正交試驗法分析ZM5鎂合金無熔劑重熔工藝 *

李紅成，張 娜，董含武，羅素琴，詹 俊，葉小舟，蔣 斌，陳先華，潘復生

(1. 重慶市科學技術研究院，重慶 401123；2. 重慶交通大學 材料科學與工程學院，重慶 400074；3. 重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400030)

0 引 言

鎂合金作為21世紀的“綠色”工程材料，因其具有比剛度大、比強度高、屏蔽性能好、優良的阻尼減震性能和良好的機械加工性能，被廣泛應用在國防、汽車工業、通訊電子等領域[1-7]。近年來，由于鎂合金減重帶來的經濟效益和性能的改善效果顯著，在航空航天方面更是得到了廣泛的應用[8-13]。目前，鎂合金的精煉工藝中為了減少鎂液中的夾雜物，一般把氯鹽、氟鹽組成的精煉熔劑撒在液面上。但是熔劑在高溫熔煉條件下，容易釋放腐蝕性氣體，不僅污染環境，對設備也有一定的腐蝕作用，而且同時在熔體中產生氧化夾雜和熔劑夾雜，降低了鎂合金的力學及抗腐蝕性能。隨著節能與環保的要求越來越高,鎂合金熔劑精煉技術的缺點更為突出，這就需要對其進行改進。在此基礎上無熔劑精煉技術應運而生，并逐漸發展與成熟起來[14-17]。

鎂合金無熔劑精煉技術是集“氣體保護、氣體精煉、慣性分離、自凈化過濾、自然沉降”等多種技術優點于一體的鎂熔體無熔劑精煉工藝。此技術是將鎂錠預熱烘干后，加入到井式電阻爐中進行加熱熔化，等溫度達到設定值后，再通入精煉氣體，使其打碎成彌散的精煉氣泡；將精煉氣泡與熔體中懸浮在熔體中的夾雜物結合，氣泡帶動夾雜物上浮，達到分離浮渣的效果，而密度較大的夾雜物逐漸下降并沉積于坩堝底部，最后得到較好的鎂合金熔體[17-18]。

ZM5鎂合金因其具有良好的焊接性、流動性以及較低的熱裂傾向，其主要用于飛機框、油箱隔板、輪轂零件以及各種殼體零件等。而且ZM5鎂合金中不含有稀土金屬和Zr，是一種較為價廉的鎂合金[19-20]。本文以ZM5鎂合金為研究對象，開展預制錠應用于熔煉鑄造的基礎研究，確定無熔劑重熔條件下的合金組織和性能變化，為鎂合金連續、半連續化鑄造生產要解決的關鍵熔煉環節奠定工藝技術基礎。

1 實驗方法

1.1 試驗材料與熔煉過程

實驗材料為ZM5鎂合金鑄錠，其成分(%(質量分數))為7.8Al，0.52Zn，0.26Mn，Si≤0.12，Fe≤0.02，Cu≤0.08，Ni≤0.001，其余為鎂，并把ZM5鎂合金原始鑄錠切割成合適的大小。熔煉過程在井式電阻爐中完成，低碳鋼坩堝預熱至720 ℃時加入ZM5鎂合金鑄錠，待合金熔化除渣后，通入保護氣體攪拌，氣體成分為95%Ar+5%CO2(體積分數)，待ZM5鎂合金鑄錠熔化后升溫至試驗溫度，然后進行精煉，精煉完成后讓熔體靜置，在720 ℃ 將合金熔體澆入預熱至300 ℃ 的金屬模具中。

1.2 正交試驗方案

選擇對力學性能有影響的氣體攪拌時間(A)、熔體保溫溫度(B)、熔體保溫時間(C)三個主要因素，每個因素各取三個水平(見表1)，選用正交表L9(34)安排試驗。

表1 因素水平

1.3 試驗材料的測試

采用 Leica公司DS金相顯微鏡對合金的橫截面進行光學金相(OM)觀察，取樣尺寸為 10 mm×10 mm。金相試樣經磨平、拋光后，采用4%的硝酸酒精腐蝕液對合金進行腐蝕；采用新三思 GMT-5105 微機控制電子萬能拉伸試驗機，拉伸速率為 2 mm/min，拉伸試驗嚴格按照 GB/T 228.1-2010標準進行，測試樣品的最大拉伸強度(UTS)和屈服強度(YS)。

