合金材料及熔炼4

《合金材料及熔炼》——有色合金部分4——铸造镁合金和锌合金吕书林华中科技大学材料学院材料成形及控制工程专业课程铸造合金原理及熔炼教案23.3.1铸造镁合金铸造镁合金Mg-Al合金为基础ZM5、ZM10Mg-Zn合金为基础ZM1、ZM2、ZM7Mg-RE合金为基础ZM3、ZM4、ZM6一、镁合金特点二、分类及性能密度低、比强度高、比刚度高、切削加工性极好；极易氧化、燃烧，浇注过程撒硫磺粉，砂型中加氟化物，现代镁合金压铸常用N2+SF6（SO2）保护；结晶温度间隔宽，凝固收缩大，缩松倾向严重、易热裂。150℃250℃33.3.1铸造镁合金二、分类及性能43.3.1铸造镁合金还可添加Cd、Nb、Ag、La等元素进一步提高力学性能。5自行车架仪表板进气管镁合金的应用举例——轻量化为目的3.3.1铸造镁合金6铸造镁合金汽车零件3.3.1铸造镁合金宝马6缸发动机缸盖电动车轮毂变速箱壳体汽车轮毂73.3.1铸造镁合金镁合金的应用举例压铸镁合金——电子产品：增加附加值；提高散热性等功能LED灯罩83.3.1铸造镁合金导弹、卫星上的镁合金铸件此外，还有生物医药镁合金。。。93.3.1铸造镁合金1.Mg-Al-Zn合金铝在镁中固溶度，在共晶温度(437℃)时，最大固溶度可达12.7%.室温只有0.2%——可时效强化。强化相为γ相（Al12Mg17）Mg-Al二元相图（镁铝合金）β：Al3Mg2103.3.1铸造镁合金ZM5合金的铸锭组织扫描电镜照片铝对Mg-Al合金铸造性能的影响113.3.1铸造镁合金加入Zn可增加合金的固溶强化效果。加Zn扩大结晶区间，降低铸造性能，一般Zn1%。典型的Mg-Al-Zn合金为ZM5：(7.5％~9.0％)A1，(0.2％~0.8％)Zn，(0.15％~0.5％)Mn，余为Mg。T4；σb=250MPa，δ=9％相当于AZ91镁合金(ASTM标准）是目前应用最广泛的镁合金。铝对Mg-Al合金力学性能的影响受γ相固溶度影响，Al一般控制在8%左右。123.3.1铸造镁合金2.Mg-Zn-Zr合金Mg-Zn状态图锌在镁中的最大固溶度为6.2％，时效过程中，过饱和固溶体析出弥散分布的细小γ’相质点(MgZn)，使合金强化。一般Zn6%。133.3.1铸造镁合金Mg-Zn合金的结晶区间较大，最大可达290℃(不平衡态)，故铸造性能极差。少量Zr改善了合金铸造性能，尤其降低缩松倾向。加Zr也能细化晶粒，并对δ(Mg)相有—定强化作用，显著提高力学性能。Mg-Zn-Zr合金的典型代表是ZM1合金：(ZK51A)成分：(3.5%~5.5%)Zn，(0.5%~1.0%)Zr，余为Mg。铸态组织为δ(Mg)十少量γ’(MgZn)分布于晶界，热处理后γ’消失。在T6热处理状态，力学性能为：σb＝(250~300)MPa，σ0.2＝(150~180)MPa，δ=5%~12%。性能优于ZM5。143.3.1铸造镁合金3.Mg-RE-Zr耐热合金稀土镁合金具有较好耐热性的原因：（1）Mg-RE系有较高的共晶温度(552~593)℃)，比Mg-Al及Mg-Zn高很多；（2）Mg-RE系中固溶体及化合物的稳定性较高；（3）镁中加入三价的稀土元素，提高了电子浓度，增强了原子间的结合力；（4）Mg-RE系合金在200℃~300℃下固溶度变化较小，时效析出相均匀，相界面附近浓度梯度较低。15Mg-Ce相图RE主要代表Ce、La、Nd、Pr。3.3.1铸造镁合金Mg-RE合金结晶温度间隔小，共晶的流动性好，缩松、热裂倾向低。163.3.1铸造镁合金典型的Mg-RE-Zr合金为ZM3：(QE22A)成分：(2.5%~4.0%)RE，(0.2%~0.7%)Zn，(0.3%~1.0%)Zr，余为Mg。显微组织为δ固溶体+晶界分布的网状共晶体，共晶体中除含有Mg-RE化合物外，还有Zn-RE化合物存在。室温下σb＝(130~150)MPa，δ=2%~3%，250℃短时σb可达125MPa。近期开发的许多新型镁合金：大多数都是稀土镁合金。