Mg-8Sn-3Al-Zn合金在不同正擠壓溫度下的組織與性能

田樹科，馬世輝

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Mg-8Sn-3Al-Zn合金在不同正擠壓溫度下的組織與性能

田樹科，馬世輝

（河南工學院 汽車工程系，河南 新鄉(xiāng) 453003）

對鑄造Mg-8Sn-3Al-Zn合金進行正擠壓試驗，研究不同的正擠壓溫度對正擠壓組織與性能的影響。分別在300 °C和350 °C下，對Mg-8Sn-3Al-Zn合金進行正擠壓，結(jié)果表明：擠壓溫度升高，合金再結(jié)晶的程度會提高，細晶強化效果更佳，合金的綜合力學性越好。正擠壓后的Mg-8Sn-3Al-Zn合金的斷裂機理為韌性斷裂。

擠壓溫度；細晶強化；韌性斷裂

0 引言

隨著能源問題日益嚴重，車身輕量化已成為未來汽車發(fā)展的一個重要方向[1]。近年來，鎂合金已成為替代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的最佳選擇之一[2-3]，廣泛應(yīng)用于汽車零部件制造，如發(fā)動機罩蓋、方向盤、座椅的支架、車內(nèi)門板、變速器外殼等。但是，鎂合金產(chǎn)品也存在很多難以解決的問題，比如在溫度較高的條件下長時間工作，力學性能會變差。Mg-Sn合金是近年來研究的熱點之一[4]，在共晶溫度時，Sn在鎂基體中的固溶度可以達到14.85wt%，可以起到較好的固溶強化效果。與稀土元素相比，Sn本身的價格較低。Mg與Sn可以形成Mg2Sn，具有反CaF2晶體結(jié)構(gòu)，Mg2Sn的熔點為770℃，G/B為0.78，泊松比為0.19[5-6]，Mg2Sn的結(jié)構(gòu)有利于提高合金的高溫性能。對于如何進一步提高Mg-Sn合金的性能，熱擠壓是一種較為有效的途徑[7-9]。本文為了研究在不同擠壓溫度下，正擠壓對Mg-8Sn-3Al-Zn合金的組織性能的影響，對Mg-8Sn-3Al-Zn合金進行熱擠壓，其中擠壓溫度分別為300°C和350°C，保溫時間為10 min。

1 試驗方法

以AZ31為基礎(chǔ)合金，添加Sn、Al、Zn元素制備Mg-Sn-Al-Zn合金，保護氣體采用惰性氣體，鑄造方法采用重力垂直鑄造。其中合金成分Sn為8%(wt)，Al為3%(wt)，Zn為1%(wt)。

將鑄造Mg-8Sn-3Al-Zn合金試樣機械加工為30 mm的試棒，在MY-100型油壓機上做擠壓試驗。在本次試驗中，擠壓筒內(nèi)徑D為30 mm，凹?？讖絛為12 mm。詳細的擠壓工藝參數(shù)見表1。正擠壓后的Mg-8Sn-3Al-Zn合金可以用代號EX-TAZ831表示。

表1 Mg-8Sn-3An-Zn合金擠壓工藝參數(shù)

分別從制備好的擠壓試棒相同部位取金相試樣，在MA500GBD金相顯微鏡上進行組織分析，金相腐蝕液為苦味酸溶液。在WEW-1000B電液伺服萬能試驗機上做拉伸強度測試實驗，其中拉伸速率為1 mm/min。在JSM-6700F 掃描電鏡上對試樣斷口進行形貌分析。在BBRVD-187.5型多功能數(shù)顯布洛維硬度計上做硬度測試。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 擠壓溫度對Mg-8Sn-3Al-Zn合金組織影響

圖1是Mg-8Sn-3Al-Zn合金分別在擠壓溫度為300 °C、350 °C下正擠壓后的組織。擠壓后的組織主要由均勻的等軸晶和少量的未發(fā)生再結(jié)晶的晶粒組成。未發(fā)生再結(jié)晶的晶粒的邊界周圍是鋸齒狀的，黑色的網(wǎng)狀共晶組織沿擠壓方向呈板條形分布。尺寸較大的第二相顆粒在晶界處分布。

擠壓溫度由300°C升高至350°C，在擠壓后的合金組織中，未再結(jié)晶的晶粒的尺寸和數(shù)目均有所減少，等軸晶的數(shù)目增加，且有長大的趨勢。

(a) (b) 300°C; (c) (d) 350°C

圖1 不同擠壓溫度下EX-TAZ831合金金相組織

在正擠壓過程中，擠壓比和擠壓速率分別為6.25和1mm/min，擠壓溫度由300°C升高至350°C，合金材料的變形貯能也隨之提高。擠壓溫度升高會導致材料內(nèi)部原子的熱振動加快，金屬溶質(zhì)原子在基體中的擴散速率也會增加，合金的位錯運動以及位錯點的脫錨更容易進行，合金發(fā)生再結(jié)晶的臨界值也會降低，再結(jié)晶的形核率也會提高，在擠壓過程中形成的再結(jié)晶晶粒的數(shù)目也會提高，沒有發(fā)生再結(jié)晶的晶粒的尺寸和數(shù)目都會減少（圖1）。因此，擠壓溫度升高，晶界的擴散和遷移能力也會增強，再結(jié)晶的晶粒有長大的趨勢。

