表面機械研磨Mg-3Al-1Sn合金的顯微組織與性能研究

劉艷春，盧尚工

（包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，包頭 014135）

表面機械研磨Mg-3Al-1Sn合金的顯微組織與性能研究

劉艷春，盧尚工

（包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，包頭 014135）

0 引言

鎂基合金由于比重小、電磁屏蔽性能好、可回收性佳和減振降噪性能好等原因，吸引了較多的科研工作者進行深入研究[1]。但是，鎂合金的高溫力學(xué)性能、耐腐蝕性能還不夠理想，限制了鎂合金的大規(guī)模市場化應(yīng)用[2]。表面機械研磨作為一種有效的表面改性方法，在不銹鋼、碳鋼、鈦合金等領(lǐng)域得到了較多的應(yīng)用，但是在鎂基合金領(lǐng)域的研究還較少[3～5]。Mg-3Al-1Sn是一種不含稀土的具有較高力學(xué)性能的新型鎂基合金，有望得到商業(yè)化應(yīng)用，但Mg-3Al-1Sn也存在鎂基合金的不足，迫切需要我們進行改性研究[6]。為此，本文嘗試采用表面機械研磨方法，對Mg-3Al-1Sn合金進行了表面改性處理，并對合金的顯微組織、物相組成、高溫力學(xué)性能和耐腐蝕性能進行了測試與分析，為Mg-3Al-1Sn合金的改性提供了一種新的途徑。

1 試驗材料與方法

研究對象為鑄態(tài)Mg-3Al-1Sn合金，切割成300mm×100mm×3mm尺寸，試樣在TXZ-150型中頻感應(yīng)熔煉爐中熔煉，采用鐵模進行澆注，并采用空氣冷卻。合金的化學(xué)成分經(jīng)IQ II型X射線熒光光譜儀測試，測試結(jié)果如表1所示。采用自制的平面研磨機，對鑄態(tài)Mg-3Al-1Sn合金進行表面機械研磨，研磨轉(zhuǎn)速為300r/min，行進速度為120mm/min，獲得表面機械研磨試樣。

表1 試樣的化學(xué)成分

物相組成：采用D/max 2000/PC型X射線衍射儀分析試樣的物相組成，選用Cu靶，管電壓設(shè)置為30kV、管電流設(shè)置為40mA。

顯微組織：采用JX-08型金相顯微鏡觀察試樣的顯微組織。

高溫力學(xué)性能：采用CMT5000GL型拉伸試驗機進行試樣的高溫力學(xué)性能測試，測試溫度為分別為150℃、300℃和450℃，并用EVO18型掃描電子顯微鏡觀察拉伸斷口形貌。

耐腐蝕性能：采用ELDYCS-354型電化學(xué)工作站進行試樣的耐腐蝕性能測試，測試溫度為室溫，電解液為3.5wt%氯化鈉溶液，采用三電極體系，測試試樣的腐蝕電位和腐蝕電流密度，以此表征試樣的耐腐蝕性能。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 XRD分析

表面機械研磨前后鑄態(tài)Mg-3Al-1Sn合金的XRD圖譜，分別如圖1和圖2所示。從圖1和圖2的對比，我們可以看出，該工藝條件下的表面機械研磨并沒有改變合金的物相組成。鑄態(tài)Mg-3Al-1Sn合金在表面機械研磨前后均是由α-Mg基體和少量的Mg17Al12相、Mg2Sn相組成。這主要是因為Mg17Al12的熔點為437℃、Mg2Sn的熔點為772℃，而該工藝參數(shù)下的表面機械研磨難以使合金達到上述溫度，從而難以發(fā)生第二相的熔解，從而未能改變合金的物相組成。

