超聲孕育處理對AS41鎂合金凝固組織的影響

樂啟熾，張志強，崔建忠，劉鴻明，高恩保

(東北大學 材料電磁過程研究教育部重點實驗室，沈陽110004)

超聲孕育處理對AS41鎂合金凝固組織的影響

樂啟熾，張志強，崔建忠，劉鴻明，高恩保

(東北大學 材料電磁過程研究教育部重點實驗室，沈陽110004)

采用連續功率超聲對 AS41鎂合金熔體進行孕育處理，研究超聲處理功率(強度)、處理時間和處理溫度等工藝條件對其凝固組織的影響規律。通過對凝固金相和低倍組織觀察以及XRD和Mg2Si相的點陣常數計算，結果表明：連續功率超聲孕育處理可以顯著細化 AS41鎂合金的凝固組織，晶粒尺寸僅為無超聲處理時的30%～50%；適當提高超聲強度和處理溫度以及適當延長處理時間均可增強細化效果。優化的處理條件如下：超聲強度為30～40 W/cm2，處理時間為50～80 s，處理溫度為650～700 ℃。此外，超聲處理也使Mg2Si相細化和球化，Mg2Si相的點陣常數也發生明顯變化。

AS41鎂合金；熔體；超聲孕育處理；凝固組織

Abstract:Continuous power ultrasound was applied to inoculating the AS41 melt, and the effects of inoculating conditions including ultrasonic power (intensity), treating time and treating temperature on the solidification microstructures were investigated. According to the metallographical and macroscopical observation together with the XRD pattern and the calculation of Mg2Si phase lattice constant, the results indicate that the continuous power ultrasonic inoculation treatment can refine the grain size of AS41 magnesium alloy markedly, and the grain size with ultrasonic treatment is only 30%?50% as that without ultrasonic treatment. The grain refinement is improved by enhancing ultrasonic intensity, elevating treating temperature (melt temperature), or prolonging treating time. Its optimum condition is that the ultrasonic field with intensity of 30?40 W/cm2treats AS41 melt in the temperature range of 650?700 ℃ for 50?80 s. In addition, the ultrasonic treatment also leads to the refinement and spheroidization of Mg2Si and the change of its lattice constant as well.

Key words:AS41 magnesium alloy; melt; ultrasonic inoculation; solidification microstructure

自1925年德國用壓鑄方法生產鎂合金部件以來，鎂合金壓鑄已走過80多年歷史。早期壓鑄鎂合金主要是 AZ91鎂合金，后來德國大眾開始使用 AZ81和AZ61鎂合金進行壓鑄。由于AZ系鎂合金的耐熱溫度只有150 ℃，因此，Dow和Norsk Hydro等公司開始開發耐熱溫度可達到175 ℃而其他性能與AZ81相當的鎂合金體系。迄今為止，最成功的是NL Industries和Dow公司在1970年代開發的Mg-Al-Si-Mn系合金。該合金有較好的耐熱性且比含稀土的耐熱鎂合金廉價。德國大眾在1971年左右逐漸把其超過一半的產品用AS41鎂合金替代AZ81鎂合金[1]。

AS系鎂合金比AZ系鎂合金具有更好的耐熱性，這可能與其低Al含量和穩定的Mg2Si相析出有關[2?3]。但是，添加Si只在壓鑄件中有效，在一般的砂型鑄造中，由于有粗大的漢字狀Mg2Si相析出，導致在析出相與基體之間的界面上容易產生裂紋，最終導致力學性能的顯著降低[4?5]。通過在合金中添加 Sb、Ca、P或Sr等變質劑或者改變合金中的Si含量[5?8]，或者通過快速凝固[9]、機械合金化[10?11]等方法可改變 Mg2Si相的形貌，從而提高合金的力學性能。