2.2 擠壓溫度對Mg-8Sn-3Al-Zn合金性能的影響

表2列出了在不同擠壓溫度下EX-TAZ831合金的抗拉強度、延伸率和硬度值。擠壓溫度由300 °C升高至350 °C，合金的布氏硬度由69.52提高至71.30，相對提高了2.5%，抗拉強度由279MPa提高至293MPa，相對提高了5%，而延伸率提高的最為明顯，由9.06提高至12.84，相對提高了41.7%。

由圖1可知，分別在300 °C、350 °C的條件下，對Mg-8Sn-3Al-Zn合金進行正擠壓，擠壓溫度為350 °C時，材料的再結(jié)晶的程度更高，雖然已發(fā)生再結(jié)晶的晶粒在溫度提高的情況下有長大的趨勢，但是尺寸增加并不明顯，不影響合金的性能。因此擠壓溫度提高，晶粒細化的效果比較好，材料的綜合力學性能可以得到提高，尤其是延伸率。

圖2分別是在300°C、350°C擠壓后，EX-TAZ831合金的室溫拉伸斷口形貌。斷口的微觀形貌均含有大量韌窩和破裂的第二相，兩者斷裂機理均屬于韌性斷裂。擠壓溫度升高，韌窩的平均尺寸增加，進一步推斷出，擠壓溫度升高，晶粒有長大的趨勢。

表2 EX-TAZ831合金的力學性能

(a) 300 °C; (b) 350 °C

圖2 不同擠壓溫度下Mg-8Sn-3Al-Zn合金室溫拉伸端口形貌

3 結(jié)論

EX-TAZ831合金組織主要由再結(jié)晶的晶粒和未發(fā)生再結(jié)晶的晶粒組成。Mg-8Sn-3Al-Zn合金在正擠壓過程中，沿原始晶粒邊界周圍發(fā)生再結(jié)晶，逐漸向心部發(fā)展。黑色的網(wǎng)狀共晶組織沿擠壓方向被擠壓破碎，尺寸較大的第二相大顆粒分布在晶界上。未發(fā)生再結(jié)晶的晶粒以板狀形式沿擠壓方向分布，邊界周圍是鋸齒狀。Mg-8Sn-3Al-Zn合金分別在300 °C和350 °C下進行熱擠壓，擠壓溫度提高，再結(jié)晶的程度也會提高，形成的再結(jié)晶的晶粒有長大的趨勢，合金的強化效果更佳，合金的硬度、抗拉強度和延伸率也會得到提高。EX-TAZ831合金的斷裂機理為韌性斷裂，擠壓溫度升高，斷口形貌上的韌窩尺寸也會提高。

（責任編輯呂春紅）

[1] 李永兵,李亞庭, 樓銘,等.轎車車身輕量化及其對連接技術(shù)的挑戰(zhàn)[J].機械工程學報,2012(18).

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[3] 郭玉琴,朱新峰 楊艷,等.汽車輕量化材料及制造工藝研究現(xiàn)狀[J].鍛壓技術(shù),2015(03)

[4] 吳友芳.Mg-Sn系鎂合金的合金化及變形處理的研究[D].大連理工大學,2012.

[5] 柯江靈.Mg2X(X=Si,Ge,Sn,Pb)理想強度的第一性研究[D].長沙:湘潭大學,2011.

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[9] 陳吉華,邰輝輝,嚴紅革,等.擠壓對Mg-Zn-Sn-Al合金力學性能和腐蝕行為的影響[J].湖南大學學報,2015(12）.

Influence of the Forward Extrusion Temperature on Microstructures and Properties of Mg-8Sn-3Al-Zn Magnesium Alloys

TIAN Shu-ke，et al

(Department of Automotive Engineering, Henan Institute of Technology, Xinxiang 453003, China)

In this paper, Mg-8Sn-3Al-Zn magnesium alloys were prepared by using forward extrusion process at different temperatures. The influence of the forward extrusion temperatures on microstructures and properties of the alloys were analyzed. Recrystallization percentage increases with higher extrusion temperature and mechanical properties were higher, although grains were coarse relatively. The fracture mechanism of the Mg-8Sn-3Al-Zn alloys after using forward extrusion were ductile fracture.

extrusion temperature; fine-grain strengthen; ductile fracturey

TG146.2

A

1008–2093(2016)05–0016–02

2016-06-12

田樹科（1986―），男，河南安陽人，助教，碩士，主要從事凝固技術(shù)、理論及新材料研究。