MgCO3及Sr對過共晶AM60B-2.0%Si復(fù)合材料變質(zhì)的研究

申 樂，陳體軍，馬 穎，劉明偉，郝 遠(yuǎn)，付 偉

（蘭州理工大學(xué) 甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050）

MgCO3及Sr對過共晶AM60B-2.0%Si復(fù)合材料變質(zhì)的研究

申 樂，陳體軍，馬 穎，劉明偉，郝 遠(yuǎn)，付 偉

（蘭州理工大學(xué) 甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050）

研究了Sr、MgCO3對過共晶AM60B-2.0%Si鎂基復(fù)合材料中Mg2Si相及基體的復(fù)合變質(zhì)作用。結(jié)果表明：Sr的加入量是決定其能否對復(fù)合材料中的Mg2Si相有效變質(zhì)的重要因素。未變質(zhì)的初生Mg2Si呈粗大的樹枝狀，經(jīng)變質(zhì)后轉(zhuǎn)為多角形狀；未變質(zhì)的共晶Mg2Si呈粗大的漢字狀，經(jīng)變質(zhì)后變?yōu)閺浬⒍?xì)小的短棒狀或多邊形粒狀。同時(shí)，經(jīng)MgCO3復(fù)合變質(zhì)后，復(fù)合材料基體組織也得到了較好的細(xì)化，從而改善了復(fù)合材料的力學(xué)性能。

過共晶 Mg-Si合金；Mg2Si；Sr；AM60B 鎂合金；MgCO3；復(fù)合變質(zhì)

鎂合金具有密度小、高比剛度、高比強(qiáng)度、減震性、電磁屏蔽性、可切屑加工性及可回收性等一系列的優(yōu)點(diǎn)，在汽車、電子、電器、航天航空和國防軍工領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。Mg-Al-Si系鎂合金由于具有較好的高溫性能以及較低的成本等優(yōu)勢，是一種很有發(fā)展前景的高溫抗蠕變鎂合金[1-6]，其主要耐熱機(jī)理是通過加入低成本的合金元素Si在晶界處形成細(xì)小而彌散的Mg2Si相來實(shí)現(xiàn)。Mg2Si具有低密度、高熔點(diǎn)、高彈性模量、高硬度、高強(qiáng)度、和低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地改善和提高鎂合金的力學(xué)性能尤其是高溫抗蠕變性能[7]。采用原位反應(yīng)自生的Mg2Si增強(qiáng)相，由于其在基體內(nèi)原位反應(yīng)生成，具有界面潔凈無污染、與基體相容性好、熱穩(wěn)定性好、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。但粗大樹枝晶狀鎂合金基體組織，以及原位反應(yīng)生成的粗大樹枝狀初生Mg2Si及粗大漢字狀的共晶Mg2Si限制了Mg－Si合金力學(xué)性能的提高[7－8]，因此有必要對過共晶AM60B－2.0%Si鎂基復(fù)合材料的基體組織及Mg2Si相進(jìn)行變質(zhì)細(xì)化，從而改善合金的力學(xué)性能[9－10]。

作者在前期研究中表明,1.2%的MgCO3對AM60B鎂合金具有較好的細(xì)化效果。本文主要研究Sr對過共晶AM60B－2.0%Si鎂基復(fù)合材料中Mg2Si相的變質(zhì)效果，同時(shí)采用MgCO3對經(jīng)Sr變質(zhì)后的合金進(jìn)復(fù)合變質(zhì)，并研究其對力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

選用純鎂（99.95%）、Al－35%Si中間合金、Mg－30%Sr中間合金、Zn、Mn及MgCO3作為原材料，基體合金采用AM60B鎂合金，其化學(xué)成分如表1所示。本研究中Sr的加入量依次為0.1%，0.3%，0.5%，0.7%。合金熔煉在井式坩鍋爐中進(jìn)行，當(dāng)合金熔化至790℃加入Mg－Sr中間合金進(jìn)行變質(zhì)處理，保溫30min進(jìn)行澆鑄，試樣尺寸為?70mm×160mm。為減少熔煉過程中的氧化燃燒，在合金熔液表面用RJ－2覆蓋劑進(jìn)行保護(hù)。

表1 鑄態(tài)AM60B鎂合金化學(xué)成分（wB/%）

從試樣相同的部位截取金相試樣，用濃度為4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕后，采用金相顯微鏡（OM）對試樣進(jìn)行金相組織形貌觀察；用多功能X射線（XRD）儀對試樣進(jìn)行物相分析，對拉伸試樣斷口用掃描電鏡（SEM）進(jìn)行斷口形貌分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖 1為經(jīng) MgCO3、Sr復(fù)合變質(zhì)后的AM60B－2.0%Si鎂基復(fù)合材料的XRD分析結(jié)果。由圖可知，衍射曲線中除Mg、Mg17Al12峰外，還存在Mg2Si、Al4C3及 Sr2Mg17等峰，這說明在AM60B基體材料中加入Si后原位反應(yīng)生成了Mg2Si相，MgCO3與合金中的鋁經(jīng)過一系列的反應(yīng)后生成Al4C3，Sr主要以 Sr2Mg17合金的形式存在。

