熱擠壓鎂合金 Mg-9Al-1Zn-0.5RE-xCu（x=0，1，3，4）組織與力學(xué)性能研究

劉江江，曾濤，何新澤，龔胡念，房大慶

（太原科技大學(xué)，山西太原030024）

鎂合金是目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有比強(qiáng)度高，比剛度高，阻尼性好，減震性能優(yōu)良，磁屏蔽能力強(qiáng)和易于回收等諸多優(yōu)點(diǎn)，在汽車、通訊、電子產(chǎn)品、航空航天等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用價(jià)值，被譽(yù)為“21世紀(jì)的綠色工程材料”[1-3]。

在石油鉆井工程中，可降解壓裂球需要應(yīng)用高強(qiáng)度、低密度、快速降解的材料。從這個(gè)角度出發(fā)，本文考慮鎂合金材料在這方面的運(yùn)用。AZ91是我們最常見的鑄造鎂合金，且生產(chǎn)加工工藝成熟。稀土元素常被添加到鎂合金中來提高合金的性能[4]。而且經(jīng)過熱擠壓塑性變形的鎂合金材料，性能往往高于鑄態(tài)合金。根據(jù)以往的研究，銅可以和鎂合金中的其他元素形成化合物，通過細(xì)化合金晶粒和第二相彌散強(qiáng)化的方式來提高合金的綜合力學(xué)性能，并且Cu元素的加入可以加快鎂合金的分解[5]。因此本文研究Cu元素在熱擠壓Mg-9Al-1Zn-0.5 RE基合金中的作用。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用的原材料為純度為99.95%的鎂錠，99.7%的工業(yè)純鋁，99.95%的鋅錠，Al-10%Mn中間合金，Al-10%RE中間合金，Mg-30%Cu中間合金，采用RJ-6作為覆蓋劑、精煉劑。所有原料裝爐前均要在200℃的烘干箱中進(jìn)行預(yù)熱，合金在井式電阻爐中采用熔劑保護(hù)熔煉，熔煉溫度約為720℃.精煉處理后，加入中間合金攪拌10 min，靜置約30 min，待合金液降至700℃開始澆鑄，澆注成φ150 mm的鑄錠，鑄模為金屬模。各合金鑄錠的化學(xué)成分為Mg-9Al-1Zn-0.5 RE 中分別添加 0、1%、3%、4%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cu元素。

合金鑄錠經(jīng)300℃保溫10 h均勻化處理后，在1250T型擠壓機(jī)上以350℃的擠壓溫度和18：1的擠壓比將試樣擠壓成寬120 mm、厚8 mm的板材，擠壓方式為正向擠壓。在擠壓后的板材上截取金相試樣和拉伸試樣，按照與擠壓方向呈0°取樣，即研究的顯微組織和力學(xué)性能均是沿著擠壓方向的。金相試樣（10 mm×9 mm×8 mm）經(jīng)打磨、拋光、苦味酸溶液浸蝕后，采用MEF4徠卡光學(xué)顯微鏡、X射線衍射（XRD）、SH4800場發(fā)射式掃描電鏡對(duì)合金的金相組織、相組成以及第二相的分布和形貌進(jìn)行觀察和分析。采用WDW-E100D微型控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試驗(yàn)合金進(jìn)行力學(xué)性能測試，根據(jù)國標(biāo)所要求的尺寸，先在電火花慢走絲線切割機(jī)上將每種試樣切成4個(gè)大小相同的拉伸片。拉伸試樣尺寸如圖1所示，拉伸速度為2 mm/min，最終測量結(jié)果取4個(gè)拉伸片的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 合金中的相組成

圖1 拉伸試樣尺寸示意圖

由圖2可知，熱擠壓鎂合金Mg-9Al-1Zn-0.5RE中有α-Mg基體相、β-Mg17Al12相和Al11Ce3相；當(dāng)加入Cu元素1%時(shí)，合金中生成少量A12Cu相；隨著Cu含量的繼續(xù)增加，又有新的A1CuMg相產(chǎn)生，第二相β-Mg17Al12數(shù)量減少。由此可以得出：Mg-Al-Zn-RE-Cu體系中第二相的種類可能與溶質(zhì)的相對(duì)含量有關(guān)[6]。

圖 2 Mg-9Al-1Zn-0.5RE-xCu（x=0，1，3，4）合金的XRD圖譜

2.2 合金的顯微組織

從圖3中可以看出，擠壓后的晶粒沿著擠壓方向呈等軸狀，合金在熱擠壓過程中發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象，在晶界周圍及晶粒內(nèi)分布著大量第二相小晶粒。鎂合金Mg-9Al-1Zn-0.5RE加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cu元素后，鎂合金的基體組織得以細(xì)化。這是因?yàn)榧尤隒u元素后，形成熱穩(wěn)定性較好的Al2Cu或AlCuMg相，阻礙了晶界的推移，抑制了基體相α-Mg 的長大[6-7]。

