镁合金的强化处理方法研究

　2012年1月内蒙古科技与经济Januar y2012　第1期总第251期Inner M o ngo lia Science T echnolo gy&Economy N o.1T o tal N o.251镁合金的强化处理方法研究X

丁亚茹,韩建民

(北京交通大学,北京　100080)

摘　要:研究了镁合金的强化处理方法。不同元素对镁的影响不同,通过加入不同的元素得到不同性能的镁合金;有些合金元素加入后形成固溶体,起到固溶强化。有些元素可析出第二相,起到第二相强化作用。

关键词:镁合金;固溶强化;第二相强化

中图分类号:T G166.4 文献标识码:A 文章编号:1007—6921(2012)01—0101—02

工业纯镁强度很低,不能满足在结构材料使用时的性能要求,那么,就要通过一些方法来提高镁的性能。其中,最常用的手段是可以通过合金元素的加入,起到固溶强化和析出强化来提高镁的性能。

1　合金元素的固溶强化

合金元素的固溶强化是指将镁基体中溶入合金化元素,所添加的合金元素原子替换晶格点阵上的镁原子,形成固溶体,引起晶格畸变使镁金属强化。

形成固溶体的基本条件:原子半径和镁相差小于15%,Li、Al、T i、Cr、Zn、Ge、Z r、Nb、Mo、P d、Ag、Cd、In、Sn、Sb、T e、Nd、W、Re、P t、Au、Hg、P b及Bi 等元素皆可与镁形成固溶体。

形成无限固溶体的条件:原子半径和镁相差小于15%、与镁具有相同的原子价、与镁的晶体结构相似,Cd和Z n可与镁元素形成无限固溶体[2]。

合金元素原子可以阻碍镁原子的自扩散,使镁合金的弹性模量增大,镁合金的熔点也随之增大,镁的抗蠕变性能升高。

2　合金元素的析出强化

位错和第二相交互作用形成第二相强化,一般情况下第二相强化比固溶强化效果更加显著。第二相强化可分为析出强化和弥散强化。析出强化是通过相变热处理获得的,也称沉淀强化;弥散强化是通过粉末烧结获得的。

2.1　析出强化[3]

析出强化是金属在过饱和固溶体中溶质原子产生偏聚,由之脱溶出微粒弥散分布于基体中而产生的一种强化。析出相阻碍了位错的滑移与运动,滑移位错间也可相互作用,阻碍彼此相对运动,从而提高了屈服强度。析出相还必须具有合适的尺寸、形状及物理性质,同时,与集基体间的界面性质也是关键因素。镁合金加入合金元素后会析出第二相,阻碍位错的滑移与运动,滑移位错间也可相互作用,阻碍彼此相对运动,从而提高了屈服强度。

起到析出强化作用的合金元素需要满足的条件:¹高温下,合金化元素具有足够大的固溶度,且其固溶度随着温度的降低而减小。这样,随着温度的降低,才可逐渐析出第二相;º在基体中的合金化元素扩散速度不宜太快,这样可以减少位错的攀移;»镁的含量在析出相中所占比例足够大。在析出第二相时,镁元素析出的较多,合金用量降低。

2.2　弥散强化[4]

弥散强化的强化机制和析出强化相似,也是析出第二相,阻碍位错的滑移和攀升。析出强化的第二相是在固相中析出的,而弥散强化的析出相颗粒是在合金凝固过程中产生的,即从液相中析出。这些弥散强化相熔点高,且不溶于基体,具有优良的热力学稳定性。

在室温下,位错滑移受到弥散析出的颗粒相阻碍,将合金的性能提高;在高温下,析出相逐渐变得软化粗大,这就导致其失去了部分强化效果,却依然能阻止位错的移动,使合金依然具有较高的力学性能。

3　不同合金元素的强化作用[5]

3.1　铝元素

铝在固态镁合金中的溶解度较大,最大的固溶度可达到12.7%。温度改变时,铝的固溶度会随之改变,温度越低,固溶度越小,达到室温后,其固溶度只有2.0%左右。合金加入铝元素后,其可铸造性得以改善,进而铸件的强度得以提高。但是,晶界上析出了Mg17Al12,使合金的抗蠕变性能降低。特别是AZ91合金中Mg17A l12的析出量很高。铸造镁合金中,铝含量达到7%～9%。而变形镁合金中,铝含量一般可以控制在3%～5%。铝含量越高,耐腐蚀性越好,但应力腐蚀敏感性而增大。

3.2　锌元素

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X收稿日期:2011-11-28

作者简介:丁亚茹(1981-),女,内蒙古呼和浩特市,主要从事铝电解生产、氧化铝溶出等方面的研究。

　总第251期 内蒙古科技与经济

锌在镁合金的固溶度约为6.2%,随着温度的降低固溶度会显著减小。锌元素的加入可以提高铸件的抗蠕变性,但锌含量大于2.5%时会使镁合金的防腐性能降低。所以,一般控制锌含量在2%以下,能提高应力腐蚀的敏感性和疲劳极限。

3.3　锰元素

在镁合金中的极限溶解度为3.4%。在镁合金中加入锰对合金的力学性能影响不大,但降低塑性,在镁合金中加入1%～2.5%锰的主要目的是提高合金的抗应力腐蚀倾向,从而提高耐腐蚀性能和改善合金的焊接性能,锰略微提高合金的熔点,在含铝的镁合金中可形成Mg FeM n化合物,可以提高镁合金的耐热性。由于冶炼过程中通常带入较多的Fe,通常有意加入一定的合金元素M n来去除F e。所以M n在合金中有两类作用:¹作为合金元素,可以提高镁合金的韧性,如AM60,在此类合金中M n含量较高;º形成中间相AlM n和AlM nF e,在此类合金中M n含量较低。迄今为止,镁合金中含A lMn相的结构还不清楚。M n与Al结合形成中间相:AlM n、Al3M n、Al4M n、Al6M n或Al8M n5。

3.4　硅

在晶界处可产生细小的、弥散的析出相M g2Si, M g2Si具有面心立方晶体结构,熔点和硬度较高,使压铸件的热稳定性能和抗蠕变性能提高。但在铝含量较低时,共晶M g2Si相易呈汉字型,这时合金的强度和塑性降低很多。

3.5　钙

钙与镁可形成具有六方结构的高熔点Mg2Ca 相,可细化组织,提高抗蠕变性能且降低成本。Ca含量不宜过高,一旦超过1%时,易产生热裂倾向。

3.6　锆

锆是种高熔点金属,具有较强的固溶强化作用。Z r与Mg具有相同的晶体结构,其在镁中的溶解度为3.8%,在液态Mg-Zr合金凝固时,析出(-Z r,起到非自发形核核心,可细化晶粒。在镁合金中锆的含量为0.5%～0.8%,其细化晶粒效果最好。

镁合金中的金属元素可以通过以上几种强化方法提高材料的力学性能,而不同的合金元素由于其与镁原子半径和结构的不同,其影响方式也不同。

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