2.1 Sr對過共晶AM60B－2.0%Si鎂基復(fù)合材料中Mg2Si相的變質(zhì)

圖2為不同Sr加入量對過共晶AM60B－2.0%Si鎂基復(fù)合材料中Mg2Si相進(jìn)行變質(zhì)后的顯微組織。由圖2可以看出：經(jīng)0.1%Sr變質(zhì)后，初生Mg2Si相變成較小的樹枝狀但仍比較粗大，共晶Mg2Si變得比較細(xì)??；當(dāng)Sr加入量為0.3%時(shí)，初生Mg2Si相變得更加細(xì)小，樹枝狀的Mg2Si形貌發(fā)生了明顯變化（如圖2c），同時(shí)出現(xiàn)了少量細(xì)小的多角形狀的Mg2Si相，共晶Mg2Si進(jìn)一步變的細(xì)?。划?dāng)Sr的加入量增加至0.5%時(shí)，初生Mg2Si變成了細(xì)小而均勻分布的多角形狀，共晶Mg2Si變成了細(xì)小的短棒狀；而當(dāng)Sr含量進(jìn)一步增大時(shí)，Mg2Si相變化不明顯。

關(guān)于Sr對復(fù)合材料中Mg2Si相的變質(zhì)機(jī)理，可能是由于Sr和Si反應(yīng)生成異質(zhì)核心促使其生長，這和Ca的作用非常相似[11]，需要指出的是，本文并未找到直接證據(jù)證明；同時(shí)，Sr作為表面活性元素[12]，在Mg2Si相表面吸附從而有效的抑制了Mg2Si相的長大，增大了過冷度，從而改變Mg2Si相的形狀，起到了細(xì)化變質(zhì)效果。

圖3為0.5%Sr對過共晶AM60B-2.0%Si鎂基復(fù)合材料中Mg2Si相進(jìn)行變質(zhì)后不同澆鑄溫度下的顯微組織。由圖3可以看出：澆注溫度為790℃時(shí)由于過冷較大，Mg2Si相比較細(xì)?。欢?dāng)澆注溫度降低時(shí)，Mg2Si相變的粗大并呈一定的樹枝狀。對比圖2可知，Sr的加入量為影響MgSi的主要因素。

2.2 MgCO3及Sr對過共晶AM60B-2.0%Si合金的復(fù)合變質(zhì)

圖4為經(jīng)MgCO3對經(jīng)0.5%Sr變質(zhì)后的AM60B-2.0%Si復(fù)合材料的基體組織變質(zhì)效果的顯微組織。由圖可以明顯的看出：未經(jīng)MgCO3細(xì)化的復(fù)合材料基體組織由粗大的樹枝晶組成，晶粒尺寸為230μm左右；而經(jīng)1.2%MgCO3對其變質(zhì)后的基體組織變成了細(xì)小的等軸晶組織，晶粒變得細(xì)小而均勻，晶粒尺寸為70μm左右（如圖 2d）。由此可見，MgCO3對AM60B-2.0%Si復(fù)合材料基體具有較好的變質(zhì)效果。MgCO3加入到Mg-Al合金熔體中后反應(yīng)產(chǎn)生大量細(xì)小而難熔的質(zhì)點(diǎn)并呈彌散懸浮狀態(tài)分布[16]。Al4C3作為形核質(zhì)點(diǎn)，促進(jìn)非均勻形核，從而細(xì)化鎂合金基體的晶粒。

2.3 拉伸斷口及力學(xué)性能分析

圖5為試樣的拉伸斷口掃描電鏡照片。從圖中可以清楚的看出：斷裂發(fā)生在Mg基體與Mg2Si晶界處，復(fù)合材料中AM60B基體的拉伸斷口是以解理斷裂為主的脆性斷裂，拉伸斷口較為平直；斷口上同時(shí)存在穿晶斷裂和晶斷裂。同時(shí)Mg2Si（如圖5a）為脆性斷裂，斷口沿Mg2Si相處斷裂。這主要是由于Mg2Si脆性相引起基體和增強(qiáng)體的分離從而使其產(chǎn)生應(yīng)力其中后斷裂。