例如：Mg-Gd-Y；Mg-Zn-RE；Mg-Zn-Y-Mn等173.3.1铸造镁合金超声细化镁合金初生相和稀土相无超声超声后18聚苯乙烯示踪粒子的运动过程(声流)平铺杯底快速上扬高度聚集缓慢发散均匀悬浮•示踪粒子-水模拟实验超声振动细化镁合金机理空化效应、声流效应3.3.1铸造镁合金19超声振动细化镁合金机理空化效应、声流效应1.空化泡激活异质核心、局部过冷，促进形核；•纯甘油模拟实验甘油内的声空化效应3.3.1铸造镁合金202.射流破碎晶体，声流、射流促进对流，减小凝固前沿温度梯度、成分过冷度。3.3.1铸造镁合金高压下Al-Si状态图213.3.1铸造镁合金压力改变相图:1.提高固溶度;2.过冷。223.3.2铸造锌合金纯锌纯锌的密度7.133g/cm3，熔点420℃，沸点911℃。纯锌强度、塑性都较低，是一种硬而脆的金属，需加Al、Cu、Mg等元素组成合金。一.锌及锌合金的特点锌合金锌合金力学性能中等，铸造性能、耐磨性能和表面光洁度高，成本低，是锡青铜的1/7，良好的轴承、机床导轨材料。233.3.2铸造锌合金锌合金应用实例——耐磨件轴承轴承座243.3.2铸造锌合金锁、锁芯拉手锌合金应用实例——日常生活用品手机壳253.3.2铸造锌合金拉链头钥匙扣锌合金应用实例——日常生活用品吊坠装饰品263.3.2铸造锌合金二、Zn-Al合金及其合金化1、Zn-Al二元合金一个共晶反应和一个共析反应，共晶点在5%Al处。Al＜5%时，合金的室温组织应为η+（η+β’）共晶；Al＞5%时，合金组织为β’+（η+β’）共晶。η+β'η+β273.3.2铸造锌合金在过共晶成分(A1＞5％)，随着铝含量增加，σb有两次增加的倾向，第一次是含Al＜22％时(共析点)，另一次是含A127％时。主要与铝量增加形成的初生β相呈等轴枝晶，使晶粒细化有关。高铝锌基合金的含铝量一般选择在12%、27%左右，或结晶温度间隔较小的8％左右。283.3.2铸造锌合金锌合金在自然时效中会出现“老化现象”：由于冷速较快，共析转变β→η+β’不易发生，所以常温组织仍是β相。但是β相又是一种不稳定相，随着时间的迁移，它将会逐步分解为富铝的β’相和含铝低的η相，并在这个转变过程中，伴随着体积膨胀，称为锌合金的“老化”。这种“老化”在合金中造成很大的内应力，使合金变脆。消除办法：90℃，约5小时的人工时效处理。293.3.2铸造锌合金2.Zn-Al合金的合金化铜：除少量固溶于η、β外，还能形成以CuZn3化合物为基的ε相固溶体，使合金强化，提高耐磨性。镁：在共析成分Zn-Al合金中(22％A1)275℃时Mg的溶解度0.025％，但镁同样能起到固溶强化用.ZA4-3锌合金的铸态显微组织（铁型）3.5%~4.5%Al,2.5%~3.2%Cu,0.03%~0.06%Mg,其余为Zn。图中白色树枝晶为初晶Zn基固溶体η。凝固中发生Lη+β+CuZn3共晶反应。黑色部分为共晶混合物。铸态相组成为η+β+CuZn3化合物。Cu促进β相分解（老化），Mg相反。303.3.2铸造锌合金三.压铸锌合金合金成分都在共晶点左右，熔点低。锌合金的压铸性能比铝合金好。313.3.2铸造锌合金压铸锌合金比铝合金好，体现在：①结晶温度范围小，不易产生缩松；②流动性好，易于成形；③熔化及浇注温度低，熔炼方便，模具寿命长；④力学性能高。压铸锌合金应严格控制Pb、Sn和Cd等杂质元素的含量，它们易在晶界处偏析形成化合物，与η、β相电极电位、化学特性相差较大，成为晶间电化学腐蚀源。323.3.2铸造锌合金四.高Al锌合金普通压铸用锌基合金的含铝量＜4.5%，高Al锌合金则含(8.0%~28.0%)A1。333.3.2铸造锌合金高Al锌合金都是过共晶成分，组织由β+η+ε(CuZn3)组成，主要用于重力铸造(砂型、金属型、石墨砂)，也可压铸。ZA27-2、ZA11-1合金含铝量高，β相相对较多，所以力学性能高，同时这两种合金的耐磨性和自润滑性较好，是目前耐磨材料中应用最多的高Al锌合金。缺点：结晶范围大、Zn与Al密度差大，易缩松、偏析。34谢谢!TheEnd!