Sb對鎂基復合材料組織及性能的影響

王新源，吳孝泉

（江西科技學院教務處，江西南昌330098）

Sb對鎂基復合材料組織及性能的影響

王新源，吳孝泉

（江西科技學院教務處，江西南昌330098）

文章通過分析復合材料中原位自生Mg2Si的過程，研究Si含量對Mg2Si/AM60組織和性能的影響，并就金屬Sb對復合材料變質效果進行了深入的研究。結果表明Si含量的增加，自生Mg2Si數量增多，且在組織中出現了塊狀、漢字狀及樹枝狀的Mg2Si相。金屬Sb對Mg2Si相和基體起到一定的細化作用，Sb加入后可生成Mg3Sb2相,其成為Mg2Si增強相的異質核心，增大形核率，細化晶粒。顆粒狀Mg2Si并彌散地分布于復合材料組織中，從而獲得較理想的鎂基復合材料組織。

復合材料；微觀結構；組織性能

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

結晶Si粉與鑄造鎂合金AM60，鎂合金成分見表1。

表1鑄造鎂合金AM60成分表元素 Al Mn Zn Si Fe Cu Ni 其它 Mg含量 5.58 0.33 0.17 0.03 0.001 0.005 0.005＜0.004其余

1.2 實驗方法

模具內壁除銹－預熱，試驗模具預熱300℃左右。同時，將結晶Si包于鋁箔中，預熱溫度也為300℃左右。加熱熔化鎂合金，加入不同含量的Si到鎂合金熔體中攪拌。

熔體溫度升至800℃后保溫，去除熔體表面的氧化物，鐘罩法將結晶Si粉末壓入合金熔體中（Si加入量分別為0.5wt.%、1.0 wt.% 、1.5 wt.%和5.0 wt.%），熔體溫度保持在800℃左右，靜置10min，攪拌3min，再靜置5min。變質處理時，金屬Sb加入量分別為0.4 wt.%、0.8 wt.% 和1.2wt.%，保溫5min。當溫度降至700℃時，去除熔渣，澆注。

2 實驗結果與討論

圖1是Mg-Si二元相圖。

圖1Mg-Si二元相圖

分析Mg-Si可知，Mg-Si共晶溫度為638.8℃，含量為1.38 wt.%。當Mg-Si為過共晶成分，降溫時，初生Mg2Si析出。隨著溫度持續降低，Mg2Si不斷析出并形成粗大枝晶，液相中Si含量因Mg2Si析出而逐漸降低。在638.8℃時，合金熔體發生共晶轉變，共晶轉變產物為Mg+Mg2Si共晶體。因此，過共晶成分的Mg-Si合金凝固后的產物為Mg+Mg2Si。通過以上分析，結合實驗方法得出，可以原位形成Mg2Si/AM60復合材料。

2.1 Sb的加入量對Mg2Si/AM60復合材料組織的影響

在前期研究中發現，加入1.0wt.%Si粉制備的Mg2Si/AM60復合材料力學性能優良，本實驗對Si的質量分數加入量為1%的Mg2Si/AM60復合材料分別加入0.4wt.%、0.8 wt.%和1.2wt.%Sb進行變質處理。Sb不同含量對復合材料微觀組織的影響如圖2所示。

圖2 Sb對復合材料組織的影響

未加變質劑的復合材料由α-Mg基體、β-Mg17Al12相和Mg2Si相組成。從圖2.2a中發現，大部分Mg2Si呈漢字狀。圖3為復合材料中Mg2Si顆粒的形貌及核心部位的能譜。從圖中可看出顆粒狀Mg2Si相的核心部位富含Mg、Si及Sb的化合物，從而確定其核心為Mg3Sb2。

當加入Sb質量分數為0.4wt.%時，Mg2Si/AM60的顯微組織中漢字狀Mg2Si明顯減少，大部分呈顆粒狀，且分布分散，基體組織得到細化[如圖2]。

當加入Sb質量分數為0.8wt.%時，復合材料中Mg2Si進一步得到細化，且Mg2Si趨向晶界分布。

當加入Sb質量分數為1.2wt.%時，復合材料Mg2Si開始變得粗大，且α-Mg基體組織大部分變粗大。

圖3 復合材料中Mg2Si顆粒的SEM形貌及核心部位的能譜

通過分析圖2可知，Sb加入量為0.8wt.%時晶粒細化效果最為顯著。其主要原因在于Sb與Mg形成了高熔點金屬間化合物Mg3Sb2相，在合金漿料凝固過程中Mg3Sb2相顆粒有以下幾種存在方式：

