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镁材料的宏观性能与其显微组织紧密相关,因此根据合金化原理,可以针对需要,采用细化晶粒、添加微合金化元素和热处理工艺等手段达到调整镁合金组织、改善和提高合金性能的目的。所以,明确各种元素在镁中产生的作用,对开发与设计新合金、提高镁合金性能非常重要。国外学者对稀土镁合金进行了较多的研究,认为合金的时效析出物对镁合金的高强度化、高耐热化起着重大作用,可以进一步提高镁合金的力学性能,并试图通过控制合金成分、组织和制造方法等手段开发出性能优异的镁合金。稀土元素Nd在镁中的最大固溶度为3.6wt.％,而且在200℃时的固溶度几乎为零(0.08wt.%),Mg-Nd两元合金即具有明显的时效强化效果,因此以Mg-Nd系合金为基础有望开发出高强度镁稀土合金。
本报告主要以上海交通大学付彭怀等人开发设计的Mg-3.0Nd-0.2Zn-Zr铸造合金(Zr元素作为晶粒细化剂)为研究基础,针对目前作为汽车轮毂所使用的Mg-3Nd-0.2Zn(NZ30K)合金的高成本现状,以Mg-3Nd-0.2Zn合金为基准,在保持满足汽车轮毂性能的条件下调整Nd,Zn元素的含量,获得得到最优的热处理工艺及设计出最佳的合金成分。以期开发出适用于轻量化汽车轮毂的合金材料而进行了初步的研究。
通过提高Mg-3.0Nd-0.2Zn-Zr合金中Zn含量,降低Nd含量,熔炼配置了Mg-yNd-xZn-1Zr(wt.%)(y=1,2:x=1,2,4)一系列合金。采用电感耦合等离子直读光谱仪(ICP)、光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等分析手段,通过硬度、室温拉伸试验研究了Mg-yNd-xZn-1Zr(wt.%)(y=1,2:x=1,2,4)一系列合金显微在组织及力学性能,并得到了优化的合金化学成分配比。本报告重点研究了Mg-yNd-xZn-1Zr铸态下合金中显微组织的变化;通过固溶,时效等工艺的实验,获得了该合金系的最优热处理工艺;分析研究了优化后铸造合金典型固溶态,时效态下的析出相、力学行为和强化机制,以及不同状态下合金显微组织对室温力学行为的影响。研究结果表明:当Nd=2,Zn=1wt%时,即Mg一2Nd-1Zn-Zr合金在固溶处理态和200℃峰值时效态下均具有良好的室温强度和延伸率配比,综合性能比较优良。200℃峰值时效的Mg-2Nd-1Zn-1Zr合金在6种合金中表现出了最好的综合力学性能,其室温下的屈服强度-抗拉强度-延伸率分别是134MPa-248MPa-10%,其均高于美国通用汽车铝合金或镁合金轮毂所需要达到的性能(130MPa-210MPa-7%)。