金属及合金的净化与强韧化汇编文档格式.docx
《金属及合金的净化与强韧化汇编文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属及合金的净化与强韧化汇编文档格式.docx（20页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
C由于粒子的点阵常数与基体不一样，粒子周围产生共格畸变，存在弹性应变场，阻碍位错运动。
D由于粒子的层错能与基体的不同，扩展位错切过粒子时，其宽度会产生变化，引起能量升高，从而强化。
E由于基体和粒子中滑移面的取向不一致，螺型位错线切过粒子时必然产生一割阶，而割阶会妨碍整个位错线的移动。
（2）不可变形微粒的强化作用——奥罗万机制
适用于第二相粒子较硬并与基体界面为非共格的情形。
使位错线弯曲到曲率半径为R时，所需的切应力为τ=Gb/（2R）设颗粒间距为λ则τ=Gb/λ∴Rmin=λ/2只有当外力大于Gb/λ时，位错线才能绕过粒子。
减小粒子尺寸或提高粒子的体积分数，都使合金的强度提高。
（3）粗大的沉淀相群体的强化作用
由两个相混合组成的组织的强化主要是由于：
①一个相对另一个相起阻碍塑性变形的作用，从而导致另一个相更大的塑性形变和加工硬化，直到末形变的相开始形变为止。
②在沉淀相之间颗粒可由不同的位错增殖机制效应引入新的位错
2、韧化原理
改善金属材料韧性断裂的途径是：
1减少诱发微孔的组成相，如减少沉淀相数量。
2提高基体塑性，从而可增大在基体上裂纹扩展的能量消耗
3增加组织的塑性形变均匀性，这主要为了减少应力集中
4避免晶界的弱化，防止裂纹沿晶界的形核与扩展。
2.铝及其合金的强韧化工艺
1优化合金成分
（1）添加微量RE元素
稀土在铝合金中的作用主要表现在以下几方面:
①变质。
稀土元素能有效减小铝合金的枝晶间距,细化铸态晶粒组织;
②精炼、净化。
稀土元素具有很高的化学活性,可与H2、Fe、Si、S等杂质元素形成化合物熔渣,将其从熔体中排除;
③微合金化。
稀土元素形成的金属间化合物作为第二相能有效增加铝合金的强韧性
（2）添加新合金元素
将锰添加到7XXX系铝合金中,能起细化晶粒、阻碍基体晶粒长大和再结晶的作用,并且在不降低合金塑性和韧性的情况下显著提高合金强度。
合金强度提高的主要原因是过饱和铝合金固溶体分解形成细小、弥散含锰相,含锰相促进了晶粒的均匀塑变,细化了滑移带的宽度,从而降低了应变或应力集中,使材料塑性得到提高。
2采用新型热处理制度
固溶和时效是高强度铝合金的主要热处理工艺。
对于Al-Zn-Mg-Cu系铝合金,目前工业上可用的时效制度大致可分为三类:
第一类为峰值时效（T6X）,通过最大密度的基体沉淀相析出使合金具有最高强度,但在这种状态下合金具有最强的应力腐蚀敏感性;
第二类为过时效处理（T7XX）,通过改变基体沉淀相形态和晶界结构来提高合金的强韧性;
第三类是短时回归再时效新型热处理制度,即RRA（RetrogressionandRe-Ageing）处理,通过峰值时效、回归及再时效,使合金得到一种不同于前两类制度的显微组织,可显著提高合金的综合性能。
高低温循环处理也是一种强化手段,在激冷激热过程中,由于温度梯度和成分不均匀、晶体结构变化等因素导致局部应力集中,产生大量位错,而原有的晶粒破碎,分成许多小晶粒（亚晶）,使微观组织细化,因此循环处理能同时提高强度和塑性。
3采用特殊成形
喷射成形、反向挤压超塑成形、快速凝固技术（RSP）电磁铸造、压铸成型。
4其它强韧法
铝合金的强韧化手段还有很多,如激光冲击强化、复合强化（利用陶瓷、碳纤维、晶须、颗粒等增强铝基体）、优晶处理等
