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1、氢化处理ZMS高强度铸造镁合金赵 志远前言在镁合金研究领域中,镁一锌系一直是最重要的高强度镁合金的基础。常用的合金有含4.5呱锌的ZMI,相似的有美 国的Z K5 1和英国的252.如合金中锌含量进一步提高,经固溶和时效处理后,可获得更高的机械性能.美、加等国研制的含锌6肠的Z K61,是国外目前使用的最高强度铸造镁合金之一但该合金铸造工艺性较Z K5 1更 差,有严重的显微疏松和热裂倾向,实际上是不能焊接帅.故限制了在生产上的应用,至今仅有少数几个国家应用。后来加拿大有人试验了含银Mg一Zn 一Zr合金2,虽加强了时效硬化效应,但 未 能改进铸造 性能,而且仍然不能焊接“、4。众所周知,Mg
2、一Zn一Zr系合金可以加入稀土金属或牡改进其铸造性能,但机械性能下降。不过,由于工艺性能良好,故仍得到广泛使用,如ZMZ,相似于美国的Z E4 1和英国的R ZS;加钦的有美国Z H6 2和英国TZ6。前 者 是在4.5肠锌基础上添加1.2肠稀土,后者是在6帕锌基础上添加2肠社派生的两种合金。这些合金的机械、工艺性能见表1”、“、7。添加稀土金属后,合金晶界上形成大量 化合物,此脆性相极为稳定,一般的热处理不能使其溶解或破碎,使合金机械性能下降。1 9 6 7年,英国电子镁公司(M.E.L) 以及有关文献介绍 了采用氢气处理的方法进行使加有稀上的Z E6 3恢复原有性能的试验“、”、 。、,
3、。这种合金在氢气 中溶解处理时,氢溶解表1儿种Mg一Zn一Zr合金的典型性能机 械性 能工艺性今a 、。.21乙铸遥流动性耐压性显微疏松倾向焊 接性能.ZMI一|l!竺巨竺企些圣列竺坦迪量鱼匕已互业一一一1ZK66。一。余量12“52。523一一-一一一-一一-一一一一_一-一一一一一-. .一一 一!TZ6!ZH62551:。二。6余量27);5!; 。22zMs1zE63z E。:6.0余量3 02 2.数字“l”表示最好,“3”最差,一”为无数据.二杜含量.并扩散到合金中,与晶界M犷Zn一RE化合物中的稀土反应,形成稀土氢化物,并转变为小颗粒状,锌则释出溶入基体。采用此新 工艺后,合金将
4、具有Z K6 1的高机械性能,而25肠稀土使其变成耐压、可气铸造工艺性件良_ 的铸造合金。根据这种原理,我们研制了含有5.56.5另Zn、23肠R E、夕0.5肠Zr的ZMS高强度铸造镁合金.这种合金可铸造各种复杂零件.在定温定压下,由于氢的渗入速度与扩散层厚度服从抛物线定理“,即成指数减缓,所以本合金宜用于壁厚较薄的铸件,以免处理时间过长。一般24小时可渗透1 2毫米以上壁厚。安全孔热电偶水 组毛毛毛毛 1 1 1!上 图1氢化炉炉罐部分示意图试验条件与合金制备合金的熔炼是在试验室56 0公斤电 阻炉中进行,各种原材料和熔铸工艺与一般稀土镁合金ZMZ、zM3、ZM4相同。稀土金属采用含饰4
5、5、60肠的混合稀土金属。镁一错中间合金自制,加入量新料按1 0肠,回炉料按5肠重 量添加。测定基本性能的试样,均用一般的湿砂型铸造成直径小1 2毫米试样,不经机械加工,带铸造表皮进行氢化热处理和时效,测定机械性能。其他各种性能则于热处理后经机球加工再测定。2.工艺本试验采用 一般工 业瓶氢、瓶氮.气体经除水系统后进入罐内。干燥剂采用氯化钙、硅胶和分子筛.所用分子筛为SA型人造沸石,是一种吸水性极强的千燥剂。氢化处理工艺路线如下:瓶氢* 浮 子流量计,氯化钙 ,硅胶、分子筛(I)一分子筛(I)、 氢化罐、水瓶空间。铸件装入罐内后,密封,通水,通氢。在通氢过程中取气作点燃试验,直至点燃时无鸣爆声
