镁合金强韧化方法的研究进展

镁合金强韧化方法的研究进展

摘要:镁合金是一种新兴的金属结构材料,具有很好的应用前景。本文介绍了目前镁合金强韧化处理方法和研究现状,阐述了不同强韧化方法的特点及强化机理。

关键词:镁合金强化韧化

镁合金是目前最轻的金属结构材料,具有高的比强度、比刚度、减振性、导热性、可切削加工性和可回收性,而且镁是自然界中分布最广的元素之一,金属中仅次于Al和Fe而占第三位,被人们誉为“21世纪最具发展潜力和前途的绿色工程材料”[1～3]。强韧性较低是限制镁合金广泛应用的主要原因之一,因此提高镁合金的强韧性是目前镁合金研究的重点之一。本文综述了近年来国内外提高铸造镁合金强韧化的方法。

1 合金化

目前,提高铸造镁合金的强韧化的一个主要方法就是合金化,即向纯镁中添加合金化元素,利用固溶强化、沉淀硬化和弥散强化来提高合金的常温及高温性能[4～7]。来提高镁的物理、化学和力学性能。合金化设计从晶体学、原子的相对大小,以及原子价、电化学因素等[8]方面进行考虑,选择的合金化元素应在镁基体中有较高的固溶度,并且随着温度变化有明显的变化,在时效过程中合金化元素能形成强化效果比较突出的过渡相。除了对力学性能进行优化外,还要考虑合金化

元素对抗蚀性、加工性能及抗氧化性的影响。

根据合金化元素对二元镁合金机械性能的影响,可以将合金化元素分为三类[4～6]。

①提高强度韧性的(以合金元素作用从强到弱排序)。

Al,Zn,Ca,Ag,Ce,Ga,Ni,Cu,Th(以强度为评价指标)。

Th,Ga,Zn,Ag,Ce,Ca,Al,Ni,Cu(以韧性为评价指标)。

②能增强韧性而强度变化不大的,如Cd,Tl,Li。

③明显增强强度,而降低韧性的,如Sn,Pb,Bi,Sb。[9]

1.1 固溶强化[10]

固溶强化是合金化元素(溶质)完全溶入基体金属(溶剂)中,溶质原子在溶剂晶格点阵处取代了溶剂原子,从而通过原子错排及溶质与溶剂原子之间弹性模量的不同而强化基体金属。另外,如果溶质原子能提高合金熔点,增大弹性模量,减小原子的自扩散,则抗蠕变性也随之得到改善。

1.2 沉淀(析出)强化[11]

沉淀强化是铸造镁合金强化的一个重要机制。在合金中,当合金元素的固溶度随着温度的下降而减少时,便可能产生时效强化。将具有这种特征的合金在高温下进行固溶处理,可得到过饱和固溶体,然后

在较低的温度下进行时效处理可产生弥散的沉淀相。

1.3 弥散强化[12]

非共格硬颗粒弥散物对镁合金的强化称为弥散强化。弥散质点引起的强化包括两个方面:弥散质点阻碍位错运动的直接作用,弥散质点为不可变形质点,位错运动受阻后,须绕过质点,产生强化,弥散物越密集,强化效果越好;弥散质点影响最终热处理时半成品的再结晶过程,部分或完全抑制再结晶(对弥散粒子的大小和其间距有一定要求),使强度提高。

2 细化晶粒[13～14]

晶粒细化是提高镁合金铸件性能的最有效的途径之一。细化镁合金的晶粒不仅能提高其屈服强度,而且能提高镁合金的塑韧性。常用的细化晶粒的方法由以下几种。

2.1 增大冷却强度

主要方法是采用水冷模和降低浇注温度。水冷漠冷却强度大,金属浇入模子能迅速形成稳定的凝壳,加之模壁的强烈定向散热作用,故易得到细长的柱状晶。众所周知,提高浇温能使晶粒粗大。在保证铸锭表面质量的前提下,宜用低温浇注,这是获得细小等轴晶的基本方法之一。

2.2 加强金属液流动

加强金属液流动依据是:随着流动的加强,金属液能更好地与模壁接触,有效地发挥模壁的激冷效果,温度起伏和对流的冲刷作用,增加游离晶数目。主要方法有:（1）改变浇注方式;（2）使锭模周期性振动;（3）搅拌。

2.3 变质处理

变质处理是指向金属液内添加少量物质,促进金属液生核或改变晶体生长过程的一种方法。对于铸造合金,变质处理主要是为了细化第二相或改变其形态和分布状况。通过变质处理可改善合金的铸造性能和加工性能,提高合金的强度和塑性。根据变质剂在金属液中的存在方式,其作用可分为两种:一是以不溶性质点存在于金属液中的非均质晶核作用;二是以溶质的偏析及吸附作用。

2.4 常规热变形

常规热变形的原理是通过热加工过程中发生的动态回复,动态再结晶等使热加工后的晶粒变成沿变形方向伸长而呈纤维状,同时晶粒内出现动态回复和动态再结晶所形成的等轴晶粒。

2.5 大比率挤压

大比率挤压工艺提高了挤压比,在挤压过程中,晶粒被拉长乃至断裂成微小的晶粒,晶粒之间的相互摩擦加速了破碎过程,而且,弥散分

布的第二相质点阻碍了晶粒的长大,从而获得细小的晶粒。大比率挤压工艺的晶粒细化效果明显,可以大大提高合金的强韧性。

2.6 等径弯曲通道变形(ECPA)

ECPA等径弯曲通道变形是将试样放入横截面相同并成一定夹角的弯曲通道中,试样在压力的作用下通过管道,在管道弯曲处产生一定量的均匀的纯剪切变形,亚晶粒很快变为一系列大角度晶界,从而获得极细的晶粒组织。

3 特殊成形工艺方法

3.1 半固态成形工艺

半固态成型是一种集铸造和热加工于一体的新工艺。它是将原材料重新加热到液相线和固相线之间的温度,然后压入模孔中成型。这种低温铸造能产生细小的微观结构,减少微观收缩,使铸件具有较高的方向准确性,并且可延长模子寿命,是一种优质的铸造生产方法。

3.2 挤压铸造

挤压铸造是合金熔体被倒入到模具的型腔内,在挤压铸造机压头的机械压力作用下被挤压成形,并在压力作用下凝固。用这种工艺得到的铸件组织致密度高甚至可达到完全致密,气孔、疏松、缩孔等缺

陷少,晶粒组织细小均匀,力学性能有时可达到合金锻件的水平。

3.3 快速凝固法

快速凝固是一种新型的金属材料制备技术,基本原理是设法将合金熔体分散成细小的液滴,减小熔体体积与散热面积的比值,提高熔体凝固时的传热速度,抑制晶粒长大和消除成分偏析。美国专利4,997,622号揭示了由快速凝固方法制备的镁合金的性质。据这项专利,由快速凝固制备的镁合金改善了屈服强度,抗拉强度和伸长率。

3.4 其他成形工艺

镁合金的其他生产高强韧合金的成形工艺还包括喷射沉积、粉末冶金等技术。最近出现了一些边缘成形工艺,如:日本开发的一种介于压铸和触变射铸之间的成形方法[15]。

4 结语

镁合金作为一种新兴的金属结构材料,有着非常广泛的应用前景。如何提高镁合金强度及韧性是目前镁合金进一步发展所面临的主要问题之一,虽然目前一些研究成果已取得了很大成果,但其作用机理、工艺性能等方面还不太成熟,亟待于更多的材料工作者进一步的研究。

参考文献

[1] XIAO Xiao-ling,LUO Cheng-ping,LIU Jiang-wen.Structure of