基于顯微組織表征的壓鑄鎂合金硬度及耐蝕性能研究

姜 巍，叢 山，張怡冰，秦 楠

（常熟理工學院 a.汽車工程學院；b.機械工程學院，江蘇 常熟 215500）

1 引言

鎂合金是目前工業(yè)上應用最輕質的金屬材料，其具有的低密度、高比強度、切削加工性能好、鑄造性能佳和可循環(huán)利用等優(yōu)勢，在汽車、軍工、電子、航天航空等領域以及其他行業(yè)具有良好的應用前景［1］.

目前鎂合金的產品主要以壓鑄件居多，壓鑄鎂合金可以制造各種薄壁，以及接近成本尺寸的各類復雜零件. 在室溫條件下，壓鑄AM50鎂合金的屈服強度約110 MPa，抗拉強度約200 MPa，延伸率約10%［2］. 但由于鑄造工藝參數(shù)不同，如鑄件壁厚、熔液溫度、鑄型溫度等，壓鑄件易存在組織缺陷，導致其力學性能和耐腐蝕性能不理想，這些問題對壓鑄鎂合金的應用范圍有一定的影響［3-4］. 因此，優(yōu)化鎂合金的組織和性能，提高其力學性能及耐腐蝕性已成為鎂合金發(fā)展的重要方向［5］.

本文通過對Mg-Al-Mn系壓鑄鎂合金的具有成分偏析的顯微組織進行定量表征，結合不同組織條件下的硬度及耐腐蝕性能，研究顯微組織對壓鑄鎂合金的硬度及耐腐蝕性能的影響規(guī)律.

2 實驗及數(shù)據(jù)處理

2.1 實驗材料

本文使用的是AM50壓鑄鎂合金，

具體化學成分如表1所示.

表1 壓鑄AM50鎂合金化學成分質量分數(shù) %

2.2 樣品制備

使用DK7735型電火花數(shù)控切割機切割壓鑄樣品，獲得硬度測試樣品和腐蝕試樣. 用于腐蝕的試樣進行環(huán)氧樹脂冷鑲嵌，保留一個10 mm×10 mm的實驗用表面.

金相分析過程包含試樣的研磨拋光、金相圖片采集及顯微組織分析. 其中，顯微組織分析運用MATLAB軟件對采集到的金相組織圖片進行處理，將原始圖片轉換成灰度圖片，并通過閾值設定和降噪將灰度圖片轉化成二值化圖片，將α相和β相區(qū)分開，灰度分別極化為0和255，成為僅有黑白兩色的二值化圖像. 再通過色塊面積進行統(tǒng)計，獲取兩相在圖像中的像素數(shù)量，并計算占比.

2.3 耐腐蝕性能測試

針對合金的耐腐蝕性能測試采取的是浸泡析氫腐蝕測試方法. 選取的腐蝕溶液為25 ℃下的5%NaCl水溶液. 由于在含有氯離子的水溶液中，鎂基體會發(fā)生反應：因此，可以通過測定析出氫氣的量來換算成鎂基體的失重情況［6］.

2.4 硬度測試

針對合金的硬度測試采用的是ZH5245型HV-50維氏硬度計，沿樣品表面至樣品中央?yún)^(qū)域以相同間隔測試顯微硬度，采用的載荷為100 N，載荷時間為10 s. 由于圓柱狀壓鑄試樣組織具有對稱性，本研究中的測試面積為樣品縱向截面的1/4. 針對獲得的硬度測試結果和對應的相對位置，通過MATLAB軟件繪制硬度與平面位置的分布曲面圖.

圖1 壓鑄AM50鎂合金XRD圖譜

3 研究與討論

AM50鎂合金主要由α-Mg相、β-Mg17Al12相和少量的A1Mn相組成［7］，如圖1合金的XRD圖譜所示. 圖2為壓鑄AM50鎂合金的顯微組織. 并含有一定數(shù)量的顯微缺陷. 圖上淺灰色的部分為α相，深灰色的部分為β相，還有少量的黑色部分是顯微缺陷：氣孔、縮松和夾渣等. 顯微組織表現(xiàn)出明顯的成分偏析，由圖2（a）鑄件邊緣區(qū)域至圖2（b）過渡區(qū)域再至圖2（c）中央?yún)^(qū)域，α-Mg相和β-Mg17Al12相布差別較大，表現(xiàn)為自表面至中央?yún)^(qū)域β相逐漸減少，α相逐漸增加且晶粒尺寸逐漸長大的趨勢.

為研究顯微組織的偏析程度與硬度和耐腐蝕性能的對應關系，對于通過光學顯微鏡采集的顯微組織圖片進行了二值化處理. 圖3為針對圖2的二值化處理結果. 其中，白色部分為α相，黑色部分為β相和少量的縮松缺陷.

如圖4所示，隨著硬度測試取點遠離鑄件邊緣，合金的顯微硬度值表現(xiàn)為逐漸降低. 由于壓鑄AM50鎂合金的表面區(qū)域結晶過程中冷卻速度較快，獲得的組織相對中央?yún)^(qū)域較為細密，而計算獲得的α相與β相的體積百分比也較小，因此表現(xiàn)出的顯微硬度值變化趨勢也是由試樣表面至中心區(qū)域硬度值逐漸下降.

圖2 壓鑄AM50鎂合金顯微組織

圖3 顯微組織二值化處理圖

如圖5所示，通過對比不同厚度的鎂合金試樣的顯微組織，結合光學顯微鏡觀察和MATLAB二值化處理，獲得α相與β相的體積百分比. 而對應的各樣品的腐蝕析氫情況如圖6所示. 隨著合金成分中兩相體積百分比的降低，即β相含量的升高，合金的耐蝕性提高. 在反應初期，β相作為電極電勢較高的一極，促進基體的腐蝕，因此，此階段厚度較大的試樣析氫量并非最大，其表面的β相含量并不高. 而隨著腐蝕的繼續(xù)進行，表面的α相被腐蝕掉，β相主要起到腐蝕壁壘的作用.β相含量較高的合金中，β相以網絡狀存在于α相的晶界上，能夠阻止腐蝕的進一步進行. 而厚度較大的試樣基體晶粒尺寸較大且枝晶較多，β相的含量和連續(xù)性較低，腐蝕溶液可從β相之間的間隙滲入基體繼續(xù)腐蝕，并導致部分非連續(xù)的β相脫落，在腐蝕過程中無法起到腐蝕壁壘的作用.

圖4 壓鑄AM50鎂合金硬度分布3D云圖

圖5 不同厚度的鎂合金試樣顯微組織

圖6 不同厚度鎂合金試樣析氫情況

4 結論

（1）通過結合光鏡和MATLAB，實現(xiàn)α相和β相的截面面積百分比的計算統(tǒng)計.

（2）壓鑄AM50鎂合金由于鑄造冷卻速度不同導致的組織差異性，對合金的硬度值分布造成影響，晶粒細密的邊緣區(qū)域硬度值比晶粒粗大的中央?yún)^(qū)域高.

（3）隨α/β截面面積百分比降低，β相含量升高，連續(xù)性提高，β相的腐蝕壁壘作用增強，能夠提高合金的耐蝕性.