镁铝锌硅合金微观组织细化.doc

镁铝锌硅合金微观组织细化袁广银 , 刘满平 , 王渠东，丁文江上海交通大学摘要：镁合金中包含Mg2Si晶粒，作为一个有前途的廉价耐热汽车发动机应用镁合金，正吸引越来越多的材料科学家和设计工程师的注意。汉字状Mg2Si晶粒的细化是使用这个合金在砂型铸造或永久型铸造的关键。目前，锑或钙的微观组织细化效果已经进行了研究，研究表明，锑或钙的加入通过提供了核点从而促进了良好的多边形Mg2Si晶粒的形成。此外，锑或钙改性镁铝锌硅合金的晶粒尺寸比基合金更精细。锑加入后的变化与细化效果比钙加入后更有效果。这种变化合金改善后的微观组织的拉伸性能和韧性相比基合金有了很大的提高。关键词：镁铝锌硅合金;组织细化;力学性能。1. 介绍更省油的车辆需求的不断增长，以减少能源消耗和空气污染是汽车行业面临的挑战1,2。镁合金的性能特点，如低密度，高强度/重量比刚度，良好的阻尼性能，可压铸造性及循环再造的潜力，使其成为理想的替代品，以取代汽车中的较重材料（钢，铝），从而满足汽车行业减轻重量的需求。广泛使用的镁合金属于镁-铝-锌（AZ）系列，如AZ91 (Mg9 Al1Zn) and AZ61 (Mg6 Al1 Zn), 它具有优良的铸造性，室温力学性能好，成本低等优点。尽管如此，这些镁合金的使用受到限制，因为它们的耐热性差，特别是对铝含量较高的合金3。以前的研究1提出，镁铝锌基合金的晶界滑动是高温下变形机制的一个重要组成部分。因此，要实现镁铝锌基合金耐热性的显著提高，似乎一种合金成分的热稳定生产阶段间能够阻止滑动是必需的。最近的研究表明，硅的加入可以大幅度提高镁铝锌合金的生产强度，韧性等4。由于Mg2Si相是由硅的加入而形成，构成了非常有效的加强颗粒从而表现出较高的熔融温度，低密度，高弹性模量和低的热膨胀系数5。尽管如此，包含有硅的镁合金压铸过程受到限制，它具有快速凝固率。表1化学组成和合金晶粒尺寸（质量）我们面临的挑战是，Mg2Si化合物易于形成不良成分，粗糙，汉字状相处于低的凝固速度，这将破坏其力学性能。如果包含Mg2Si晶粒的镁合金被用于砂型铸造或固定型铸造，则微观组织细化是关键。微观组织细化将是改善机械性能的保障。 据报道6认为，含Mg2Si晶粒的镁合金的铸态组织可以由磷或钙的加入而得到细化。尽管如此，磷的加入会产生点火并且产生大量烟雾。此外，添加量也很难控制。在最近的研究中，我们发现，在镁铝锌硅合金中锑是一种比钙更有效的改性剂。本文报告了我们的初步实验结果，关于锑或钙的加入对Mg5 Al1 Zn1 Si的微观组织，拉伸强度和韧性的影响。Mg2Si相原位晶粒和合金颗粒的细化将尤其值得关注。2. 实验三种合金成分在表1所列，它们在混合气体气体CO2/0.5% SF6的保护下存在软钢的熔炉中用于商业储藏。熔体在720下保温20分钟，然后浇注到一个固定性模具中，如示意图1显示。此模具涂有水玻璃粘结剂碳酸钙并且预热至250。尺寸为15X3.5X2mm的试样被电火花机从铸件底部切割。在测试之前，所有的试样420水淬10小时，接着在200保温两小时。所有试样的微观结构特征从铸件的同一位置被切割，如铸件底部以上10mm处。光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）样品分别用4%硝酸加乙醇对铸态试样腐蚀，5克苦味酸+ 5克醋酸+100ml乙醇对热处理试样腐蚀。扫描电镜样品在配备能量色散X射线光谱仪（EDS）的菲利普- 505扫描电子显微镜下检测而研究合金的微观结构和第二相。铸态和固熔处理微观结构进行了研究，从大量不重叠的测量方法中采用一种截线法确定了晶粒尺寸。Mg5 Al1Zn1 SiX合金的各相以D/MaxIII A-12KW-Cu type XRD分析仪在40 KVand 120 mA操作下进行分析。实验合金铸铁通过电感耦合等离子体（ICP）进行化学分析。图2. 光学显微照片显示的锑或钙对固定模铸态合金的组织影响；（a）铸态Mg5Al 1 Zn 1 Si合金，（b）固熔处理Mg5 Al 1 Zn 1 Si合金，（c）热处理Mg 5 Al 1 Zn 1 Si0.5 Sb合金，（d）热处理Mg5 Al 1 Zn 1 Si 0.2 Ca合金。3结果与讨论3.1.微观组织固定模具铸态Mg5 Al1 Zn1 Si合金典型显微组织如图2a所示。