表2為試樣力學(xué)性能，從表中可以看出：由于Si的加入，在基體中原位反應(yīng)生成粗大的Mg2Si相，對基體產(chǎn)生割裂和應(yīng)力集中，從而使材料的性能出現(xiàn)明顯的下降；而當(dāng)加入Sr對粗大的Mg2Si相變質(zhì)后，減小了其對基體產(chǎn)生割裂和應(yīng)力集中，使其力學(xué)性能得到了改善；而采用MgCO3及Sr對原位反應(yīng)自生Mg2Si/AM60B鎂合金的復(fù)合變質(zhì)后，其性能達(dá)到最佳；這主要是由于基體組織和Mg2Si強(qiáng)化相組織都比較細(xì)小，從而使其力學(xué)性能得到提高。

表2 試樣鑄態(tài)力學(xué)性能

3 結(jié)論

（1）添加Sr元素能明顯改善過共晶AM60B-2.0%Si鎂基復(fù)合材料中Mg2Si相的形貌。隨著Sr含量的增加，粗大的樹枝狀的初生Mg2Si相變?yōu)榧?xì)小均勻的多角形狀；粗大漢字狀的共晶Mg2Si相變?yōu)閺浬⒍?xì)小的短棒狀或多邊形粒狀。

（2）Sr的加入量是決定其能否對復(fù)合材料中的Mg2Si相有效變質(zhì)的重要因素。

（3）經(jīng)MgCO3和Sr對過共晶AM60B-2.0%Si復(fù)合材料進(jìn)行復(fù)合變質(zhì)后其性能達(dá)到最佳，這主要是由于基體組織和Mg2Si強(qiáng)化相組織都比較細(xì)小，減少了割裂和應(yīng)力集中從而使其力學(xué)性能得到提高。

[1]LUO A，PEKGULER YUZ MZ.Review cast magnesium alloys for elevated temperature applicatins [J].Journal of Materials Science，1994，29:5259-5271.

[2]楊明波，潘復(fù)生，李忠盛，等.Mg-A1系耐熱鎂合金中的合金元素及其作用[J].材料導(dǎo)報(bào)，2005，19（4）：46-49.

[3]劉子利，丁文江，等.鎂鋁基耐熱鑄造鎂合金的進(jìn)展[J].機(jī)械工程材料，2001，25（11）：1-4.

[4]ZHANG P.Creep behavior of the die-cast Mg-Al alloy AS21[J].Scripta Materialia，2005，52（4）:277-282.

[5]DU J，IWAI K.Modification of primary Mg2Si crystals in hypereutectic Mg-Si alloy by imposing alternating current[J].Materials Transactions，2009，50（3）:562-569.

[6]PAN Y C，LIU X F，YANG H.Microstructural formation in a hypereutectic Mg-Si alloy[J].Materials Characterization，2005，55:241-247.

[7]Y.Z.Lu，Q.D.Wang，X.Q.Zeng，et al.Effects of silicon on microstructure，fluidity，mechanical properties，and fracture behaviour of Mg6Al alloy[J].Mater.Sci.Technol，2001，17:207-214.

[8]A.Srinivasan，J.Swaminathan，U.T.S.Pillai，B.C.Krishna Guguloth，Pai，Mater[J].Sci.Eng，2008，A485:86-91.

[9]王瑞權(quán)，張大華，等.MgCO3對AM60B鎂合金組織形貌及性能的影響[J].鑄造工程，2010（01）:0019-0022.

[10]胡勇，閆洪，等.Sb變質(zhì)對Mg2SiAM60鎂基復(fù)合材料組織及性能的影響[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2009，16（3）:176-181.

[11]陳振華.耐熱鎂合金[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007:244-245.

[12]Pekguleryuz M O，Aveksian M M.Magnesium alloying，some potentials for alloy development[J].Journal of Japan of Institute of Light Metals，1992，A42（12）:679-686.

The Research of Modification on the Hypereutectic AM60B-2.0%Si Alloy with MgCO3and Sr

SHEN Le，CHEN TiJun，MA Ying，LIU MingWei，HAO Yuan，F(xiàn)U Wei
（State Key Laboratory of Gansu Advanced Non-ferrous Metal Materials，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，Gansu China）

The effcet of modification of the AM60B alloy and Mg2Si phase of the hypereutectic AM60B-2.0%Si alloy with MgCO3and Sr have been investigated.The results indicated that:the Sr content was a significant factor that determined the modification effect of Mg2Si phase of the composite material.The primary Mg2Si crystals unmodified were mainly coarse dendritic and then polygonal shapes which were modified by Sr.The eutectic Mg2Si crystals unmodified appeared obvious coarse Chinese script and then changed into dispersion granule and/or irregular polygonal shapes which were modified by Sr.In addition，the matrix of the hypereutectic AM60B-2.0%Si alloy has also been well refined by MgCO3.All this above had improved the mechanics properties of the composite material.

Hypereutectic Mg-Si alloy；Mg2Si；Sr；AM60B alloy；MgCO3；Complex modification

TG146.2+2;

A；

1006－9658（2011）04－4

2011－03－21

2011－033

申 樂（1986-），男，碩士研究生，主要研究方向：鎂基復(fù)合材料制備與成型