；技术设备ＡＺ３１变形镁合金的研究与开发江西理工大学材料与化学工程学院（江西赣州３４１０００）谢春晓陈丙璇刘凯引言ＡＺ３１变形镁合金是目前商业化应用最广泛的变形镁合金，它具有较好的室温强度，良好的延展性以及优良的抗大气腐蚀能力，而且价格便宜。本文重点阐述了ＡＺ３１变形镁合金在组织和力学性能方面的特点，以及主要合金元素在其中的作用，提出该合金的应用和发展前景。１．ＡＺ３１变形镁合金的研究现状及应用金属镁及其合金是迄今在工程中应用的最轻的结构材料，被誉为２１世纪的绿色工程材料。纯镁的密度为１．７３６９／ｃｍ３，普通镁合金的密度为１．３～１．９９／Ｃｌｌｌ３，常规镁合金比铝合金轻３０％～５０％，比钢铁轻７０％以上，应用在工程中可大大减轻结构件质量，具有铝和钢不可替代的性能。如高比强度、高比弹性模量、高阻尼减震性、高导热性、高静电屏蔽性、高机械加工性和极低的密度，被广泛应用于航空、航天、汽车、计算机、通讯和家电等行业。目前，大多数镁合金产品主要通过铸造的生产方式获得（包括传统的铸造工艺和新型的半固态铸造等工艺）。与铸造工艺相比，镁合金热变形（如挤压、轧制、锻造）后合金的组织得到细化，铸造缺陷消除，产品的综合机械性能大大提高，比铸造镁合金材料具有更高的强度、更高的延性、更多样化的力学性能。目前变形镁合金的板材、型材以及锻件等生产仍集中在航空航天及军事等高端领域或部门，没有更多普及到一般民用领域。变形镁合金以Ａｚ系应用最为广泛，其中又以ＡＺ３１应用更为广泛。变形镁合金的主要用途如表ｌ所示。表１．变形镁合金的主要用途类别部件名称常用牌号成型工艺汽车车身件仪表盘十字梁、内门板、行李箱盖ＡＺ３ｌ热冲压、热拉深汽车底盘底盘筐、发动机轴、发动机架、车轮、前后悬臂ＡＺ３ｌ锻造、挤医汽车覆盖件行李箱盖板ＡＺ３ｌＢ轧制航空航天部直生机变速箱、坐舱架、吸气管、刹车器、壁板、ＭＢｌ５、ＡＺ３１Ｂ等温锻造、超塑成件舵面、核燃料箱、方向舵、飞机内框架结构管件ＡＺ９１Ｂ、ＺＫ５０Ａ型、热挤压军事、兵器导弹舱段、弹夹、枪托、导弹尾翼ＡＺ３１Ｂ轧制、锻造电子电器部笔记本电脑外壳、打印机板、硬盘中小件、手机ＡＺ３１Ｂ热冲压件壳、摄像机壳、相机架体育、办公、渔具卷轴、滑雪撬、网球拍、电动车部件、自行ＡＺ３ｌＢ冲压、挤压家庭用品车架、轮椅及残疾车架、行李架、印刷机械、夹具囵型鱼皇苎兰塑

磊厩蒜磊ｍ⑧　万方数据技术设备ｌ２．ＡＺ３１变形镁合金中合金元素的作用合金元素影响镁合金的力学、物理、化学和工艺性能。大多数情况下，合金元素的作用大小与添加量有关，在固溶度范围内作用大小与添加量呈正比关系。镁合金用作结构材料时，合金元素对加工性能的影响比对物理性能的影响重要得多。２．１ＡｌＡｌ是镁合金中最常用的合金元素。根据Ｍｇ－Ａ１二元相图，平衡结晶时，４３７℃发生共晶反应：Ｌ—Ｑ（Ｍｇ）＋Ｂ（Ｍｇｌ７Ａ１ｌ：），共晶点含３２．３ｍａｓｓ．％Ａ１，共晶温度时，Ａｌ在Ｍｇ中溶解度为１２．７ｍａｓｓ．％。随温度下降溶解度降低，至１００℃时降为２ｍａｓｓ．％。当Ａｌ含量小于ｌＯｍａｓｓ．％时，随着Ａ１含量增加，Ｍｇ合金的液相线及固相线温度均降低，Ｍｇ合金的抗拉强度提高；伸长率则随着Ａｌ含量增加先是提高然后下降。当Ａｌ含量大于４ｍａｓｓ．％时，№一Ａｌ合金的耐腐蚀性能迅速提高；另外，含Ａ１的Ｍｇ合金有最高的应力腐蚀敏感性，且敏感性随着Ａｌ含量的增加而增加，Ｍｇ合金中Ａｌ含量过高时，合金的应力腐蚀倾向加剧，脆性提高。