热处理工艺对压铸镁合金AM50性能的影响
摘要：镁合金具有密度较低、比强度较高、比刚度较大、加工性能好、容易回收等优点，目前研究的主要方向是开发新型高性能镁合金，但是对镁合金进行适当工艺处理也是改善材料性能的有效途径。热处理工艺就是改善镁合金性能的有效途径，研究镁合金热处理后的组织、硬度以及耐蚀性是十分重要的。本文主要研究热处理对镁合金AM50组织变化的影响，以及怎样提高材料的硬度和耐腐蚀性。通过光学显微镜、显微硬度等实验，系统研究固溶处理以和时效处理分别对AM50镁合金组织、显微硬度产生的影响。研究结果显示:
将压铸镁合金AM50晶界的相分解并溶入α-Mg基体。延长固溶时间和脆性阶段可以消除β- Mg17Al12分布式α-Mg之间连续的网络形态,让它融化成晶体,从而提高合金的硬度，然而,太久固溶时间将导致β阶段结构的粗化。随着固溶时间不断地延长，硬度值先增大后减小。腐蚀速率先减小后增大。其中，固溶16h后水冷的合金耐腐蚀性最好。
时效处理就是以不连续或者连续的方式把过饱和的固溶体中的相β析出。随着时效时间的不断延长，硬度值不断增大，本实验也为探索AM系列镁合金硬度和耐蚀性之间的关系提供了参考。
关键词:AM50镁合金;固溶处理;时效处理
Effect of Heat Treatment Process on Properties of Die-casting Magnesium Alloy AM50
Abstract: Magnesium alloy are characterized by low density, high specific strength, high specific stiffness, good machining performance, strong electromagnetic shielding ability and easy recovery. The development of new high performance magnesium alloys is the main research direction at present. However, it’s an economical and effective way to improve the properties ofmagnesium alloys by proper process treatment. Heat treatment is an effective way to improve the properties of magnesium alloys. It is important to study the microstructure, hardness and corrosion resistance of magnesium alloys after heat treatment. The effect of heat treatment on the microstructure of magnesium alloy AM50 was studied and how to improve the hardness and corrosion resistance of the material. The effects of solution treatment and aging treatment on microstructure, hardness and corrosion resistance of AM50 magnesium alloys were systematically studied by optical microscope, scanning electron microscope, X-ray diffraction, microhardness and electrochemical corrosion test. The research results show that:
The grain boundary phase decomposition well of die - casting AM50 magnesium alloy was dissolved into a_Mg matrix. Prolonging the hard and brittle phase of solid solution time can eliminate the continuous network morphology between b-mgnal2 distributed α-mg dendrites and allow them to melt into crystals, thus improving the hardness of the alloy. however, too much solid solution time will lead to the coarsening of the b-phase structure. With the increase of solid solution treatment time, the hardness first increases and then decreases, and the corrosion velocity first decreases and then increases. Among them, the alloy prepared by water cooling after solid solution for 16h has the best corrosion resistance. The phase in the supersaturated solid solution was precipitated by the aging treatment in continuous and discontinuous ways respectively. With the extension of aging time, the hardness value increased and the corrosion velocity decreased.
In this experimental group, the hollow cold-aged 30h alloy has the best corrosion resistance. This experiment also provides a reference for exploring the good combination of hardness and corrosion resistance of AM series magnesium alloys.