2.2 顯微組織

圖2 表面機械研磨后合金的XRD圖譜

表面機械研磨前后鑄態(tài)Mg-3Al-1Sn合金表面的顯微組織金相照片，分別如圖3和圖4所示。從圖3和圖4的對比可以看出，表面機械研磨顯著細(xì)化了合金晶粒，使合金的平均晶粒尺寸從268μ m減小至32μ m，減小了88%。表面機械研磨后，鑄態(tài)Mg-3Al-1Sn合金晶粒由不均勻的粗大組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻募?xì)小等軸組織。這主要得益于表面機械研磨過程中，在外界載荷的反復(fù)作用下，材料表面強烈的塑性變形催生大量的位錯、孿晶等。通過孿生，材料粗大的原始組織被分割為細(xì)小部分，從而細(xì)化晶粒；此外，粗晶內(nèi)部容易生成密度較高的位錯纏結(jié)和位錯墻，通過不斷的對位錯進行吸收，這些位錯纏結(jié)和位錯墻逐漸變成小角度亞晶界，隨著表面機械研磨的繼續(xù)，這些小角度亞晶界進一步吸收位錯逐漸變成大角度亞晶界，表面機械研磨過程中不斷的重復(fù)著這樣的過程，從而使平均晶粒尺寸不斷減小，合金晶粒得到細(xì)化，獲得細(xì)小等軸的合金組織[7,8]。

圖3 表面機械研磨前合金表面的顯微組織照片

圖4 表面機械研磨后合金 表面的顯微組織照片

2.3 高溫力學(xué)性能

在150℃、300℃和450℃測試條件下，表面機械研磨前后鑄態(tài)Mg-3Al-1Sn合金的高溫力學(xué)性能測試結(jié)果，如圖5所示。從圖5可以看出，與表面機械研磨前相比，表面機械研磨后鑄態(tài)Mg-3Al-1Sn合金的高溫抗拉強度得到了顯著提高，其中150℃條件下，合金的抗拉強度從173MPa增加至264MPa，增加了53%；300℃條件下，合金的抗拉強度從102MPa增加至259MPa，增加了154%；450℃條件下，合金的抗拉強度從54MPa增加至253MPa，增加了369%。由此可以看出，表面機械研磨顯著提高了合金的高溫抗拉強度。此外，從圖5我們還可以看出，表面機械研磨處理后，鑄態(tài)Mg-3Al-1Sn合金的高溫抗拉強度隨溫度的升高而幾乎保持不變，當(dāng)溫度從150℃升高至450℃時，合金的抗拉強度從264MPa減小至253MPa，僅減小了4%；但是表面機械研磨處理前，隨溫度從150℃升至450℃時合金的抗拉強度從173MPa減小至54MPa，減小了69%。因此，我們可以認(rèn)為表面機械研磨改善了鑄態(tài)Mg-3Al-1Sn合金的高溫力學(xué)性能，而且使鑄態(tài)Mg-3Al-1Sn合金具有良好的高溫穩(wěn)定性。圖6是表面機械研磨前后鑄態(tài)Mg-3Al-1Sn合金在300℃拉伸時的斷口形貌SEM照片。從圖6可以看出，表面機械研磨前鑄態(tài)Mg-3Al-1Sn合金在300℃拉伸時的斷口由。

圖5 合金的力學(xué)性能測試結(jié)果

圖6 表面機械研磨前合金拉伸斷口形貌SEM照片

圖7 表面機械研磨后合金300℃拉伸的斷口形貌SEM照片

2.4 耐腐蝕性能

表面機械研磨前后鑄態(tài)Mg-3Al-1Sn合金的耐腐蝕性能測試結(jié)果，如表2所示。從表2可以看出，與表面機械研磨前相比，表面機械研磨后合金的腐蝕電位明顯正移，腐蝕電流密度明顯減小，其中腐蝕電位從-1.108V正移至-0.697V，正移了511mV；腐蝕電流密度從77.4mA/cm2減小至28.6mA/cm2，減小了48.8mA/cm2。眾所周知，材料的腐蝕電位越正、腐蝕電流密度越小，材料的耐腐蝕性能越好；反之，腐蝕電位越負(fù)、腐蝕電流密度越大，材料的耐腐蝕性能越差[9]。因此，我們可以認(rèn)為表面機械研磨顯著改善了鑄態(tài)Mg-3Al-1Sn合金的耐腐蝕性能。這主要是因為表面機械研磨顯著細(xì)化了合金的組織，細(xì)晶強化作用下，合金的耐腐蝕性能得到明顯改善。

