冶金管理应用论文参考镁合金热处理管理工艺的新发展状况

 　　冶金是工业发展和科技应用上的一个主要的方面，对于冶金发展的不断管理技术是对科技运用的主要方面。文章对于在镁合金ZK60热处理工艺及研究现状做了介绍。本文选自：《冶金管理》,《冶金管理》创刊于1988年，由中国钢铁工业协会主管、冶金工业经济发展研究中心主办。杂志面向钢铁企事业单位领导、钢铁行业从事经济研究、企业管理、市场营销、技术人员等，反映钢铁行业动态，报道行业发展现状及趋势。

　　摘要：镁作为一种轻质工程材料具有比重小、比强度和比刚度高、导热和导电性好、切削加工性好、优良的阻尼性和电磁屏蔽性、易于回收等优点，尤其可以满足21世纪航天、航空、现代交通工具对减重、节能和环保的要求。

　　关键词：镁合金,热处理工艺及,冶金应用,冶金技术,冶金论文

　　第一章镁及镁合金概述

　　1.1ZK60镁合金组织

　　ZK60镁合金是Mg.Zn.Zr系合金中最具代表性的合金，其合金主要成分为于3%的Zn可提高镁合金强度，增加熔体流动性，有形成显微疏松倾向，是弱的晶粒细化剂，有沉淀硬化作用，对腐蚀性能影响较小。但含量大于3%的Zn有产生疏松和高温脆性的危害。因此，Mg.Zn合金需要寻找第三种合金元素来细化晶粒，减少显微疏松的产生倾向。Zr在镁合金中的极限溶解度为3.8%，是高熔点金属，其熔点为1885℃。Zr与Mg具有相同的晶体结构，Mg.Zr合金在凝固时，能够析出a.Zr，作为结晶时的非自发形核核心，细化晶粒。在镁合金中加入0.5%-0.8%的zr，其细化效果最佳。zr可减少热裂倾向，提高力学性能和耐蚀性，降低应力腐蚀敏感性。zr与Si、A1和Mn不相容，可从熔体中清除Fe、舢和Si等杂质，改善室温抗拉性能。

　　由于目前尚无Mg.Zn.Zr三元合金相图，所以人们对其组织的研究只能依靠Mg—Zn、Mg.Zr二元合金相图进行分析。

　　Mg-Zn二元相图上文中已经分析，表1-2是Mg.Zn二元相图中主要相转变和对应的温度和转变类型，合金成分为原子百分数(at%)。

　　1.2 ZK60镁合金的力学性能

　　ZK60合金之所以受到人们的青睐，是因为它是现在所有商用镁合金中强度最高的一种，又由于镁合金本身轻的缘故，因此ZK60合金几乎是所有材料中比强度最高的一种。ZK60合金的室温力学性能以及和其它材料的比强度比较见表1-3，表1-4所示。

　　1.3镁合金热挤压简介

　　挤压是指放在挤压筒终的锭坯的一端施加压力，使之通过模孔以实现塑性变形的一种压力加工方法。挤压根据挤压金属相对于挤压杆的流动方向，可分为正挤压和反挤压。Murai等人对AZ31镁合金挤压棒材研究表明，铸态直接挤压的镁合金挤压棒表层晶粒比中心晶粒的细小，再结晶晶粒的取向并未与挤压方向保持一定的方向性。挤压前，其晶粒尺寸约70µm;挤压后，挤压棒表层晶粒得到细化，而心部部分晶粒仍然保持其初始形态，部分则沿挤压方向被拉长。当挤压比达到10时，挤压棒材心部也发生了动态再结晶，并且随着挤压比的增大，其表层晶粒进一步得到细化。当挤压比达到100时，心部晶粒也得到了细化。澳大利亚M. R. Barnett等人研究了铝含量对镁合金挤压成形极限的影响。大大加快了变形镁合金的应用，拓宽了镁合金的应用范围。

　　第二章镁合金热处理工艺

　　镁合金热处理强化的特点是：合金元素的扩散和合金相的分解过程极其缓慢，因此固溶和时效处理时需要保持较长的时间。另外，镁合金在加热炉中应保持中性气氛或通入保护气体以防燃烧。

