热处理工艺对镁合金耐磨性能影响的研究.doc

1、热处理工艺对镁合金耐磨性能影响的研究摘 要镁合金作为21世纪最有发展潜力的绿色轻质材料正在越来越受到广大科研工作者的关注。但是作为广泛使用的镁合金AZ91D，其高温性能却并不理想。热处理对镁合金耐磨性的影响已受到广泛关注。 本文采用销盘式磨损机对AZ91D镁合金进行干滑动磨损实验。研究不同热处理条件镁合金的摩擦磨损性能，采用光学显微镜、硬度试验等研究了合金固溶时效处理后的微观组织和磨损性能，探讨了AZ91D镁合金的磨损机制。研究表明热处理后挛晶消失、组织逐渐趋于均匀化 、平均晶粒尺寸变小。随着固溶处理时间的延长，AZ9lD镁合金中的-Mg17Al12相逐渐分解并溶入-Mg基体相中。继续延长固溶

2、处理时间，AZ91D镁合金中的合金元素在扩散机制的作用下趋向均匀。时效处理时-Mg17Al12相脱溶析出。关键词：AZ91D镁合金,热处理，耐磨性，微观组织，固溶处理，时效处理，磨损机制The Study of The Effect of Heat treatment on wear-resisting property of Magnesium Alloy AbstractAs a light and green material with latent capacity of development in the 21 century,magnesium alloys became mor

3、e and more popular within the material fieldAlthough it is a widely used magnesium alloy,mechanical properties of magnesium alloy AZ91D at elevated temperature was not good enoughDry sliding weal tests were performed on AZ91D magnesium alloy as well using a pinon-disc wear machine in different exper

4、imental conditionsProperties of frictional wear of different kind Heat treatment of alloy were studied at the same timeMicrostructure and wear-resisting properties of the alloy were investigated by means of OM,hardness test。After solid solution treatment and aging treatment. The wear mechanism of AZ

5、91D magnesium alloy was also discussedThe study shows that:the grains turned homogeneous and fine after heat treatment.With the extension of solid solution treatment time，-Mg17Al12-phase in AZ91D decomposed gradually and dissolved in -Mg-phase. Continue to extend the treatment time，the alloying elem

6、ents in the alloy approached to a uniform state because of the proliferation mechanism. -Mg17Al12-phase in AZ91D exsolution and precipit from -Mg-phase.Key words: AZ91D magnesium,Heat treatment,Wear-resisting property,Microstructure,Solution treatment,Aging treatment,Wear mechanism目 录1 绪 论11.1引言11.2

7、 镁合金热处理方法和特点11.2.1 退火21.2.2 固溶处理31.2.3 固溶处理+人工时效31.2.4 人工时效41.2.5 表面热处理51.3 镁合金摩擦磨损性能51.4本文选题的研究内容72 实验方法82.1 实验材料82.2 实验用仪器设备82.3 试样制备102.4 热处理工艺制定112.4.1 固溶处理112.4.2 时效处理122.5 组织观察122.6 显微硬度测试122.7 摩擦磨损性能测试123 实验结果及讨论133.1 固溶处理对合金显微硬度的影响133.1.1 380固溶处理的显微硬度133.1.2 410固溶处理的显微硬度143.1.3 440固溶处理的显微硬度1

8、43.1.4 不同温度固溶处理后显微硬度对比分析153.2 固溶+时效处理对合金显微硬度的影响153.2.1 380 12h固溶+时效处理的显微硬度163.2.2 410 4h固溶+时效处理的显微硬度163.3 固溶处理对合金摩擦磨损性能的影响173.3.1 380 12h固溶处理的摩擦磨损性能173.3.2 410 4h固溶处理的摩擦磨损性能193.3.3 不同温度固溶处理后摩擦磨损性能对比分析213.4 固溶+时效处理对合金摩擦磨损性能的影响223.4.1 380 12h固溶+时效处理的摩擦磨损性能233.4.2 410 4h固溶+时效处理的摩擦磨损性能243.5 AZ91D镁合金显微组织

9、253.5.1 热处理前显微组织253.5.2 固溶处理后AZ91D镁合金显微组织253.5.3 时效处理后AZ91D镁合金显微组织263.6 AZ91D镁合金摩擦磨损机理探讨273.6.1 磨损原理273.6.2 磨粒磨损和氧化磨损283.6.3 剥层磨损283.6.4 粘着磨损293.6.5 热软化磨损304 实验结论31结束语32致 谢33参考文献3441 绪 论1.1引言 镁是地球上含量较为丰富的元素之一，分布广泛，约占地球总质量的2.35%。作为一种轻质工程材料，镁的潜力目前尚未充分挖掘出来，开发利用还远远不如钢铁、铜、铝等成熟。纯镁的密度很小，约为1.749g/cm3。镁的晶体结构

