9 Q:塑 Science and Technology lnnovation Herald 工业技术 AZ9 1镁合金强化改性研究①② 王建青 (燕山大学河北秦皇岛066004) 摘 要:实际应用中对AZ91镁合金性能的要求不断提高。因此,对其进行强化与改性研究具有重要意义。该文综述TAZ91镁合金强化改性的主 要方法,包括稀土合金化处理、热处理、强变形高压处理 复合处理以及表面处理等。论述了各种处理工艺对AZ91镁合金组织结构及其物理化 学性能的影响 关键词:AZ91镁合全强化中图分类号:TGI46.2 改性合金化高压 文献标识码:A 文章编号:1674—098X(2013)02(a)一0076—03 镁合金是目前最轻的金属结构材料, 分布于晶界” 。当CeJJ ̄入量为0.69%时,合 相,合金的强度和硬度提高,但塑性降低“ 。 比强度和比刚度高,在航空航天及汽车工 金铸态组织得到明显细化,同时有大量的 经360℃压缩变形及19O℃T6热处理 业领域有着广阔的应用前景。其中AZ9l镁 针状A14Ce相出现,此时合金综合力学性 后,抗拉强度、屈服强度及伸长率分别为 MPa、270 MPa和9.86%。 合金具有良好的铸造性能、力学性能以及 能较佳,其抗拉强度、伸长率分别比原始 35l 5.8%和140% 。而当Ce 耐腐蚀性能,而且成本低廉,因而是应用最 AZ9l镁合金提高l对挤压态AZ91镁合金热处理工艺的 为广泛的Mg-Al—Zn系合金之一。但由于 加量为0.93%时,合金的铸态组织反而较 研究发现,AZ9l镁合金固溶态与挤压态相 镁是密排六方晶体结构,滑移系少,塑性 加入量为0.69%时有粗化趋势。 加工性能较差。尤其是目前铸造AZ9l镁合 微量S r能够细化AZ91合金的铸态 比抗拉强度变化不大,但伸长率有较大幅 度的提高“ 。AZ9l合金固溶处理后品粒尺 金产品内部组织粗大,且往往存在组织不 共晶组织,块状或杆状的金属间化合物 寸与挤压态相比有所增大。同时,合金固溶 均匀等缺陷,造成其产品性能受到制约。因 Mgi 7Sr2、A1 4Sr相偏聚在晶界,阻碍了晶 时效处理后伴有强化相粒子析出。 此,开发适当的工艺对AZ9l镁合金进行强 粒的生长” j。0.1%~0.2%的Sr添加量 文献¨1 研究了在线淬火、离线固溶处 理(420℃×1 h,水中快冷)和时效处理 (19O℃×4h,空冷)对压铸AZ9l镁合金 化与改性成为重要的研究课题。 可提高合金的强度和韧性[91。当Sr含量为 0.2%时,Sr的固溶强化和Al Sr相的品界 1稀土合金化处理 强化等因素使合金的室温和高温抗拉强度 组织及硬度的影响,在线淬火和离线的时 单独或复合添加稀土元素在金属中形 和伸长率都有一定程度的增加。但当Sr含 效处理可提高压铸AZ9l合金的布氏硬度, 成固溶相或在晶界偏聚,对合金的相变、显 量为0.3%时,合金抗拉强度和塑性则都会 但是离线固溶处理使合金硬度下降。 微组织有明显的影响,可以改变合金的物 下降。 理性能,而且稀土元素还能够对镁合金起 到净化作用。 添加适量的Y元素后,AZ9l镁合金微 3强变形高压处理 观组织中析出的高熔点Al Y*U能有效提高 利用强变形工艺对金属及合金进行处 对添加La的AZ9l镁合金进行研究发 原有组织的热稳定性,从而有效提高合金 理,可以获得传统热处理方法难以获得的 现,La只有微量固溶在Mg中,其余的则与 的高温性能。但当Y加入量超过0.9%时, Al形成了All,La 化合物。随着La加入量 超细晶粒组织甚至非晶态组织,在塑韧性 合金组织反而变得粗大,合金的力学性能 损失不大的情况下大幅提高金属材料强 开始降低。当Y添加过量时,组织中的Al Y 度,因而成为金属材料强化改性的主要技 AZ9l镁合金在热挤压过程中发生了动 态再结晶,挤压态合金的晶粒明显细化。