一種高硬度鑄造鎂合金

任英磊,王俊杰,李榮華,楊君寶,邱克強(qiáng)

(沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽 110870)

一種高硬度鑄造鎂合金

任英磊,王俊杰,李榮華,楊君寶,邱克強(qiáng)

(沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽 110870)

設(shè)計了一種成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)為Mg-8Zn-6Al-3Cu-3Ca-1.5Mn-1Si的合金,利用金相顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射和維氏硬度計研究了自然冷卻、快速冷卻及時效處理對合金顯微組織和硬度的影響.Mg-8Zn-6Al-3Cu-3Ca-1.5Mn-1Si合金慢冷組織主要由α-Mg、Mg2Cu6Al5、CaMgSi、Mg2Zn3等相構(gòu)成,沒有出現(xiàn)Mg17Al12相.合金經(jīng)快冷后,抑制了第二相從基體中的析出;時效 10 h后,CaMgSi相以細(xì)小的塊狀相均勻析出.合金具有較高的硬度值,在時效時間 10 h時最大 HV值達(dá)到 111.

鑄造鎂合金;時效處理;組織;維氏硬度

高強(qiáng)度鎂合金大多以Mg-Zn合金為基體,但Mg-Zn合金的鑄造性能較差,在實(shí)際應(yīng)用中,需要加入其他元素來改善其鑄造性能和綜合力學(xué)性能[1,2].Al對鎂合金具有較好的固溶強(qiáng)化效果,而且能夠改善鎂合金的流動性,從而改善其鑄造性能.Ca是提高鎂合金性能的重要合金元素.在耐熱鎂合金中,用 Ca進(jìn)行合金化是提高鎂合金高溫性能的主要措施之一[3,4].同時,Cu的合金化特性和原子尺寸與 Ca相近[5],Cu的熔點(diǎn)(1 083℃)遠(yuǎn)高于 Ca的熔點(diǎn) (850℃),加入 Cu能提高M(jìn)g-Zn合金的共晶溫度,有利于合金元素在快冷或固溶處理過程中固溶在基體中,增強(qiáng)隨后的時效強(qiáng)化效應(yīng)[6].Mn和 Si也是提高鎂合金強(qiáng)度的重要合金化元素.通過在鎂合金中加入多種合金元素,使主要析出相為熱穩(wěn)定相,取代熱穩(wěn)定性較差的強(qiáng)化相Mg17Al12,從而可以提高其高溫性能.

Zn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 8%～14%和 Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 2%～6%范圍內(nèi)的鎂合金具有較好的高溫性能[7].為了進(jìn)入 Mg-Zn-Al合金的可鑄造區(qū)[8],參考了Mg-Zn-Al合金三元相圖[9],并考慮只有加入盡可能多的 Al才能有效地提高鎂合金的鑄造性能,選定 Mg-8Zn-6Al為合金的基體.對于Mg-Cu二元合金來說,w(Cu)在 3%左右時具有較好的鑄造力學(xué)性能[10].而加入少量的Si,Mn,可以細(xì)化晶粒,并提高合金的高溫穩(wěn)定性.因此,本實(shí)驗(yàn)確定 Mg-8Zn-6Al-3Cu-3Ca-1.5Mn-1Si合金成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)作為研究對象,通過自然冷卻 (慢冷)、銅模鑄造 (快冷)及對快冷樣品的時效處理,探討了合金元素對Mg-Zn合金組織及維氏硬度的影響.

1 實(shí)驗(yàn)方法

選用純度為 99.9%的 Mg、Zn、Cu、Ca、Si、Mn按質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%為Mg-8Zn-6Al-3Cu-3Ca-1.5Mn-1Si進(jìn)行配比,在氬氣保護(hù)條件下,采用DSL-300型真空感應(yīng)爐石墨坩堝熔化合金,通過自然冷卻獲得母合金 (這里稱為慢冷合金).采用感應(yīng)加熱將慢冷合金重新熔化,利用噴鑄技術(shù)將液態(tài)金屬澆入銅模中,制成直徑為 3 mm的合金棒 (這里稱為快冷合金).對快冷合金試樣在普通箱式爐中進(jìn)行時效處理,采用石墨粉末保護(hù),熱處理爐恒溫區(qū)的溫度波動為 ±5℃.時效后空冷至室溫.時效工藝為:在 180℃下分別保溫 1 h、5 h、10 h、50 h、75 h和 100 h.X射線衍射分析 (XRD)在 Rigaku D/Max-2500PC衍射儀上進(jìn)行.金相分析在 ZeissObserverA1M顯微鏡上進(jìn)行,所用的腐蝕液為 2%的硝酸酒精溶液.電子顯微分析在附帶 X射線能譜微區(qū)成分分析 (EDS)的 S-3400N型掃描電鏡 (SEM)上進(jìn)行.采用 HVS-1000數(shù)顯顯微硬度計測試合金的顯微硬度,加載載荷為50 g,加載時間為 10 s,每組試樣測 6個點(diǎn),取其平均值.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 慢冷Mg-8Zn-6Al-3Cu-3Ca-1.5Mn-1Si合金的顯微組織分析

