AZ80镁合金组织性能及其成型的关键技术

AZ80镁合金组织性能及其成型的关键技术引言金属镁始于1808年为人所知，直到1886年德国才开始将其用于工业领域。镁有广泛的用途，主要包括烟火制造、冶金，化学、电化学和结构件的应用。由于镁合金具有重量轻、比强度高、阻尼减振性好等优点，因而将其作为结构件被广泛地应用于航空航天、3C电子产品及交通运输等领域。目前，这些结构件都以铸造件特别是压铸件的应用为主，高性能的变形镁合金材料还处于研发和推广阶段。在变形镁合金中。AZ80镁合金表现出最为优良的力学性能，通过合理改善其形变及热处理工艺能进一步提高其强度。本文主要介绍镁合金、AZ80镁合金的组织性能和关特征及其成型的关键技术。1镁合金及AZ80镁合金的组织性能1.1镁合金的特点镁合金和铝合金的合金化原理几乎相同，都是通过加入合金元素，产生固溶强化、时效强化、细晶强化及过剩强化作用，以提高合金的机械性能、抗腐蚀性能和耐热性能。镁合金中常加入的合金元素有Al、Zn、Mn、Zr及稀土元素等。Al在Mg中即可产生固溶强化作用，又可析出沉淀强化相Mg，Al有助于提高合金强度；Zn在Mg中除固溶强化作用外，也可产生时效强化相MgZn，但效果不如Al显著，一般需与其他合金元素同时加入；Mn加入Mg中主要为提高合金的耐热性和抗蚀性，改善合金的焊接性能；Mg中加入的少量Zr，除细化晶粒外，还从合金的成分来看，目前工业中应用的镁合金主要集中于Mg—Al—Zn、Mg—Zn—Zr、Mg—Re—Zn和Mg一Re—Zr等几个合金系，其中前两个是发展高强镁合金的基础。从生产工艺和性能的特点，上述镁合金分为变形镁合金和铸造镁合金两大类，其编号采用汉语拼音字母加序号。同一系列的镁合金既有可以作为变形合金，又有可以作为铸造合金：其中既可能含Zr又可能不含Zr。因此，对于不同的镁合金，它的性质特点也会不相同。金属镁及其合金是迄今在工程上应用的最轻的结构材料，具有其它金属材料不可替代的优越性，镁合金具有以下几个特点：(1)镁合金的比重小，是目前最轻的结构材料，其密度在1.75～1.859/cm³之间，约为铝合合密度的1/3～l/2，约为钛合金的1/3，不到钢密度的1/4。这一特点对于现代一些便携类产品是至关重要的。(2)比强度、比刚度高。镁合金比强度明显高于铝合会和钢，略低于比强度最高的纤维增强材料；比刚度则与铝合会和钢相当但远高于纤维增强材料，具有很好的优越性。(3)良好的低温性能。一般材料在低温时都会变脆，而镁合金在接近绝对零度时仍具有良好的力学性能，其苏醒和是温室基本一致。(4)良好的减震性。例如AZ91D在20MPa应力下的震动应力衰减系数为20%，而铝合金A380的只有1%；在1OOMPa应力下，镁合金的衰减系数上升为55%，而铝合金A380的只有4%。这使得镁合金非常适合做汽车的变速箱、轮毂、方向盘和电脑、手机外壳等既要求重量轻又要有良好减震的零件和工具。(5)具有良好的电磁屏蔽作用、高散热性能等物理性能。(6)镁合金的压力铸造比铝合金好，因为镁合金压铸件有良好的散热性，其散热能力比铝合金快10—30%，与钢铸模不反应。(7)色泽鲜艳美观，并能长期保持完好如新。1.2AZ80镁合金的组织性能目前铸造镁合金产品用量要远大于变形镁合金，但经变形的镁合金材料具有更高的强度，更好的延展性及更多样化的力学性能，可以满足不同场合结构件的使用要求。因此，研究开发变形镁合金是未来更长远的发展趋势。Mg-Al系合金是应用最为广泛的一类合金。压铸和变形合金主要是Mg-Al系合金，其中变形镁合金以高性能AZ80系列为代表。其中AZ80的强度和耐腐蚀性要远优于AZ31,与ZK60相当；而成本则低于ZK60,与AZ31相当。表1表示出了AZ80变形镁合金与其他材料的强度、比强度比较，从以上资料可以看出在综合力学性能上AZ80变形镁合金跟其他材料相比有相当大的优势。下图为AZ80显微组织照片。1铸态2挤压态表1AZ80镁合金和其他材料的强度以及比强度的比较据国外一些文献报道，Mg-Al系合金中以AZ80系合金性能为最优，经挤压和时效处理室温状态下抗拉强度可达到380MPa，但从国内来看，能达到此强度值得报道还寥寥无几，说明国内在此领域的研究与国外还有一定的距离，还需要继续研究。2AZ80镁合金的挤压成型技术2.1镁合金的挤压挤压是对放在容器(挤压筒)内的金属坯料施加外力，使之从特定的模孔中流出，获得所需断面形状和尺寸的一种塑性加工方法。镁合金在室温下的塑性很低，延伸率只有4%～5%，所以挤压加工是理想的方法。目前，镁合令管材、棒材、型材、带材主要采用挤压加工方法。挤压具有细化晶粒作用，同时能提高材料的强度和延展性，但随挤压温度的升高，晶粒会逐渐长大。2.2挤压加工的特点挤压与其他加工方法的不同点在于，变形在近似密闭的工具内进行，材料在变形过程中承受很高的静水压力，有利于消除铸锭中的夹渣、气空、疏松和缩尾等缺陷，提高材料的可成形性，使材料在一次成形中能承受较大的变形量，从而使产品的组织性能得到提高。与其他塑性加工方法，挤压有以下优点：(1)挤压加工具有比轧制、锻压更为强烈的三向压应力状态，十分有利于最大限度地发挥金属的塑性和进行大变形量的加工。