真空壓鑄工藝下Mg對(duì)AlMgFe合金組織及力學(xué)性能的影響

張亞琴，徐 濤，李遠(yuǎn)發(fā)，陳善榮

（1.太原工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，山西 太原 030000；2.嘉瑞科技(惠州)有限公司，廣東 惠州 516000）

近年來，為了減少汽車尾氣排放及提高新能源車的性能，對(duì)于汽車輕量化的要求十分迫切。目前，以鋁代鋼是汽車輕量化的主要途徑之一[1]。壓力鑄造可以用于制作表面質(zhì)量精良，尺寸精度高及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鋁合金鑄件。為了滿足鋁鎂合金制件的工作要求，如何提高鋁合金的強(qiáng)度成為了本次重要的研究方向。稀土元素對(duì)鋁合金具有固定溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化作用，并能導(dǎo)致晶粒細(xì)化，影響合金的強(qiáng)度和耐熱性。很多研究探究了添加稀土元素對(duì)商用鋁合金所性能的提高作用?？梢钥吹剑芯肯⊥猎貙?duì)Mg.AI系鎂合金強(qiáng)度的影響主要集中于AZ、AM等系列，提高合金耐高溫性能的研究則集中于AE系列，但單獨(dú)添加稀土元素Gd對(duì)Mg.A1二元合金強(qiáng)度的影響的研究較少。由于壓鑄Mg.AI系合金零部件在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛因此本試驗(yàn)選擇在真空壓鑄MgA1-元合金中添加稀土元素Gd，研究不同含量Gd對(duì)時(shí)效處理前后鎂合金顯微組織、室溫抗拉強(qiáng)度的影響，為稀土元素改善提高鎂合金的組織性能的研究提供一些經(jīng)驗(yàn)。

但由于常用的壓鑄合金（如A380、ADC10、ADC12等）塑性較差，因此，壓鑄合金通常只用于功能件，如變速箱殼體、油底殼等。由于汽車工業(yè)減重需求的增加，近年來，高塑性較高強(qiáng)度的可用于汽車結(jié)構(gòu)件的鋁合金材料的研究逐漸被人們所重視，國內(nèi)外相繼涌現(xiàn)出一批新型鋁合金材料，如JDA1、JDA2、AlSi10MgMn、AlMg5Si2、AlMg4Fe2[2]等，在配合真空壓鑄技術(shù)和適當(dāng)熱處理工藝可以用于生產(chǎn)汽車門內(nèi)板、減震塔、A柱和橫梁等高性能受力件。AlMg4Fe2合金因具有以下顯著的特點(diǎn)：①高Fe含量；②在非熱處理?xiàng)l件下，具備很高的延伸率（超過15%）和較高的屈服強(qiáng)度（≥100MPa），正在壓鑄合金中得到越來越多的重視。目前，AlMg4Fe2在國內(nèi)研究較少，因此本文針對(duì)AlMg4Fe2材料進(jìn)行了初步的研究工作。

枸杞鹽析蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍(lán)法測定[11]。每個(gè)樣重復(fù)三次。用牛血清白蛋白配置標(biāo)準(zhǔn)液，在波長595nm處測得吸光值，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線得到不同飽和度鹽析得到的蛋白樣品的蛋白含量。

1 試樣制備與方法

Mg-Al-Gd合金熔煉在SG-5-10坩堝電阻爐中進(jìn)行，原材料為Mg錠、Al錠和Mg-30%Gd中間合金。Gd的加入量分別為1%、2%和3%，Al含量為5%，其余為Mg。將Mg錠和Al錠加入電阻爐中，在0.1%的SF6和N2的混合氣體保護(hù)下加熱到720℃，待錠料完全融化后，加入Mg-30%Gd中間合金，保溫在30min,然后利用冷室壓鑄機(jī)進(jìn)行真空壓鑄，直接得到拉伸試驗(yàn)所用試樣。壓鑄參數(shù)為：模具溫度在150℃～210℃、壓射速度6m/s、壓鑄壓力為60MPa、保持時(shí)間為3s。拉伸前要將標(biāo)距及圓角過渡部位沿軸向打磨光滑。