10、为密排六方，轴比为1.6236，与理想密排六方的轴比1.633相差不大。纯镁滑移系较少，冷变形较为困难。升高温度到250以上，滑移系增多，呈现出较好的塑性1。纯镁很少作为结构材料来使用，通常是以合金的形式出现在工程应用中。镁合金保持了纯镁质地轻的特点，密度约为钢的1/5，铝的2/3，比强度高、导热性和导电性好、加工性能优良(切割、挤压成型、铸造、焊接等)2,3。镁合金以其比强度高、减振、易于压铸成形、可回收等优点，在同其他轻质材料的竞争中已取得明显优势，再度受到交通工具和电子通信器材行业的青睐4但是镁合金耐蚀性差，这制约了其广泛应用。镁合金常用的防护方法有金属镀层、化学转化膜、阳极氧化以及在其

11、基础之上发展起来的微弧氧化、有机物涂层。AZ91系列镁合金是开发最早、应用最广泛的镁合金之一，为了不断扩大该合金的产业化应用，国内外从多个方面开展了大量工作镁合金热处理作为其中的一项工作，对改善镁合金的综合使用性能具有重要的价值，镁合金热处理的目的是在不同程度上改善其力学性能，以及减少铸件中的内应力。热处理过程中温度不仅为相变提供了驱动力，也为合金元素的扩散提供驱动力，而热处理时间则决定了相同保温温度下原子扩散的程度5-7。热处理能否提高镁合金的耐磨性目前尚未得到具体的研究。 1.2 镁合金热处理方法和特点表1-1 基本热处理方法的符号镁合金常用的热处理方法有退火、固溶和时效处理等，其基本热处

12、理方法的符号见表1-1所示，镁合金热处理方法的选择取决于合金的类别以及预期的服役条件8-10。1.2.1 退火退火是为了减少或消除镁合金制品中的残余应力、成分不均匀等缺陷以提高合金塑性，为后续加工做准备。镁合金的退火工艺有均匀化退火、去应力退火和高温完全退火。均匀化退火是指在合金变形前进行的热处理，它能明显改善铸态合金中的元素偏析现象，消除共晶组织，减少合金在变形时产生的应力集中点，提高合金的塑性变形能力，为随后强化相的析出做准备。均匀化退火的实质是铸锭在高温下加热，通过相的溶解和原子的扩散来实现的。原子的扩散主要在晶内进行，使晶粒内部化学成分不均匀的部分通过扩散逐步达到均匀11。原子扩散速度

13、主要受均匀化退火温度的影响，在同一温度下适度地延长退火时间，扩散进行得就越彻底。此外，原子也会在晶界扩散，并伴有组织变化，即富集在晶粒边界和枝晶网络上可溶的金属间化合物和强化相，将发生溶解、扩散等，从而使铸锭的组织改善，加工性能提高。研究表明，对AZ系镁合金进行均匀化处理，随退火温度的升高和保温时间的延长，分布在合金晶界及枝晶间粗大的网状Mg-A1相逐渐减少，如图1-1所示。合金的强度和延伸率也得到了提高12,13。图1-1 铸造A7-31镁合金均匀化前(a)、后(b)的显微组织 去应力退火主要用于减少或消除镁合金制品在冷热加工、成形、矫直、焊接过程中产生的残余应力或铸件、铸锭中的残余应力，其

14、退火温度低，保温时间较短。蒋永锋等对不同退火条件下AZ31镁合金的组织和硬度分析发现，去应力退火时间相同时升高退火温度对镁合金的硬度影响不大；而当退火温度相同时，延长退火时间则会使合金硬度降低。完全退火主要用于消除塑性变形等引起的冷作硬化，恢复和提高工件的塑性，使其有利于后续加工变形，其退火温度较高，保温时间较长。1.2.2 固溶处理 固溶处理是将合金先加热到单相固溶体相区内的适当温度，保温一定时间，使原组织中的合金元素完全溶人基体金属中，形成过饱和固溶体，这个过程就称为固溶处理。由于合金元素的融入使基体产生点阵畸变，由此产生的应力场阻碍位错运动，使合金的强度增加。大多数合金在实际结晶过程中存

15、在晶内成分不均匀现象，为了减少或消除这种现象，使合金中溶质浓度趋于均匀化，改善合金的使用性能，常对其进行固溶处理。镁合金经过固溶处理不进行人工时效可以提高合金的韧性和抗冲击性。由于镁合金中合金元素的扩散较慢，因而需要较长的加热时间以确保强化相充分固溶。变形镁合金固溶时间最短，其次是薄壁铸件或金属型铸件，砂型厚壁铸件的固溶时间最长。张大华等对镁合金固溶处理后发现，合金中的第二相逐渐溶解，组织更加均匀，合金的力学性能得到提高14-16。Mg-A1-Zn合金经过固溶处理后Mg-A1相溶解到基体镁中，合金性能在一定程度上得到了改善，如AZ91、AZ80镁合金经过适当时间的固溶处理后,Mg-Al相几乎完全溶解到-Mg相中，镁合金的力学性能发生了较大的变化1.2.3 固溶处理+人工时效 时效处理是将固溶处理后的过饱和固溶体置于一定温度下，放置一定时间使过饱和固溶体发生分解，合金的强度和硬度得到提高。当合金中元素的固溶度随着温度的降低而减少时，这种合金便可以产生时效强化。但会降低部塑性，这种工艺主要应用于Mg-A1-Zn和Mg-RE-Zr合金。进行T6处理时，固溶处理获得的过饱和固