固溶处理对MgAlZn系合金组织和耐腐蚀性能的影响毕业论文.docx
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固溶处理对MgAlZn系合金组织和耐腐蚀性能的影响毕业论文
摘要
论述了Mg-Al-Zn系合金经过固溶处理后组织和耐腐蚀性能的变化。
通过观察经固溶处理后的组织及塔菲尔曲线，对Mg-Al-Zn系合金固溶处理后的组织和电化学腐蚀行为进行了研究。
结果表明，经过固溶处理后的镁合金显微组织晶粒长大明显，β-（Mg17Al12）相部分溶解在基体组织中，在温度达到560度以上时，组织发生过烧现象。
与未经处理镁合金的耐腐蚀性能相比，经过固溶处理后的镁合金耐腐蚀性能无明显增加。
关键词：
镁合金；固溶处理；显微组织；耐腐蚀性能
Title:
SolutionTreatmentonMg-Al-Znalloysorganizationsandtheimpactofcorrosionresistance
Abstract
DiscussestheMg-Al-Znalloyaftersolutiontreatmentandcorrosionresistanceaftertheorganizationchanges.ByobservingtheorganizationaftersolutiontreatmentandtheTafelcurvesofMg-Al-Znalloyaftersolutiontreatmentandelectrochemicalcorrosionbehaviorwasstudied.Theresultsshowedthat,afterthemagnesiumalloyaftersolutiontreatmentmicrostructuregraingrowthsignificantly,β-（Mg17Al12）phasepartiallydissolvedinthematrixorganization,inthetemperaturereaches560degrees,thetissueover-burningphenomenon.Withuntreatedcorrosionresistanceofmagnesiumalloyscomparedtothatafterthemagnesiumalloyaftersolutiontreatmentdidnotincreasethecorrosionresistance.
Keywords：
Magnesiumalloy；Microstructure；Corrosionresistance
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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作者签名：
日 期：
目录
目录3
第一章绪论4
1.1选题的目的与意义4
1.2镁合金5
1.2.1镁合金的发展5
1.2.2镁合金的性能及应用6
1.2.2.1镁合金在汽车上的应用：
6
1.2.2.2镁合金在3C产品上的应用：
7
1.2.3镁合金的种类及发展趋势7
1.2.3.1镁合金的种类7
1.2.3.2镁合金的发展趋势8
1.3合金元素对镁合金组织和力学性能的影响10
1.3.1镁合金主要化学成分10
1.3.2合金元素对合金组织和力学性能的影响11
1.4固溶处理的作用13
1.4.1固溶与时效处理13
1.5稀土镁合金14
1.5.1稀土镁合金的发展现状14
1.5.2稀土镁合金的开发应用及前景15
1.6本论文的主要研究内容16