圖1 AlMg4Fe2合金SEM顯微照片和EDS能譜分析

本實(shí)驗(yàn)使用原材料為Al-10Mn、Al-10Si中間合金、AlFe2鑄錠以及工業(yè)純Mg，電阻絲加熱爐融化，溫度為660℃時(shí)，用錫箔紙包裹純鎂加入熔融金屬中以降低燒損。當(dāng)熔體溫度上升至700℃時(shí)，用氮?dú)饩珶?5分鐘，然后開始扒渣，靜置10分鐘，澆注成樣。實(shí)驗(yàn)采用厚度為3mm的板材試樣。在型腔內(nèi)真空度保持在100kPa以下的真空情況下，采用280t臥式冷室壓鑄機(jī)，壓射壓力為120MPa，保壓10s。實(shí)驗(yàn)中使用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行OM測試，衍射儀進(jìn)行XRD物相分析、掃描電鏡進(jìn)行SEM分析和表征。力學(xué)性能測試在WDW-555微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上完成，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1-2010的規(guī)定制作樣棒，取5個(gè)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 合金組織觀察及分析

表1中列出兩種Mg含量的AlMg4Fe2合金的力學(xué)性能，隨著Mg含量增加，鑄件的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度也增加，尤其屈服強(qiáng)度增加較為明顯，而延伸率顯著下降。當(dāng)Mg含量在4.5%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度為275MPa，屈服強(qiáng)度只有123MPa，延伸率卻高達(dá)10.6%，當(dāng)Mg含量增加到6.5%時(shí)，合金抗拉強(qiáng)度增加到305MPa，屈服強(qiáng)度劇增到152MPa，延伸率為7.1%，相比較屈服強(qiáng)增加了23%，但延伸率降低了33%。這個(gè)變化主要是因?yàn)镸g含量增加了增加微觀組織中Al-Mg共晶體的含量，增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所需的自由能，從而提高了屈服強(qiáng)度，但同時(shí)使其塑性降低。

2.2 AlMg4Fe2合金的力學(xué)性能

利用帶有EDS能譜分析的SEM掃描電子顯微鏡對(duì)含4.5%Mg試樣進(jìn)行微觀分析，從圖1中明顯可以看到，沒有出現(xiàn)普通壓鑄件中常見的氣孔等缺陷，說明真空壓鑄保證了鑄件內(nèi)部不出現(xiàn)卷氣缺陷，從而保障了AlMg4Fe2鑄件的高塑性。另外真空壓鑄AlMg4Fe2合金顯微組織中心和表面組織相差較大，一般表面有一層細(xì)晶層，厚度約為150μm，鑄件表面晶粒較鑄件心部細(xì)小，主要由細(xì)小圓滑的α2-Al晶粒和晶界處的Al-Mg共晶體組成。而心部則出現(xiàn)粗大的枝晶狀的α1-Al晶粒。鑄件多為枝晶狀的α1-Al晶粒，晶粒尺寸約為35μm～100μm之間。觀察AlMg4Fe2壓鑄件中Al3Fe相和Al6Fe相的形態(tài)和分布，如圖所示。圖中可以看到有大量亮白色針狀及漢字狀相呈現(xiàn)在掃描電鏡圖片中，尺寸較細(xì)小，約在5～20μm。對(duì)這些漢字狀的亮白色的相（Spectrum1）和針狀亮白色的相（Spectrum2）進(jìn)行EDS能譜分析，發(fā)現(xiàn)其Fe原子含量分別高達(dá)23%和13%，而深色的基體（Spectrum3）中Fe含量為0%。結(jié)合文獻(xiàn)中合金XRD衍射圖譜結(jié)構(gòu)[3,4]，基本可以確定這些白色相就是Al3Fe和Al6Fe相，其在AlMg4Fe2壓鑄件中，分別呈現(xiàn)針狀和漢字狀形貌。

