镁合金作业

微量锰对AZ31镁合金组织与力学性能的影响

一、研究背景

金属镁及其合金是目前工业上应用最轻的金属结构材料。它具有高的比强度、比刚度、优良的阻尼减震性能、良好的导电导热性、高的尺寸稳定性、优良的机械加工性能和极低的密度(1.74×103kg/m3)等优点。因此，近年来镁合金正得到日益广泛的应用，特别是在汽车、电子通讯、航空航天、国防军事等领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景[1]。其中应用最广的是以Al为主要合金元素的镁合金，特别是用于铸造成型的AZ91合金和用于变形的AZ31合金。然而这些合金的强度都不够高，在许多要求镁合金具有高强度的情况下难以得到广泛的应用。

以Mg-Al 合金为基的合金是最常用最经济的商业镁合金。然而，镁合金仍然不能像铝合金和塑料一样广泛的应用，这是镁合金的晶体结构决定的。为了扩大镁合金广泛的应用，镁合金的塑性和强度需要进一步的提高。因此，为了提高镁合金产品的机械性能，晶粒细化和相形貌的改变就显得尤为重要[2]。众所周知，Fe 元素对镁合金组织和性能是非常有害的，尤其对镁合金的腐蚀性能有致命的影响[3-5]。因此，如何在降低Fe 含量的同时而不影响镁合金的组织和性能就显得尤为重要。目前为了降低镁合金熔体中Fe 的含量，比较有效的方法是添加Mn 来尽可能的降低熔体中Fe 含量[6-8]，从而消除Fe 对镁合金耐蚀性能的影响，同时也尽可能的消除Fe 对力学性能造成的不利影响。另外，在大多数的商业镁合金中，Mg-Al-Mn 系合金由于有较高的强度、较好的铸造性能和耐蚀性能，一定量的Mn 对合金组织有一定的细化作用，但Mn 对合金组织的细化作用还不是很清楚[9-12]。

Mg-Mn系合金具有良好的耐蚀性能及焊接性能，但强度较低。锰元素容易同有害杂质元素化合，从而消除铁对抗蚀性的有害影响，使得腐蚀速度特别是在海水中的腐蚀速度大降低。该系合金主要加工成板材、棒材、型材和锻件，目前仍然得到较多的应用[13]。Mg-Mn系合金包括ASTM系列中M1A和中国国标系列中的MB1和MB8合金。

Mn 元素含量对AZ31-xMn合金凝固组织及变形后组织和性能的影响的系统研究还比较少。通过调整Mn 的含量，系统研究Mn元素含量对AZ31镁合金凝固组织及不同Mn 含量的AZ31-xMn合金挤压棒材组织及性能的影响，进而对Mn 元素在AZ31合金中的作用有一个深入的理解，同时对制备高质量的镁合金也有重要的指导作用[14-16]。

二、国内外研究现状

AZ3l镁合金铸锭的铸态组织，基体为“固溶体”，少量的第二相Mg l7Al l2呈骨骼状分布于枝晶间和晶界处。由于偏析和在晶界以及枝晶间存在Mg l7Al l2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，需要对合金铸锭进行均匀化处理。均匀化处理过程，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Mg l7Al l2第二相[17]。

Mg17Al12是AZ31镁合金中唯一的化合物相，为体心立方结构，晶格常数a= 1. 05438nm。Mg17Al12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[18-20]，Mg17Al12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，Mg17Al12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[18,19] 对Mg17Al12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C-Mg17Al12，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、Craw ley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-Al- Zn) 系镁合金组织、提高性能方面做了大量工作。由于AZ31镁合金合金元素含量较低，固溶强化和时效强化效果不明显，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-Al-Zn合金的常温和高温性能。大量研究表明，Ca、S r、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，AZ3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[20-22] 。重庆大学汪凌云等[23,24]在AZ31镁合金中加入Ca、Sr，获得了40 ~50μm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。

近年来，快速凝固、半固态成形工艺、铸造粉末冶金成形工艺等新型工艺的

发展使镁合金的组织性能有相当程度的改善。凝固过程中合金元素之间的相互作用、微观偏析、晶粒细化、亚稳相和准晶强化等一系列基础问题的研究更是超高强度镁合金研究工作的重点[25-27]。

三、本课题研究目的及意义

3.1 研究目的

镁合金耐蚀性能差，成为制约其广泛应用的主要因素之一。因此，如何提高镁合金的耐蚀性能显得尤为重要。Mn加入镁合金中，一方面通过固溶在基体镁中提高合金的腐蚀电位，另一方通过细化晶粒和形成更加弥散分布的第二相来提高合金的耐蚀性能。此外，Mn的加入还可以消除镁合金中的夹杂，消除杂质Fe 对合金耐蚀性的不利影响，从而提高合金的耐蚀性能[28]。

本课题以AZ31合金为基体，加入不同含量的Mn，研究Mn对AZ31合金微观组织和力学性能的影响，具体研究内容如下：

(1)研究Mn对铸态AZ31-xMn（x=0~1.2%）合金微观组织的影响。利用金相显微镜、扫描电镜和X射线衍射仪研究Mn在合金中的存在形态，探讨析出相的析出机理及Mn对合金组织的影响。

(2)研究Mn对铸态经均匀化处理后的AZ31合金微观组织及力学性能的影响。通过金相显微镜、扫描电镜和X射线衍射仪及硬度计研究Mn在经均匀化处理后的组织中形态以及对其它相的影响。

(3)研究挤压态下Mn含量的不同对资质及力学性能的影响。随锰含量的增加，挤压棒材的显微组织以及拉伸性能和断口等的变化。

3.2 研究意义

AZ31镁合金由于其密度低、导电导热性好、电磁屏蔽性良好等特性，已在航空航天、汽车、3c等领域得到了广泛应用。但也因镁本身的标准电极电位很低，并具有密排六方晶格特征，其耐蚀性和力学性能成为制约其应用的最主要因素，因此，需要在以下几个方面进行深入研究[29-31]：

(1)在力学性能方面，AZ31镁合金的常温力学性能，特别是强度和塑、韧性有待进一步改善；

(2)在耐蚀性方面，目前国内外相关研究中，对于镁合金耐蚀机理的研究相对较少，且缺乏统一、清晰的认识。

(3)目前研究对于AZ3l镁合金在力学性能和耐蚀性的改善方面，大都侧重于单一方面，很少有报道将两者结合起来。相信随着镁合金生产、加工、表面处理技术等的不断研究和完善，AZ3 l镁合金能够在生产生活中得到更广泛的应用。

3.3 预期结果