不同铸造工艺下含Ca镁合金AT42的显微组织.ppt

不同铸造工艺下含Ca镁合金AT42的显微组织 拉伸性能和蠕变行为 Microstructure tensilepropertiesandcreepbehaviorofMg 4Al 2SncontainingCaalloyproducedbydifferentcastingtechnologies 不同铸造工艺下含Ca镁合金AT42的显微组织 拉伸性能和蠕变行为 内容摘要 关键词1 引言2 实验过程3 实验结果与讨论3 1显微组织3 2拉伸性能4 讨论与分析5 结论个人总结与体会 不同铸造工艺下含Ca镁合金AT42的显微组织 拉伸性能和蠕变行为 内容摘要 分别对铸锭和压铸生产的AT42镁合金以及ATX421镁合金的显微组织 拉伸性能 蠕变行为进行研究 在室温或200 条件下 压铸合金具有着较高的屈服和拉伸性能 其增强机制主要是由于晶粒细化以及金属间相的细化形态 研究表明 压铸ATX421镁合金具有最好的抗蠕变性能 即具有最低的最小蠕变速率和最长的蠕变断裂时间 而通过观察 发现锭铸AT42镁合金具有最差的抗蠕变性能 关键词 镁合金压铸锭铸蠕变性能 Microstructure tensilepropertiesandcreepbehaviorofMg 4Al 2SncontainingCaalloyproducedbydifferentcastingtechnologies Abstract Themicrostructure tensilepropertiesandcreepbehaviorofMg 4Al 2Sn AT42 andMg 4Al 2Sn 1Ca ATX421 alloyproducedbyingotanddie castwereinvestigated Thedie castalloyexhibitssuperioryieldandtensilepropertiesatroomtemperatureand200 C Thestrengtheningmechanismofdie castalloyswasmainlyattributedtothegrainrefinementandfinemorphologyofintermetallicphases Thedie castATX421alloyexhibitedthebestcreepresistance i e thelowestminimumcreeprateandthelongestcreeprupturetime whilethepoorestcreepresistancewasobservedintheingotcastAT42alloy Keywords Magnesiumalloys Die casting Ingot casting Creepproperties 1 引言 在汽车动力传动部分的应用中 提高高温性能是已经镁合金潜在应用的决定性因素 为了降低成本 Sn Ca等合金元素是相对廉价的 其中Sn元素通过固溶强化作用提高合金强度 另外 Sn元素在 Mg中的溶解性会随着温度的降低明显减小 因此可以进一步通过时效作用提高力学性能 为了进一步增强合金的力学性能 通过在Mg 3Sn 2Ca合金中添加Ce和Y元素 合金中粗大的CaMgSn相得到细化并因此提高了力学性能 而在Mg 5Sn 1Ca合金中 通过较快的冷却速度可以有效地抑制其初生CaMgSn相的生长并提高力学性能 为了进一步证实不同铸造工艺过程对合金的影响 现对以AT42 Mg 4Al 2Sn 为基体的压铸合金和铸锭合金的微观结构以及力学性能进行对比 2 实验过程 实验中采用纯镁 99 9 铝 99 9 锡 99 9 和镁铝合金 铝的质量百分比为40 样品 锭铸合金在CO2和SF6保护气氛下 选择在750 高温下在低碳钢熔炉内熔融 而浇注时 选择在200 下向已经预热的永久模内浇注 压铸合金在CO2和SF6保护气氛下 使用锁模力为320吨的冷室压铸机 并将熔化金属手工浇注到压铸机内进行生产 表1材料名称与其合金的化学成分 材料名称AlSnCaCuFeNiMgAT424 11 9 0 0030 0040 001BalATX4213 92 11 20 0020 0050 001Bal 2 实验过程 为了观察合金显微组织 采用2000 砂纸及氧化铝粉对试样进行机械抛光 对相应位置的试样进行固溶处理 520 4h 以描绘颗粒形貌 在腐蚀之后 使用光学显微镜 OM 和带有X射线分光仪 EDS 的扫描电子显微镜 SEM 进行显微组织分析 选用配制好的3 的硝酸酒精溶液腐蚀试样 物相鉴定分析采用X射线衍射仪 XRD 以及SEM