新型數(shù)控機床用鎂鋁合金的組織與性能研究

劉志剛

(吉林工商學(xué)院，長春 130062)

0 引言

鎂鋁合金由于具有重量較輕、比強度較高等優(yōu)點，備受業(yè)界的關(guān)注，目前已在汽車、電子、航空、航天等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1,2]。在數(shù)控機床方面，鎂鋁合金的應(yīng)用還較少，有待于進(jìn)一步的研究。眾所周知，合金化是合金材料改性的一種有效途徑，在鎂鋁合金中人們進(jìn)行了較多的合金化研究，也取得了較多的研究成果[3～5]。為了促進(jìn)鎂鋁合金在數(shù)控機床上的應(yīng)用，本文在AZ91鎂鋁合金中添加少量的合金元素鈧（Sc）、鉺（Er）和鈦（Ti），采用常規(guī)感應(yīng)熔煉方法制備了數(shù)控機床用新型鎂鋁合金，并進(jìn)行了合金的顯微組織、物相組成、耐磨損性能和力學(xué)性能的測試與分析。

1 試驗材料與方法

1.1 試樣材料

采用工業(yè)級的金屬Mg、Al、Zn、Ti以及Mg-5Mn、Mg-15Sc、Mg-10Er中間合金，在ZAZ30型感應(yīng)熔煉爐中進(jìn)行數(shù)控機床用新型鎂鋁合金的制備，合金的制備工藝流程，如圖1所示。添加合金元素Mn是為了除雜質(zhì)元素Fe。本試驗制備出的數(shù)控機床用新型鎂鋁合金試樣，采用HORIBA XGT-1000WR型X射線熒光光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果，如表1所示。

圖1 試樣的制備工藝流程

1.2 試驗方法

數(shù)控機床用新型鎂鋁合金鑄態(tài)試樣的顯微組織采用PX15型金相顯微鏡進(jìn)行觀察；其物相組成采用X'Pert PRO型X射線衍射儀進(jìn)行分析；其表面硬度采用HV-1000型維氏硬度計進(jìn)行測試，加載力為100g、加載時間為10s；其耐磨損性能采用MG-2000型高溫摩擦磨損試驗機進(jìn)行測試，測試溫度分別為20℃、100℃、250℃、400℃，摩擦磨損過程中的主軸轉(zhuǎn)速為2500r/min、負(fù)荷為500N、試驗時間10min，磨損試驗完成后用PX15型金相顯微鏡觀察試件的表面形貌；其力學(xué)性能采用NKK-2010型高溫拉伸試驗機進(jìn)行測試，測試溫度分別為20℃、100℃、200℃和400℃，并采用JSM6510型掃描電子顯微鏡進(jìn)行拉伸斷口形貌的觀察和分析。

表1 新型鎂鋁合金的化學(xué)成分

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 顯微組織

數(shù)控機床用新型鎂鋁合金鑄態(tài)試樣的顯微組織，如圖2所示。從圖2可以看出，本試驗制備的數(shù)控機床用新型鎂鋁合金鑄錠中無明顯的孔洞、氣孔等鑄造缺陷，合金晶粒較為細(xì)小、平均晶粒尺寸為18μm，組織中的第二相分布較為均勻。

圖2 新型鎂鋁合金的顯微組織

2.2 物相組成

數(shù)控機床用新型鎂鋁合金鑄態(tài)試樣的XRD衍射圖譜，如圖3所示。從圖3可以看出，本試驗制備的數(shù)控機床用新型鎂鋁鑄態(tài)合金由α-Mg基體以及少量的Mg17Al12、Mg2Sc、(Mg,Zn)4Er組成。

