用途最广的镁铝系合金
铝是镁合金最主要的合金化元素,是当下牌号最多、应用最广的镁合金,常用的铸造镁-铝合金有AZ81A、AZ81S、AZ91D、AZ91S、AZ63A、AM20S、AM50A、AM60B、AM100A、AS215、AS41B、AS41S等。镁-铝合金通常还含有少量的Zn、Mn、Si等,在应用的镁合金中,镁-铝系合金占65%左右,而在工业应用的铸造镁合金中,镁-铝系合金又占有85%以上。常用的变形镁-铝合金有:AZ31B、AZ61A、AZ80A、AZ10A等。
Mg-Al系相图属共晶型,在共晶温度437℃时,铝在镁中的溶解度为12.7%,而在室温时仅约为2%,铝含量大于6%的合金属热处理可强化的。在工业上应用的镁-铝合金中。铝含量一般不超过10%,否则合金的各项性能会有不同程度的下降。铝可以提高镁的各项性能,含铝6%左右的镁合金具有最高的强度和伸长率。
Mg-Al合金通常还含有少量的锌与锰,锌可以溶于固溶体,产生进一步的固溶强化,并能稍稍改善抗腐蚀性能。可是锌却使含7%~10%铝的镁合金的热收缩率上升。加入的Mn可与铝形成针状或短棒状化合物。合金中的杂质铁在淬火时还可能析出AlFe化合物。
铸造镁-铝合金一般含6%~10%Al,用于铸造大型薄壁复杂零件,常用的合金有AZ63A、AZ81A、AZ91A-E、AZ92A、AM100A,还研发出有特殊用途的压铸合金,如高纯的低铝合金AM60A、AM60B、AM50A、AM20等,它们有高的断裂韧性,因为晶界上的Al12Mg17化合物质点大大减少,多用于铸造车轮、座椅框架、方向盘等汽车零件。变形镁-铝合金的铝含量一般≤8%,锌的含量≤1.5%,典型的合金为AZ10A、A31B、AZ31C、AZ61A、AZ80A等,用于锻压零件与轧制板、带,以及挤压、棒、型、管材等,AZ80A合金约含8%Al,虽有高的强度与可进行固溶时效处理,但有相当严重的应力腐蚀倾向,已大量被有更好性能的Mg-Zn-Zr系合金取代。
Mg-Al系合金虽有良好的力学性能、铸造性能和抗大气腐蚀性能,是目前室温下应用最广泛的镁合金,但是当温度高于120℃后,AZ系及AM系合金的强度性能会急剧下降,因为Al12Mg17的熔点为460℃,在温度高于120℃时成为软质相,不能有效地钉扎晶界,于是通过晶界滑移发生滑移。向Mg-Al合金添加1%Ca可以提高合金的蠕变强度,但是钙的含量不能>1%,否则合金具有热裂倾向。降低铝含量而加入硅,也可以提高蠕变强度,从而开发出了如AS41A、AS41B、Al21等这样的AS系镁合金。因为降低铝含量可以减少Al12Mg17质点,而Si与Mg可形成细小的Mg2Si质点,阻碍晶界移动。AS21合金的铝含量低,蠕变强充比AS41A、AS41B合金的高,但是铸造性能差。虽然Mg-Al-Si系合金有高的抗蠕变强度,但还是不如A380铝合金的。
向Mg-Al系合金添加RE元素,可以进一步提高合金的抗蠕变强度,如AE42合金的抗蠕变强度不但比Mg-Al-Si系合金的高,而且有更好的综合性能,不过稀土的价格昂贵。稀土元素对Mg-Al合金蠕变性能的影响机制至今仍元统一的看法。一般认为,抗蠕变强度的提高是由于晶界上形成了大量的阻碍晶界滑移的Mg12RE质点,不过应注意的是,Mg-Al-RE合金只适于压铸,因为压铸时的冷却速度快,可形成细小的Mg12RE质点,否则会形成粗大的Mg12RE化合物,使性能变坏。
以AZ合金为基础,提高锌含量降低铝含量开发的ZA104合金是一种蠕变强度较高且铸造性能较好成本也不高的合金。日本研发的Mg-5Al-2Ca-2RE-0.3Mn合金具有比AE42合金更高的抗蠕变强度,而且其耐热性与抗蚀性与A384铝合金的相当,还有良好的可铸造性能。