圖3 試驗(yàn)合金的金相組織

為了進(jìn)一步分析鎂合金試樣組織的形貌狀態(tài)，采用掃描電鏡對(duì)各試樣進(jìn)行掃描觀察，由圖4可以觀察到 Mg-9Al-1Zn-0.5RE-xCu（x=0，1，3，4）擠壓態(tài)合金組織，是由黑色基體相和不連續(xù)條帶狀白色第二相組成。Mg-9Al-1Zn-0.5RE合金的基體組織為α-Mg固溶體，β-Mg17Al12相分布在晶界處和枝晶間，同時(shí)還有粒狀和點(diǎn)狀的第二相A1-RE相。當(dāng)Cu元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，第二相多數(shù)呈塊狀聚集分布在基體中。隨著Cu元素含量的增加，第二相逐漸變得細(xì)小、均勻。其原因是Cu含量的增加，使得Cu與合金中的Al優(yōu)先形成Al2Cu或AlCuMg相，粗大的β-Mg17Al12相由塊狀、粗線條狀變?yōu)椴贿B續(xù)、彌散分布的小塊狀和顆粒狀[8-9]。

圖4 試驗(yàn)合金SEM形貌

2.3 合金的力學(xué)性能

圖5和表1分別為不同Cu含量的熱擠壓鎂合金Mg-9Al-1Zn-0.5 RE在室溫時(shí)的工程應(yīng)力—應(yīng)變曲線和力學(xué)性能，由此可以看出，Mg-9Al-1Zn-0.5 RE-xCu（x=0，1，3，4）合金的室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨著Cu元素的加入得到了明顯的提高，而伸長率顯著降低。但隨著Cu元素含量的提高，合金的塑性逐漸有所改善，而室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度基本無變化。

圖5 試驗(yàn)合金室溫時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表1 試驗(yàn)合金室溫時(shí)的力學(xué)性能

由以上研究可知，在熱擠壓鎂合金Mg-9Al-1Zn-0.5RE中加入Cu元素，合金的室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度得到了明顯的提高。原因是Cu的加入使基體晶粒細(xì)化，晶界增多，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大，同時(shí)合金中形成的第二相粒子Al2Cu或Al-CuMg相也可以有效阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，故合金的強(qiáng)度得到提高[10-11]。而隨著Cu元素含量的增加，Mg-9Al-1Zn-0.5RE-xCu（x=0，1，3，4）合金的晶粒度尺寸變化不大，鎂合金晶粒尺寸較為均勻，且含Cu的第二相粒子沒有明顯的增多。所以，隨著Cu元素含量的增加，鎂合金Mg-9Al-1Zn-0.5RE-xCu（x=0，1，3，4）的室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度無明顯變化。

合金的伸長率明顯降低，這與試驗(yàn)合金中第二相的數(shù)量、形態(tài)和分布有著至關(guān)重要的關(guān)系，從擠壓態(tài)鎂合金 Mg-9Al-1Zn-0.5RE-xCu（x=0，1，3，4）的金相組織中可以清楚的看到第二相大多沿?cái)D壓方向分布在晶粒內(nèi)，并且第二相的形態(tài)基本為粒狀和塊狀，這些硬質(zhì)的第二相，可以阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使鎂合金的伸長率降低[12-14]。尤其加入1%的Cu元素時(shí)，第二相呈塊狀集中分布在基體中，材料的塑性降低最為明顯。隨著Cu元素含量的增加，第二相逐漸由集中分布的塊狀變得細(xì)小、彌散分布于基體中，故此時(shí)合金的塑性又有所改善。所以，熱擠壓鎂合金 Mg-9Al-1Zn-0.5RE-xCu（x=0，1，3，4）的伸長率隨著Cu元素含量的增加又開始逐步增加[15]。

3 結(jié) 論

1）Cu元素的加入細(xì)化了熱擠壓鎂合金Mg-9Al-1Zn-0.5RE的基體組織，粗大的β-Mg17Al12相由網(wǎng)狀變?yōu)椴贿B續(xù)、彌散分布的小塊狀和顆粒狀，并先后出現(xiàn)新的A12Cu相和A1CuMg相；

2）與不加 Cu元素時(shí)相比，Mg-9Al-1Zn-0.5RE-xCu（x=1，3，4）合金的室溫抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度明顯提高，而伸長率顯著降低。當(dāng)Cu元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，合金的伸長率降低最明顯為13.5%，屈服強(qiáng)度最高為204.86 MPa.隨著Cu元素含量的增加，該合金的塑性逐漸有所改善，而室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度基本無變化。在實(shí)驗(yàn)條件下，Cu元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度最高為287.33 MPa，伸長率為15.2%，綜合力學(xué)性能最好。

