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Mg-Zn-Al新型镁合金开发及半固态触变成形

冯凯  
【摘要】:半固态成形技术被认为是一种最具先进性的金属成形加工技术,其特点是易于近终成形、成形温度低、节约能源等。镁合金在一般成形过程中容易氧化燃烧,而采用半固态成形可有效的解决此问题。目前,采用半固态成形的镁合金主要有AZ91、AM60和AM50等牌号合金,首先是这些合金对半固态成形可控性的要求不能够完全满足的,其次是合金本身的热处理强化效果不太明显,从而不能有效地发挥半固态成形材料可通过热处理强化的优势。因此,有必要开发一种适合半固态成形的高强镁合金。开发合金的思路主要是,先获得强度较高且热处理强化效果显著的镁合金,要求该合金满足半固态成形,并具有较强的可控性,然后利用半固态成形以及热处理提高其力学性能。Mg-Zn-Al合金具有较高的室温及高温力学性能,成本低廉,其研究和应用较为广泛,并且热处理强化效果较好,所以可利用半固态成形对其进一步强化。本课题系统地研究了Mg-Zn—Al合金铸态及热处理组织和力学性能,并且对其进行半固态组织非枝晶化研究,最终选择了热处理强化效果最好并满足半固态成形要求的ZA74合金进行触变压铸研究以及后期热处理强化。主要研究结果如下: 1.对Mg-(5~20%)Zn-(0~6%)Al合金组织和性能进行系统地研究。表明,合金主要由α-Mg、MgZn、Mg32(Al,Zn)49及Mg17Al12相组成。随合金元素Zn和A1增加,合金由粗大的树枝晶向细小的等轴晶转变,晶粒尺寸逐渐减小,而晶界处的共晶相数量逐渐增多,尺寸逐渐增大。Mg-Zn-Al合金具有较高的室温抗拉强度,在180-240MPa之间,其中ZA54、ZA56以及ZA202合金的抗拉强度分别可达到227、228和237MPa;随着Zn含量的增加,合金的延伸率逐渐降低。 2.Mg-Zn-Al合金经过热处理后,抗拉强度得到显著提高,其中ZA74和ZA72合金热处理后抗拉强度最高,分别为338MPa和337MPa,较铸态分别提高了68%和66%,其次抗拉强度较高的是ZA54和ZA56合金,分别可达到320MPa和305MPa,而随着合金元素的增多,热处理后晶界化合物相严重影响合金的力学性能。对ZA74合金热处理工艺研究,其最佳热处理工艺参数为:固溶工艺350℃+28h水淬,时效工艺165℃+24h。热处理强化主要是固溶强化和时效强化,时效过程中在晶界和基体内部析出细小弥散的强化相,对合金力学性能贡献较大。 3.利用等温热处理法对Mg-Zn-Al合金半固态组织演变及机理进行研究。表明,颗粒尺寸与Zn含量有直接关系,随Zn含量增加,得到的固相颗粒尺寸逐渐减小,并且当Zn含量大于7%以后,固相颗粒尺寸在50μm以下,其中,ZA202合金的固相颗粒尺寸可达到28.9μm,Al元素可减小初生固相颗粒的粗化速率;Mg-Zn-Al合金半固态组织演变主要经历组织的粗化、分离、球化以及最终的合并、长大阶段。当液相较少,固相颗粒分离的机制主要是液相沿着晶界、亚晶界浸润和扩展;而有一定的液相存在时,根部重熔机制在固相颗粒分离中起主导作用。 4.对ZA74合金进行半固态触变成形及热处理强化研究。表明,半固态成形可显著提高合金力学性能,ZA74合金触变压铸后的抗拉强度可达到256MPa,较金属型(201MPa)提高27%;经热处理抗拉强度可达到352MPa,较铸态提高了38%,与AZ91D半固态触变压铸热处理后的抗拉强度(230MPa)相比,提高幅度为53%。


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