采用德國NETZSCH公司綜合熱分析儀 STA499C 對合金樣品進行差熱分析(DSC)。將合金樣品制成重量為4 mg以下的金屬小顆粒，放入高純度剛玉坩堝中密封，以減少和防止鎂蒸發。為防止合金樣品氧化，檢測過程中通入高純氬氣(Ar)保護。實驗參數為：從室溫以10 K/min的速率加熱到650 ℃。采用 VEGA Ⅱ LMU 型號掃描電子顯微鏡(SEM)對合金顯微組織進行觀察，并結合其附件 INCAEnergy 340的X射線能譜儀(EDS)分析試樣表面微區成分。

2 結果與討論

2.1 正交試驗結果

正交試驗結果見表2。

表2 正交試驗方案及結果

由表2可知，第9號試樣的力學性能最好，其次是2號試樣。根據其極差值的大小，可知熔體保溫時間對力學性能影響最大，取二水平；熔體保溫溫度次之，取一水平；氣體攪拌時間影響最小，取三水平。因此最佳工藝參數是A3B1C2，即熔體保溫時間是40 min，熔體保溫溫度為740 ℃，氣體攪拌時間是3 min。即ZM5鎂合金經保溫溫度740 ℃、保溫40 min和氣體攪拌時間3 min的試驗操作后，力學性能達到最大。

2.1.1 氣體攪拌時間對力學性能的影響

圖1為根據正交試驗分析由正交試驗結果所得出的不同氣體攪拌時間因素對ZM5鎂合金力學性能的影響規律圖。

圖1 氣體攪拌時間對力學性能的影響Fig 1 Effect of gas stirring time on mechanical properties

由圖1結合表2中極差分析可知，不同氣體攪拌時間的力學性能極差值R較小，差值為8.61，因此不同氣體攪拌時間的變化對ZM5鎂合金力學性能影響很小。其原因，氣體攪拌主要作用是分離熔體中的夾雜物。圖2為不同氣體攪拌下ZM5鎂合金的金相圖。如圖2可知，重熔后3個合金樣品中的雜質基本上一樣，所以氣體攪拌時間對重熔后合金微觀組織的影響較小，進而對力學性能影響較小。

圖2 不同氣體攪拌時間下ZM5鎂合金的金相圖Fig 2 OM images of ZM5 magnesium alloy under different gas stirring time

2.1.2 熔體保溫溫度對力學性能的影響

圖3為由正交試驗結果所繪出的不同熔體保溫溫度條件下的力學性能分布圖。

圖3 不同溫度下ZM5鎂合金的力學性能分布Fig 3 Distribution of mechanical properties of ZM5 magnesium alloy at different temperatures

由圖3可以看出，熔體保溫溫度對ZM5鎂合金力學性能的影響規律總體來講隨著溫度的升高，力學性能先降低后升高，740 ℃時，樣品的力學性能最好，相對穩定。結合圖4為不同熔體保溫溫度下ZM5鎂合金的金相圖，如圖可知，隨著溫度的升高，樣品的氧化造渣越來越明顯，在740 ℃ 時合金熔體的流動性較好，雜質含量最小。因此，熔體保溫溫度選擇740 ℃。

圖4 不同溫度下ZM5鎂合金的金相圖Fig 4 OM images of ZM5 magnesium alloy at different temperatures

2.1.3 熔體保溫時間對力學性能的影響

圖5為由正交試驗結果所繪出的不同保溫時間下的力學性能分布圖。

圖5 不同時間下ZM5鎂合金的金相圖Fig 5 OM images of ZM5 magnesium alloy at different times

由力學性能分布圖分析可得到，740 ℃下，隨著保溫時間的延長，樣品的力學性能先減小后升高；而760和780 ℃ 下，隨著保溫時間的延長，樣品的力學性能先升高后減小?？傮w來說，40 min保溫下的力學性能最好，所以熔體保溫時間選擇40 min。

2.2 正交試驗結果的方差分析

由方差分析結果(表3)可知，三個因素對力學性能的影響都不顯著。原因可能是試驗誤差大且誤差自由度(僅為2)使檢驗的靈敏度低，從而掩蓋了考察因素的顯著性。

表3 方差分析結果

由于各因素對力學性能影響都不顯著，不必再進行各因素水平間的多重比較。此時，可以從表2選擇平均數最大的水平A3、B1、C2組合成最優水平組合A3B1C2，即熔體保溫時間是40 min，熔體保溫溫度為740 ℃，氣體攪拌時間是3 min。

3 重熔前后ZM5鎂合金微觀組織結果與討論

3.1 ZM5鎂合金原始鑄錠的微觀組織

ZM5鎂合金原始鑄錠的微觀組織如圖6。從圖6可以看出，ZM5鎂合金原始鑄錠的晶粒非常大，尺寸約在500 μm以上，且枝晶豐富。說明合金凝固速度較小，凝固時間比較長，晶粒和枝晶有足夠的生長時間。而且，ZM5鎂合金的枝晶間有較多的化合物第二相，應該是AZ系列鎂合金中常見的Mg-Al二元化合物第二相Mg17Al12。

