用途最廣的鎂鋁系合金
鋁是鎂合金最主要的合金化元素,是當(dāng)下牌號(hào)最多、應(yīng)用最廣的鎂合金,常用的鑄造鎂-鋁合金有AZ81A、AZ81S、AZ91D、AZ91S、AZ63A、AM20S、AM50A、AM60B、AM100A、AS215、AS41B、AS41S等。鎂-鋁合金通常還含有少量的Zn、Mn、Si等,在應(yīng)用的鎂合金中,鎂-鋁系合金占65%左右,而在工業(yè)應(yīng)用的鑄造鎂合金中,鎂-鋁系合金又占有85%以上。常用的變形鎂-鋁合金有:AZ31B、AZ61A、AZ80A、AZ10A等。
Mg-Al系相圖屬共晶型,在共晶溫度437℃時(shí),鋁在鎂中的溶解度為12.7%,而在室溫時(shí)僅約為2%,鋁含量大于6%的合金屬熱處理可強(qiáng)化的。在工業(yè)上應(yīng)用的鎂-鋁合金中。鋁含量一般不超過(guò)10%,否則合金的各項(xiàng)性能會(huì)有不同程度的下降。鋁可以提高鎂的各項(xiàng)性能,含鋁6%左右的鎂合金具有最高的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。
Mg-Al合金通常還含有少量的鋅與錳,鋅可以溶于固溶體,產(chǎn)生進(jìn)一步的固溶強(qiáng)化,并能稍稍改善抗腐蝕性能??墒卿\卻使含7%~10%鋁的鎂合金的熱收縮率上升。加入的Mn可與鋁形成針狀或短棒狀化合物。合金中的雜質(zhì)鐵在淬火時(shí)還可能析出AlFe化合物。
鑄造鎂-鋁合金一般含6%~10%Al,用于鑄造大型薄壁復(fù)雜零件,常用的合金有AZ63A、AZ81A、AZ91A-E、AZ92A、AM100A,還研發(fā)出有特殊用途的壓鑄合金,如高純的低鋁合金AM60A、AM60B、AM50A、AM20等,它們有高的斷裂韌性,因?yàn)榫Ы缟系腁l12Mg17化合物質(zhì)點(diǎn)大大減少,多用于鑄造車輪、座椅框架、方向盤等汽車零件。變形鎂-鋁合金的鋁含量一般≤8%,鋅的含量≤1.5%,典型的合金為AZ10A、A31B、AZ31C、AZ61A、AZ80A等,用于鍛壓零件與軋制板、帶,以及擠壓、棒、型、管材等,AZ80A合金約含8%Al,雖有高的強(qiáng)度與可進(jìn)行固溶時(shí)效處理,但有相當(dāng)嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕傾向,已大量被有更好性能的Mg-Zn-Zr系合金取代。
Mg-Al系合金雖有良好的力學(xué)性能、鑄造性能和抗大氣腐蝕性能,是目前室溫下應(yīng)用最廣泛的鎂合金,但是當(dāng)溫度高于120℃后,AZ系及AM系合金的強(qiáng)度性能會(huì)急劇下降,因?yàn)锳l12Mg17的熔點(diǎn)為460℃,在溫度高于120℃時(shí)成為軟質(zhì)相,不能有效地釘扎晶界,于是通過(guò)晶界滑移發(fā)生滑移。向Mg-Al合金添加1%Ca可以提高合金的蠕變強(qiáng)度,但是鈣的含量不能>1%,否則合金具有熱裂傾向。降低鋁含量而加入硅,也可以提高蠕變強(qiáng)度,從而開(kāi)發(fā)出了如AS41A、AS41B、Al21等這樣的AS系鎂合金。因?yàn)榻档弯X含量可以減少Al12Mg17質(zhì)點(diǎn),而Si與Mg可形成細(xì)小的Mg2Si質(zhì)點(diǎn),阻礙晶界移動(dòng)。AS21合金的鋁含量低,蠕變強(qiáng)充比AS41A、AS41B合金的高,但是鑄造性能差。雖然Mg-Al-Si系合金有高的抗蠕變強(qiáng)度,但還是不如A380鋁合金的。
向Mg-Al系合金添加RE元素,可以進(jìn)一步提高合金的抗蠕變強(qiáng)度,如AE42合金的抗蠕變強(qiáng)度不但比Mg-Al-Si系合金的高,而且有更好的綜合性能,不過(guò)稀土的價(jià)格昂貴。稀土元素對(duì)Mg-Al合金蠕變性能的影響機(jī)制至今仍元統(tǒng)一的看法。一般認(rèn)為,抗蠕變強(qiáng)度的提高是由于晶界上形成了大量的阻礙晶界滑移的Mg12RE質(zhì)點(diǎn),不過(guò)應(yīng)注意的是,Mg-Al-RE合金只適于壓鑄,因?yàn)閴鸿T時(shí)的冷卻速度快,可形成細(xì)小的Mg12RE質(zhì)點(diǎn),否則會(huì)形成粗大的Mg12RE化合物,使性能變壞。
