金中的固溶量很小，在其质量分数小于0.2%时就能对Mg合金产生非常有害的影响。大大提高合金的腐蚀速率。2.2 精炼及变质过程镁精炼的原理是利用杂质在金属镁和熔剂中的熔解度不同而将之除去。变质处理:有意地向液态金属中加入某些变质剂,以细化晶粒和改善组织,达到提高材料性能的目的。 变质处理就是向金属液体中加入一些细小的形核剂（又称为孕育剂或变质剂），使它在金属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒。变质处理是目前工业生产中广泛使用

52、的方法。镁合金熔炼变质的目的是改变镁合金的组织形态,该工艺对合金的晶粒大小和力学性能有较大的影响,且对镁液中的氧化夹杂亦有一定影响。未经变质处理的镁合金，晶粒比较粗大，在厚处更为明显。晶粒粗大将使合金的缩松和热裂倾向大大加剧，力学性能下降很多，所以需对镁合金液进行变质处理，使(Mg)晶体细化。本次试验使用六氯乙烷（C2Cl6）精炼剂，六氯乙烷是有机物，为白色晶体，西安工业大学毕业设计（论文）比重 2.09，升华温度为 185.5，不吸潮，且无毒，易于保存。已大量生产，价格便宜，在生产中普遍采用。加入合金中的六氯乙烷发生下列反应：C2Cl6+2O2=2CO2+3Cl2 六氯乙烷发生反应，产生氯气

53、，达到除气精炼的目的。 在镁液中添加C2Cl6，在高温下分解还原出碳，碳又与铝生成大量弥散的Al4C3质点，Al4C3是高熔点高稳定性化合物，其在镁液中以固态质点形式存在，Al4C3与-Mg同为六方晶系，两者晶格常数相近（相差4%）。根据金属结晶原理，晶格常数错配度小于9%即可成为晶核38，故Al4C3是Mg原子良好的非均质形核核心，因而大量弥散的Al4C3使Mg晶粒细化。 六氯乙烷的精炼工艺参数如表2.2所示：表2.2 C2Cl6的精炼工艺参数精炼剂用量（wt%）精炼温度（）静置时间（min）六氯乙烷0.20.67107401520 本试验采用在ZM5基础材料中变质剂含量为0.6%的C2Cl

54、6进行热处理研究。2.3 热处理研究方案性能测试 制定试验方案如下：ZM5合金相图模拟相图分析过烧试验差热分析组织分析性能测试最佳热处理工艺正交试验相图修正试验优化组织分析图2.1试验研究方案2.4 固溶温度和时间确定2.4.1相图分析相图（Phase diagram），也称相态图、相平衡状态图，是用来表示相平衡系统的组成与一些参数（如温度、压力）之间关系的一种图。它在物理化学、矿物学和材料科学中具有很重要的地位。广义相图是在给定条件下体系中各相之间建立平衡后热力学变量强度变量的轨迹的几何表达，相图表达的是平衡态，严格说是相平衡图。利用相图可以分析当体系在外界条件发生变化时体系将要发生的各种变化和限度。可以预知该体系中各盐的析出顺序以及变化规律，以便使我们需要的某种盐从溶液中结晶析出，其他盐溶解，从而实现分离。应用相图原理和方法，在化工生产中，仅采用蒸发、加水、升温、降温、冷冻、干燥、过滤分离或加入某种物质等这些简单操作中的几种方式，即可经济有效的应用于大规模化工产品的生产。通过相图分析或计算所得到的数据，可以确定某一新化工产品的工艺路线，改进原有的生产工艺，从而使得工艺条件更合理更经济。 2.4.2（差示扫描量热法）DSC分析差示扫描量热法（differential scanning calorimetry）这项技术被广泛应用于一系列应用，