大量研究表明，鎂合金熔體的超聲處理可以實現其凝固組織的細化[12?13]，且對鎂合金熔體中的第二相形貌有顯著影響[14]。與其他合金熔體相比，對鎂合金熔體進行超聲處理的最大優點在于用普通鐵質材料制造的變幅桿在熔體中具有很好的耐久性，不存在腐蝕和污染問題。本文作者采用連續功率超聲對AS41鎂合金熔體進行孕育處理，研究超聲功率、處理時間和處理溫度等條件對AS41鎂合金凝固組織和Mg2Si相形貌的影響規律。

1 實驗

AS41鎂合金熔體采用電阻坩堝爐熔制。Si以Al-20%Si(質量百分數，下同)中間合金形式加入，Mn以錳劑形式加入。其化學分析結果為 Mg-4.1%Al-1.1%Si- 0.22%Mn。把熔制好的合金在錐形坩堝(上口內徑d40 mm，底部內徑d20 mm)中加熱熔化到設定溫度后，采用頻率為20 kHz、最大功率為2 kW的連續超聲進行處理后，最后在坩堝中直接水冷。功率調節誤差為±10 W，計時誤差為±5 s。處理過程中采用CO2+0.5% SF6混合氣體進行保護。

在直接水冷后得到的鑄錠中心部位取樣進行組織觀察。金相觀察試樣不進行蝕刻，宏觀低倍觀察和偏振光觀察試樣分別采用苦味酸3 g+酒精50 mL+蒸餾水5 mL+冰乙酸2.5 mL和苦味酸6.5 g+酒精100 mL+蒸餾水10 mL+冰乙酸5 mL進行蝕刻。利用Leica顯微鏡的配套圖像分析軟件對組織進行定量分析。

2 結果與分析

2.1 超聲孕育處理對AS41鎂合金凝固組織的影響

2.1.1 超聲功率對晶粒尺寸的影響

圖1所示為未經超聲處理和經不同功率超聲孕育處理50 s后AS41鎂合金凝固組織的宏觀低倍照片和顯微偏振光照片以及由偏振光照片進行圖像分析得到的不同處理條件的平均晶粒尺寸變化。

由圖1(a)可見，無超聲處理的AS41鎂合金凝固組織中的晶粒粗大且尺度不一。根據定量分析，平均晶粒尺寸約為383 μm。由圖1(b)～(e)可見，熔體經超聲處理后，其凝固組織顯著細化且晶粒尺寸的差異明顯減小，但細化程度與所施加的超聲功率(強度)有關。由圖1(f)可見，當超聲功率為100 W(超聲強度為14 W/cm2)時，平均晶粒尺寸為196 μm，約為無超聲處理時的51%；當超聲功率為270 W (超聲強度38 W/cm2)時，平均晶粒尺寸為107 μm(為無超聲處理時的28%)；當功率達到570和780 W (超聲強度分別為85和111 W/cm2)時，平均晶粒尺寸分別為121和129 μm(為無超聲處理時的31.6%和33.7%)。以上結果表明，超聲孕育處理可顯著細化AS41鎂合金的凝固組織。細化程度與超聲功率有關，適當增加超聲功率可提高細化效果，但功率過大則細化效果有所減弱。超聲功率對AS41鎂合金的影響與其對Mg-Ca和AZ80鎂合金的影響類似[12?13]。

超聲功率對細化效果的影響應與超聲非線性空化效應強弱及熱效應有關。在較低的超聲強度下，超聲空化效率較低，細化效果也較差；超聲強度增加時，細化程度也提高；但超聲強度過大時，超聲熱效應將部分抵消空化效應對晶粒細化的作用效果。

2.1.2 超聲孕育處理時間對晶粒尺寸的影響

圖2所示為超聲功率為100 W時分別孕育處理15、50和80 s后AS41鎂合金凝固組織的宏觀低倍照片和顯微偏振光照片以及對應的平均晶粒尺寸變化。由圖2可見，超聲孕育時間對AS41鎂合金的凝固組織有明顯影響，隨著處理時間延長，平均晶粒尺寸逐漸減小。處理時間為50和80 s時，平均晶粒尺寸分別達到197和113 μm，是處理時間為15 s時(367 μm)的 53.7%和 30.8%。這表明延長孕育處理時間可明顯提高細化效果。需要指出的是，從超聲功率對細化效果的影響可見，延長小功率超聲(100 W)的處理時間將有利于熔體中超聲非線性效應的積累，達到增強細化效果的目的，但可預見若延長較高功率超聲的處理時間，則可能因熱效應較大而削弱細化效果。