1.a-Mg相異質形核的核心，最終細化基體組織，提升晶粒形核率；

2.在合金凝固時Mg3Sb2相富集于固液界面，從而阻礙了其它原子擴散，并形成Mg2Si相異質形核的核心，從而形成大量細小Mg2Si相顆粒，最終細化晶粒；

3.Mg3Sb2凝固后也易富集于固液界面前沿，這種富集同樣影響了Al、Si等其它原子的擴散，晶粒長大受阻，最終細化晶粒。

一旦Sb含量超過0.8%（如1.2wt.%）后，晶粒粗化。因此，在加入Sb量超過0.8%后，Mg3Sb2會聚集于界面前沿并長大，使異質形核概率減少，進而影響形核率。

2.2 Sb對Mg2Si/Mg性能的影響

Sb含量對加1.0wt.%Si制備的鎂基復合材料性能的影響見表2。

表2Sb含量對鎂基復合材料的力學性能的影響

2.3 Sb對復合材料硬度的影響

Sb對Mg2Si/AM60復合材料硬度的影響如圖4所示。由圖可知未加Sb的加入，對復合材料硬度影響不大，未變質復合材料硬度為55HB，變質后硬度基本無變化，硬度值在53HB-56.3HB間波動。主要原因是復合材料硬度主要取決于Mg2Si生成的量，而變質處理并不影響Mg2Si在復合材料中的含量。因此，變質后硬度變化不大。

圖4 Sb對復合材料硬度的影響

2.4 Sb對復合材料伸長率的影響

由圖5可知，隨著Sb含量增加，復合材料伸長率隨之降低，主要原因是加入Sb后形成Mg3Sb2相，其硬度大且脆，如大量存在于復合材料組織中，容易產生脆性裂紋，而降低復合材料伸長性能，適量的Mg3Sb2相存在于組織中，可以起到細化晶粒，增強復合材料的作用。

圖5Sb對復合材料伸長率的影響

通過以上分析可知Mg2Si/AM60復合材料的強化機制主要為彌散強化和細晶強化。對粗大漢字狀的Mg2Si相細化，因其彌散程序有限，細化效果差，加入Sb變質后，基體組織細化效果明顯。

3 結論

文章闡述了Mg2Si增強相原位形成過程的，研究Si含量對原位鎂基復合材料的組織及性能的影響，并就金屬Sb在復合材料中對Mg2Si相變質作用，得出部分結論:

1.金屬Sb細化Mg2Si枝晶，當加入量達0.8wt.%時，復合材料中樹枝狀Mg2Si絕大部分轉變為彌散分布的顆粒狀。

2.在Mg2Si/AM60材料變質后能顯著細化α-Mg基體組織。Mg3Sb2相成為α-Mg基體及Mg2Si相的異質形核核心，達到細化組織的目的。經過加入多種含量Sb，最終確定當Sb加入量達0.8wt.%時，組織的細化效果最好。

3.研究復合材料力學性能發現，隨著Sb加入量的增加，復合材料的室溫屈服強度逐步提高。當Sb量為0.8wt.%時，復合材料的強度最高；一旦Sb含量超過0.8wt.%后，由于Mg2Si相發生粗化并向晶界偏聚，從而導致復合材料脆性增加。

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（責任編輯：陳 輝）

The Influence of Sb on the Mechanical Properties of the Magnesium Matrix Composites

WANG Xing-yuan，WU Xiao-quan
(The Teaching Administrative Office,Jiangxi University of Technology,Nanchang 330098,China)

Through the study of the forming of Mg2Si phase in composites,the influence of Si content on the microstructure of Mg2Si/AM60,and the influence of Sb on the composites transforming effect,the result indicates that with more Si content,the amount of Mg2Si samples increases in the solidified in AM60 alloy,and its shape becomes block,Chinese characters and dendrite.The addition of Si in the AM60 alloys plays a role that is to refine Mg2Si phase.After addition of Sb,Mg3Sb2phase was generated and it acts as the heterogeneous core of Mg2Si,the most of shape of Mg2Si could become dispersed particles.In so doing,the ideal microstructure of Mg2Si/AM60 composites can be obtained.

composites;microstructure;mechanical properties

TB33

A

123(2015)01-0034-03

2014-09-05

吳孝泉（1980-），男，湖南邵陽人，江西科技學院教務處，講師，工程師，碩士。研究方向：模具CAD/CAM。