3.铝合金的净化工艺
1真空处理
在熔炼温度范围内,铝液表面有致密的γ-Al2O3膜存在,阻碍氢的析出,因此,必须清除表层氧化膜的阻碍作用才能获得好的除气效果。
真空处理是物理净化的一种方法。
包括静态真空除气和动态真空除气。
静态真空除气是在真空处理的同时,在熔体表面撒上一层溶剂,以便使氢气通过氧化膜除气,除气效果并不是很好。
相对于静态真空除气而言,这是一种以除气为主的净化处理方法。
其工艺过程是先将真空炉抽成10mmHg的真空,然后打开进料口密封盖,把从保温炉来的铝熔体借真空抽力喷入真空室内,喷入真空室内的熔体,呈细小弥散的液滴,因而,溶解在铝液中的氢能快速扩散出去,钠被蒸发燃烧掉。
经动态真空处理后的铝熔体氢溶解度低于0.12mL/（100gAl）。
动态真空除气工艺的优点是：
除气效果好、无公害、处理过程造渣少;
缺点是:
除其它有害杂质的效果差,不能实现连续处理,设备结构复杂,设备价格昂贵,而且设备的密封性难以保证。
2旋转喷粉法
熔剂法和旋转喷吹法相结合形成铝合金净化新工艺。
该法与炼钢中的喷粉冶金类似,它是借助惰性气体作为载体,将熔剂以粉末状喷入熔体来实现铝合金的净化处理,与传统的方法相比,旋转喷粉法的净化效果更佳,如FIP法和Heproject法等。
FIP法,即喷射熔剂法是一种除气、熔剂排杂净化兼优的方法,于20世纪80年代初出现,是未来很有发展前途的先进净化技术。
铝熔体处理法是一种移动式高效熔剂旋转喷射搅拌处理系统,是当前处理铝合金最先进的工艺,是近些年工业发达国家广为使用的净化铝熔体的先进技术,它集净化处理（除气、涂杂、除钙等）、钠变质处理、磷晶粒细化处理等于一体,且对环境无不利影响,成本费用适中。
3泡沫陶瓷法
双级除气和双级过滤工艺处理铝液的过程是将熔体先导入有旋转喷头的双级除去室,除去熔体中的氢,再将其导入装有2块不同孔径泡沫陶瓷过滤器的双级净化室,去除熔体中的细微杂质。
这样的装置分散,占用空间大;
使用转子喷吹,引起熔体液面起伏,加剧氧化;
双级过滤还不能除去大部分尺寸10μm以下的杂质,除气后氢的含量在0.08-0.12mL/（100gAl）;
采用了污染环境的净化气体。
铝及铝合金熔体复合净化方法是一种以除不溶性夹杂物为主的净化处理方法。
该过滤净化装置由3种不同规格的泡沫陶瓷过滤器和2层溶剂过滤器组成。
不同规格的陶瓷过滤器实现不同尺寸的非金属杂质的分级捕获,可完全除去尺寸10μm以下的非金属杂质,使铝合金中含氢量下降到0.08-0.12mL/（100gAl）以下。
这种工艺能过滤微量级的氧化物夹杂,效果好而且成本低,设备结构简单,使用方便,适用于各种合金。
其缺点是该工艺本身不具有除氢功能,过滤板需定期更换,易破损,常给生产带来麻烦。
4除气除杂净化处理法
Alcoa469除气法,是一种将铝液在线处理的工艺,可实现铝液连续净化,采用氩-氯混合气体精炼和氧化铝球过滤。
在此装置中,熔体先经粗过滤床过滤,再经细过滤床过滤流向铸造机,经过处理的铝液氢溶解度可控制在0·
15mL/（100gAl）以内。
该装置成本低,结构简单,但由于要定期更换氧化铝球,使用前要加热过滤床,使用不方便。
5电磁净化法
这种净化方法的原理是利用金属与非金属电导率的不同而引起的电磁力差异来实现金属与非金属的分离。
无论夹杂物与金属液之间的密度多么接近,二者的分离都能实现。
这种方法理论上可有效去除粒径10μm以下的夹杂物。
该装置的最大优点是,可以自动分割富含夹杂熔体与净化后的纯净熔体,并将其连续不断地移除。
不仅效率高、无污染,而且稳定性高,不受夹杂状态和热动力学因素影响。
尤其对于那些粒径细小、密度与母液密度差别不大,并且用传统的净化方法难以除去的非金属夹杂物分离效率很高。