試樣的XRD圖譜中未發(fā)現(xiàn)含Ti的化合物相，主要是因為Ti的添加量太少。

圖3 新型鎂鋁合金的XRD圖譜

2.3 耐磨損性能

數(shù)控機床用新型鎂鋁合金鑄態(tài)試樣及商用AZ91合金鑄態(tài)試樣，分別在20℃、100℃、250℃、400℃的磨損試驗結(jié)果，如圖4所示。從圖4可以看出，經(jīng)過500N載荷、2500r/min×10min摩擦磨損后，本試驗制備的數(shù)控機床用新型鎂鋁合金鑄態(tài)試樣具有較好的耐磨損性能，較商用AZ91鑄態(tài)合金得到了顯著提高，其中20℃磨損體積從85×10-3mm3減小至23×10-3mm3，減小了73%；100℃磨損體積從104×10-3mm3減小至35×10-3mm3，減小了66%；250℃磨損體積從169×10-3mm3減小至48×10-3mm3，減小了72%；400℃磨損體積從201×10-3mm3減小至62×10-3mm3，減小了69%。圖5是商用AZ91鑄態(tài)合金和數(shù)控機床用新型鎂鋁鑄態(tài)合金經(jīng)過20℃磨損試驗后的表面形貌，從圖5可以看出，商用AZ91鑄態(tài)合金摩擦磨損后表面出現(xiàn)較多大小不一的脫落和較深的磨損痕跡，而本試驗制備的數(shù)控機床用新型鎂鋁合金摩擦磨損后表面僅有較淺的磨損痕跡、無明顯的脫落。由此我們可以看出，本試驗制備的數(shù)控機床用新型鎂鋁合金較商用商用AZ91合金具有更好的耐磨損性能，這與試樣的磨損體積測試結(jié)果一致。

圖4 試樣的磨損試驗結(jié)果

圖5 試樣在20℃磨損后的表面形貌

2.4 力學(xué)性能

數(shù)控機床用新型鎂鋁合金鑄態(tài)試樣及商用AZ91合金鑄態(tài)試樣，分別在20℃、100℃、200℃和400℃的力學(xué)性能測試結(jié)果，如圖6所示。從圖6可以看出，與商用AZ91鑄態(tài)合金相比，本試驗制備的數(shù)控機床用新型鎂鋁鑄態(tài)合金的抗拉強度和延伸率均得到了明顯提高。其中，20℃抗拉強度從250MPa增加至294MPa、20℃延伸率從7%增加至12%，100℃抗拉強度從182MPa增加至281MPa、100℃延伸率從13%增加至23%，200℃抗拉強度從145MPa增加至265MPa、200℃延伸率從17%增加至31%，400℃抗拉強度從73MPa增加至253MPa、400℃延伸率從26%增加至42%。由此可以看出，本試驗制備的數(shù)控機床用新型鎂鋁合金的力學(xué)性能較商用AZ91合金得到了明顯提高。圖7是數(shù)控機床用新型鎂鋁合金鑄態(tài)試樣及商用AZ91合金鑄態(tài)試樣的20℃拉伸斷口形貌SEM照片。從圖7可以看出，商用AZ91合金鑄態(tài)試樣在20℃拉伸時斷口呈現(xiàn)出較為明顯的脆性斷裂特征，而本試驗制備的數(shù)控機床用新型鎂鋁合金鑄態(tài)試樣在20℃拉伸時斷口呈現(xiàn)出較為明顯的韌性斷裂特征。這與試樣的拉伸性能測試結(jié)果一致。

圖6 試樣的力學(xué)性能測試結(jié)果

3 結(jié)論

1）在AZ91鎂鋁合金中添加少量的合金元素Sc、Er和Ti，采用常規(guī)感應(yīng)熔煉方法可以制備出晶粒較為細(xì)小、耐磨損性能和力學(xué)性能較佳的數(shù)控機床用新型鎂鋁合金。

圖7 試樣20℃拉伸斷口形貌的SEM照片

2）本試驗制備的數(shù)控機床用新型鎂鋁鑄態(tài)合金由α-Mg基體以及少量的Mg17Al12、Mg2Sc、(Mg,Zn)4Er組成。

3）較商用AZ91鑄態(tài)合金相比，本試驗制備的數(shù)控機床用新型鎂鋁合金的20℃磨損體積減小73%、100℃磨損體積減小66%、250℃磨損體積減小72%、400℃磨損體積減小69%。

4）與商用AZ91鑄態(tài)合金相比，本試驗制備的數(shù)控機床用新型鎂鋁鑄態(tài)合金的20℃抗拉強度從250MPa增加至294MPa、20℃延伸率從7%增加至12%，100℃抗拉強度從182MPa增加至281MPa、100℃延伸率從13%增加至23%，200℃抗拉強度從145MPa增加至265MPa、200℃延伸率從17%增加至31%，400℃抗拉強度從73MPa增加至253MPa、400℃延伸率從26%增加至42%。

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