挤 压比相同时,随挤压温度升高,基体的再结 晶程度增加,再结晶晶粒平均尺寸增大” 。 热处理是通过一定的温度处理,改变 随着挤压比的增加,晶粒变得更加细小。增 性能的金属热加工工艺。 A Z 9l镁合金经过均匀化退火处理 下的抗拉强度和屈服强度“ ,而高温压缩 的增大,Al,,La,以针状或团状形态析出, 起到了弥散强化的作用,降低了组织的晶 相容易聚集成团,造成合金组织和成分的 术之一。 粒度。文献【1】试制出一种高强高韧镁合 不均匀,从而引起应力集中,导致合金力学 金试样,其抗拉强度≥l 90 MPa,伸长率 性能严重下降 ” 。 ≥11%。La)JIl入量为1.0%时,合金的硬度、 室温和200℃高温抗拉强度分别比原始合 2热处理 金提高31.6%、26.2%和27.2%,室温和高 141% 】。 温伸长率也分别比原始合金提高了l24%和 材料表面或内部的金相组织结构,控制其 大挤压比也可以提高Az91镁合金在常温 Nd添加到AZ91镁合金后,Nd与Al因 时,挤压态合金的强度低于铸态合金的强 有较强的亲和力而形成块状的面心立方结 后,粗大网状的 相溶解,冷却过程中脱溶 度 。 。拼压后,AZ91镁合金的拉伸强度和 构Al Nd相。另外,Nd元素的加入促进等 析出。布氏硬度比铸态提高4 5%,屈服强 塑性均得到明显提高。室温下平行挤 方 轴晶的形成,使组织细化。 Nd的加入量 度和抗拉强度分别提高36%和3 7%,伸长 向对AZ91镁合金进行压缩,由_f孪晶的产 屈服平台。 。AZ91镁 生,使得在压缩的应力一应变曲线j为0.4%时,合金的抗拉强度和伸长率表现 率由铸态的2%增加到5.52%”二出现 较好。添加Nd使AZ91镁合金的腐蚀速率 合金铸锭经430℃×2 8 h固溶时效处理 明显降低 ,含Nd量为1.4%的合金腐蚀速 后,硬度和抗拉强度分别提高29.49%和 率最小,耐蚀性能较佳。 加入一定量的Ce后,AZ9l镁合金中连 24.04%【 l4_。 等径角挤压(E CAE)工艺可细化 AZ91镁合金的微观组织,大大提高其力学 变形镁合金经T6热处理,发生热处理 性能。经过5次ECAE之后,晶粒平均尺寸 续网状分布的 相变成断续的小块状弥散 强化,在固溶强化的基础上析出大量 强化 从300 m左右细化到50“m以下,甚至 ①基金项目:秦皇岛市科学技术研究与发展计划项目(201101A081)。 ②作者简介:王建青(1979一),男,河北保定人,博士研究生,助理研究员,主要研究方向为材料物理化学性能。 76 科技创新导报Science and Technology Innovation Herald Q: 工业技术 有的达到4~10 m,合金的抗拉强度和 Science and Tethnology Innovation Herald 文献 采用AlC1 一NaCl熔盐,在较 69-72. 伸长率均有显著提高 “。在ECAE后,坯料 低温度(3 80℃)下对AZ9lD镁合金表面 【6】陈芙蓉,李仕慧,郭锋,等.铈对AZ91D 的端部和中部,中部区域的上部和下部,金 进行热扩散渗铝处理,制备扩散合金层, 相组织均存在差别,其中端部组织呈现一 文献 对AZ9lD镁合金进行了表面热扩 镁合金组织和力学性能的影I11 ̄[J】.铸造 技术,2009,30(2):203-206. 定的流线形,而中部偏上部位相对来说细 散渗锌处理并获得均匀细致的表面膜层。 化效果最好 。随挤压道次的增加,坯料 所得膜层的耐腐蚀性与镁合金基体相比, 晶粒越来越细小,与屈服强度的关系符合 均有显著提高,且具有较高的表面硬度。 Ha11一Petch公式。 AZ 91镁合金铸锭在3 3 0℃往复挤 [7]白星,胡文俊,张立强,等.Sr对AZ91镁 合金组织及力学性能的影响[J].中国有 色金属学报,2008,18(9):1596—1601. 