MgCO3及Sr對過共晶AM60B-2.0%Si復合材料變質的研究

申 樂，陳體軍，馬 穎，劉明偉，郝 遠，付 偉

（蘭州理工大學 甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點實驗室，蘭州 730050）

MgCO3及Sr對過共晶AM60B-2.0%Si復合材料變質的研究

申 樂，陳體軍，馬 穎，劉明偉，郝 遠，付 偉

（蘭州理工大學 甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點實驗室，蘭州 730050）

研究了Sr、MgCO3對過共晶AM60B-2.0%Si鎂基復合材料中Mg2Si相及基體的復合變質作用。結果表明：Sr的加入量是決定其能否對復合材料中的Mg2Si相有效變質的重要因素。未變質的初生Mg2Si呈粗大的樹枝狀，經變質后轉為多角形狀；未變質的共晶Mg2Si呈粗大的漢字狀，經變質后變為彌散而細小的短棒狀或多邊形粒狀。同時，經MgCO3復合變質后，復合材料基體組織也得到了較好的細化，從而改善了復合材料的力學性能。

過共晶 Mg-Si合金；Mg2Si；Sr；AM60B 鎂合金；MgCO3；復合變質

鎂合金具有密度小、高比剛度、高比強度、減震性、電磁屏蔽性、可切屑加工性及可回收性等一系列的優點，在汽車、電子、電器、航天航空和國防軍工領域具有很好的應用前景。Mg-Al-Si系鎂合金由于具有較好的高溫性能以及較低的成本等優勢，是一種很有發展前景的高溫抗蠕變鎂合金[1-6]，其主要耐熱機理是通過加入低成本的合金元素Si在晶界處形成細小而彌散的Mg2Si相來實現。Mg2Si具有低密度、高熔點、高彈性模量、高硬度、高強度、和低熱膨脹系數等優點，能夠有效地改善和提高鎂合金的力學性能尤其是高溫抗蠕變性能[7]。采用原位反應自生的Mg2Si增強相，由于其在基體內原位反應生成，具有界面潔凈無污染、與基體相容性好、熱穩定性好、制造成本低等優點。但粗大樹枝晶狀鎂合金基體組織，以及原位反應生成的粗大樹枝狀初生Mg2Si及粗大漢字狀的共晶Mg2Si限制了Mg－Si合金力學性能的提高[7－8]，因此有必要對過共晶AM60B－2.0%Si鎂基復合材料的基體組織及Mg2Si相進行變質細化，從而改善合金的力學性能[9－10]。

作者在前期研究中表明,1.2%的MgCO3對AM60B鎂合金具有較好的細化效果。本文主要研究Sr對過共晶AM60B－2.0%Si鎂基復合材料中Mg2Si相的變質效果，同時采用MgCO3對經Sr變質后的合金進復合變質，并研究其對力學性能的影響。

1 實驗材料與方法

選用純鎂（99.95%）、Al－35%Si中間合金、Mg－30%Sr中間合金、Zn、Mn及MgCO3作為原材料，基體合金采用AM60B鎂合金，其化學成分如表1所示。本研究中Sr的加入量依次為0.1%，0.3%，0.5%，0.7%。合金熔煉在井式坩鍋爐中進行，當合金熔化至790℃加入Mg－Sr中間合金進行變質處理，保溫30min進行澆鑄，試樣尺寸為?70mm×160mm。為減少熔煉過程中的氧化燃燒，在合金熔液表面用RJ－2覆蓋劑進行保護。

表1 鑄態AM60B鎂合金化學成分（wB/%）

從試樣相同的部位截取金相試樣，用濃度為4%的硝酸酒精溶液進行腐蝕后，采用金相顯微鏡（OM）對試樣進行金相組織形貌觀察；用多功能X射線（XRD）儀對試樣進行物相分析，對拉伸試樣斷口用掃描電鏡（SEM）進行斷口形貌分析。

2 試驗結果與分析

圖 1為經 MgCO3、Sr復合變質后的AM60B－2.0%Si鎂基復合材料的XRD分析結果。由圖可知，衍射曲線中除Mg、Mg17Al12峰外，還存在Mg2Si、Al4C3及 Sr2Mg17等峰，這說明在AM60B基體材料中加入Si后原位反應生成了Mg2Si相，MgCO3與合金中的鋁經過一系列的反應后生成Al4C3，Sr主要以 Sr2Mg17合金的形式存在。

2.1 Sr對過共晶AM60B－2.0%Si鎂基復合材料中Mg2Si相的變質

圖2為不同Sr加入量對過共晶AM60B－2.0%Si鎂基復合材料中Mg2Si相進行變質后的顯微組織。由圖2可以看出：經0.1%Sr變質后，初生Mg2Si相變成較小的樹枝狀但仍比較粗大，共晶Mg2Si變得比較細小；當Sr加入量為0.3%時，初生Mg2Si相變得更加細小，樹枝狀的Mg2Si形貌發生了明顯變化（如圖2c），同時出現了少量細小的多角形狀的Mg2Si相，共晶Mg2Si進一步變的細小；當Sr的加入量增加至0.5%時，初生Mg2Si變成了細小而均勻分布的多角形狀，共晶Mg2Si變成了細小的短棒狀；而當Sr含量進一步增大時，Mg2Si相變化不明顯。