铸态组织由汉字状Mg2Si晶粒以及在a-Mg枝晶间的-Mg17Al12, 相组成。当合金的铸态试件在420固熔处理10小时，几乎所有的相溶解于基体，只有汉字状Mg2Si晶粒存在，如图2b所示，这表明Mg2Si相在高温下具有较高的热稳定性。随着锑的加入，两个微观结构的变化可以清楚地观察到：（1）Mg2Si晶粒的形态由粗糙的汉字状转变为规整的多边形；（2）晶粒的平均尺寸显著从134降到68m,如图2b,c所示。锑的加入产生的晶粒细化可能是由于在凝固过程中许多细分散型的多边形Mg2Si晶粒分布在液-固相界表面，从而抑制了晶粒的进一步长大。 铸态Mg5 Al1 Zn1 Si0.5 Sb合金 X射线衍射（XRD）图如图3所示，其中峰值可从四个相产生索引，a-Mg (matrix), (Mg17Al12), Mg2Si和Mg3Sb2，其中有一个六角形结构D52 7。类似的结果也可在Mg5 Al1 Zn1 Si0.2 Ca中观察到，见图2d。尽管如此，钙在合金中的晶粒细化效果不如锑。此外，由钙发生的改性Mg2Si晶粒的大小看起来比含锑的合金更粗大。图3.铸态Mg5 Al 1 Zn 1 Si 0.5 Sb合金X射线扫描图。3.2. Mg2Si相非均质形核图4显示了含0.5锑的合金Mg2Si晶粒的显微照片。有趣的是，自生Mg2Si晶粒内含有小颗粒，这些小颗粒大概是Mg2Si晶粒的形核位置。该晶核进行了研究。它们通常以一个粒子或尺寸小于1微米的许多粒子组成的粒子簇存在。图4a显示由核的二次电子图像（SEI）得到的含锑合金的晶核中心典型结果。图4b显示了核的EDS光谱。结果表明核富含镁，锑，硅。结合X射线衍射和EDS的光谱信息表明，原子核的本质可能是Mg3Sb2。 在晶核的形成过程中，含有晶相的异质晶核的晶界能影响晶核的形成，并且它的形成由两接触晶面结构而定。非均匀形核的一个标准是，形核率小于68。根据Bramfitt8的成果，两维晶格失配的数学模型是：(hkl)s为低的晶面指数的地方，uvws为低的晶向指数；核固体中(hkl)n为低的晶面指数，则uvwn为低的晶向指数；duvws和duvwn是沿uvws 和uvwn的原子间距；uvws 和uvwn之间呈角。表2列出了Mg3Sb2晶粒中Mg2Si晶核的一些可能晶向的计算结果。可以看到，当Mg2Si相的方向和Mg3Sb2之间的相位关系是 (0001)Mg3Sb2/(0001)Mg2Sb,形核率最低(5.1%),低于6%。因此，Mg3Sb2可以通过这个位相关系充当Mg2Si相的异质晶核。 类似的晶核也可在含钙的合金中Mg2Si晶粒内观察到同时此晶核被定义为CaSi2晶粒，它由Kim et al. 6报告的组成。图4.(a)Mg5 Al 1 Zn 1 Si 0.5 Sb合金中Mg2Si晶粒SEI观测图；(b)(a)中区域A的EDS图谱。表2.3.3. 机械性能该合金的力学性能进行了比较，见表3。可以看出，合金中加入钙和锑可以提高其力学性能。该表显示，含锑，钙合金改善了基合金的屈服强度，极限拉伸强度，伸长率和断裂韧性。锑的加入更有效。显然，拉伸强度的改善主要归因于可两个方面：（1）细晶强化；（2）Mg2Si的形态变化，因为长裂纹可以很容易地沿着汉字状Mg2Si晶粒和镁基粒之间的接口延伸。4.结论我们发现锑或钙的加入可以有效细化含Mg2Si镁合金的组织，尤其锑的加入。Mg2Si晶粒的形态由汉字状变化为小的多边形状。锑或钙的改性机制是多边形Mg2Si晶粒分别由Mg3Sb2晶粒和CaSi2晶粒形核。这种改进的微观结构改性合金相比基合金在拉伸性能和韧性方面得到了改善。参考文献：1 P. Humble, Mater. Forum 21 (1997) 45.2 A. Luo, J. Renaud, I. Nakatsugawa, J. Plourde, JOM, (July1995) 28.3 K.S. Nair, M.C. Mittal, Mater. Sci. Forum 30 (1988) 89.4 G.H. Li, H.S. Gill, R.A. Varin, Metall. Trans. A 24A (1993)2383.5 S. Beer, G. Frommeyer, E. Schmid, Proc. Conf. MagnesiumAlloys and their Applications, 1992, pp. 317 324,