表1 不同Mg含量的AlMg4Fe2合金的力學(xué)性能

（2）真空壓鑄AlMg4Fe2合金中，F(xiàn)e以Al3Fe和Al6Fe相形式存在，形成細(xì)小的針狀和漢字狀形貌，尺寸約5μm～20μm左右，沒有出現(xiàn)粗大的含F(xiàn)e相，保證了合金的高塑性。

3 結(jié)論

（1）真空壓鑄AlMg4Fe2合金顯微組織中心和表面組織相差較大，表面有一層細(xì)晶層，厚度約為150μm，鑄件表面晶粒較鑄件心部細(xì)小，主要由細(xì)小圓滑的α2-Al晶粒和晶界處的Al-Mg共晶體組成。而心部則出現(xiàn)粗大的枝晶狀的α1-Al晶粒。

取含量為4.5%Mg的合金力學(xué)性能與常用的Al-Si、Al-Si-Cu和Al-Si-Mg合金及其他新型的汽車結(jié)構(gòu)件用鋁合金性能[5-8]對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，非熱處理狀態(tài)下AlMg4Fe2的延伸率明顯高于常見Al合金，可以達(dá)到其他新型鋁合金鑄態(tài)，甚至熱處理后的水平，結(jié)合其高Fe含量在壓鑄生產(chǎn)中的優(yōu)勢及其一定的合金成分優(yōu)化設(shè)計(jì)能力，在制造高質(zhì)量低成本的鋁合金汽車結(jié)構(gòu)件上有廣闊的應(yīng)用前景。

（3）在含Mg量4.5%和6.5%的AlMg4Fe2合金中，隨著Mg含量的增加，力學(xué)強(qiáng)度增加而延伸率降低。最高延伸率達(dá)到了10.6%，高于常見壓鑄鋁合金，抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)305MPa，在常見壓鑄合金中也屬于較高水平。AlMg4Fe2合金這種高塑性和性能可調(diào)性，為其滿足不同力學(xué)性能要求的汽車結(jié)構(gòu)件提供了廣闊的應(yīng)用前景。

(1)礦山表層存在著嚴(yán)重的損害現(xiàn)象。作為礦區(qū)基本的土地利用類型，林地的經(jīng)營發(fā)展有著較強(qiáng)的特殊性，目前林地管理主要采用集體管理模式。礦山區(qū)域內(nèi)，有矸石堆積區(qū)、工人生活區(qū)以及開采區(qū)，在這些區(qū)域進(jìn)行建設(shè)時(shí)，往往會(huì)破壞原有地面上的植被與地質(zhì)。同時(shí)，采礦工作中會(huì)對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，進(jìn)而加劇土地資源與地質(zhì)結(jié)構(gòu)的破壞。

4 結(jié)束語

鑄態(tài)Mg-8Gd-3Y-0.4Zr合金微觀組織主要由α-Mg和共晶Mg24(Gd,Y)5化合物組成。經(jīng)固溶處理后，共晶化合物大量溶解于鎂基體，合金主要含過飽和α-Mg及方塊相。

眾所周知，不同工業(yè)設(shè)備之間的連接，是一個(gè)極其復(fù)雜的問題。各種不同時(shí)期、不同品牌、不同協(xié)議的工業(yè)設(shè)備，如機(jī)床、熱處理設(shè)備、自動(dòng)生產(chǎn)線、柔性生產(chǎn)線、專機(jī)設(shè)備、AGV、3D打印設(shè)備、注塑機(jī)、測量儀、機(jī)器人乃至可穿戴設(shè)備等，都有不同格式的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。

選取2016年10月～2018年1月遼源市中醫(yī)院收治的肝硬化患者100例作為研究對(duì)象，將其隨機(jī)分為研究組與對(duì)照組，各50例。其中，研究組男30例，女20例，年齡41～66歲，平均年齡（50.8±4.3）歲，病程1～6年，平均（3.5±0.6）年；對(duì)照組男31例，女19例，年齡40～67歲，平均年齡（50.5±4.5）歲，病程1.5～5年，平均（3.8±0.5）年。兩組患者的性別、年齡及病程等一般資料比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

固溶合金中方塊相的含量隨固溶溫度的升高而增大，力學(xué)性能也有所提高。