以AZ合金為基礎(chǔ),提高鋅含量降低鋁含量開(kāi)發(fā)的ZA104合金是一種蠕變強(qiáng)度較高且鑄造性能較好成本也不高的合金。日本研發(fā)的Mg-5Al-2Ca-2RE-0.3Mn合金具有比AE42合金更高的抗蠕變強(qiáng)度,而且其耐熱性與抗蝕性與A384鋁合金的相當(dāng),還有良好的可鑄造性能。
有時(shí)效強(qiáng)化能力的鎂鋅系合金
鋁是鎂合金的第一大合金化元素,那么鋅就是它的第二大合金化元素,鋅在鎂中的最大固溶度為62%,且隨著溫度下降而減少,因此除有固溶強(qiáng)化作用外,還有一定的時(shí)效強(qiáng)化作用。鋅可消弱合金中鐵、鎳等雜質(zhì)對(duì)其抗腐蝕性能的不利影響,鋅可與鎂形成Mg7Zn,在340℃發(fā)生共晶反應(yīng),共晶點(diǎn)為51.2%Zn,即
L→α-Mg+Mg7Zn
溫度下降到312℃時(shí)發(fā)生共析反應(yīng),即
Mg7Zn→α-Mg+MgZn
合金的室溫平衡組織為α-Mg+MgZn,溫度降低時(shí)可以α-Mg固溶體中析出強(qiáng)化書自MgZn。鎂-鋅系合金可形成連續(xù)的GP區(qū)和連續(xù)的中間析出相,因而不能通過(guò)過(guò)熱或變質(zhì)處理細(xì)化晶粒。二元Mg-Zn合金的凝固溫度區(qū)間大,流動(dòng)性差,易產(chǎn)生顯微疏松,也不易細(xì)化晶粒。因此,幾乎沒(méi)有商業(yè)使用價(jià)值,鎂-鋅合金的時(shí)效過(guò)程非常復(fù)雜。
目前獲得工業(yè)應(yīng)用的鑄造鎂-鋅系合金的鋅含量為4%~6%,含5%Zn的合金具有最高的強(qiáng)度性能,再增加鋅含量,合金的力學(xué)性能全面下降。另外,鋅會(huì)引起合金出現(xiàn)顯微疏松和增大熱裂傾向。
鎂-鋅合金有時(shí)效強(qiáng)化能力,Mg-5Zn合金可在204℃時(shí)效處理5h~10h,溫度低時(shí),時(shí)效強(qiáng)化效果緩慢。工業(yè)Mg-Zn合金的鋅含量不得大于6%,向合金中添加少量的Mn、Cu、RE等可改善合金的性能,形成有優(yōu)秀綜合性能的新型鎂-鋅合金。
在Mg-Zn合金中加入Cu可以顯著提高合金塑性和時(shí)效強(qiáng)化效果。Mg-Zn-Cu合金鑄件的力學(xué)性能與AZ91合金的相當(dāng),而且有更好的高溫穩(wěn)定性,如砂型鑄造的ZC63合金。加入銅可以提高M(jìn)g-Zn合金的共晶溫度,因而可在更高的溫度下進(jìn)行固溶處理,可以提高Zn及Cu在鎂中的固溶量,同時(shí)共晶體中化合物的形貌也生了變化,Mg-Zn化合物以離異共晶形式分布于晶界及枝晶間,大部分Cu以化合物形式存在于共晶相Mg(Cu,Zn)2中,因而減少了Cu對(duì)合金抗蝕性的不利影響。Mg-Zn-Cu合金用于鑄造汽車零件,但還需提高合金的抗腐蝕性能。
向Mg-Zn-Cu合金中再添加Mn,形成的四元合金ZC71也有時(shí)效硬化作用,用于生產(chǎn)擠壓產(chǎn)品。
在含鋅量小于4%的鎂合金中添加≥0.5%Ca,可形成Mg2Ca和Mg5Ca2Zn5化合物,可于167℃以下從固溶體中析出,提高合金的抗蠕變強(qiáng)度,這些化合物在167℃以上粗化,使合金的抗蠕變能下降,增加鋅含量,合金的抗蠕變能力也會(huì)下降。含鋅量較高的鎂-鋅-鋁合金ZA142、ZA144的抗蠕變強(qiáng)度顯著高于AZ91合金的。Sr也可以提高鎂-鋅合金的抗蠕變強(qiáng)度,但Sr的效果比Ca的大。
Mg-Zn合金通常含有>0.5%鋯,鋯有明顯的晶粒細(xì)化作用。Mg-Zn-Zr合金的鑄造組織為α-Mg固溶體和塊狀Mg-Zn化合物與少量的Zn3Zr2金屬化合物。典型的鑄造Mg-Zn-Zr合金有ZK51A、ZK61A,變形合金有ZK21A、ZK31、ZK40A、ZK60A、Z616A。鑄造合金的狀態(tài)為T1或T6,而擠壓材料及鍛件僅在T6狀態(tài)下應(yīng)用。
含鋯量高的鎂-鋅合金不易加工與鑄造,為了解決工藝上的固難,可降低鋅含量或添加稀土與釷,從而研發(fā)出Mg-Zn-RE-Zr系合金與Mg-Zn-Th-Zr系合金,前一類合金如ZE41A,人工時(shí)效后具有中等強(qiáng)度,已用于鑄造直升機(jī)傳動(dòng)箱體;后一類合金有ZH62A,不過(guò)此合金現(xiàn)在已幾乎不用了。
RE的添加不僅改變了鎂-鋅合金鑄態(tài)組織中原有二元相的結(jié)構(gòu)形態(tài),而且生成了一種新的三元化合物T相,它的成分范圍甚廣;另外還改變了合金的時(shí)效硬化特性,阻礙β相的析出,推遲過(guò)時(shí)效的發(fā)生。