第二章试验方法及设备17
2.1实验选用材料17
2.1.1固溶处理实验所使用的材料17
2.1.2金相实验选用的材料17
2.1.3耐腐蚀实验所使用的材料17
2.1.4X射线衍射实验所使用的材料17
2.2实验方案17
2.3实验过程19
2.3.1固溶处理实验的过程19
2.3.2金相实验的过程19
2.2.3极化曲线实验的测试过程19
2.4实验设备20
第三章固溶处理对Mg-Al-Zn系镁合金显微组织的影响22
3.1AZ91D及AZ91D-RE合金的显微组织特征分析22
3.2AZ91D及AZ91D-RE镁合金固溶处理后显微组织特征分析24
3.3本章总结26
第四章固溶温度对Mg-Al-Zn系镁合金显微组织的影响27
4.1不同温度对Mg-Al-Zn系合金显微组织的影响27
4.2本章总结31
第五章固溶时间对Mg-Al-Zn系镁合金显微组织的影响32
5.1不同时间对Mg-Al-Zn系镁合金显微组织的影响32
5.2本章结论34
第六章固溶处理对Mg-Al-Zn系镁合金耐腐蚀性能的影响35
6.1固溶处理后冷却速度对AZ91D-RE系镁合金耐腐蚀性能的影响37
6.2不同固溶处理时间对AZ91D-RE系镁合金耐腐蚀性能的影响38
6.3结论39
第七章结论40
参考文献41
致谢44
第一章绪论
1.1选题的目的与意义
当前，由于环保和节能的需要，汽车轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。
汽车轻量化的途径很多，其中采用铝、镁轻质材料是汽车轻量化重要措施。
20世纪90年代以来，全球掀起了镁合金开发应用的热潮，镁合金以其丰富的资源、可回收再生、高比强度、高比刚性、优异的压铸性能、良好切削加工性、阻尼减振和再生循环等突出性能，正重新在汽车轻量化结构材料领域发挥越来越令人瞩目的作用，并且随着镁压铸循环经济技术和镁冶金新技术的进步，镁合金压铸件生产的利润空间将打开，镁会在追求轻量化和性价比的结构材料领域得到越来越广泛的应用。
镁合金正成为继钢铁、铝之后的第三大金属工程材料，被誉为“21世纪绿色工程材料”，世界镁产业以每年15%-25%的幅度增长，这在近代工程金属材料的应用中是前所未有的。
镁合金广泛应用于航空、航天、交通工具、3C产品、纺织和印刷行业等。
但是普通镁合金的机械、耐蚀、耐高温性能较低，从而限制了其应用范围。
因此，研究开发具有高强度、耐热、耐蚀等性能的镁合金，拓展镁合金的应用领域，成为镁合金科研工作者的重要课题。
我国有丰富的稀土和镁资源,是稀土和镁资源储备、生产、出口的第一大国。
因此,研究开发稀土镁合金在我国具有独特优势,合理利用稀土资源,开发含稀土的高强、耐蚀性能镁合金,不但能进一步增加镁合金材料在汽车工业、通讯电子业等行业领域中的应用,也可促进镁合金材料在新领域中的进一步开发和利用,也为稀土材料的应用开辟出十分广阔的领域。
但我国在稀土新材料的开发应用方面与日本、美国等发达国家相比还有相当大差距。
目前稀土元素仍是作为辅助元素,其加入的质量分数不大于11%。
进一步开发使稀土成为主加元素,并研究稀土元素与镁合金及其他元素（如Ca、Zn等）之间的合金化机制,从而研制出最佳合金配比的特殊性能镁合金。
近年来,稀土合金的研究有了很大发展,世界各国纷纷制定有利于镁合金产业发展的政策,稀土在镁合金中的应用开发条件逐渐成熟,随着稀土镁合金的优良特性逐步为人们所接受,其应用市场也将更广阔[1]。
本论文考察固溶处理对Mg-Al-Zn洗合金显微组织和耐腐蚀性能的影响，揭示不同固溶处理时间和固溶处理温度对AZ91D镁合金及含混合稀土（Ce，La）的AZ91D镁合金的显微组织和抗腐蚀性能的影响规律。