有时效强化能力的镁锌系合金
铝是镁合金的第一大合金化元素,那么锌就是它的第二大合金化元素,锌在镁中的最大固溶度为62%,且随着温度下降而减少,因此除有固溶强化作用外,还有一定的时效强化作用。锌可消弱合金中铁、镍等杂质对其抗腐蚀性能的不利影响,锌可与镁形成Mg7Zn,在340℃发生共晶反应,共晶点为51.2%Zn,即
L→α-Mg+Mg7Zn
温度下降到312℃时发生共析反应,即
Mg7Zn→α-Mg+MgZn
合金的室温平衡组织为α-Mg+MgZn,温度降低时可以α-Mg固溶体中析出强化书自MgZn。镁-锌系合金可形成连续的GP区和连续的中间析出相,因而不能通过过热或变质处理细化晶粒。二元Mg-Zn合金的凝固温度区间大,流动性差,易产生显微疏松,也不易细化晶粒。因此,几乎没有商业使用价值,镁-锌合金的时效过程非常复杂。
目前获得工业应用的铸造镁-锌系合金的锌含量为4%~6%,含5%Zn的合金具有最高的强度性能,再增加锌含量,合金的力学性能全面下降。另外,锌会引起合金出现显微疏松和增大热裂倾向。
镁-锌合金有时效强化能力,Mg-5Zn合金可在204℃时效处理5h~10h,温度低时,时效强化效果缓慢。工业Mg-Zn合金的锌含量不得大于6%,向合金中添加少量的Mn、Cu、RE等可改善合金的性能,形成有优秀综合性能的新型镁-锌合金。
在Mg-Zn合金中加入Cu可以显着提高合金塑性和时效强化效果。Mg-Zn-Cu合金铸件的力学性能与AZ91合金的相当,而且有更好的高温稳定性,如砂型铸造的ZC63合金。加入铜可以提高Mg-Zn合金的共晶温度,因而可在更高的温度下进行固溶处理,可以提高Zn及Cu在镁中的固溶量,同时共晶体中化合物的形貌也生了变化,Mg-Zn化合物以离异共晶形式分布于晶界及枝晶间,大部分Cu以化合物形式存在于共晶相Mg(Cu,Zn)2中,因而减少了Cu对合金抗蚀性的不利影响。Mg-Zn-Cu合金用于铸造汽车零件,但还需提高合金的抗腐蚀性能。
向Mg-Zn-Cu合金中再添加Mn,形成的四元合金ZC71也有时效硬化作用,用于生产挤压产品。
在含锌量小于4%的镁合金中添加≥0.5%Ca,可形成Mg2Ca和Mg5Ca2Zn5化合物,可于167℃以下从固溶体中析出,提高合金的抗蠕变强度,这些化合物在167℃以上粗化,使合金的抗蠕变能下降,增加锌含量,合金的抗蠕变能力也会下降。含锌量较高的镁-锌-铝合金ZA142、ZA144的抗蠕变强度显着高于AZ91合金的。Sr也可以提高镁-锌合金的抗蠕变强度,但Sr的效果比Ca的大。
Mg-Zn合金通常含有>0.5%锆,锆有明显的晶粒细化作用。Mg-Zn-Zr合金的铸造组织为α-Mg固溶体和块状Mg-Zn化合物与少量的Zn3Zr2金属化合物。典型的铸造Mg-Zn-Zr合金有ZK51A、ZK61A,变形合金有ZK21A、ZK31、ZK40A、ZK60A、Z616A。铸造合金的状态为T1或T6,而挤压材料及锻件仅在T6状态下应用。
含锆量高的镁-锌合金不易加工与铸造,为了解决工艺上的固难,可降低锌含量或添加稀土与钍,从而研发出Mg-Zn-RE-Zr系合金与Mg-Zn-Th-Zr系合金,前一类合金如ZE41A,人工时效后具有中等强度,已用于铸造直升机传动箱体;后一类合金有ZH62A,不过此合金现在已几乎不用了。
RE的添加不仅改变了镁-锌合金铸态组织中原有二元相的结构形态,而且生成了一种新的三元化合物T相,它的成分范围甚广;另外还改变了合金的时效硬化特性,阻碍β相的析出,推迟过时效的发生。