但也存在着磁场分布不均匀引起的流动、电极浸渍而污染金属、设备投资相对较大和电磁场能利用率低等问题。
6 稀土元素精炼法
这是一种溶剂净化法,稀土化合物可与铝熔体反应生成稀土单质,这些单质既能与铝液中的氢反应,生成REH2和REH3,起到除氢的作用,又可与Al2O3反应置换出A,l从而明显降低铝熔体中氧化夹杂的数量。
该工艺充分运用稀土元素与铝熔体相互作用的特性,发挥稀士元素对铝熔体的精炼净化和变质功能,能够实现对铝熔体的净化、精炼及变质的一体化处理,不仅简洁高效,而且能够有效地改善再生铝的冶金质量。
4.镁及镁合金的应用
镁合金是以镁为原料的高性能轻型结构材料，比重与塑料相近，刚度、强度不亚于铝，具有较强的抗震、防电磁、导热、导电等优异性能，并且可以全回收无污染。
镁合金质量轻，其密度只有1.7kg/m3，是铝的2/3，钢的1/4，强度高于铝合金和钢，比刚度接近铝合金和钢，能够承受一定的负荷，具有良好的铸造性和尺寸稳定性，容易加工，废品率低，具有良好的阻尼系数，减振量大于铝合金和铸铁，非常适合用于汽车的生产中，同时在航空航天、便携电脑、手机、电器、运动器材等领域有着广泛的应用空间。
全球镁合金的需求年均增长达到10%左右，西方镁合金的市场需求增长率达到了15%以上，未来镁合金的市场需求将呈现快速增长的趋势。
镁合金主要应用于汽车、3C、航空航天领域，其中应用于汽车产业（70%）、3C行业（20%）、军事和航空航天（10%）。
1、国外镁合金应用发展现状
国外对于镁及其合金的研究开发较早，到目前镁及其合金材料的开发应用已进入相对比较成熟的阶段。
其中北美是目前镁及其合金材料用量最多的地区，而欧洲镁及镁合金产业的发展速度也增长迅速。
但比较来看，国外不同国家和地区对于镁及其合金材料的开发应用仍然存在较大的差异，其中表现突出的仍然集中在德国、俄罗斯、美国、加拿大、日本等对镁合金研究开发较早的国家。
具体应用主要集中在以下几个方面：
镁合金在汽车工业中的应用
镁合金在汽车上的应用已经有许多年的历史，从20世纪20年代开始，镁制零件就开始在赛车上应用。
到了20世纪90年代，镁合金发展迅速，各国相继出台了镁研究计划，开展了大型的“产、学、研”联合攻关项目和计划。
德国政府制订了一个投资2500万德国马克的镁合金研究开发计划，主要研究压铸合金工艺，快速原型化与工具制造技术和半固态成型工艺，以提高德国在镁合金应用方面的能力；
1993年欧洲汽车制造商提出“3L汽油轿车”的新概念，美国也提出了“PNGV”（新一代交通工具）的合作计划，其目标是生产出消费者可承受的每百公里耗油3L的轿车，且整车至少80％以上的部件可以回收，这些要求迫使汽车制造商采用更多高新技术，生产重量轻、耗油少、符合环保要求的新一代汽车，因此除汽车轮毂外，镁合金还被广泛应用于增压器转子、发动机传动箱体、风扇、发动机零件、整体座椅系统、仪表板整体框架、方向盘、草坪机底盘等其他零部件。
国际国内对于镁合金在汽车上的应用的研究不断发展，应用领域不断扩大，应用的量也相应增加。
目前全球汽车平均每辆用镁合金4~5kg，根据西方汽车工业界的展望，在未来二十年里，平均每辆汽车上的镁合金用量将达到100~120kg，将比目前增长50倍以上，届时仅用于汽车的镁合金将超过500万t，约为目前全球镁年生产量（80万t）的6倍。
相较于铝合金、在成熟产品上镁合金将具备更高的性价比：
如果按原镁16000元/t和电解铝13000元/t的行业平均成本分析，由于镁合金比重较小（镁比重为1.7kg/m3，铝比重为2.7kg/m3），相同体积的镁合金成本较铝合金低30%。
图1汽车中各种原材料使用比例
