粉末轧制及相关粉末冶金方法制取变形镁合金板带材的研究

摘要

镁合金被誉为21世纪的绿色材料，受到越来越多的关注。目前应用的镁合金中铸造镁合金占主要部分。然而变形镁合金具有更好的力学性能，所以对变形镁合金的开发是未来的方向之一。由于镁的密排六方点阵结构，使得室温下变形很困难；在加热条件下变形又存在氧化等问题。所以变形镁合金板带材的生产工艺至今仍不成熟。金属带材粉末轧制技术设计思想简单、加工成本低廉，融合了粉末冶金和带材轧制工艺的优点，在许多领域得以应用。 利用试验室现有二辊轧机，采用粉末轧制及相关粉末冶金方法制取变形镁合金板带材。试验用粉末为国内购买，粒度分别为镁粉两种10~80目和200目，铝粉两种60~80目和200目，锌粉300目。采用两种混合方式，分别为Ⅰ号Mg- 3％Al和Ⅳ号Mg- 3％Al- 1％Zn。试验综合应用了金相分析、粒度分析、扫描电镜（SEM）分析、X射线衍射分析和差热（DSC）分析等手段，对原料粉末形貌、粒度及其分布和松装密度进行了观察或测定，观察了生产镁粉的原料镁锭的显微组织，分析了辊缝、喂料高度、带材宽度和粉末性质对生带材厚度和相对密度的影响，测定了各种工艺下生带材的显微硬度，观察了生带材的显微组织和宏微观缺陷。在400℃~600℃范围内进行了烧结试验，观察了各种烧结条件下带材的显微组织，测定了各种烧结温度下带材的相对密度，分析了烧结过程中的相变和烧结后带材中的相。 结果表明，利用普通二辊轧机（辊径170mm，辊速0.2m/s）可以制备出连续的生带材。在轧制过程中，轧辊辊缝、喂料高度、带材宽度和粉末性质对生带材厚度和相对密度都有影响。随轧辊辊缝的增加，两种粉末生带材厚度均增加、密度均减小，Ⅰ号和Ⅳ号混合粉末的最佳轧辊辊缝值分别为0.10mm和-0.10mm，当辊缝值分别超过0.25mm和0.15mm时，将无法实现粉末轧制。随喂料高度增加，带材厚度和密度均有所增加，当喂料高度超过20cm后，其影响变得不明显。随带材宽度增加，厚度随之增加而密度随之下降，比较合适的宽度为10cm。各种工艺下轧制的生带材，Ⅰ号显微硬度均小于Ⅳ号。 生带材不能在真空下烧结。氩气保护下在400~550℃烧结120min也无法达到烧结目的，过程处于烧结的初期和中期。在烧结中期，颗粒内部出现大量再结晶晶粒，密度仅有微小增加。经过550℃烧结120min后的带材可进行严重的冷变形，最大变形量为50％。冷变形后的带材在600℃下保温60min可以实现烧结，并随变形量增加，烧结效果更好。烧结升温过程中Mg颗粒和Zn颗粒、Mg颗粒与Al颗粒间发生相变生成液相，相变点分别为342.2℃和440.7℃，此后局部发生液相烧结。在550℃烧结180min后Zn和Al完全溶入Mg基体中形成固溶体。在降温过程中Al以Mg17Al12的形式析出。