　　2.1 退火

　　退火可以显著降低镁合金制品的抗拉强度并增加其塑性，对某些后续加工有利。变形镁合金根据使用要求和合金性质，可采用高温完全退火(O)和低温去应力退火(T2)。 完全退火可以消除镁合金在塑性变形过程中产生的加工硬化效应，恢复和提高其塑性，以便进行后续变形加工。完全退火时一般会发生再结晶和晶粒长大，所以温度不能过高，时间不能太长。当镁合金含稀土时，其再结晶温度升高。AM60、AZ31、AZ61、AZ60 合金经热轧或热挤压退火后组织得到改善。去应力退火既可以减小或消除变形镁合金制品在冷热加工、成形、校正和焊接过程中产生的残余应力，也可以消除铸件或铸锭中的残余应力。

　　2.2 固溶处理

　　要获得时效强化的有利条件，前提是有一个过饱和固溶体。先加热到单相固溶体相区内的适当温度，保温适当时间，使原组织中的合金元素完全溶入基体金属中，形成过饱和固溶体，这个过程就称为固溶热处理。由于合金元素和基体元素的原子半径和弹性模量的差异，使基体产生点阵畸变。由此产生的应力场将阻碍位错运动，从而使基体得到强化。固溶后屈服强度的增加将与加入溶质元素的浓度成二分之一次方比。根据Hmue-Rothery规则，如果溶剂与溶质原子的半径之差超过14%～15%，该种溶剂在此种溶质中的固溶度不会很大。而Mg的原子直径为3.2nm，则Li，Al，Ti， Cr，Zn，Ge，Yt，Zr，Nb，Mo，Pd，Ti，Pb，Bi等元素可能在Mg中会有显著的固溶度。另外，若给定元素与Mg的负电性相差很大，例如当Gordy定义的负电性值相差0.4以上(即∣xMg-x∣>0.4)时，也不可能有显著的固溶度。因为此时Mg和该元素易形成稳定的化合物，而非固溶体。

　　2.3 人工时效

　　沉淀强化是镁合金强化(尤指室温强度)的一个重要机制。在合金中，当合金元素的固溶度随着温度的下降而减少时，便可能产生时效强化。将具有这种特征的合金在高温下进行固溶处理，得到不稳定的过饱和固溶体，然后在较低的温度下进行时效处理，即可产生弥散的沉淀相。滑动位错与沉淀相相互作用，使屈服强度提高，镁合金得到强化：Tyield=(2aGb)/L+τa(1)式中Tyield为沉淀强化合金的屈服强度;τa为没有沉淀的基体的屈服强度;(2aGb/L)为在沉淀之间弯出位错所需的应力。由于具有较低的扩散激活能，绝大多数镁合金对自然时效不敏感，淬火后能在室温下长期保持淬火状态。部分镁合金经过铸造或加工成形后不进行固溶处理而是直接进行人工时效。这种工艺很简单，可以消除工件的应力，略微提高其抗拉强度。对Mg-Zn系合金就常在热变形后直接人工时效以获得时效强化效果，即可获得T5状态加工产品。

　　2.4 固溶处理+人工时效

　　固溶淬火后人工时效(T6)可以提高镁合金的屈服强度，但会降低部分塑性，这种工艺主要应用于Mg-Al-Zn和Mg-RE-Zr合金。为了充分发挥时效强化效果，对含锌量高的Mg-Zn-Zr合金也可选用T6处理。进行T6处理时，固溶处理获得的过饱和固溶体在人工时效过程中发生分解并析出第二相。时效析出过程和析出相的特点受合金系、时效温度以及添加元素的综合影响，情况十分复杂。另外，不同镁合金系其热处理工艺不同，不同类型工件其热处理工艺也不相同。镁合金挤压件脱模后需要采用强制气冷或水冷进行淬火以获得微细均匀的显微组织。然而在淬火过程中，禁止冷却水与热模具直接接触，否则将导致模具开裂。挤压的镁合金材料其状态主要有T5、T6、F。其中T5为在线淬火后再进行人工时效的状态;T6为固溶处理与人工时效状态;F为原加工状态即挤压状态。固溶处理可提高强度，使韧性达到最大，并改善抗震能力。固溶处理之后再进行人工时效，可使硬度与强度达到最大值，但韧性略有下降。镁合金材料在热加工、成形、矫直和焊接后会留有残余应力。因此，应进行去应力退火。

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