镁合金在电子领域中的应用
在3C产品领域，以笔记本电脑、手机和数码相机为代表的3C产品朝着轻、薄、短、小方向发展的推动下，镁合金的应用得到了持续增长。
镁合金与传统3C产品使用的外壳材料相比具有轻量化、刚性高、减震性好、无磁、散热、可回收等优点；
特别是应用于3C产品外壳上其外观及触摸质感极佳，已成为设计和消费的流行趋势。
与塑料相比镁合金具有良好的导热性、刚性，特别是极其易于回收。
一旦镁合金的应用进入良性循环之后，其废料不仅不会危害环境，其优良的再生性也会致使镁资源得到充分利用，也使镁合金使用成本更进一步的降低。
不仅如此，镁合金还具有非常好的压铸工艺性能，采用压铸的方法制造的镁合金3C类产品外壳，厚度最薄可达0.4mm，并且强度和刚度都极为优异。
以耐冲撞性为例，其耐撞强度及吸振性均远较塑料佳，尤其是相同抗力下厚度仅塑料的1/3，且具良好的散热性及防电磁波干扰的性能。
以上特性使镁合金在3C产业（计算机、通讯、消费电子）及电动工具，运动器材等方面的应用，已成为一个新的市场热点，如笔记本计算机、掌上计算机外壳、照相机外壳、摄相机外壳、投影录像机外壳、电视机、音响外壳等，而且其应用领域还在迅速扩大。
镁合金在国防领域及其他领域的应用
镁合金由于质量轻而被广泛地应用于国防和航空航天产品，其应用包括飞行器机身及其发动机、起落轮、火箭、导弹及其发射架、卫星探测器、旋转罗盘、电磁套罩、雷达和电子装置以及地面控制装置等。
如MD600直升机的主传动系统使用镁合金后，水平旋翼系统的功能得到有效提高。
太空飞船和卫星部件使用镁合金后能适应太空运行的特殊环境，诸如由空气动力学加热引起的温度极限、臭氧侵蚀、短波电磁辐射和高能粒子（电子、质子和小陨石）的冲击等。
镁合金在航空、航天较早得到应用,在兵器上也得到一定应用，最早应用于军事工业领域是在1916年，被用于制造77mm炮弹引线。
国外一些发达国家由于资源原因,对镁合金在兵器上的应用还持谨慎态度。
2、国内镁合金应用发展现状
我国的镁储量世界第一，我国已探明的白云石矿资源总量为40亿t，青海柴达木盆地的33个盐湖镁盐储量为47.5亿t，而且储存形式为非常有利于开采的高纯度氯化镁。
我国的菱镁矿资源总量31.45亿t，符合炼镁要求的一、二级矿占78%，已探明储量可开采年限至少有1000年之久。
而大海则是最大的“镁矿”，海水中含镁约2100亿t，其中每千克海水中约含3.8g氯化镁，可以预见的将来中国绝不会缺镁资源。
而与镁不同的是中国的铝土矿资源非常贫乏，中国国内铝土矿资源仅能供应中国生产10年，目前60%的铝土矿资源依赖进口，发展镁合金产业符合中国的资源战略。
我国对镁合金的开发利用也非常重视，科技部、国家自然科学基金委员会等部门针对镁合金开发相继出台了各种研究计划，加深、加快对镁合金材料的应用与开发研究。
2000年3月，科技部启动了“镁合金开发应用及产业化”的前期战略研究，全国共有4个研究所、7所高校、20多家企业直接参与了“镁合金开发应用及产业化”项目的实施。
该项目开发的新型水氯镁石脱水制备无水氯化镁的工程技术在国际上处于较高水平；
开发的皮江法炼镁工艺技术不断提高，有效节约了资源，提高了生产效率，减少了污染；
开发的高品质镁合金短流程工艺，降低了成本；
开发的具有自主知识产权的10款镁合金冷、热室压铸机及配套设备，国内市场占有率达到50%，基本满足了国内镁合金压铸生产需求。
目前该项目已取得一些阶段性成果：
解决了材料研究、产品设计、模具制造、压铸成型到表面防腐等系列关键工程技术。
成功开发应用了25种镁合金摩托车零件和52种镁合金汽车零件，分别装车90万辆和54.65万辆，微型汽车单车最高用镁零件9kg，轿车最高用镁零件8.17kg；