压4道次后,基体组织6c—Mg和强化相 一Mg Al,:得到细化,其细化机制主要是 破碎、动态再结晶和动态回复,这使得镁合 8】冒国兵,刘琪.锶对AZ9l镁合金铸态组 文献 采用在AZ9lD镁合金表面进 [织和力学性能的影响 【J】.铸造,2010,59 行激光熔凝处理、激光熔覆纳米A 1 0 / (6):614—617・ # wC/CO复合涂层以及在该复合涂层中添 【9】胡文俊.碱土元素锶、钙对AZ91镁合金 加Al粉等方法,研究提高镁合金表面显微 铸态组织和性能的影响【D].长沙:湖南 硬度和耐腐蚀性的工艺。文献 在AZ9lD , 金的综合力学性能显著提高 。往复挤压 镁合金表面激光熔覆了Fe—Ni—Cr—B—Si AZ91镁合金的室温拉伸断El研究发现,挤 合金,合金涂层平整,具有良好的耐磨和 压态镁合金的断裂方式主要为穿晶剪切断 耐蚀性。 裂 。往复挤压细晶镁合金断IZl出现了大 量的韧窝,断裂方式主要是沿晶界、基体和 第二相界面断裂。 大学,2007. [10】李金锋.Y、Ba对AZ91镁合金组织及性 能的影响[D】.济南:山东大学,2005. [1】】张清,李全安,文九巴,等.Y对镁合金 AZ91力学性能的影响[J].新技术新工 艺,2006(6):66-67. 对A Z 9 1 D镁合金进行微弧氧化 (MAO)处理后,由于MAO膜层的主体相 为陶瓷相,其硬度高于基体,所以AZ91D [12]刘腾,滕新营,周国荣,等.微量Y、Er 文献 采用六面顶压机对AZ91镁合 镁合金的表面硬度明显增加 。而且MAO 元素对AZ9l镁合金微观组织及力学 性能的影响[J】.稀有金属材料与工程, 2012,41(11):1940一l944. 金进行高压处理,研究合金的组织结构和 膜层使合金的磨损机制发生了改变,其 压缩力学性能。发现在800℃下5 GPa高 耐磨性能显著提高,但微弧氧化处理对 压处理的合金综合力学性能较佳,抗拉强 AZ9lD镁合金的抗拉强度影响不大 。文 [13t ,白云.AZ91D镁合金均匀化连续与等温 度和压缩率分别比未处理的铸恣合金提高 献 研究了绿色环保型镁合金微弧氧化工 冷却退火的组织和性能[D】.西安:西安 l9.7%和24.9%。而且200~800℃高压处 艺、电解液添加剂作用机制和表面微弧氧 化处理镁合金的腐蚀行为。 理工大学,2010. 【14】韩秋华.AZ9lD热处理中p相的析出特 理的合金一直保持较高强度。 征对合金组织及力学性能的影响【D】. 4复合处理 复合处理可以从增强材料的选择、复 6结语 兰州:兰州理工大学,2011. 15】张建民,马泽飞,张宝红.T6热处理对 航空航天、汽车及信息工业等领域对 [变形AZ91D镁合金的强化作用【J】.材 合方法以及增强相加入量的多少等多方面 镁合金性能的要求不断提高,对其强化改 进行调节与改善,以优化复合效果,提高镁 性的研究愈加重要。对此,一方面要继续 基复合材料的性能。 对现有强化改性方法进行深入研究,不断 文献 以AZ9l镁合金为基体,以SiC 完善各项处理工艺,提高合金综合性能; 料热处理技术,20l0,39(16):1 36一 l37. 【16]严琦琦,张辉,陈振华.热处理对挤压 镁合金AZ91 ̄I]ZK60组织与性能的影 II ̄[J】.金属热处理,2006,31(11):7l一 74. 颗粒(粒径约2 m)为增强相,全液态 另一方面要开发新方法,如引入高温高压 搅拌铸造制备出SiC颗粒增强镁基复合材 等极端条件,寻找合金性能极限或发现新 料。铸态镁基复合材料室温和高温下的抗 规律及新途径。另外,要积极结合计算机 拉强度和屈服强度均高于A.Z9l基体合金, 技术,对镁合金微观理论及目前难以付诸 [17】徐玉磊,张奎,李兴刚,等.热处理对压 铸AZ91D合金组织及硬度的影响[J】. 材料热处理学报,2012:33(11):63- 67. 