不同壓力下AZ31鎂合金的凝固組織及性能變化

朱倩麗+曹君+夏園園+楊帆

摘 要：我國的鎂礦資源豐富，是原鎂生產大國，但在鎂資源利用上依然停留在原鎂生產階段，對于高質量鎂合金制備等深加工方面，我國依然顯著落后于世界先進水平，我國鎂行業迫切需要提高自己的實力。

關鍵詞：壓力；鎂合金；組織；性能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.024

0 引言

本文選用AZ31鎂合金作為課題研究對象，基于加壓凝固基礎理論及影響機制，分析研究了加壓對鎂合金凝固組織變化特征以及性能的影響，其不僅對控制鎂合金凝固組織進而改善性能具有積極意義，而且對進一步豐富鎂合金凝固理論都也具有一定影響。

1 實驗條件和方法

本實驗選用AZ31鎂合金，主要化學成分（質量百分比）見表1。采用一端封閉的不銹鋼管作為澆鑄的模型，本實驗采用的壓力條件分別是常壓，靜壓，離心壓力。

選用高純石墨坩堝作為AZ31合金熔煉容器，設定熔煉溫度為720℃。合金熔煉過程中使用2#溶劑進行熔體的保護和除渣處理。待合金完全熔化后澆注入預熱的管子中，澆注時采用氬氣保護，澆鑄溫度670℃～685℃。

靜壓力是通過管式加熱爐的加熱區域控制鎂合金熔體的施加靜壓的高度，通過熔體自重來補縮，獲得在不同熔體深度下具有不同的靜壓頭作用的凝固組織。

離心壓力凝固是將澆注冷卻的管子封閉后加熱至合金融化，放入轉速為1400r/min的離心設備上進行離心加壓使得合金完全凝固。注意，管子在放入井式加熱爐之前要用石棉布包裹，確保管子拿出井式爐未開始離心凝固之前管子內的合金處于液態。

為了明顯的對比兩種工藝的優缺點，靜壓力凝固的鑄件取樣沿重力方向的底部位置，離心壓力凝固的鑄件取離旋轉中心遠的邊部位置。

試樣磨制，拋光和腐蝕后，在奧林巴斯金相顯微鏡和日產S-3400N型的掃描電鏡下觀察顯微組織，利用型號為D/max2200PC的XRD衍射儀對不同凝固條件制備成的金相試樣進行相成分測試，確定相組成。使用型號HX-1000TM的顯微硬度計進行硬度測試。在型號Instron8801的拉伸機上測試力學性能。

2 實驗結果及分析

圖1為AZ81靜壓、常壓和離心凝固試樣的顯微組織圖片 ，用Image J金相圖片分析軟件測量的平均晶粒尺寸為常壓70.64um，靜壓61.49 um，離心壓力47.59 um，第二相β-Mg17A112的體積分數為常壓25.89%，靜壓11.74%，離心壓力4.37%。

AZ31常壓試樣晶相組織中的第二相β-Mg17A112呈連續粗大的網狀，廣泛分布于晶界，富集Al的液相發生α-Mg+β-Mg17A112共晶轉變形成第二相沿晶界析出。靜壓試樣晶粒組織較常壓試樣晶粒尺寸變化不大，第二相析出量相對減少，第二相沿晶界呈蠕蟲狀分布，晶界周圍也存在少量細小粒狀析出相。這主要是由于壓力凝固過程中，熔體自重對底部液體施壓，但是靜壓的壓力不大，對溶質的擴散系數影響不大，并未使排出的鋁元素大量“截留”于α-Mg相之中，大量的鋁元素最終都被“推”到晶界處達到共晶點，熔體中共晶轉變L→α-Mg+β-Mg17A112大量進行，因此在晶界處形成了大量網狀的第二相，另一方面由于靜壓壓力不大，過冷度較常壓試樣增大不明顯，其對形核率影響不大，所以靜壓較常壓的細化程度較小。