2.1.3 熔體溫度對凝固組織的影響

圖3所示分別為650和700 ℃的AS41鎂合金熔體未施加超聲和施加570 W超聲處理50 s后凝固組織的顯微偏振光照片以及對應的平均晶粒尺寸變化。由圖3可見，無超聲處理時，凝固組織均較粗大，熔體溫度為650和700 ℃時，凝固組織平均晶粒尺寸分別為383和420 μm，而經超聲處理的凝固組織平均晶粒尺寸分別為121和110 μm。這表明施加超聲可顯著細化晶粒，更重要的是，無超聲處理時高溫(700 ℃)熔體因比低溫(650 ℃)熔體冷卻速率低而晶粒粗大，但經超聲處理后，盡管高溫熔體也比低溫熔體有較低的冷卻速率，但其凝固組織反而更細小。因此，對高溫AS41鎂合金熔體進行超聲處理可以獲得更好的細化效果。這可能與高溫熔體的黏度較低、超聲的衰減較少以及空化效率較高有關。

圖1 650 ℃時超聲功率對AS41鎂合金凝固組織與平均晶粒尺寸的影響Fig.1 Effects of ultrasonic power on solidification microstructures and average grain size of AS41 magnesium alloy at 650 ℃: (a)W ithout ultrasonic; (b) 100 W, 50 s; (c) 270 W, 50 s; (d) 570 W, 50 s; (e) 780 W, 50 s; (f) Average grain size

2.2 超聲孕育處理對AS41鎂合金凝固組織中Mg2Si相形貌的影響

Mg2Si相是 AS41鎂合金中的主要析出相。圖 4和5所示分別為超聲功率和處理時間對AS41鎂合金中Mg2Si相形貌的影響。由圖4(a)可見，無超聲處理時，Mg2Si相呈現十分粗大的漢字狀形態，其骨架線條較寬，此外，還有多邊形Mg2Si相析出。由圖4(b)～(e)可見，施加超聲時，多邊形Mg2Si相不再出現，而且隨著超聲功率增加，漢字狀Mg2Si相逐漸細化及不連續化，骨架寬度逐漸減小；在較高的功率(570和780 W)下，多數Mg2Si相轉變為彌散的細小球狀顆粒。由此可見，超聲孕育處理對AS41鎂合金中Mg2Si相有顯著的細化效果，且其細小彌散化效果隨功率增加而增強。以上結果表明，超聲功率對AS41鎂合金的晶粒細化以及對Mg2Si析出相的影響有不同的規律，因此，在選擇超聲功率時應綜合考慮對兩者的影響。由圖 5可見，在較低超聲功率(100 W)下，延長處理時間可以增強Mg2Si相的細化與彌散化效果。這與提高超聲功率有相似規律。

圖2 650 ℃時處理時間對AS41鎂合金凝固組織與平均晶粒尺寸的影響Fig.2 Effect of treating time on solidification microstructures and average grain size of AS41 magnesium alloy at 650 ℃: (a) 100 W, 15 s; (b) 100 W, 50 s; (c) 100 W, 80 s; (d) Average grain size

2.3 超聲處理條件對AS41鎂合金中Mg2Si相晶格常數的影響

圖6所示為熔體未經超聲處理和經不同功率超聲處理的AS41鎂合金凝固樣品的XRD譜。由圖6可見，鑄態AS41鎂合金的相組成為α-Mg基體、β-Mg17A112和Mg2Si析出相，其中β-Mg17A112相以黑色點狀隨機分布于α-Mg基體內。超聲處理功率為100 W時，AS41鎂合金中α-Mg的(101)和(103)晶面所對應的衍射峰強度增大，而其(002)和(100)晶面所對應的衍射峰強度減小，說明超聲處理使得α-Mg在(101)和(103)晶面形成擇優取向，且隨超聲功率增大，這種趨勢更明顯。但超聲功率對 Mg2Si相在各晶面的衍射強度影響不明顯。