在６ｍａｓｓ．％ＡＩ时影响达到最大，合金的强度和延展性匹配得最好。２．２Ｚｎｚｎ在Ｍｇ中的最大溶解度为６．２ｍａｓｓ．％。随温度降低，其固溶度随温度的降低而显著减少，至１００℃时降为２ｍａｓｓ．％以下。当ｚｎ含量较小时（＜１％时），ｚｎ在Ｍｇ中的作用一方面表现为自身的固溶强化，另一方面，少量的Ｚｎ还可以增加Ａ１在Ｍｇ中的溶解度，提高Ａｌ的固溶强化作用。Ｚｎ含量大于２．５ｍａｓｓ．％时则对合金的防腐性能有负面的影响。在Ｍｇ—Ａ卜ｚｎ合金中，铝／锌比是值得重视的一个参数。通过改变Ａｌ、Ｚｎ含量比例，对Ｍｇ—Ａｌ－Ｚｎ合金进行力学性能测试后得出，当Ａｌ质量分数较低（＜８ｍａｓｓ．％）时，随含Ｚｎ质量分数增加，抗拉强度提高，．伸长率下降；当Ａ１含量高（＞８ｍａｓｓ．％）时，随着ｚｎ含量增加抗拉强度降低，伸长率提高。为了获得具有良好综合力学性能的合金，Ａｌ、Ｚｎ含量应有合适的比例。２．３Ｍｎ镁合金中添加Ｍｎ对抗拉强度几乎没有影响，但是能稍微提高屈服强度。Ｍｎ在镁合金中对提高耐腐蚀性能十分有利，因为Ｍｎ可与合金中的Ｆｅ形成化合物作为熔渣被排除，消除Ｆｅ对镁合金耐蚀性的有害影响，同时提高了合金的电位。因此，一般用于耐腐蚀性场合的镁铝合金中都含有一定量的Ｍｎ。Ｍｎ在Ｍｇ中的固溶度较低，镁合金中的Ｍｎ含量通常低于１．５ｍａｓｓ．％；在含Ａｌ的镁合金中，Ｍｎ的固溶度不到０．３ｍａｓｓ．％。另外，Ｍｎ还可以细化晶粒改善合金的焊接性能和耐热性能。２．４Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｂｅ、ＦｅＣｕ、Ｎｉ、Ｆｅ是影响抗腐蚀的元素。Ｃｕ添加量不小于０．０５ｍａｓｓ．％时，显著降低镁合金的抗蚀性，但能提高合金的高温强度。Ｆｅ即使含量很小也能大大降低镁合金的抗蚀性，通常镁合金中铁平均含量为０．０１～０．０３ｍａｓｓ．％，为保证镁合金的抗蚀性，Ｆｅ含量不得超过０．００５ｍａｓｓ．％。Ｎｉ与Ｆｅ相似，也是一种有害的杂质元素，要保证镁合金的抗蚀性，Ｎｉ含量不得超过０．００５ｍａｓｓ．％。微量的Ｂｅ能有效地降低镁合金在熔融、铸造和焊接过程中金属熔体表面的氧化，但Ｂｅ存在晶粒粗化效应。镁合金中添加Ｓｉ能提高熔融金属的流动性，与Ｆｅ共存时，会降低镁合金的抗蚀性。添加Ｓｉ后生成的Ｍｇ。Ｓｉ具有高熔点（１３５８Ｋ）、低密度（１．９９／ｃｍ３）、高弹性模量（１２０Ｇｐａ）和低膨胀系数（７．５×１０－６Ｋ。１），是一种非常有效的强化相，通常在冷却速度较快的凝固过程中得到。３．ＡＺ３１变形镁合金的组织及性能３．１ＡＺ３１镁合金的组织研究按化学成分，ＡＺ３１变形镁合金属于Ｍｇ—Ａ卜ｚｎ三元系，其成分及几个主要国家相近牌号对照见表２和表３。ＡＺ３１变形镁合金铸锭的铸态组织，基体为Ｑ固溶体，少量的第二相Ｍｇ。７Ａｌ。。呈骨骼状分布于枝晶问和晶界处。由于偏析和在晶界以及枝晶间存在Ｍｇ。７Ａ１。。第二相，使镁合金的热塑性降低，加工性能变坏。因此，为保证后续热轧开坯工艺的实施和提高合金的组织成分的均匀性，需要对合金铸锭④，ｔ金ｔｐ．、ｖｗ属ｗ．ｊｓ世ｓｊｚｈｔｐｎｖｗｌＳ８ｌＺＺ～。ｏｍ２０—０６圭蔓呈塑囝目渺