離心試樣的晶粒尺寸較常壓和靜壓試樣晶粒明顯細化，晶粒大小均勻，第二相析出量較靜壓試樣少，第二相形貌呈彌散顆粒狀。這主要是由于一方面，除了模具可以與外界進行熱傳導，離心凝固的散熱非?？?，所以凝固速度比常壓和靜壓冷卻速度快。鎂合金的熔體在凝固過程中，離心壓力比靜壓力大幾十倍，離心力不僅增大了傳熱速率，且使熔體的過冷度增大，從而形核質點數量增多，離心力也使先凝固層的晶體就越易脫落、斷裂及晶粒增多，凝固后的組織形貌就越細小，從而縮短了形核時間和凝固時間。另一方面，離心力減小了溶質Al的擴散速率，使得Al元素在Mg中的固溶度增大，固-液界面前沿凝固速度大于Al元素的擴散速度，鋁元素被大量固溶于初生相中，冷卻最后階段在晶界處排出的Al元素含量要遠低于靜壓試樣晶界處的Al元素，因此生成的第二相少，由于晶粒更加細小因此第二相分布更加彌散。

對試樣中的物相分析主要采用D/max2200PC型X射線衍射儀、X射線衍射分析實驗參數為：衍射條件為Cu靶，X射線征波長為0.154178nm，40kV電壓，衍射范圍20°-90°，掃描步長0.02°/s。

圖1為AZ81靜壓、常壓和離心凝固試樣的X射線衍射分析，從XRD圖中可看出，常壓和靜壓凝固時存在Mg與β相的衍射峰，β相的衍射峰強度隨著凝固壓力的增加而降低，離心凝固時無β相的衍射峰。常壓試樣中Mg17Al12相衍射峰最明顯，其后靜壓試樣中Mg17Al12相衍射峰強度降低，在離心凝固試樣中幾乎測不到第二相Mg17Al12的衍射峰，這說明隨著凝固壓力的增加，α-Mg的析出量增加，β相的析出量減少。

通常來說，加壓凝固后的組織是非平衡組織，由于合金凝固組織決定其力學性能，所以加壓凝固后其力學性能應該也有所變化。合金力學性能是表征結構合金最重要的參數之一。

表2是AZ31鎂合金在不同凝固條件下的拉伸性能數值。常壓凝固條件下，AZ31合金的抗拉強度是112.63MPa，隨著凝固壓力的升高，合金的力學性能逐漸提高，包括抗拉強度，屈服強度以及延伸率。當在離心力下凝固時，合金的抗拉強度提高到215.52MPa，是接近常壓凝固的合金抗拉強度的2 倍，屈服強度達到了121.93MPa，延伸率也達到了1.85%。

可由Hall-Petch公式]得知材料的屈服強度與其顯微組織的晶粒尺寸有直接關系。隨著凝固壓力的增大，鎂合金鑄件室溫力學性能提高的主要原因為：（1）凝固組織的晶粒細化；（2）第二相組織的細化和分散[6]；（3）合金元素在基體中的固溶強化。

3 結論

（1）鎂合金經過壓力凝固處理后組織形貌發生了明顯的變化，壓力從常壓到靜壓再到離心壓力，AZ31的晶粒組織明顯細化且逐步均勻化；AZ31第二相沿晶界的形態分布由塊狀到連續網狀再到彌散細小顆粒狀；（2）隨著凝固壓力的增大，AZ31拉伸性能有所改善，AZ31合金強度顯著提高， AZ31合金的抗拉強度由常壓的112.63MPa提高215.52MPa；（3）凝固壓力對鎂合金的顯微硬度有一定程度的影響。第二相β-Mg17A112的硬度要大于基體相α-Mg，而隨著凝固壓力的增大，凝固組織中第二相的析出量減少，所以鎂合金的顯微硬度隨著凝固壓力的增大而減小。

參考文獻：

[1]侯維芝，譚建波，王彥輝.鎂合金壓鑄的應用前景之探討[J].機械設計與制造，2004（01）.

[2]滕海濤，張小立，齊凱等.離心鑄造AZ6lA鎂合金管的顯微組織和力學性能[J].稀有金屬材料與工程，2010，39（08）：1466-1468.

[3]李培杰，弭光寶.鎂合金熔體在高壓場作用下流場、傳熱特性及凝固組織形成規律[R].國家重點基礎研究發展計劃課題中期報告， 沈陽：東北大學，2008：12-13.