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山西鑄造史編寫座談會(huì)（呂梁地區(qū)）會(huì)議報(bào)道

為做好呂梁地區(qū)鑄造史編寫資料征集及編寫工作，加強(qiáng)同行之間的交流、了解和促進(jìn)鑄造行業(yè)發(fā)展，山西省鑄造行業(yè)協(xié)會(huì)于2018年3月11日，在交城縣中科正泰機(jī)械集團(tuán)有限公司組織了呂梁地區(qū)山西鑄造史編寫座談會(huì)。本次座談會(huì)由山西省鑄造行業(yè)協(xié)會(huì)主辦，中科正泰機(jī)械集團(tuán)有限公司承辦。座談會(huì)共有交城、文水、嵐縣、交口、汾陽等地區(qū)20余位企業(yè)代表參加，會(huì)議還特別邀請(qǐng)山西交城縣史志辦相關(guān)人員出席了本次會(huì)議。

會(huì)議由協(xié)會(huì)秘書長米淵聰先生主持，會(huì)議第一項(xiàng)由協(xié)會(huì)會(huì)長張曉暉講話致辭，張會(huì)長說明了鑄造史編寫的意義并特別感謝了各位遠(yuǎn)道而來的企業(yè)代表和相關(guān)人員，接著中科正泰集團(tuán)有限公司王建董事長代表承辦單位致歡迎詞。會(huì)議第三項(xiàng)由交城縣鑄造和機(jī)械加工協(xié)會(huì)會(huì)長、交城縣興龍鑄造有限公司閆廣平代表交城地區(qū)企業(yè)進(jìn)行發(fā)言，閆董事長簡單介紹了交城地區(qū)鑄造企業(yè)情況、并代表交城企業(yè)歡迎各位代表及企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)。會(huì)議第四項(xiàng)由山西省鑄造行業(yè)協(xié)會(huì)常務(wù)副會(huì)長王錄才向各位參會(huì)代表介紹了山西鑄造的基本情況和悠久歷史，分析了鑄造史編寫的必要性、重要性及有利條件，接著對(duì)編寫規(guī)劃、編寫大綱等內(nèi)容作了說明，希望各位代表能夠積極參與支持并提供寶貴建議。會(huì)議第五項(xiàng)由山西鑄造史編寫組呂梁地區(qū)負(fù)責(zé)人智曉蕓女士詳細(xì)介紹了鑄造史編寫資料收集的具體要求和范圍等。會(huì)議第六項(xiàng)由交城縣史志辦李大兵主任詳細(xì)介紹了交城縣鑄造發(fā)展歷史、以及重大事件、

人物等，并且從自己專業(yè)的角度對(duì)山西鑄造史的編寫給出了專業(yè)建議。參加本次會(huì)議的山西鑄造史各地區(qū)負(fù)責(zé)人紛紛表示李主任專業(yè)化的建議對(duì)他們編寫工作有了很大啟發(fā)和幫助。最后一項(xiàng)由各地區(qū)參會(huì)企業(yè)代表就自己企業(yè)的發(fā)展歷史以及周圍他們所了解的鑄造歷史、現(xiàn)狀、人物、事件進(jìn)行了發(fā)言，企業(yè)代表紛紛表示鑄造史的編寫很有意義，不僅是行業(yè)的大事，也是本企業(yè)總結(jié)自己展現(xiàn)自己的良好機(jī)會(huì)。各位企業(yè)家們態(tài)度踴躍、熱情高漲，均表示會(huì)對(duì)鑄造史的編寫和資料收集工作給與各種形式的大力支持。通過交流，大家認(rèn)識(shí)到呂梁地區(qū)自古以來和鑄造淵源流長，留有很多典故和鑄造文物，現(xiàn)代鑄造也是實(shí)力強(qiáng)大，門類眾多，特色優(yōu)勢明顯。大家紛紛表示收獲頗多，座談會(huì)收到了很好的效果。

編寫座談會(huì)結(jié)束后，編寫組各位專家總結(jié)交流了本次座談會(huì)的收獲及感想，大家紛紛表示這次座談會(huì)的效果很好，收獲良多。本次會(huì)議為山西鑄造史的編寫和資料收集工作作了有益的探索，為其地區(qū)的編寫工作的展開起到了很好的示范和借鑒作用。通過座談，也加強(qiáng)了本地區(qū)企業(yè)之間的溝通和交流，增加了合作的機(jī)會(huì)，必將對(duì)本地區(qū)和全省鑄造業(yè)的發(fā)展起到很好的推動(dòng)作用。

山西省鑄造行業(yè)協(xié)會(huì)

《山西鑄造史》編寫組

2018-03-16