圖6 ZM5鎂合金原始鑄錠合金金相組織Fig 6 OM image of ZM5 original ingot

3.2 重熔后ZM5鎂合金夾雜物

圖7為重熔后ZM5鎂合金夾雜物的金相圖。如圖7所示，重熔后的ZM5鎂合金中，雜質主要是點狀，面積分數約為0.09%，換算后的體積分數為0.06%。

圖7 重熔后ZM5鎂合金夾雜物的金相圖Fig 7 OM image of inclusions in ZM5 magnesium alloy after remelting

表4 重熔后ZM5鎂合金中夾雜物的EDS結果

圖8和表4為重熔后ZM5鎂合金中夾雜物的微觀組織圖和成分分析結果。從圖8和表4得出，重熔后ZM5鎂合金的雜質中，除了Mg、Al、Mn等合金本體的元素之外，還含有O、C、Si等雜質元素。O元素的存在，說明雜質中含有氧化物；少量Si元素的存在，應該是在熔煉和保溫的過程中，合金中的Si元素雜質被富集的夾雜物中；C元素的含量非常高，其原子數目含量達到27%以上，這是因為(Ar + CO2)混合氣體攪拌過程中，CO2與合金成分反應生成了化合物，然后與氧化物等一起形成了夾雜物。

圖8 重熔后ZM5鎂合金中夾雜物的SEM圖Fig 8 SEM image of inclusions in ZM5 magnesium alloy after remelting

3.3 重熔前后的ZM5鎂合金的DSC曲線

重熔前后ZM5鎂合金的DSC曲線如圖9所示。從圖9可以看出，重熔前的ZM5鎂合金的凝固過程中出現了2個峰值點，它們對應的溫度分別為590和425 ℃，其對應的是基體α-Mg相的凝固點以及Mg17Al12與基體α-Mg相的低共熔體的凝固點；在重熔后的ZM5鎂合金凝固過程中同樣存在以上兩個放熱峰；此外，重熔前后的ZM5鎂合金的凝固曲線上并無明顯的其他吸熱峰和放熱峰。這些現象說明，重熔前后的ZM5鎂合金的凝固過程一致，并無明顯差別。即重熔對ZM5鎂合金的凝固過程不會產生明顯影響。

圖9 ZM5鎂合金的DSC曲線：(a)重熔前，(b)重熔后Fig 9 DSC curves of ZM5 magnesium alloy before and after remelting

3.4 ZM5鎂合金的組織遺傳性

ZM5鎂合金的微觀結構如圖10所示，重熔前的ZM5鎂合金中，除了基體α-Mg相之外，合金中還存在大量的Mg17Al12相。重熔后的ZM5鎂合金中，基體α-Mg相基本上是由Mg元素組成，合金中還存在大量大塊的Mg17Al12低共熔體相，此外，合金中還有少量的Mg-Zn二元相。

圖10 ZM5鎂合金的SEM圖Fig 10 SEM images of ZM5 magnesium alloy befoe and after remelting

ZM5鎂合金主要包括Al和Zn兩種合金元素，它們與Mg元素形成化合物第二相的熔化或者分解溫度約為460 ℃，遠低于鎂合金的熔化溫度(一般為720～750 ℃)。因此，ZM5鎂合金中化合物的第二相會在合金重熔的時候分解或者熔化，而不會對重熔后合金的組織產生影響。即ZM5鎂合金基本上不會出現組織遺傳性。圖9中的DSC分析結果也證明這一點。

合金組織遺傳性的出現，需要的條件是：(1)合金可以生成化合物第二相；(2)這些第二相(或者它們轉化后的第二相)的熔化或者分解溫度，高于鎂合金的熔化溫度或者保溫溫度；(3)合金的凝固速度較小。對ZM5鎂合金而言，合金中的元素可以生成化合物第二相，但是這些第二相在合金熔化后完全分解。故ZM5鎂合金基本上不存在組織遺傳性。

4 結 論

(1)影響力學性能的顯著因素是熔體保溫時間，根據極差和方差分析得出最佳的工藝參數：熔體保溫時間是40 min，熔體保溫溫度為740 ℃，氣體攪拌時間是3 min。

(2)重熔前后ZM5鎂合金微觀組織比較結果得出，重熔后ZM5鎂合金雜質中除了Mg、Al、Mn等合金本體元素外，還含有O、C、Si等雜質元素，并且重熔后ZM5鎂合金基本上不存在組織遺傳性。