圖1(a)為Mg-8Zn-6Al-3Cu-3Ca-1.5Mn-1Si合金在慢冷條件下的金相顯微組織形貌,可以看出,合金鑄態(tài)組織有明顯枝晶組織存在,枝晶間夾雜著很多細(xì)小的顆粒狀相,枝干上有短條狀析出物,晶內(nèi)的析出相較少,合金組織粗大而不均勻,還生成了穿過幾個晶粒的粗大方形環(huán)狀相.這種特征從 SEM的形貌上更加清晰可見,如圖 1(b)所示.可以明顯看出,晶界具有共晶組織特征.根據(jù)圖 1(b)中箭頭所指的取點(diǎn)位置,將EDS分析結(jié)果在表 1中給出.其中粗大塊狀相(如圖 1b中箭頭 1所示)和金相組織照片中的方形環(huán)狀相是對應(yīng)的.經(jīng)過能譜分析,粗大塊狀相Ca、Mg、Si的摩爾比約等于 1∶1∶1(表 1中 1點(diǎn) ),可知該相為 Ca-Mg-Si三元合金相.圖 1(b)中有大量明亮的板條狀相,其中最為明亮的相 (如圖 1b中箭頭 2所示)的 n(Cu):n(Al)接近 6:5(表 1中 2點(diǎn)),可知該相為 Mg-Cu-Al三元合金相.根據(jù) XRD分析結(jié)果 (圖 5),可以確定粗大塊狀相是 CaMgSi相,最為明亮的板條狀相為Mg2Cu6Al5相,推斷其他明亮度稍微低的相為Mg2Zn3相.同時α-Mg基體 (如圖 1b中箭頭 3所示)中固溶了少量的 Zn和 Mn.可見,本文所設(shè)計的合金中不存在一般Mg-Al合金中常見的β-Mg17Al12.

圖1 Mg-8Zn-6Al-3Cu-3Ca-1.5Mn-1Si合金在慢冷條件下的顯微組織Fig.1 M icrostructure ofMg-8Zn-6Al-3Cu-3Ca-1.5Mn-1Si alloy in natural cooling condition(a)—OM;(b)—SEM

表1 Mg-8Zn-6Al-3Cu-3Ca-1.5Mn-1Si慢冷合金的 EDS分析結(jié)果 (摩爾分?jǐn)?shù) /%)Table 1 EDS analysis ofMg-8Zn-6Al-3Cu-3Ca-1.5Mn-1Si alloy in natural cooling condition.%

2.2 Mg-8Zn-6Al-3Cu-3Ca-1.5Mn-1Si合金快冷及時效顯微組織分析

圖2為快冷 Mg-8Zn-6Al-3Cu-3Ca-1.5Mn-1Si合金的 SEM組織.與慢冷合金組織相比,合金組織明顯得到細(xì)化,并且慢冷合金中的枝晶組織已經(jīng)不再存在.由于銅模急冷作用,α-Mg基體固溶合金元素的能力增強(qiáng),第二相析出有限.XRD分析不能確定第二相的生成,如圖 4所示.

圖2 快冷Mg-8Zn-6Al-3Cu-3Ca-1.5Mn-1Si合金的 SEM組織Fig.2 SEM m icrostructure of rap idly quenched Mg-8Zn-6Al-3Cu-3Ca-1.5Mn-1Si alloy

圖3為快冷 Mg-8Zn-6Al-3Cu-3Ca-1.5Mn-1Si合金在不同時效時間下的組織形貌.與快冷未時效組織相比,可以看出,時效 1 h后,合金組織有所粗化且不均勻,如圖 3(a)所示.時效 5 h后,部分晶界斷開,第二相沒有明顯的析出,仍表現(xiàn)為組織粗化過程,如圖 3(b)所示.根據(jù)XRD分析,合金中沒有明顯的第二相析出,如圖 4所示.時效 10 h后,合金組織的粗化基本完成.經(jīng)過 EDS和 XRD分析,大圓塊狀組織是 Al、Mn元素的富集區(qū),有暗色 CaMgSi相沿晶界和晶內(nèi)彌散均勻分布,如圖 3(c)所示.XRD分析表明,合金中沒有發(fā)現(xiàn) CaMgSi外的其他合金相,說明時效后其他合金元素沒有析出,仍主要固溶在合金基體組織中,起固溶強(qiáng)化的作用.CaMgSi相的彌散強(qiáng)化和合金元素的固溶強(qiáng)化作用,將在后面的硬度分析中得到驗(yàn)證.時效 50 h后,合金晶界明顯粗大,第二相的生成量有所增多,如圖 3(d)所示.