EDS 在铸态时采用单色铜靶放射线 拉伸试验在25 和200 下进行 初始应变率为3 33 10 2s 1 通过10次试验的平均值得到其极限抗拉强度 0 2 屈服强度和断裂伸长率 在150 70MPa条件下 对铸态合金进行定载荷拉伸蠕变试验 时间为250h 通过每一次试验的伸长率 时间曲线 取其三次试验的平均值 从而测量出总蠕变应变和最小蠕变速率 3 实验结果与讨论 3 1显微组织图1表示铸锭合金和压铸合金的XRD图 其中AT42镁合金的显微组织 见图1 a 主要由 Mg Mg17Al12和Mg2Sn相组成 并由于Ca元素的添加 发现了CaMgSn三元相 图1XRD图 a 锭铸合金AT42 b 压铸合金AT42 c 锭铸合金ATX421 d 压铸合金ATX421 3 1显微组织 图2表示通过不同铸造工艺生产的含Ca与不含Ca的AT42镁合金的光学显微照片 其显微组织基本上由初生 Mg及在枝晶间区域的第二相组成 图2光学显微照片 a 锭铸合金AT42 b 压铸合金AT42 c 锭铸合金ATX421 d 压铸合金ATX421 3 1显微组织 两种铸造方法下的不同之处 1 锭铸合金的晶粒尺寸较大 AT42约为110 m ATX421约为105 m 而压铸合金表现出最细的晶粒尺寸 AT42约为15 m ATX421约为8 m 2 锭铸合金的第二相体积分数较低 而压铸合金的第二相体积分数较高3 两种铸造方法使得各自第二相的形态也不相同 3 1显微组织 原因解释 1 压铸过程中凝固速率较高2 冷却速度越快 固相线偏移越大 固溶体中含有大量的第二相和少量的溶质 主要是Al 3 压铸试样中 第二相细化的多 锭铸合金中的第二相较为粗大 从而导致力学性能的不同 3 1显微组织 图3SEM扫描电镜 a 锭铸合金AT42 b 压铸合金AT42 c 锭铸合金ATX421 d 压铸合金ATX421 3 1显微组织 根据SEM扫描电镜 EDS谱与XRD谱的结果分析 沿着枝晶界 发现羽毛状的组织相为CaMgSn 而球状相为Mg17Al12和Mg2Sn 另外 在图2和图3中发现 在两种不同的铸造方法下 ATX421镁合金的显微组织有着重大的变化 即压铸ATX421合金中CaMgSn相要比锭铸ATX421合金中的CaMgSn相的尺寸小 这表明提高冷却速度可以有效地细化ATX421铸态实验合金中的CaMgSn相 3 1显微组织 图4在ATX421镁合金中不同元素的X射线映像结果 图4表示在ATX421镁合金中不同元素的X射线映像结果 从图4中可以观察到 Sn元素与Ca元素主要分布在枝晶间的区域 另外 从图4中还可以发现 Sn元素的分布与Ca元素相对比较相似 而又不同于Al元素 3 2拉伸性能 铸锭和压铸合金的拉伸性能包括极限抗拉强度 UTS 0 2 屈服强度 YS 伸长率 Elong 以及蠕变性 见表2 通过观察 发现压铸合金的拉伸性能要高于锭铸合金的拉伸性能 这表明ATX421镁合金可以显著提高其屈服强度和拉伸强度 3 2拉伸性能 表2铸态实验合金的拉伸性能与蠕变性能 3 2拉伸性能 这种情况与在压铸ATX421合金中CaMgSn相的变形及晶粒尺寸的细化有关 众所周知 第二相的存在与性质可以很大的影响微裂纹的产生 而在变形中普遍会产生颗粒破裂 若颗粒能够很好的与基体相结合 那么就能提高抗破裂性能 由于位错的原因 第二相颗粒的弥散很容易被中断 那么由此将会产生平面滑移及相对较大的位错堆积现象 这将导致出现高应力与脆性行为 并且容易产生微裂纹 17 尺寸较小 1 m 的球状颗粒更容易抵抗破裂 而增加冷却速度可以减小第二相的尺寸 在实验中 在压铸中发生的晶粒细化会导致强度和韧性的共同提高 3 2拉伸性能 在高温下 相对于锭铸合金 压铸AT42合金与ATX421合金在屈服强度和极限抗拉强度方面有着显著的提高 而在屈服强度和极限抗拉强度方面 添加了Ca元素的AT42合金要比没有添加Ca元素的AT42合金提高得更多 另外 这四种合金的伸长率一直没有变化 3 2拉伸性能 图5表示在室温下经过拉伸试验的铸锭和压铸合金的拉伸断口SEM照片 图5在室温下经过拉伸试验的铸锭和压铸合金的拉伸断口SEM照片 a 锭铸合金AT42 b 压铸合金AT42 c 锭铸合金ATX421 d 压铸合金ATX421 3 2拉伸性能 如图5 c 所示 锭铸ATX421合金的拉伸断口显示出很大的解理面 如图5 c 中箭头A所示 显然 在ATX421合金中 因为沿着CaMgSn相与Mg基体之间的界面 裂纹很容易导致形成晶核 所以粗大的CaMgSn相对于室温下的力学性能是不利的 而另一方面 在压铸ATX421合金中 只是观察到很小的解理面 如图5 d 中箭头B所示 因此压铸ATX421合金在拉伸性能方面 