1.2镁合金
1.2.1镁合金的发展
1808年在实验室制得纯镁，1886年镁合金在德国开始工业化生产，1930年德国首次在汽车上运用镁合金73.8Kg，1935年苏联首次将镁合金用于飞机生产，1936年德国大众用压铸镁合金生产"甲克虫"汽车发动机传动系统零部件，1946年达到单车镁合金用量18Kg，1938年英国伯明翰首次将镁合金运用到摩托车变速箱壳。
20世纪40年代皮江炼镁法发明，由于工艺简单，生产成本大幅降低，使全世界的原镁产量大幅增加，但能源消耗大，污染环境严重。
此前所用的电解法炼镁，虽然洁净，但生产成本较高[2]。
国外对于镁合金的发展非常重视，各国纷纷加大镁合金制品的研发力度，尤其是20世纪90年代以来，相继出台了镁研究计划，开展了大型的"产、学、研"联合攻关项目和计划。
德国政府制订了一个投资2500万德国马克的镁合金研究开发计划，主要研究压铸合金工艺，快速原型化与工具制造技术和半固态成型工艺，以提高德国在镁合金应用方面的能力；1993年欧洲汽车制造商提出"3公升汽油轿车"的新概念，美国也提出了"PNGV"（新一代交通工具）的合作计划[3]，其目标是生产出消费者可承受的每百公里耗油3公升的轿车，且整车至少80％以上的部件可以回收，这些要求迫使汽车制造商采用更多高新技术，生产重量轻、耗油少、符合环保要求的新一代汽车；日本通过了"家电回收法"，以限制工程塑料的使用，率先将镁合金用于笔记本电脑、移动电话、数码相机、摄像机上，并计划推广到家电和通讯器材等领域[4]。
国内对镁合金的发展也日益重视，10多年来，中国镁工业以年均37％的增长率迅速发展，成为世界镁生产大国、出口大国，也给中国经济发展带来无限生机。
但是，快速发展的同时，带来一些问题：
如工艺简单，技术装备落后，环境恶劣，资源、能源浪费比较严重，产品质量不够稳定等。
这些问题必将给镁业良性发展带来严重后果。
因此，急需以新技术和先进装备改造和提升镁冶炼；以科学发展观，全面创新，提升皮江法镁冶炼产业水平，建立科技型、环保型、效益型的机械化、自动化的“新型镁冶炼示范企业”。
生产优质镁合金，以带动和影响镁冶炼行业健康有序地发展。
在镁产业发展战略上做到完善宏观战略决策体系，建立镁及镁产业发展的目标选择与动态调整机制；建立经济、科技部门信息共享机制，加强产业政策、技术政策和投资机制之间的协调；实施知识产权战略，加速国家标准的制定与推广，加速标准国际化；加强“官产学研”协调合作，充分发挥人的创造力，培养多层次高素质创新人才；重视国际合作，加强自主创新，突出区域比较优势，培育高新技术型产业集群和增长级。
1.2.2镁合金的性能及应用
镁合金引起人们的关注是在2002年。
镁合金现阶段的应用前景,是做为工业品外壳取代塑料。
和塑料相比,镁合金更轻,强度更高,抗振动,能吸收电磁辐射,80%以上的镁合金还可再回收利用,对环境污染小,故镁合金被称为“绿色金属”,广泛应用于航空航天、军用品,交通工具、机械设备、通信设备、办公设备、光学设备、体育用品等10多个领域,是21世纪的朝阳产业[5]。
1.2.2.1镁合金在汽车上的应用：
镁合金压铸件具有重量轻、延伸率高,减震性能强、屏蔽性能好、易加工、易回报等诸多优良特性,以及良好的社会效益和经济效益,目前已被发达国家广泛用于汽车仪表板、座椅支架、变速箱壳体、方向操纵系统部件、发动机罩盖、车门、框架、发动机缸体等零部件上。
镁合金零件的性能:
①质量轻,密度仅为1.7,是铝的2/3,钢的1/4,换用镁合金可减轻整车重量,间接减少了燃油消耗量。
②比强度高于铝合金和钢,比刚度接近铝合金和钢,能够承受一定的负荷。
③具有良好的铸造性和尺寸稳定性,易于加工,废品率低,降低生产成本。