同时开发了14类镁合金3C产品零件和8种列车制动器零件，为进一步扩大应用打下了良好基础。
同时建立了从镁合金前沿高科技研发到产业化技术开发的研发体系，突破了一批前沿核心技术和产业化关键技术，培育组建了十几家有关镁合金及制品的股份制公司，建立了一批镁合金产业化基地，启动了镁合金标准体系建设工作，并已完成一批标准的制定。
镁合金材料作为21世纪新型绿色环保结构材料,将在实现产品轻量化技术领域起到越来越重要的作用,西方工业发达国家已将镁合金材料作为重要的战略物资进行研究开发,对其相关材料和制造技术的研究实行严格保密。
而我国是镁资源最丰富的国家,可利用的镁资源占世界贮量的70%,是世界上原镁生产和出口量最大的国家。
但是,我国镁产品和镁合金加工技术水平较低,属于典型的以牺牲资源和环境为代价的原料出口性产业。
开展兵器用镁合金材料及镁合金零件的研发,争取形成具有自主知识产权的镁合金在兵器上应用的集成技术,即可加快和推动国防工业科技技术进步,使我国武器研制和生产达到国外同等先进技术水平,同时,也为镁合金在民品上的应用提供先进制造技术,拓宽镁合金的应用领域,实现军民品双向互动,带动镁合金产业发展,将我国的镁资源优势转化为镁技术优势和产业优势都具有重大战略意义。
5.镁合金化强韧化机理
工业纯镁的力学性能比较低,不能直接用作工程结构材料,但是通过合金化可以提高镁合金的强度,并且合金化是实际应用中最基本、最常用和最有效的强化方法,其他方法都是建立在合金化基础之上的。
镁合金的合金化强化一般都是通过固溶强化、析出强化及弥散强化三种机理来提高合金的室温或高温力学性能。
1固溶强化
固溶强化是合金化元素完全溶入镁基体中,添加的合金元素原子置换了镁基体中某些晶格点阵上的镁原子,从而通过原子间的错排或者通过合金化元素原子与基体镁元素原子之间的弹性模量的不同而强化基体的。
同时,添加溶质原子能够减小镁原子的自扩散,增大镁合金的弹性模量,提高镁合金的熔点,从而改善镁合金的抗蠕变性能。
由Hume2Rothery定律可知:
当溶质、溶剂原子尺寸的差别超过15%时,合金化元素就不能形成无限固溶体,只能形成有限固溶体,且固溶度非常小。
因此对于金属镁而言,原子尺寸上能满足形成无限固溶体的元素有:
Li、Al、Ti、Cr、Zn、Ge、Yt、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、Nd、Hf、W、Re、Os、Pt、Au、Hg、Pb及Bi等。
与此同时,要形成无限固溶体还要满足溶质、溶剂原子具有相同的原子价和近似的晶体结构。
而能同时满足形成无限固溶体两个条件的元素只有Cd和Zn,上述其余元素则只能形成有限固溶体。
2析出强化
析出强化是合金化强化的另一种强化方式,产生析出强化的机制是析出相阻碍了位错的滑移与运动,从而提高了屈服强度。
析出强化是滑移位错间的相互作用,细小的沉淀相除了能析出外,析出相还必须具有合适的尺寸、形状及物理性质,同时与集基体间的界面性质也是关键因素。
综上可述,为更好地增强镁基合金的析出强化作用,选择合金元素时应考虑以下几点:
（1）合金化元素在高温下具有足够大的固溶度,并且固溶度随着温度的降低而减小,这样才可以提高合金的析出强化能力;
（2）合金化元素在基体中的扩散不应太快,以减少位错的攀移和尽量减轻过时效倾向;
（3）在析出相中镁的含量应该占有相当大的比例,这样才能在提高析出相量的同时,使所需合金的量不致于过多。
3弥散强化
弥散强化是合金化强化的又一方式。
其强化机制和析出强化相似,不同之处在于,弥散强化的析出相颗粒是在合金凝固过程中产生的。
这些颗粒熔点高,且不溶于基体,具有优良的热力学稳定性。