圖3 Mg-8Zn-6Al-3Cu-3Ca-1.5Mn-1Si合金快冷后經(jīng)不同時效時間的 SEM組織Fig.3 SEM m icrostructures ofMg-8Zn-6Al-3Cu-3Ca-1.5Mn-1Si al loy after rapid quenching and different aging t ime(a)—1 h;(b)—5 h;(c)—10 h;(d)—50 h

圖5為合金 Mg-8Zn-6Al-3Cu-3Ca-1.5Mn-1Si在不同處理狀態(tài)下的維氏硬度.可以看出,合金的平均 HV值都在 86以上,呈單峰形分布,其最大峰值出現(xiàn)在時效 10 h附近,達(dá)到了111.慢冷合金因其基體組織和第二相粗大且分布不均勻,其中 CaMgSi為粗大的方形環(huán)狀相,所以硬度最低,僅為 86.合金經(jīng)過快冷處理后,合金組織明顯細(xì)化,合金元素幾乎全部固溶在鎂基體當(dāng)中,硬度有所提高.在時效過程當(dāng)中,硬強(qiáng)的CaMgSi相以細(xì)小的塊狀均勻彌散析出,使硬度提高.值得注意的是,時效 10 h時,由于 CaMgSi相的彌散強(qiáng)化作用,合金硬度大幅提高.有力地證明了 CaMgSi相的形態(tài)分布的變化為合金時效后力學(xué)性能的提高做出了重要的貢獻(xiàn).時效 10 h后,隨時效時間的延長,合金組織變得粗大,析出相變化有所增多,硬度值略有降低,發(fā)生過時效.可以由硬度的變化推斷,所研究的合金具有較高的初始硬度和較大的峰值硬度,時效時間在 10 h左右時,合金性能達(dá)到最好.

表2列舉了幾種鎂合金的主要第二相、時效時間及硬度關(guān)系.從中可以看出,AM60、AZ91合金組織中都存在Mg17Al12,這幾種鎂合金 (包括加入混合稀土和釔)的鑄態(tài)硬度值都不高,HV值在70以下,經(jīng)過熱處理以后的 HV最大值在 83以下.而本實(shí)驗(yàn)合金中時效后析出的 CaMgSi相極大地提高了合金的維氏硬度,慢冷Mg-8Zn-6Al-3Cu-3Ca-1.5Mn-1Si合金的 HV值就達(dá)到 86,時效 10 h后 HV最大值為 111.

表2 幾種鎂合金的主要第二相與硬度值的關(guān)系Table 2 Relations be tween hardness value and m ain second phases in several kinds ofmagnesium alloys

3 結(jié) 論

Mg-8Zn-6Al-3Cu-3Ca-1.5Mn-1Si合金經(jīng)熔化后自然緩慢冷卻的組織由α-Mg、Mg2Cu6Al5、CaMgSi和 Mg2Zn3相組成.在快冷和緩慢冷組織中,均未發(fā)現(xiàn) Mg17Al12相.合金經(jīng)快冷和時效處理后,CaMgSi相以細(xì)小的塊狀相彌散析出,由于 CaMgSi相的彌散強(qiáng)化和合金元素的固溶強(qiáng)化作用,實(shí)驗(yàn)合金具有較高的硬度值,在時效10 h時硬度達(dá)到最高值 111HV.

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A castmagnesium alloy with high hardness

R EN Ying-lei,W AN G Jun-jie,LI R ong-hua,YAN G Jun-bao,Q IU Ke-qiang

(School ofMaterials Science and Engineering,Shenyang U niversity of Technology,Shenyang 110870,China)

A m agnesium alloy w ith the composition(m ass fraction/%)ofM g-8Zn-6A l-3Cu-3Ca-1.5M n-1Siw as designed in this paper.Effects of natural cooling,rapid quenching and aging treatm ent on the m icrostructure and hardness of this alloyw ere investigated by opticalm icroscopy(OM),scanning electron m icroscope(SEM),X-ray diffraction (XRD)and V ickershardness tester.The m ain phases ofM g-8Zn-6A l-3Cu-3Ca-1.5M n-1Si natural cooling alloy w ereα-M g,M g2Cu6A l5,Ca M gSi and M g2Zn3,and M g17A l12phase did not appear. The rapidly quenching restrained the precipitation of second phases.W hen the quenching alloy aged for 10 h,Ca M gSi phace precipitated in fine block shape.The alloy had a higher value of hardness and the highest HV value of 111 w as obtained w hen aged for 10 h.

cast m agnesium alloy;aging treatm ent;m icrostructure;V ickers hardness

TG 146.2

A

1671-6620(2010)04-0255-05

2010-09-12.

沈陽市科技局基礎(chǔ)研究項(xiàng)目 (20093627-2).

任英磊 (1964—),男,遼寧本溪人,沈陽工業(yè)大學(xué)教授,E-mail:ghe@sut.esu.cn;邱克強(qiáng) (1962—),男,遼寧錦州人,沈陽工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

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