Keywords: Aging treatment; Solid solution treatment; AM50 magnesium alloy;
目录
第一章 绪论 6
1.1引言 6
1.2 镁合金材料的简述 6
1.2.1纯镁的结构和物理性质 6
1.2.2镁合金的特性 ..................................................7
1.2.3镁合金的分类及其性能 7
1.2.4镁合金及其应用 7
1.3镁合金的强化方法及途径 8
1.3.1镁合金的强化 8
1.3.2镁合金热处理强化 8
1.4本课题研究的目的与意义 8
1.5本课题的主要研究内容 9
第二章 试验材料与方法 10
2.1试验材料的选择及设备 10
2.2热处理工艺参数的确定 10
2.2.1固溶处理工艺参数的确定 11
2.2.2时效处理工艺参数的确定 12
2.3显微硬度测试方法 12
2.4显微组织金相分析方法 13
第三章 热处理对镁合金AM50的组织和性能的影响 14
3.1 压铸镁合金AM50的组织观察及分析 14
3.2固溶处理对合金组织的影响 15
3.2.1固溶时间对合金组织的影响 15
3.2.2不同冷却方式对合金组织的影响 16
3.3固溶处理对合金硬度值的影响 18
3.4本章小结 18
第四章 时效处理之后对镁合金AM50的组织及性能的影响 20
4.1时效处理对合金组织的影响 20
4.1.1时效时间对合金组织的影响 20
4.1.2不同冷却方式对合金组织的影响 21
4.2经过时效处理之后对镁合金力学性能的影响 22
4.2.1经过时效处理之后对镁合金显微硬度的影响 22
4.2.2冷却方式对合金显微硬度的影响 23
4.3本章小结............................................................24
第五章 结论 25
参考文献 26
致谢 27
第一章 绪论
1.1引言
镁在地壳中约占2.7%，在海洋中约占0.13%，是地球上储量第八丰富的合金元素[1]。密度低，在当前工程应用中是最轻的金属，在轻负荷下使用寿命比较长，导电性和导热性也很好[2]。优异的减震性，镁合金尺寸的稳定性好、容易切削。80%的镁合金是可以回收利用的，所以作为一种新型的环保工程材料的镁合金将会有非常广阔的发展空间[3]。
镁合金资源比较丰富的国家是中国。镁合金可用在镁合金薄壁零件的生产上面，尺寸接近复杂零件，结构稳定，可与塑料相比。但是压铸件的缺点是力学性能不太好，组织容易产生缺陷[4]，会影响压铸镁合金的应用范围。所以优化镁合金的组织和性能和提高镁合金的耐蚀性，对于镁合金制造发展是非常重要的。
1.2 镁合金材料的简述
镁合金的原料和基础是纯镁。纯镁具有的一些基本特性镁合金也有，可以改善发展一些其他的新的性能，所以镁合金具有非常广阔的发展空间。
1.2.1纯镁的结构和物理性质
从微观角度来看，镁是呈密排六方结构的，所以它的塑性比较差、对称性也比较低[5]。它的原子序数为12，相对原子质量为24.32。
纯镁的比热容要比其他的金属低，散热和加热都比其他金属快。它的力学性能不是很好，在热处理之后，弹性模量是44Gpa,延伸率是5%，强度是18g/mm2,虽然它的综合强度和刚度比钢和铝好[6]，但是它的屈服强度很差。
1.2.2镁合金的特性
纯镁比较柔软，结构材料不适用。改善并且优化镁的性能的方法可以是添加合金元素。所以镁合金经常用在工程上。根据实际设计的各系列镁合金一般都有以下几个特点:
1.镁合金作为最轻的结构材料，比铝强度和刚度都比不上它，比工程塑料具有更高的弹性模量[7]。镁合金的刚度和尺寸稳定性对轻质材料的发展起着重要作用。
2.导热系数高，热容低，易切削，铸造性能好；因此加工成本也就变低了，成本接近复杂薄壁零件的尺寸。
3.镁合金具有高吸水性和抗疲劳性能，因此镁合金可用于需要承受高冲击载荷，并需要一个更高的安全情况。
4.镁合金毒性低，可回收生产。
1.2.3镁合金的分类及其性能
变形和铸造两种是根据镁合金的成型过程来分类的。这两种在结构和性能上有很大的差异。镁合金的结构是单一的α-Mg基体所以它的塑性变形能力和抗拉强度比其他镁合金更加好[8]。由铸造过程可分为以下几种:金属型铸造、挤压铸造、砂铸造、压铸成型,压铸技术有很高的生产效率,较好的尺寸精度和表面粗糙度,可以快速生产薄壁结构尺寸复杂工件。
1.2.4镁合金及其应用
纯镁是比较软的，所以不能直接使用的原因是它的结构稳定性不能保证。镁合金硬度等性能随着合金元素的加入而提高，所以得到了广泛的应用。密度较低是镁合金最大的特点[9]。镁合金强度和刚度虽不突出，但其高强度、刚度和密度比已广泛应用于航空、军工、电子产品、交通、纺织、印刷等行业。