室温下,弥散析出的颗粒相可以阻碍位错滑移,从而强化合金;
在高温下虽然析出相逐渐变得软化粗大,失去了部分强化效果,然而这些颗粒相仍能继续阻止位错的移动,进而保持了合金的高温力学性能。
6.镁合金的净化工艺
1熔剂净化法
熔剂净化法是普遍采用的方法,其利用熔剂与熔液的充分接触来润湿夹杂物,使夹杂物团聚并与熔剂结合形成大颗粒,沉淀在坩埚底部从而达到与金属液分离的目的。
对熔剂有熔点、密度、黏度、造渣性、化学稳定性、无公害等要求。
最常用的熔剂主要由MgCl2、KCl、CaF2、BaCl2等卤盐按比例混合组成。
国内外熔剂种类繁多,如美国Dow230、220,德国ElrasalB、ElrasalC,英国MZ、Z系列;
国内为含氯盐或氟盐的RJ系列。
（1）氧化物的去除
所有夹杂物中,MgO高达80%,精炼处理主要是除去MgO。
精炼熔剂中MgCl2熔融后能很好地润湿镁液中的非金属夹杂物,部分氧化物（MgO和CaO）能与MgCl2物发生化学反应，经过熔剂精炼后,可使非金属夹杂物的尺寸降低到20μm左右,含量降低。
（2）Fe的去除
生产中常用Mn、Ti、Zr、Be或B等元素的单质或化合物作为添加剂以降低铁含量。
使用含Na2B4O7除铁熔剂可使AZ91D镁合金废料的力学性能和抗腐蚀性能得到提高。
（3）Si的去除
镁合金中的硅主要来源于原料和炉、槽内衬。
硅在镁中的存在形式主要是单质Si、SiO2、Mg2Si,分别占总硅量的8%、10.5%、81.5%。
在精炼时添加适当的化合物,产生物理吸附作用或者是与硅发生化学反应产生挥发性气体而去除杂质硅。
吴国华等发明的镁合金锆化合物除硅熔剂,其质量组分为:
30%～45%含水氯化镁、15%～25%氯化钾、5%～12%氯化钡、10%～17%氟化钙、10%～25%氟化镁、3%～8%氟化钠、2%～8%的四氯化锆和/或氟锆化钾,能有效降低镁合金中的含硅量,尤其对Mg2Si具有良好的去除作用。
2非熔剂净化法
（1）吹气净化法
吹气净化法是20世纪70年代发展起来的熔体净化技术,主要基于“气泡除气原理”:
当外界净化气的气泡进入镁液时,由于氢在其中的分压为0,促使镁液中的氢向气泡扩散,进入气泡并随气泡上浮,从而达到除气目的。
工业上常用的吹气法如表4所示。
吹气法单独使用时除杂及除气率较低,实际生产中多采用边加精炼剂边通入氮气或氩气的方法。
吹气净化法效果显著。
例如,通入活性气体可将镁中的氢含量降到2mL/100mg；
采用C2Cl6除氢后试样致密,且细化作用提高了力学性能；
采用Ar和C2Cl6联合处理,细化晶粒且减少气体及夹杂物含量；
吹Ar法使夹杂物数量从870个/cm2下降到100个/cm2。
采用纯度99.99%高纯氩气740℃旋转喷吹15min后,合金中的气体明显减少,当处理30～45min时,很难在试样中发现气孔,试样力学性能提高。
（2）过滤净化法
金属过滤技术是20世纪70年代开发的,其净化机理主要是过滤作用、沉淀作用及吸附作用。
由二维编织过滤网发展到三维泡沫陶瓷过滤器,后者可滤掉合金熔体中小至10～20μm的微细夹杂物及液态熔剂夹杂,对合金无污染。
采用MgO泡沫陶瓷过滤器对AZ91废料进行净化,结果表明,合金的抗拉强度σb和延伸率δ分别从169.5MPa、2.6%提高至180.9MPa、4.35%,分别提高了6.7%和67.3%。
李华伦等[21]发的镁合金熔融体净化用泡沫陶瓷,其在镁合金熔融体中稳定耐用、不污染合金,对非金属杂质有良好的过滤功能。
南昌航空工业学院[22]研制了纯氧化镁泡沫陶瓷过滤器,净化ZM-5镁合金液后,铸件基本不存在夹杂物,抗拉强度可提高25
升级会员 