年男２鄹■巨臣■　万方数据Ｊ技术设备表２．ＡＺ３１Ｂ主要成分主要成分／ｍａｓｓ．％杂质／ｍａｓｓ．％（不高于）尘。厶其代号ＡｌＭｎＺｎＭｇＣｕＮｉＳｉＢｅＦｅ他ＡＺ３１Ｂ３．Ｏ一４．ＯＯ．１５一Ｏ．５０．２－０．８余量０．０５０．００５０．１５Ｏ．０２Ｏ．０５Ｏ．３表３．几个主要国家ＡＺ３１Ｂ镁合金相近牌号对照美国（ＡＳＴＭ）中国（ＹＢ）英国（ＢＳ）德国（ＤＩＮ）日本（ｊＩＳ）前苏联（ＦＯＣＴ）法国（ＮＦ）ＡＺ３１Ｂ＾忸２ＭＡＧｌｌｌＭｇＡｌ３ＺｎＭＡ２进行均匀化处理。均匀化处理过程中，通过原子扩散，可在很大程度上消除晶内偏析和内应力，改善铸锭化学成分与组织的不均匀性，提高其工艺塑性。经均匀化处理后的组织，在基体上的枝晶数量大大减少，在枝晶之间以及基体上还存在着少量的Ｍ９１７Ａ１１２第二相。Ｍｇ。，Ａｌ。。是ＡＺ３１镁合金中唯一的化合物相，为体心立方结构，ａ＝１．０５４３８ｎｍ。Ｍｇ，７Ａ１１２相的形成机制、存在状态、数量、大小、分布以及晶体学位向关系无疑对合金的性能有不可忽视的影响。研究表明，Ｍｇ，，Ａ１。。相可以连续和不连续沉淀两种方式从Ｍｇ基体中析出，当时效温度高于约２０５℃时，Ｍｇ。，Ａ１。。相以连续方式析出；当温度较低时，通常以不连续沉淀方式析出。罗承萍等人对Ｍｇ。７Ａｌ。：相与基体之间的位向关系进行了细致的研究。他以ＡＺ９１镁合金为基础合金，发现了经固溶时效处理的ＡＺ９１合金中具有４种形态和位向关系的析出相，有板条状（记为ｙ—Ｍｇ。７Ａ１。。占９０％以上）、六棱柱状、短棒状及少量的等轴状，透射电镜研究表明其中板条状、六棱柱状、短棒状析出相分别与镁基体保持Ｂｕｒｇｅｒｓ、Ｃｒａｗｌｅｙ和Ｐｏｔｅｒ位向关系，同种析出相颗粒之间或异种析出相颗粒之间能形成不具孪晶结构的｛１１２）、伪孪晶关系。促进与基面垂直方向析出物的析出将有效提高合金的强度。目前，研究者在改善Ａｚ（Ｍｇ—Ａ卜Ｚｎ）系镁合金组织、提高性能方面做了大量工作。由于ＡＺ３１变形镁合金合金元素含量较低，固溶强化和时效强化囝型鱼皇蔓兰塑森厩燕磊ｍ＠效果不明显，因此研究工作主要通过微量元素合金化和复合合金化的手段来达到改善组织的目的。微量元素主要通过改善合金相的形态结构特征、形成新的高熔点、高热稳定性的第二相或细化组织晶粒来进一步提高Ｍｇ－ＡＩ－Ｚｎ合金的常温和高温性能。大量研究表明，ｃａ、Ｓｒ、Ｓｎ、Ｂｅ、ｓｂ、Ｙ、Ｎｄ、Ｃｅ等微量元素一种或几种加入可以有效地改善Ａｚ系镁合金的组织。有研究表明，当稀土Ｃｅ含量小于１％时，ＡＺ３１镁合金随着ｃｅ含量的增加，在镁基体晶界上的共晶相也不断增加，当含量达到１％时，共晶相在镁基体晶界上逐渐连成网状阻止了晶粒长大，使晶粒细化，抗拉强度和塑性都明显提高。重庆大学汪凌云等在ＡＺ３１变形镁合金中加入Ｃａ、Ｓｒ，获得了４０～５０ｕｍ的铸态晶粒组织，明显改善了合金的后续加工性能和力学性能。材料的屈服强度与晶粒大小存在着函数关系，也就是Ｈａｌ卜Ｐｅｔｃｈ公式：６ｓ＝６ｏ＋Ｋｄｌ／２０式中６Ｓ为屈服强度；６。为单晶体的屈服极限；Ｋ为常数；ｄ为晶粒大小。Ｋ值随泰勒系数的增加而增加，由于镁是密排六方结构，与面心立方和体心立方结构相比，镁的泰勒系数大，Ｋ值也大。因此，镁合金的晶粒细化是提高镁合金力学性能重要技术措施。晶粒细化可分为两方面，一方面是铸态晶粒的细化，另，一方面是变形态晶粒的细化。铸态晶粒的细化方法的研究主要集中在选择合适的晶粒细化剂以及加入方法方面，对于Ａｚ系合金目前研究较多的晶粒