6、,则认 为罐内气氛已达安全浓 度。送电升温至 处理温度。出炉前必 须关闭氢气,同时接通氮气,以氮驱氢,也 经点燃试验,直至不 燃为止,开盖 出炉。氢化热处理试验结果与讨论1.设 备氢化热处理炉利用原立式空气循环炉改装而成,炉膛内增加一焊接钢罐。氢气由导管引入罐内底部,再由上部导管流 出,保持罐内氢气有稍高的正压。罐体与罐盖间安置一橡胶垫圈,用螺栓固紧,以使密封。为保护橡胶垫圈不致因温度过高而损坏,法兰部分设有循环冷却水套。罐盖上安全孔用铝箔密封。自罐盖插入热电偶(图l)。1.合金元素对机械性能的影响锌是本试验合金的主要强化元素镁一锌和镁一锌一错合金中锌含量 对性能的影响,已有资料、 3报导。在
7、含 有稀 土并经 氢化处理的情况下,锌的影 响在制订ZMS成分范围之前曾作过一 些试验。试验的九个炉次的成分、氢化处理工艺参数和性能见表2,锌含量 对性 能 的影 响 见图2。表2合金成分对机械性能的影响化学成分时效机械性能3 0O2t。果砌、曳令矛石诊:o型丁习下丫毕介-85。625“6 648。3 “15。2!_28一153_ _ 王” 州目详:份丫半 二竺i64。2,5“6,48。2 65023 2“22686一 汁华翰才介价 点 一28456 Zn%一7a。嘴嗽六粉岁青气嵘 粼辫煞:、藻 巍翠黔粼翼霖嘿偿翼呈平氛黔黑能耀翼兹的、造性能,消徐在凝固时 的显微疏松和热裂倾向。从表2中9、1
8、1、1 5三炉不何稀土含量的合金 可小崛藏耸桩。通U1 5Z U图3ZMS单铸试棒机械性能统计值方块图见,稀土含量在试验范围内,对合金 的拉伸性能 无明显影响。、根据这些试验,合金的成分选择 在5.5、.65肠锌、. 20“. 300 0 /RE较适宜。作为细 化晶屯n武内以日月nn J飞 点口2 2劲咒18切抖。米翻士令佣代 吕”。匕-力匕八00d内J口4 620粒的元素错,可选妻。.5物。-t2.zMS的机械性能1)常温性能在确定的成分范围内,统计了9个炉次、4 8 根正常断裂的常温拉伸试棒性能数据,强度极限范围 为3 0.73 2.7公斤/毫米“,平均为3 1.2公斤/毫米2;屈服 极限
9、范围为帕.62从1公斤/毫米z,平均为2 13公斤/毫米2;延伸率范围为56157肠,平均为93肠。机械性能分布情况见图3统计值方块图。ZMS的其他常温机械性能见表3。150温度.C一2)高温机械性能图4试验温度对合金机征性能的影响表3ZMS的其他常温机械性能-E叮。.:试样型式。br乙l。HBa一1公斤/毫米2劣公斤米/厘米2司公斤/毫米2砂型单铸经加工43。1973 16注:1,化学成分、氢化处理制度等见表2中第2 5炉。止乏资工, 噢:一 巨J, 上._护2.各数据为4、5很试样平均值。3.疲劳强度极限用单臂旋转光滑 试样测定,表4和 图4所示为ZMS合金高温瞬时拉 伸性能。从数据可以看
10、出,合金在温度升高时,强度极 限等迅速下降。因此,该合金不宜在高温下使用。3.合金的显 微组织ZMS合金 成分为5.56.50 0 /Zn、230 0 / 血、乡0.5肠zr。铸态显 微组织见 图5,是由锌和稀土 金属在镁中的固溶体和晶界分离型共晶一一Mg一Zn一RE块状化合物所组成。由于这种脆性相封闭了整个晶界并夺取了合金中大量的锌,所以稀土金 属的加入大大降低了合金的强度和 塑性。这种晶界 相十分稳定,常规的热处周期为N2.5xl o7。图导ZM合合金的铸态组织乙二醇腐蚀剂4 50 x表4ZMS的高温瞬 时机械性能试验温度“C仃卜一ao.2砧,公斤/毫米2竺 i竺二兰- 4”17。0己,o
11、19.913。611。8。8。g10.84 6。7注;数据为3根试棒的平均值。图6ZMS合金在氢气中经4 8了C处理此 小时后之组织乙二醇腐蚀剂4 5O x理不能使其溶解和破碎,也就不能明显提高其 性能。_如将合金在氢气气氛中热处理,可以发现,晶界块状化合物已消失,代之以不连续的、细小的黑色颗粒状组织,数量上也有所减少,如图6所示。这是由于溶解处理 时,氢溶入并扩散到基体中去与晶界上的Mg一zn一RE相反应“、”、4,化合物中的稀:L与氢反应成稀土氢化物,呈黑色小颗粒状。化合物中的锌不与氢反应而释出扩散到基体中去。为证实上述机理,曾作了X一射线微区定性分析美,进行电子束线扫描。经 测定,原铸