航空工业是镁合金的第一个应用领域。镁在现代航空工业上用添加其他元素的办法去改善合金的性能和适用范围，像铸造镁合金ZM6添加钕之后,大大提高综合性能,可用于如减速器直升机,在战斗中翼肋骨和电动机转子连接块这种更加重要的部分。
纺织工业也会用到镁合金，如纺纱机的线轴、瓶盖、瓶盖和润滑剂。在采矿业，可用于制造镐和钻头。因为镁在矿物油或碱性环境中很稳定[10]，所以可以用在存储或运输工具上。
镁是人体的重要元素，它能激活全身酶系统，高血糖和糖尿病等疾病会被他所影响。如果缺少镁也会导致心血管和肿瘤等疾病。
1.3镁合金的强化方法以及强化途径
纯镁不能用作结构材料是因为它的强度低。工程实践中一般应通过合金化、热处理、细化晶粒和复合材料等方法进行强化高强度轻合金材料[11]。
1.3.1镁合金的强化
在一般情况下，加入元素的数量对合金是有一定影响的。合金经过固溶处理后，加入元素对合金的影响与加入元素的量成正比。以下是工业实践中常用的合金元素类型。
1.铝:锌是镁合金中常见的合金元素。合金的强度和硬度可以用Al来提高，也可以延长合金的凝固区去提高其铸造性能。所以镁合金和铝合金的性能会被热处理影响。合金的强度和硬度会随着合金中Al含量的增加而降低[12]。研究表示：镁合金在铝含量为6%时会得到较好的硬度以及抗拉强度。
2.锌:镁合金的饱和度为6.2%，仅次于Al的饱和度。Al-Zn在合金中可以提高合金室温拉伸强度并且提高合金室温拉伸强度，起到固溶强化和时效强化的双重作用[13]。然而，大量的锌虽然会提高合金的结晶温度但也会大大降低合金的流动性导致影响合金的铸造性能。此外，锌还可以提高镁合金的抗浊度并且降低铁和镍的危害。
3.锰:镁合金屈服强度略有提高，但对其拉伸强度影响不大。因为其固溶度小于0.3%，所以锰在铝合金中难形成固溶体也几乎没有起到强化作用。锰的含量通常不高于1.5%。此外，Mn还可以起到提高合金的可焊性和细化合金晶粒的作用。
4.硅:加入硅元素后生成的Mg-Si，具有密度低(1.9g /cm3)、熔点高(1358k)、高弹性模量(120 Gpa)、低线性膨胀系数（7.5×10-6K-1）等特点[14]。一般可以得到强化相。当硅与稀土同时存在并且快速凝固形成稳定的硅化物便可以提高合金的性能以及抗拉强度。
1.3.2镁合金热处理强化
镁合金可经过热处理来改善其力学性能和工艺性能。镁合金热处理的两种方法是:溶液时效和退火[15]。只有当元素在合金中的固溶度随温度变化时，热处理才能提高合金的强度。
由于镁合金热处理过程中合金相分解较慢并且合金元素扩散较慢，镁合金热处理过程具有以下两个特点:
1.固溶处理和时效处理时间长是镁合金热处理最重要的特点。
2.镁合金工件淬火后，可以利用自然环境中冷却或人工制造减缓冷却速度[16]。
1.4本课题研究的目的与意义
镁合金属于质量较轻的材料，它不仅具有较低密度的延展性而且工艺可加工性、减震性、导热性能都很好，在工艺生产中应该具有广阔的应用领域。镁合金材料易被铝合金材料替代。
镁合金将成为传统金属材料的“接班人”。现代材料研究的新方向是如何提高镁合金等绿色环保材料的性能和应用范围，目前我国镁合金的发展和应用还不够广泛。近年来，镁合金仅应用于军工、航天、通信、汽车等行业。与铝合金相比镁合金的应用依然很有限。
为了提高材料性能，热处理在传统材料生产领域也得到了广泛的认可。如果想为工厂节省大量的资金，那么把金属制造过程中产生的热量用到金属的热处理过程中便好。同理如果将热处理能源应用于电站的日常循环利用，也可以大大节约不可再生资源的利用率，在使用过程中不会产生污染环境的有害气体。目前，绿色热循环的研究和工作非常有限但在工业的发展具有巨大的经济潜力。因此，通过热处理后镁合金组织和性能变化来研究镁合金的硬度和耐蚀性是很重要的。
本实验的主要以是研究热处理对镁合金AM50材料性能的影响为目的，使镁合金在未来能得到更加广泛的应用。
1.5本课题的主要研究内容
本课题采用镁合金组织微观结构测试、显微硬度测试和一系列的方法,为进一步研究镁合金的固溶处理、时效处理后的组织,第二阶段形态、分布和降水方法和合金,进一步分析综合性能和加强镁合金性能热处理机理及性能影响因素,为提高镁合金热处理性能提供理论依据，在实际的应用上提供了理论依据。本课题主要有以下内容:
1.研究了不同工艺参数固溶、时效处理后AM50镁合金组织和材料硬度的变化，确定工艺参数对材料硬度的影响。
2.研究了不同工艺参数固溶处理、时效处理后对AM50镁合金组织硬度值的影响。
3.从实验结果可以显示出，不同热处理工艺对镁合金AM50相的析出方式、形貌、析出量和分布的影响也不同。
参考文献
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