④具有良好的阻尼系数,减振量大于铝合金和铸铁,其壳体可降低噪声制作座椅、轮圈可减少振动,提高汽车的安全性和舒适性。
虽然镁合金成本高于铝合金,但镁合金的应用前景仍然看好,福特汽车公司已开始用镁合金制造悬架零件、制动盘和制动钳等[6]。
1.2.2.2镁合金在3C产品上的应用：
3C产品是当今全球发展最快速的产业,与传统3C产品所使用的材料相比,镁合金优越性表现在:
①轻量化:
比重为铝合金的2/3,锌合金的1/4,为塑料的115倍;其比重是所有结构用合金中最轻的,因此极适于做3C产品外壳。
②刚性较高:
比刚性与铝合金、锌合金相近,但为一般塑料的10倍,在强度上优于塑料材料。
③振动吸收性良好:
比阻尼容量为铝合金的10～25倍,锌合金之115倍,吸震能力优异,用在可携式设备上有助于减少外界震动源对内部精密电子、光学组件的干扰。
④电磁波绝缘性佳:
其本身为金属,属良导体,可以直接扮演电磁遮蔽的角色,而塑料材料需要另做导电处理[7]。
⑤散热性良好:
热传导度略低于铝合金及铜合金,但远高于钛合金,比热则与水接近,是常用合金中的最高者。
考虑到笔记本电脑等产品的散热需求,镁合金外壳传热快,自身又不容易发烫,无疑是极佳的选择。
⑥耐蚀性佳:
耐腐蚀（盐腐蚀试验上）为碳钢的8倍、铝合金的4倍、塑料材料的10倍以上,防腐能力优良。
⑦质感极佳:
镁合金产品的外观及触摸质感佳。
⑧可回收使用:
在环保意识高涨的大环境下,只需要花费相当于新料价格的4%,即可将镁合金制品及废料回收使用。
由于镁合金成型的优良率与产品品质,镁合金的板片制造、成型加工与表面处理将成为主流技术。
各大笔记本电脑厂商都将大量采用镁合金机壳,以取代碳纤维机壳和铝合金机壳。
镁合金还可以有效地保护手机屏幕,手机厂商已经自发形成了对镁合金的需求[8]。
1.2.3镁合金的种类及发展趋势
1.2.3.1镁合金的种类
镁合金按照其用途与制造方式的不同可分为图1-1所述种类：
图1—1镁合金的分类
1.2.3.2镁合金的发展趋势
（1）高强度镁合金
日本东北大学金属材料研究所开发出具有高强度、高延展性、耐热、质轻的镁合金,是在急速冷却条件下将镁、锌和钇的金属粉末按一定比例混合,用高压挤压而成,其中镁、锌、钇原子数比例为97∶1∶2。
这一构成使新的镁合金既具有高强度又富有延展性,在横截面积为1mm2的新型镁合金丝上挂60kg的重物不会变形,强度至少是以往镁合金的215倍,为目前强度最高的镁合金,其耐热强度是目前镁合金的2倍以上；且极易加工。
另外,经过精炼加工后,还可将镁从该合金中再单独分离出来,非常利于循环利用。
这种镁合金完满解决了以往镁合金的高强度和延展性不可兼顾之问题,预计除广泛用于家电产品外,还将在机器人、人造卫星等要求材料既轻又结实的领域发挥巨大威力。
（2）耐热镁合金
耐热性差是妨碍镁合金广泛应用的主要原因之一,当温度升高时,其强度和抗蠕变性能大幅度下降,限制了其做为关键零件（如发动机零件）材料在汽车等工业中的更广泛应用。
日本长冈技术科学大学开发出一种耐热性能优良、易于加工的镁合金,在镁中添加了钙、稀土类元素以及锌等成分,钙和稀土类元素提高了材料的耐热性,锌增加了其柔软性。
实验证明,即使在高压状态下,在175℃的高温下放置约100h,这种镁合金也不会变形,可用来生产变速机的包装盒等形状复杂的部件。
Mg-Al-Si（AS）系合金是德国大众汽车公司开发的压铸镁合金[9]。
175℃时的AS41合金蠕变强度明显高于AZ91和AM60合金。
但AS系镁合金由于在凝固过程中会形成粗大的汉字状Mg2Si相,损害了铸造性能和机械性能。