關于Sr對復合材料中Mg2Si相的變質機理，可能是由于Sr和Si反應生成異質核心促使其生長，這和Ca的作用非常相似[11]，需要指出的是，本文并未找到直接證據證明；同時，Sr作為表面活性元素[12]，在Mg2Si相表面吸附從而有效的抑制了Mg2Si相的長大，增大了過冷度，從而改變Mg2Si相的形狀，起到了細化變質效果。

圖3為0.5%Sr對過共晶AM60B-2.0%Si鎂基復合材料中Mg2Si相進行變質后不同澆鑄溫度下的顯微組織。由圖3可以看出：澆注溫度為790℃時由于過冷較大，Mg2Si相比較細小；而當澆注溫度降低時，Mg2Si相變的粗大并呈一定的樹枝狀。對比圖2可知，Sr的加入量為影響MgSi的主要因素。

2.2 MgCO3及Sr對過共晶AM60B-2.0%Si合金的復合變質

圖4為經MgCO3對經0.5%Sr變質后的AM60B-2.0%Si復合材料的基體組織變質效果的顯微組織。由圖可以明顯的看出：未經MgCO3細化的復合材料基體組織由粗大的樹枝晶組成，晶粒尺寸為230μm左右；而經1.2%MgCO3對其變質后的基體組織變成了細小的等軸晶組織，晶粒變得細小而均勻，晶粒尺寸為70μm左右（如圖 2d）。由此可見，MgCO3對AM60B-2.0%Si復合材料基體具有較好的變質效果。MgCO3加入到Mg-Al合金熔體中后反應產生大量細小而難熔的質點并呈彌散懸浮狀態分布[16]。Al4C3作為形核質點，促進非均勻形核，從而細化鎂合金基體的晶粒。

2.3 拉伸斷口及力學性能分析

圖5為試樣的拉伸斷口掃描電鏡照片。從圖中可以清楚的看出：斷裂發生在Mg基體與Mg2Si晶界處，復合材料中AM60B基體的拉伸斷口是以解理斷裂為主的脆性斷裂，拉伸斷口較為平直；斷口上同時存在穿晶斷裂和晶斷裂。同時Mg2Si（如圖5a）為脆性斷裂，斷口沿Mg2Si相處斷裂。這主要是由于Mg2Si脆性相引起基體和增強體的分離從而使其產生應力其中后斷裂。

表2為試樣力學性能，從表中可以看出：由于Si的加入，在基體中原位反應生成粗大的Mg2Si相，對基體產生割裂和應力集中，從而使材料的性能出現明顯的下降；而當加入Sr對粗大的Mg2Si相變質后，減小了其對基體產生割裂和應力集中，使其力學性能得到了改善；而采用MgCO3及Sr對原位反應自生Mg2Si/AM60B鎂合金的復合變質后，其性能達到最佳；這主要是由于基體組織和Mg2Si強化相組織都比較細小，從而使其力學性能得到提高。

表2 試樣鑄態力學性能

3 結論

（1）添加Sr元素能明顯改善過共晶AM60B-2.0%Si鎂基復合材料中Mg2Si相的形貌。隨著Sr含量的增加，粗大的樹枝狀的初生Mg2Si相變為細小均勻的多角形狀；粗大漢字狀的共晶Mg2Si相變為彌散而細小的短棒狀或多邊形粒狀。

（2）Sr的加入量是決定其能否對復合材料中的Mg2Si相有效變質的重要因素。

（3）經MgCO3和Sr對過共晶AM60B-2.0%Si復合材料進行復合變質后其性能達到最佳，這主要是由于基體組織和Mg2Si強化相組織都比較細小，減少了割裂和應力集中從而使其力學性能得到提高。

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The Research of Modification on the Hypereutectic AM60B-2.0%Si Alloy with MgCO3and Sr

SHEN Le，CHEN TiJun，MA Ying，LIU MingWei，HAO Yuan，FU Wei
（State Key Laboratory of Gansu Advanced Non-ferrous Metal Materials，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，Gansu China）

The effcet of modification of the AM60B alloy and Mg2Si phase of the hypereutectic AM60B-2.0%Si alloy with MgCO3and Sr have been investigated.The results indicated that:the Sr content was a significant factor that determined the modification effect of Mg2Si phase of the composite material.The primary Mg2Si crystals unmodified were mainly coarse dendritic and then polygonal shapes which were modified by Sr.The eutectic Mg2Si crystals unmodified appeared obvious coarse Chinese script and then changed into dispersion granule and/or irregular polygonal shapes which were modified by Sr.In addition，the matrix of the hypereutectic AM60B-2.0%Si alloy has also been well refined by MgCO3.All this above had improved the mechanics properties of the composite material.

Hypereutectic Mg-Si alloy；Mg2Si；Sr；AM60B alloy；MgCO3；Complex modification

TG146.2+2;

A；

1006－9658（2011）04－4

2011－03－21

2011－033

申 樂（1986-），男，碩士研究生，主要研究方向：鎂基復合材料制備與成型