细化剂有Ｃ、Ｃａ、Ｓｒ等。细化剂的存在状态和加入方　万方数据技术设备ｌ式对细化效果有显著的影响。张世军等提出了镁合金用粉末状晶粒细化剂加入的新方式——子母球混合粉压块加入法，它是将铝粉和碳粉按一定的比例和熔剂一起机械混合均匀，用铝箔包成小球，然后用６００ＭＰａ的压力把包好的小球压紧，用钟罩压入熔融的镁合金熔液中，待碳粉完全熔解后进行浇注，该加入方式可以改善碳粉对镁及其合金的细化效果。对于变形态晶粒的细化方面，重庆大学汪凌云从控制动态再结晶晶粒大小出发，对ＡＺ３１变形镁合金在３００～４５０℃以及应变速率为０．１和１．０ｓ。１条件下进行热压缩，发现在热压缩变形过程中发生了动态再结晶，其动态再结晶平均晶粒尺寸（ｄ）的自然对数与Ｚｅｎｅｒ—Ｈ０１］ｏｍｏｎ参数（ｚ）的自然对数成线性关系。再利用ｄ与ｚ的关系，通过较低的热挤压温度（３００～３５００Ｃ），获得了动态再结晶晶粒直径在ｉ０～２０ｕｍ之内的镁合金管材。近年来，快速凝固、半固态成形工艺、喷射沉积制备技术、等径角挤压、大挤压比挤压成形技术、冲压成形、超塑成形等新型工艺的发展使镁合金的组织性能有相当程度的改善。３．２ＡＺ３１变形镁合金室温力学性能ＡＺ３１镁合金主要是通过控制轧制、挤压或锻造等变形方式加工成形，并通过控制热处理状态来获得需要的强度、塑性等力学性能。ＡＺ３１镁合金板材、挤压棒及型材力学性能和ＡＺ３１Ｂ镁合金厚板及薄板热处理态典型室温力学性能如表４、５所示。ＡＺ３１镁合金室温力学性能还是比较低，很大程度上限制了其推广应用，因此迫切需要提高该合金的力学性能。采用合适的加工工艺可有效地提高镁合金的力学性能。西安建筑科大刘长瑞等通过挤压制取镁合金ＡＺ３１镁合金板坯，常温下进行轧制，研究其塑性变形行为。考察了镁合金ＡＺ３１组织和轧制工艺参数对其常温下塑性变形能力的影响。结果表明：（１）通过挤压、常温轧制的工艺方法，能够有效地使镁合金ＡＺ３１的晶粒细化，改善和提高其塑性变形能力。（２）冷加工率与晶粒大小密切相关。冷加工率越大，晶粒越细，最小晶粒尺寸达到５．２ＩＪｍ。晶粒越细，冷加工率越大，晶粒尺寸从１０．５２ｕｍ细化到６．８ｕｍ时，两次退火间的室温相对总加工率从５％提高到４７％。（３）镁合金在冷轧过程中应采用多道次、较小道次加工率的方法，可以提高总加工率，道次加工率一般控制在５％～１０％以内。（４）镁合金弹性模数较小，延展性差，使板形平直度控制难度较高，也增加了其矫直的难度，必须严表４．ＡＺ３１镁合金板材、挤压棒及型材力学性能合金产品抗拉强度／ＭＰａ屈服强度／ＭＰａ伸长率／％剪切强度／ＭＰａ硬度ＨＲＢＡＺ３１Ｂ挤压棒及型材２６０２００１５１３０４９ＡＺ３１Ｂ—Ｈ２４板材２９０２２０１５１６０７３表５．ＡＺ３１Ｂ镁合金厚板及薄板热处理态典型室温力学性能状态厚度／ｃｍ抗拉强度／ＭＰａ拉伸屈服强度／ＭＰａ压缩屈服强度／ＭＰａ抗剪度／ＭＰａ伸长率／％Ｏ０．０１４—０．０５２２５５１５２１１０１７９２１Ｈ２４０．０１４—０．０５２２９０２２１１７９２００１５Ｈ２６０．６３５—０．９５１２７６２０７１６５１９３１３注：０一完全退火；Ｈ２４一半硬化；Ｈ２６一高度硬化＠．金ｔｐ：ｗ属ｗｊｓ世ｓｊｚ：ｈｔｐ：ＷＷｌ￥￥１ｚｚ～ｃｏｒｎ一２００６：主蔓呈塑■目穆

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