研究发现,微量Ca的添加能够改善汉字状Mg2Si相的形态,细化Mg2Si颗粒,提高AS系列镁合金的组织和性能。
（3）阻燃镁合金
镁合金在熔炼浇铸过程中易发生剧烈的氧化燃烧,有效的阻燃方法是使用熔剂保护法和SF6、SO2、CO2、Ar等气体,但同时会产生严重的环境污染,并降低合金性能,增大设备投资。
2004年3月,日本独立行政法人产业技术综合研究所（以下简称产综研）成功加工出了阻燃性镁合金材料的汽车顶箱（长2000×宽670×高270mm,重约1215kg）,利用了不破坏母材良好特性的搅拌摩擦焊（FrictionStirWelding,FSW）和激光焊工艺,将其开发的阻燃性镁合金挤压材料焊接成大型部件的技术。
与市售FRP（强化塑料）产品相比,重量大约可减轻25%。
产综研进行了诸多与镁合金有关的技术开发工作,如,消除了镁合金重大缺点之一，降低着火燃烧危险性的新合金“阻燃性镁合金”的开发、镁合金表面改质技术的开发以及采用FSW的镁合金焊接等。
阻燃性镁合金将引燃温度比普通情况下提高了200～300℃,通过增强其着火燃料性,提高了安全性。
目前大多采用压铸等铸造法加工镁合金部件，未曾有过使用挤压材料和压延材料等通用材料进行制作的先例。
原因是大尺寸、特性良好的挤压材料和压延材料制造技术本身尚未完成,以及镁合金延展性差,很难利用塑性加工直接将其做成大尺寸的复杂形状。
于是此次就确立了这样一种技术:
首先用阻燃性镁合金加工出具有良好特性的挤压材料和压延材料,将其成型为单纯形状的部件后,通过焊接将其加工成大尺寸部件[10]。
（4）耐蚀镁合金
镁合金的耐蚀性问题可通过两个方面来解决:
①严格限制镁合金中的Fe、Cu、Ni等杂质元素的含量。
如高纯AZ91HP镁合金在盐雾试验中的耐蚀性约为AZ91C的100倍,超过了压铸铝合金A380,好于低碳钢。
②对镁合金进行表面处理。
根据不同的耐蚀性要求,选择化学表面处理、阳极氧化处理、有机物涂覆、镀、化学镀、热喷涂等方法处理。
如经化学镀的镁合金,其耐蚀性可超过不锈钢。
（5）变形镁合金
虽然目前铸造镁合金产品用量大于变形镁合金,但经变形的镁合金材料可获得更高的强度、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,开发变形合金,是其未来更长远的发展趋势。
目前国内外材料工作者的高度重视新型变形镁合金及其成型工艺的开发,美国成功研制了各种系列的变形镁合金产品,如通过挤压+热处理后的ZK60高强变形镁合金,其强度及断裂韧性可相当于时效状态的Al7075或Al7475合金;采用快速凝固（RS）+粉末冶金（PM）+热挤压工艺开发的Mg-Al-Zn系EA55RS变形镁合金,成为迄今报道的性能最佳的镁合金,性能不仅大大超过常规镁合金,比强度甚至超过7075铝合金,且具有超塑性（300℃,436%）,腐蚀速率与2024-T6铝合金相当,还可同时加入SiCp等增强相,成为先进镁合金材料的典范。
日本1999年开发出超高强度的IMMg-Y系变形镁合金材料,以及可以冷压加工的镁合金板材。
英国开发出Mg-Al-B挤压镁合金,用于核反应堆燃料罐。
以色列最近也研制出用于航天飞行器上的兼具优良力学性能和耐蚀性能的变形镁合金,法国和俄罗斯开发了鱼雷动力源变形镁合金阳极薄板材料[11]。
1.3合金元素对镁合金组织和力学性能的影响
1.3.1镁合金主要化学成分
目前国外在工业中应用较广泛的镁合金是压铸镁合金，主要有以下4个系列：
AZ系列Mg-Al-Zn；AM系列Mg-Al-Mn；AS系列Mg-Al-Si和AE系列Mg-Al-RE。
我国铸造镁合金主要有如下三个系列：
Mg-Zn-Zr、Mg-Zn-Zr-RE和Mg-Al-Zn系列。