Mg2Si相為體心立方結構，采用直線最小二乘外推法[15]求得經不同超聲功率處理后 AS41鎂合金中Mg2Si相點陣常數的精確值a0如表1所列。由表1可見，超聲功率為100 W時，a0由無超聲時的0.635 078 nm 減小到0.634 520 nm(減小幅度0.088%)；超聲功率增大到270 W時，a0減小到0.634 328 nm(減小幅度0.118%)；但當超聲處理功率進一步增大時，a0反而增大且比無超聲時還大。電磁場可以降低 Al-5.3Zn和Al-1.2Cu的晶格參數，其變化率為0.035%[16]。以上所述表明，超聲場對合金晶格常數的影響要遠大于電磁場的影響。這可能與超聲孕育所致的固溶體的短程有序化或析出相的元素固溶量變化有關。

圖3 熔體溫度對AS41鎂合金凝固組織與平均晶粒尺寸的影響Fig.3 Effects of melt temperature on microstructures and average grain size of AS41 magnesium alloy: (a) 650 ℃,without ultrasonic; (b) 700 ℃, without ultrasonic; (c) 650 ℃, with ultrasonic (570 W, 50 s): (d) 700 ℃, with ultrasonic (570 W, 50 s); (e) Average grain size

圖4 650 ℃時超聲功率對Mg2Si相形貌的影響Fig.4 Effect of ultrasonic power on morphology of Mg2Si phase at 650℃: (a) Without ultrasonic; (b) 100 W, 50 s; (c) 270 W, 50 s; (d) 570 W, 50 s; (e) 780 W, 50 s

圖5 650 ℃時處理時間對Mg2Si相形貌的影響Fig.5 Effect of treating time on morphology of Mg2Si phase at 650 ℃: (a) 100 W, 20 s; (b)100 W, 50 s; (c) 100 W, 80 s

表1 不同超聲處理條件下AS41鎂合金凝固組織中Mg2Si相的點陣參數Table 1 Lattice constanst of Mg2Si phase in solidification microstructure of AS41 magnesium alloy after different ultrasonic treatments

圖6 AS41鎂合金凝固樣品的XRD譜Fig.6 XRD patterns of AS41 magnesium alloy solidification samples

3 結論

1) 超聲孕育處理可顯著細化AS41鎂合金的凝固組織，其晶粒尺寸約為無超聲處理時的30%～50%，其細化程度與超聲功率(強度)、處理時間以及熔體溫度密切相關。優化的處理條件如下：超聲強度為 30～40 W/cm2，處理時間為50～80s，處理溫度為650～700 ℃。

2) 超聲孕育處理可使AS41鎂合金凝固組織中的Mg2Si相顯著細化、彌散化，甚至球化，但Mg2Si相細化與AS41鎂合金凝固基體組織細化難以同時達到最優效果。

3) 超聲處理使 α-Mg在(101)和(103)晶面形成擇優取向，且隨超聲功率的增大，趨勢更明顯，但對Mg2Si相在各晶面的衍射強度影響不大。

4) 超聲處理顯著改變AS41鎂合金中的Mg2Si相的晶格常數，且變化程度遠大于施加電磁場的效果。

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(編輯 何學鋒)

Effect of ultrasonic inoculation treatment on solidification microstructure of AS41 magnesium alloy

LE Qi-chi, ZHANG Zhi-qiang, CUI Jian-zhong, LIU Hong-ming, GAO En-bao
(Key Laboratory of Electromagnetic Processing of Materials, Ministry of Education,Northeastern University, Shenyang 110004, China)

TG146.2; TG249.9

A

1004-0609(2010)05-0813-07

國家重點基礎研究發展計劃資助項目(2007CB613702)；國家自然科學基金資助項目(50974037, 50904018)；教育部新世紀優秀人才支持計劃資助項目(NCET-08-0098)；中央高校基本科研業務專項資金資助項目(N090209002)

2009-09-13；

2009-12-20

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