尤其是伸长率的不同 对于力学性能有着很大的影响 锭铸合金和压铸合金在拉伸性能方面的不同可以通过表2进一步被证实 如锭铸ATX421合金的抗拉强度 屈服强度和伸长率分别为150MPa 85MPa和5 5 而压铸ATX421合金的抗拉强度 屈服强度和伸长率分别为209MPa 150MPa和6 9 3 2拉伸性能 蠕变性能 此外 从表2中可以看到 在150 70MPa下进行250h蠕变试验 铸锭和压铸ATX421合金表现出比较高的蠕变性能 由于镁合金的蠕变性能主要与其在高温下的组织稳定性有关 所以对实验合金固溶处理后的显微组织进行了仔细观察 见图6 图6固溶处理 520 4h 后的合金显微组织 a 锭铸合金AT42 b 压铸合金AT42 c 锭铸合金ATX421 d 压铸合金ATX421 3 2拉伸性能 对比图2和图6 发现固溶处理后实验合金的显微组织相对于其铸态显微组织发生了改变 在固溶处理后的合金中 可以很清晰地观察到CaMgSn相 这表明 CaMgSn相并没有向基体中溶解 然而 从图6中可以发现 在进行520 4h的固溶处理后紧接着进行水淬 实验合金中的Mg17Al12和Mg2Sn相向基体内溶解 显然 实验合金的高蠕变性能主要是由于CaMgSn相较高的热稳定性 另外 从表2中可以进一步看到 含Ca镁合金的蠕变性能要高于不含Ca镁合金的蠕变性能 这表明压铸ATX421镁合金显示出最好的蠕变性能 3 2拉伸性能 图7表示铸态实验合金在150 7h下蠕变断裂后的SEM扫描照片 图7铸态实验合金在150 7h下蠕变断裂后的SEM扫描照片 a 锭铸合金AT42 b 压铸合金AT42 c 锭铸合金ATX421 d 压铸合金ATX421 3 2拉伸性能 从图7中可以观察到 变形是从粗大的CaMgSn相处开始的 因此 可以推断出压铸ATX421合金蠕变性能的提高有可能与CaMgSn相的均匀分布和细化相关 另外 众所周知 镁合金中热稳定相体积分数的增加通常会导致蠕变性能的提高 因此 根据以上结果 相对于Mg2Sn与CaMgSn相所占体积分数较低的锭铸合金 Mg2Sn与CaMgSn相所占体积分数较高的压铸合金的仍然会获得更高的蠕变性能 4 讨论 之前的结果很清楚地说明了不同铸造工艺对Mg 4Al 2Sn 1Ca 合金显微组织 拉伸和蠕变性能有着很大的影响 1 与铸锭试样相比 压铸合金试样的晶粒更加细小 这是由于更为迅速的冷却速度造成的 晶粒尺寸的减小会导致晶粒的表面积与体积比增加 由此表面张力也会增大 而表面张力的增大与晶粒间的相互作用会导致晶粒表面层的点阵变形 因此在晶界附近会形成一个较硬的变形区域 晶粒尺寸越小 变形阻力则越大 因此屈服强度和硬度会同时提高 4 讨论 2 不同铸造工艺对金属间相的分布及形态有着很大的影响 镁合金的耐热性取决于 Mg基体的抗软化性以及合金中金属间相的物理性能 表面形态 尺寸和分布 晶粒间的空洞和裂纹也可以间接促进蠕变过程中的软化 此外 Mg17Al12相的熔点较低 437 在高温下Al在Mg基体中的扩散率与Mg的自扩散率一样较高 因为扩散现象是随温度的变化而变化的 所以在高温下蠕变过程中会有较高比例的金属间相被粗化 也因此在晶界处由于Mg17Al12相而容易造成空洞的形成 4 讨论 对于提高抗蠕变性能 晶粒尺寸的大小是一个很重要的微观因素 1 人们普遍认为 随着晶粒尺寸的增大而位错蠕变率趋于减小是由于晶界滑动对于蠕变贡献的降低 2 以前对于Mg Al Ca MRI153 和AZ91合金的研究 22 23 表明由于晶界滑动对于蠕变贡献的降低 锭铸合金要比压铸合金显示出更好的抗蠕变性能 3 两种铸造方法中 压铸合金的晶粒更细小 这或许可以解释压铸合金较低的抗蠕变性能 鉴于在压铸合金中观察到相当大的孔隙度 因此孔隙度对于抗蠕变性能的影响也不可以忽略 4 讨论 然而 目前的研究工作得出一个不同的结果 压铸镁合金具有良好的抗蠕变性能 通过对铸锭和压铸Mg 3Sm 0 5Zn 0 4Zr合金的显微组织 力学性能以及蠕变行为进行了研究 指出 尽管压铸合金的晶粒尺寸更小 但是压铸合金的蠕变性能还是较高 提出 金属间相的强化作用也是一个必须考虑的微观因素 弥散强化是合金抗蠕变性能的主要增强机制 金属间相可以通过在位错蠕变中阻止位错湮灭 回复 来提高抗蠕变性能 或者可以通过在扩散蠕变中阻止晶界的迁移或滑动来提高抗蠕变性能 因此 由于在晶界处CaMgSn相比Mg17Al12相更为稳定 CaMgSn相的存在是含Ca合金在150 观察到蠕变性能提高的原因 而且粗大的CaMgSn相更容易引起裂纹 从而使合金得不到强化 然而 压铸ATX421合金中细化的CaMgSn相可以有效地防止微裂纹和位错运动 5 结论