12、态 组织的zn和c。、L城一 Nd、Pr等稀土元素大部分集聚于晶界上,不 同的只是其柑对含量在晶界上分布不均。晶粒中心锌量很低,仅为. 17.18%左右。近晶界处略有增一 高,一 但晶界M一zn一RE相测得锌含量高达2 0肠左右.氢化处理之后,分析结果表明,稀土元素大部分集中示氢化层的厚度与处理时河zM吕合金在氢气中固溶、处 理,实质上是一种渗氢化学热处理。整个过程是由氢分解成活性氢原子、 金属表面 吸收(溶解)和元素向金属内部扩散这三个主要阶段组成。所以处理时间的 长短应由所需扩散(渗入) 层的深度,即被处理铸件壁厚来决定。如果处理过程的温度、压力等参数恒定,则渗透层的厚度与时 间呈y“一k
13、f抛物线关系口勺,其中y为扩散层之深度,二为处理时询,k为常数.可见,在给定时向内,扩散层深度的增加 值随时 间增长而越来越小,呈指数关系减小。为给铸件氢化处理时 选择整个断面全部渗透的合理时闻提供参考依据,曾作了如下试验。铸造若干 3 0x幼毫米方块,在48 0氢化处理,时间 自功小时 起,一分别处理15、20、2 6小时,然后将试块切开,其断面作低倍腐蚀,从断面上可清晰地观察到氢化层的厚度,、如图于晶界黑色颗粒之中,_巨其相对含量比未氢化处理之前还高;锌则在晶内和 晶界上的相对含量几乎一样,为5.15.4%。这就清楚地表 明了锌尸 自M、一Zn一RE相中释出并已扩散到基体中去。x-射线相分
14、析 碳又进一 步证实晶界 黑色小颗粒即CeH:、L“H:和NdHZ等氢化稀土相。其晶体结构都是面心立方(CaF:型结构)。图748 0“C氢化处理,不同处理时间得到不 同氢化层厚度自右至左分别为1 0、15、2 0、2 6小时2 0%硝酸水溶液腐蚀加入的错作为细化晶粒元素而溶入基体。X一射线微区分析表明,无论铸态或氢化处理的显微组织中:错在晶 内和晶界上的分布大体一样,未发现Zr的合金相。7所示。实测层厚见表5。试验结果表明,在一定温度下,氢化层厚度随时间的增加而增加,但增加值越来越小。图7试样周围暗色圈即为氢化组织,中间 自色表5不 同处理时间的氢化层厚度 乡冬女盆合二区为未氢化区,两者之间
15、有一过渡界。试样处理1 0小时每边氢化层达. 25毫米左右,而对角线方向可量得. 455毫米。2 6小时每边 为5毫米,而对角线方向则为1。5毫米。四角的渗透深度大于两 边这一事实说 明,如沿相对两个方向向中心氢化 时,可使过渡区重合, 此区为氢化组织。这一事实也可用直径1 2毫米试棒能在1。一l孙时内全部氢化透来说明。为提高氢化速 度,曾将氢化温度提高至5。,结果发现试棒断口有局部晶粒长大现象,出现亮色斑点,性能急剧下降。5氢化后的时效处理_ 一.合金氢化处理 后,晶界Mg一Zn一R E相中稀土己与氢反应成氢化物,其中锌 则释出溶入基体,经空冷淬火后基体呈 过饱和 状态。;之后给以人工时效,
16、锌则从过饱和的固溶体中弥散析出,进一步强化了合金。.表6为合金铸态、氢 化处理、氢 处理 加时效三种状态性能的比较。可 见ZMS与不含稀土的Mg一Zn一Zr系合金一样,有较强的时效硬化卜- 效应。-, 一表6合金不同热处理状态的性能机械性能。 金热处理状态。、J。,!”,公斤/毫米2 扣拼 厂l 即戮i 了5时效温度和1 2“2小时不同时间对 合金性能影响的试验表明,以_15。处理24小时为宜。.乐氢化后 合金的重熔铸件经 氢化热处理后,一定量的氢溶入合金, 稀土 和错已反应 成 氢化物,回炉料能否应用,重熔时如何弥补合金元素的损耗等是合金生产 中必须解决的问题。为此,一 进行了三次重熔试验,结果