而且在热处理和热挤压后均有所提高。室 有效实验的工艺方法进行模拟,为镁合金 温下镁基复合材料拉伸呈现明显的脆性断 的强化改性开辟新思路。 裂特征,而在较高温度下,其拉伸则表现为 韧脆混合断裂特征。 理法制备了纳米SiC 增强镁基复合材料 (n—SiC /AZ9lD),发现AZ9lD镁合金 能,随着SiC 添加量的增加, 磨损性逐 渐增加。 参考文献 性作用的研究[D】.太原:太原理工大学, 2007. [18】朱峰.不同挤压条件下AZ91D镁合金组 织与力学性能研究[D】.秦皇岛:燕山大 学,2009. 1】张金玲.AZ91镁合金精炼及La对其改 文献 采用机械搅拌与高能超声处 [【l9】张志远,程显敏,王越,等.挤压比对 AZ91镁合金组织及力学性能的影响 2】赵源华,陈云贵,赵冬.La和Nd复合添 中加入n—SiC 能够改善材料的耐磨损性 [加对AZ9l镁合金铸态组织和性能的影 响[J].稀有金属材料与工程,20l0,39 (8):1470-1474. [J】.沈阳工业大学学报 2006,28(5): 495—500. [20]李淑波,吴昆,郑明毅,等.挤压对AZ9l 铸造镁合金力学性能的影响[J】.材料 工程,2006(12):54-57. 文献 采用挤压浸渗法制备纤维体积 分数为20%、2 5%、30%的硅酸铝短纤维 【3】范艳艳.合金元素对AZ9lD镁合金组织 和性能的影响[D】.太原:太原科技大学, 2009. 增强AZ91D复合材料,并研究了Al,O 一 SiO 2/AZ91D复合材料及AZ91D基体的高 温蠕变性能和机理。 f21】姜巨福,罗守靖.等径角挤压对AZ91D 镁合金力学性能的影响【J】.热加工工 艺,2004(8):3—5. [4]王娜,白朴存,侯小虎,等.Nd对AZ9l镁 合金显微组织和耐腐蚀性能的影响[J]. 5表面处理 AZ9l镁合金经表面处理后,虽然对其 材料研究学报,2011,25(2):214-218. 【22】张晓华.镁合金等通道角挤压不均匀变 形及对半固态球晶化的影响fD】.哈尔 滨:哈尔滨工业大学,2009. [5】赵源华,陈云贵,唐永柏,等.Nd ̄[1Ce对 AZ91镁合金组织和力学性能的影响[J]. 特种铸造及有色合金,2009,29(1): 力学性能的改善效果并不明显,但对其耐 腐蚀性能以及耐磨性能却有显著影响。 [23]徐春杰,郭学锋,张忠明,等.往复挤压 (下转79页) 科技创新导报Science and Technology Innovation Herald 77 Q:业 工业技术 动推杆没能严格定期进行维护保养,没有良好的润滑条件所致。再 场地而难以被清理干净,维修人员就不加或少加润滑油。这样直接 Science and Technology Innovation Herald 同时,对铰轴联接部的结构尺寸也作了相应修改,在销轴与销 自润滑性能和较高的抗压能力,并在轴衬套端制造出隔离环,有效 者,给运动副加的润滑油很容易发生泄漏,溢出的油液会污染工作 孔之间增加聚四氟乙烯材料制成的轴衬套,这种材料具有较好的 产生的后果就是加重了蜗轮蜗杆间的摩擦阻力,产生了较大的噪声 地防止了铰耳和铰座间的单边摩擦(见图7所示)。实践中证明,此 污染。(2)每块翻板的三个铰轴联接在制作和装配中的同轴度控制 种改进大大降低了噪音的产生。(3)养成定期对设备进行检查和保 得不太好,致使联接部有些销轴是用强力打入进行装配,这些部位 养的良好习惯,随时更换在使用过程中被损坏和丢失的零配件,以 的轴孔就会产生了过盈配合,每当翻板作上升或下降动作时,就会 保证检修设备的正常运行。 使这些销轴与销孔间产生强力摩擦,而发出巨大声响。另外,三个铰 聚四氟乙烯轴对套 轴位置度的控制也十分重要,翻板在运动时的轴向窜动,可使铰耳 部产生较大偏磨(如图5所示),这也是噪音产生的重要原因。 ■I■ \ 2O / 彗 29 图5 聚四氟乙烯轴衬套 (3)检查中发现,现场有部分电机风扇罩上的紧固螺钉存在松 动和遗失现象。分析认为:这些松扣在电机上的风扇罩由于机械振 动的原因而发生振荡,不停叩击电机外壳,从而发出噪声。 3.2降噪方案 (1)在原来使用电动推杆的工地,用更加耐磨材料制成的蜗轮 蜗杆更换了由于磨损严重而容易发出噪音的蜗轮副,并制定出定期 检查、定期加油、定期对设备进行保养的措施。在新的工地,改电 图7 动推杆为气动推杆,实践证明,气动推杆活塞运动时的摩擦系数更 小,运行更平稳,所发出的噪音更小,且更加方便维护和保养工作。 4结语 (2)改造组焊胎具,对翻板制作过程中三个铰耳的同轴度和位置度 目前,国内动车车辆检修平台的结构形式已El趋标准化,通过 进行更严格的控制,合理提高制造精度,用反变形的措施保证产品 先后完成的武汉、上海、广州、福州、哈尔滨、大连、长春、天津等地 的组装焊接质量。 动车检修平台的制作与安装,积累了宝贵的第一手经验,其制造工 艺的日趋成熟为翻板的降噪提供了重要条件,其次通过改变翻板的 8 驱动方式及装配零件的材料,极大地降低了翻板翻转时产生的机 械噪音,为车辆检修人员创造了更舒适的低噪音工作环境。目前,这 种改进措施已经成功运用在上海南翔动车运用所检修平台,并陆续 I将在南昌、青岛等即将开工的检修平台中得到应用。 参考文献 ar' ̄-= [1]中铁工程设计院有限公司.检修库轨道桥、作业平台及防护网施 一 q E _'■-鬯!,陆 工图册【S]. 气动推杆形式 [2】钢结构工程施工质量验收规范50205-2001. [3]金属机械加工工艺人员手册[M].北京:科学技术出版社,1983. 图6 [4]左健民.液压与气压传动【M】.2版.北京:机械工业出版社,1999. (上接77页) 及正挤压Z91D镁合金丝材的组织及性 复合材料的摩擦磨损性能[J].特种铸造 的组织和性能研究[D].太原:太原理工 能【J】.稀有金属材料与工程,2007,36 及有色合金,2012,32(10):395-399. 大学,2011. (3):500—504. [28】田君.硅酸铝短纤维增强AZ91D复合 [32】张仁.AZ 9lD镁合金激光表面熔覆 【24】陈勇军.往复挤压镁合金的组织结构 材料蠕变行为的研究【J】.广州:华南理 Fe—Ni—Cr—B-Si合金[D].湘潭:湘潭 与力学性能研究【D】.上海:上海交通大 工大学,2011. 大学,2009. 学,2007. 【29]钟澄,刘磊,仵亚婷,等.AZ9lD镁合金 【33】骆海贺.Az9ID镁合金微弧氧化ZrO,一 [25]王建青,李乃朋,杨红博,等.高压处理 表面低温扩散渗铝层的组织与性能[J】_ Y 0 复合陶瓷膜层的制备、表征及性 对AZ9lD镁合金组织及力学性能的影 中国有色金属学报,2010,20(12): 能研【D】.武汉:华中科技大学,2009. 响[J】.燕山大学学报,20l 2,36(6): 2269~2273. [34】张勇,陈跃良,郁大照,等.微弧氧化 497-501. [30】朱立群,刘慧丛,李卫平,等.AZ91D镁 对AZ91D镁合金力学性能的影响…. 【26】梁立超,自或,杨玉山,等.SiC颗粒增强 合金表面热扩散渗锌膜层研究【J].北 中国腐蚀与防护学报,2010,30(3): AZ91镁基复合材料的研究[J].沈阳工业 京航空航天大学学报,2005,31(1): 222-226. 大学学报,2007,29(2):139-143. 8一l2. [35]刘妍.AZ91D镁合金微弧氧化工艺及成 【27]刘世英,李文珍.纳米SiC。增强AZ91D [31]刘云静.AZ91D镁合金表面激光改性 膜行为研究[DI杭卅l:浙江大学,2012. 科技创新导报Science and Technology Innovation Herald 79