变形镁合金有Mg-Mn、Mg-Al-Zn和Mg-Zn-Zr。
表1-1压铸镁合金化学成分表
Al
Zn
Mn
Si
Cu
Ni
Fe
其他
AZ91D
8.3-9.7
1.35-1.0
1.15-1.5
≤1.01
≤0.030
≤0.002
≤0.005
≤0.02
AM60B
5.5-6.5
≤0.22
0.24-0.6
≤0.10
≤0.010
≤0.002
≤0.005
≤0.02
AM50A
4.4-4.5
≤0.22
0.26-0.6
≤0.10
≤0.01
≤0.002
≤0.004
≤0.02
AM20
1.7-2.5
≤0.20
≥0.20
≤0.05
≤0.008
≤0.001
≤0.004
≤0.01
AS41B
3.5-5.0
≤0.12
0.35-0.7
0.50-1.5
≤0.02
≤0.002
≤0.0035
≤0.02
As21
1.9-2.5
0.15-0.25
≥0.20
0.7-1.2
≤0.008
≤0.001
≤0.004
≤0.01
AE42
3.6-4.4
≤0.20
≥0.10
2.0-3.0
（RE）
≤0.04
≤0.001
≤0.004
≤0.01
表1-2变形镁合金化学成分表
合金
Al
Zn
Mn
Si
Cu
Ni
Fe
Mg
AZ31B
2.5-3.5
0.7-1.3
0.2
（最小）
0.30（最大）
0.05（最大）
0.005
（最大）
0.005
（最大）
其余
AZ61A
5.8-7.2
0.4-1.5
0.15
（最小）
0.30
（最大）
0.05
（最大）
0.005
（最大）
0.005
（最大）
其余
AZ80A
7.8-9.2
0.5
（最小）
0.2-0.8
0.30（最大）
0.05
（最大）
0.005
（最大）
0.005
（最大）
其余
M1A
1.20
0.3
（最大）
0.5
（最大）
0.005
（最大）
其余
ZK60A
4.8~5.2
Zr0.45
（最小）
常见压铸镁合金和变形镁合金的化学成分分别见表1-1、表1-2。
镁合金热处理采用与铝合金同样的系统标示[12]。
常用的有：
T4—固溶处理，T5—人工时效，T6—固溶处理后人工时效。
1.3.2合金元素对合金组织和力学性能的影响
合金元素对镁合金的组织和性能有着重要影响，镁合金的主要合金元素有Al、Zn和Mn等，有害元素有Fe、Ni和Cu等[13]（见图1-2）
图1-2合金元素对镁合金的组织和性能的影响
（1）铝
在固态镁中具有较大的固溶度，其极限固溶度为12.7％，而且随温度的降低显著减少，在室温时的固溶度为2.0％左右。
铝可改善压铸件的可铸造性，提高铸件强度。
但是，Mg17Al12在晶界上析出会降低抗蠕变性能。
特别是在AZ91合金中这一析出量会达到很高。
在铸造镁合金中铝含量可达到7％～9％，而在变形镁合金中铝含量一般控制在3％～5％。
铝含量越高，耐蚀性越好。
但是，应力腐蚀敏感性随铝含量的增加而增加。
（2）锌
在镁合金中的固溶度约为6.2％，其固溶度随温度的降低而显著减少。
锌可以提高铸件的抗蠕变性能。
锌含量大于2.5％时对防腐性能有负面影响。
原则上锌含量一般控制在2％以下。
锌能提高应力腐蚀的敏感性，明显地提高了镁合金的疲劳极限。
表3-3合金元素对镁合金性能的影响
元素
熔炼及铸造性质
力学性能
腐蚀性能
Ag
在同时加入稀土时改善高温抗拉和蠕变性能
对腐蚀不利
Al
改善铸造新年更，有形成显微疏松的倾向
提高强度，低温下（＜120℃）沉淀硬化，对蠕变性能不利
提高耐腐蚀行
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