多数挤压情况下其挤压比R(锭坯断面积与制品断面积之比)在(10：1)～(100：1)变化，已预挤压的锭坯挤压比可适当增大。据报导纯铝最大挤压比已高达2000以上。同时可以加工用轧制或锻造等方法困难甚至无法加工的金属材料，如对于低塑性的钨、钼等较脆的金属材料，为了改善组织和提高塑性，只能采用挤压加工的办法。(2)挤压具有极大的生产灵活性。在同一台挤压设备上，只需更换相应的模具，即能生产其他各种规格、品种的产品。相对型材轧制等加工而言，挤压设备数量和投资也较少。(3)挤压制品尺寸精确、表面质量高。(4)易于实现生产过程的机械化、自动化。挤压法具有上述优点的同时，也存在一些缺点，主要有：(1)金属的固定废料损耗较大。在挤压终了时要留压余和切除挤压缩尾，在挤压管材时，还有穿孔料头的损失，一般几何损失占到锭坯重量的10%-15%。此外，挤压时的锭坯长度受到一定限制，一般锭长与直径比不超过3:4，所以不能依靠增加锭坯长来减少固定的压余损失比率，故挤压的材料利用率不高。而轧制法生产时，切头尾和切边的损失一般只占锭坯重量的1%-3%。(2)一般的挤压方法所挤压成形的制品，沿长度和断面上制品的组织与性能不均匀。这是由于挤压时，锭坯内外层和前后端变形很不均匀所致。(3)挤压速度低，生产效率较低。这是由于挤压的一次变形量大，以及金属与工具间的摩擦都很大，变形热与摩擦热都高，而且变形区完全为挤压筒所封闭，使金属在变形区内的温升很快，而散热条件又差，可能使坯料温度升高到某些金属的脆性区温度，引起挤压制品表面出现裂纹而成为废品，因而金属流出的速度受到较大的限制，不能挤得过快了。此外，挤压生产周期中，辅助操作占用的时间较长，因而生产率比轧制法要低得多。(4)工具消耗大。特别是挤压高温、高强度金属材料时，模具消耗更为突出。工模具材料及制造费用较高，约占生产总成本1/3以上。3结语虽然科技工作者对各类新型镁合金和镁合金各种可能的成型方式进行了比较系统的研究．但目前国内镁合金企业的商用产品仍然以镁合金常规压铸、重力铸造为主，镁合金的挤压、轧制成型工艺刚刚开始应用于实际生产，镁合金的挤压还有一定的局限性，组织力量对挤压工艺进行研究对铝合金成型的发展具有十分重大的意义。参考文献：[1]刘静安．镁合金加工技术的发展趋势与开发应用前景[J].四川有色金属,2005,(4)1-10．[2]陈振华.镁合金[M].北京:化学工业出版社,2004．[3]高仑.镁合金成型技术的开发与应用.轻合金加工技术,2004(32)：5.12．[4]C.J.Ball．Mot.V0184,1995—56,p399.[5]N.Hoy-PetersenProc．47thAnnualWorldMagnesiumconf．von8,InternationalmagnesiumAssociatinn,1990,p18.[6]俞继志.浅析镁合金压铸的历史、现状和未来．第二届中国中西部地区压铸技术研讨论文集,2001,p1～4.[7]D.J.Lewis,Magnesium：OpportunitiesforAustralianIndustryDepartmentofIndustry,Technology＆RegionalDevelopmentCommonwealthofAusb'alia,1993.[8]王笑天.金属材料学.机械工业出版社,1987,p293～294.[9]陆文华,李隆盛,黄良余.铸造合金及其熔炼,t997,p378.[10]PolymerIJ.Alloys,3rdedition,,Arnold,adivisionofHotterHeadline.C1995.[11]LeoAPekguleruy.Review：CastMagnesiumAlloysforElevatedTemperature.[12]曾荣昌,柯伟等.Mg合金的最新发展及应用前景.金属学报,2001,37：673—685.[13]哈宽富.金属力学性质的微观理论．北京：科学出版社：1983.[14]WatanabeH.SuperplasticityinaZK60magnesiumalloyatlowtemperatures[J].ScriptaMaterialia,1999，40(4)：477-484.[15]常国成，王建中．金属凝固过程的晶体产生与控制[M]．北京：冶金工业出版社,2001．99—101.[16]陈振华等.镁合金.化学工业出版社.[17]刘正,张奎,曾小勤.镁基轻质合金理论基础及其应用北京：机械工业出版社.[18]汪之清.国外镁合金压铸技术的发展,铸造.1997,8:48-51.[19]肖晓玲.AZ80镁铝锌合金HCP--BCC析出相变行为:博士学位论文-长沙：华南理工大学材料系,2001.[20]E.JeteandF.Footej.Chcm.Pays.VoB,1935,p605—616.[21]候增寿,卢光熙.金属材料学原理.上海科学技术出版社,p12.[22]C.S.Rorben,MagnesiumandItsAlloys.JohnWiley＆Sons，1960.