表2 合金耐腐蝕性能測試結(jié)果

3 結(jié)論

1）表面機械研磨明顯細(xì)化了鑄態(tài)Mg-3Al-1Sn合金的晶粒，合金表面平均晶粒尺寸減小88%，高溫力學(xué)性能和耐腐蝕性能得到顯著提高。

2）表面機械研磨未能改變鑄態(tài)Mg-3Al-1Sn合金的物相組成，表面機械研磨前后合金均是由α-Mg基體和少量的Mg17Al12相、Mg2Sn相組成。

3）與表面機械研磨前相比，表面機械研磨后鑄態(tài)Mg-3Al-1Sn合金在150℃、300℃、450℃條件下的抗拉強度分別增加53%、154%、369%；腐蝕電位正移511mV、腐蝕電流密度減小48.8mA/cm2。

[1]臧躍,周海,徐曉明,等.基于雙面研磨軌跡優(yōu)化的LED用SiC襯底加工[J].制造業(yè)自動化,2013,(10),36-37+41.

[2]Arvind Prasad,Peter J.Uggowitzer,Zhiming Shi,Andrej Atrens.Production of High Purity Magnesium Alloys by Melt Purif i cation with Zr[J].Advanced Engineering Materials,2012,14(7):477-490.

[3]王寧,杜華云,楊子梅,衛(wèi)英慧,安艷麗,范薇,延歡歡.表面機械研磨處理Fe-C合金腐蝕性能的研究[J].功能材料,2014,46(S2):119-123.[4]侯利鋒,王磊,衛(wèi)英慧,郭春麗,李寶東.純銅表面機械研磨輔助制備鎳合金層[J].材料熱處理學(xué)報,2014,29(1):175-180.

[5]李茂林,宇文惠鑫.表面機械研磨1420鋁鋰合金的微觀組織研究[J].熱加工工藝,2014,04:147-149

[6]張書友.超細(xì)晶ZK60鎂合金的數(shù)控攪拌摩擦加工研究[J].加工技術(shù),2014,43(4):37-39.

[7]鄭韞,吳國華,王其龍,等.鎂合金凈化技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J].鑄造技術(shù),2010,3l(1):104-108.

[8]XuNan,Shen Jun,Xie Weidong,et al.Abnormal distribution of microhardness in tungsten inert gas arc butt-welded AZ61 magnesium alloy plates[J].Materials characterization,2010,61:713-719.

[9]李巖,郭建強,孫召進,等.鎂合金在軌道客車上的應(yīng)用及展望[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè),2012(1):276-278.

Microstructure and properties of mg-3Al-1Sn alloy after surface mechanical attrition

LIU Yan-chun, LU Shang-gong

采用表面機械研磨對鑄態(tài)Mg-3Al-1Sn合金進行處理，并進行了物相和組織分析，以及耐腐蝕性能和不同溫度下的力學(xué)性能測試與分析。結(jié)果表明表面機械研磨明顯細(xì)化了合金的晶粒，顯著提高了合金的高溫力學(xué)性能和耐腐蝕性能，但未改變合金的物相組成。表面機械研磨使150℃、300、450℃條件下的抗拉強度分別增加53%、154%、369%；腐蝕電位正移511mV、腐蝕電流密度減小48.8mA/cm2。

Mg-3Al-1Sn合金；表面機械研磨；鑄態(tài)鎂合金；高溫力學(xué)性能；耐腐蝕性能

劉艷春（1971 -），女，內(nèi)蒙古包頭人，講師，碩士，研究方向為金屬材料。

TG249.2

A

1009-0134(2015)07(下)-0047-02

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.07(下).14

2015-04-21

內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校科學(xué)研究項目（NJZC133C8）