不同合金元素對Mg15Al高鋁鎂合金組織與性能的影響

許美賢，王紅霞

（太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

鎂合金是目前實際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有重量輕、電磁屏蔽效果好、抗震減振能力強、易于機械加工成形和易于回收再利用等優(yōu)點，在航空航天、汽車以及3C產(chǎn)品領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，被譽為“21世紀綠色工程金屬結(jié)構(gòu)材料”[1]。當前，制約鎂合金作為結(jié)構(gòu)材料廣泛應(yīng)用的問題之一是其力學(xué)性能較差，在某些對強度有特殊要求的場合下，無法滿足要求。這就需要采取適當?shù)拇胧﹣硖岣哝V合金的強度，壓鑄、擠壓、合金化都可以用來提高鎂合金的強度。但是壓鑄需要特定的設(shè)備，成本比較高；擠壓則耗時較長；相比較而言，合金化是成本最低，最有效，也是最常用的方法。目前，在AZ系列上采取合金化的方法來提高強度已經(jīng)取得了比較大的進展，但對高Al鎂合金方面的研究還較少。為此，本文主要探討幾種常見的合金元素（Zn，Nd，Si）對高Al鎂合金組織和性能的影響。首先制備出 Mg15Al、Mg15Al1Zn、Mg15Al1.5Nd、Mg15Al1Si4 種鎂合金，然后比較這4種合金在鑄態(tài)下金相組織和力學(xué)性能，得出這3種合金元素對高Al鎂合金組織和性能的影響規(guī)律。

1 試驗材料及方法

1.1 實驗材料及熔化工藝

本實驗采用純鎂、純鋁、Al-Si、Al-Nd中間合金作為實驗的原材料（其中Si和Nd在Al-Si、Al-Nd合金中的質(zhì)量分數(shù)分別為25%和30%）。實驗合金的化學(xué)成分見表1。

表1 合金的成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

圖1 Mg15Al-x鎂合金的金相組織照片

先將模具和原料一起預(yù)熱到200℃，當電阻爐加熱到500℃時將料放入置于爐中的不銹鋼杯內(nèi)，升溫至700℃進行熔煉，熔化后升溫至740℃，先進行扒渣，待爐溫升到740℃，放入（質(zhì)量分數(shù)）0.5%C2CL6精煉2 min，扒渣后升溫至740℃保溫10min，再次扒渣，待溫度回升至740℃通入Ar氣，攪拌2min，回溫至740℃保溫15min，降溫至700℃先扒渣，然后澆入預(yù)熱好的金屬型模具中。本實驗在熔煉時采用CO2和SF6的混合氣體作為保護氣體。Mg15Al1Zn，Mg15Al1Si，Mg15Al1.5Nd 合金的熔煉工藝與Mg15Al熔煉工藝基本相同。

1.2 微觀組織觀察及力學(xué)性能測試

使用電火花線切割機將鑄錠切割成1 cm×1 cm的金相試樣及3mm×13mm×1.5mm的拉伸試樣。在Cmm-20光學(xué)顯微鏡上觀察組織并拍照。在SANS型電子萬能試驗機上以0.5mm/min的速率對4種合金的試樣進行室溫拉伸試驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 Zn、Nd、Si對 Mg15Al高鋁鎂合金微觀組織的影響

圖1為Mg15Al-x合金的金相組織照片。圖1a）為Mg15Al合金組織照片，圖中白色相為α-Mg基體，灰色并以粗大網(wǎng)狀形式存在的是β-Mg17Al12相。圖1b）為Mg15Al1Zn合金的金相組織，其組織與Mg15Al合金相似。圖1c）為Mg15Al1Si合金組織照片，可以看到有第三相，形態(tài)為漢字狀和塊狀。圖1d）為Mg15Al1.5Nd合金組織照片，可以看到有針狀的第三相。對比 1 圖 a）、b）、c）和 d）可以看出，加入合金元素后，Mg15Al-x合金中的α-Mg基體和β-Mg17Al12相都得到了明顯的細化。

圖2為Mg15Al合金組織中黑色組織（見圖1a）中黑色箭頭所指）放大圖。根據(jù)Mg-Al二元相圖可以看出[2]，對于Mg15Al合金而言，合金冷卻時，當溫度降至相圖中的液相線時，合金首先發(fā)生的是勻晶反應(yīng)：L→α-Mg，繼續(xù)冷卻在437℃發(fā)生共晶反應(yīng)L→α+β，使凝固組織中產(chǎn)生（α+β）共晶組織，分布于初生α-Mg相的晶界上。在共晶反應(yīng)后的冷卻過程中，由α-Mg中析出的二次β-Mg17Al12分布于共晶周圍。所以，可知Mg15Al合金組織中的黑色團簇物質(zhì)是沿著共晶β相的邊界以層片狀向晶粒內(nèi)部生長的二次析出β相。

圖2 Mg15Al合金金相組織

為了確定四種Mg15Al-x合金的相組成，對其進行XRD檢測，通過與標準pdf卡對比，得到如圖3所示結(jié)果。由圖3a）、b）可知 Mg15Al和Mg15Al1Zn合金由α-Mg基體和β-Mg17Al12相組成，但是Mg15Al1Zn合金的β相的衍射峰強度高于Mg15Al合金中β相的衍射峰強度，可見Mg15Al1Zn合金中的β相較Mg15Al合金的β相多。由圖3c）和d）可知，Mg15Al1Si和Mg15Al1.5Nd合金中除了α-Mg基體和β-Mg17Al12外，還出現(xiàn)了漢字狀或塊狀的Mg2Si相和針狀A(yù)l11Nd3相。元素間形成化合物的難易程度可以根據(jù)電負性差值來判斷，電負性差值越大，元素間結(jié)合力越大，越易形成金屬間化合物。Nd與Al，Nd與 Mg的電負性差值分別為 0.4和0.1，從熱力學(xué)角度分析，在Mg15Al高鋁鎂合金中添加的Nd將優(yōu)先與Al結(jié)合形成Al-Nd化合物，由上可知，Al-Nd化合物為Al11Nd3。同理可知，Si與Al，Si與Mg的電負性差值為Si與Mg之間的大，在Mg15Al高鋁鎂合金中添加的Si將優(yōu)先與Mg結(jié)合形成Mg-Si化合物，從上可知，Mg-Si化合物為Mg2Si[3-5]。

圖3 Mg15Al-x態(tài)鎂合金XRD圖

2.2 Zn、Nd、Si對 Mg15Al高鋁鎂合金力學(xué)性能的影響

圖4和5分別為Mg15Al-x合金抗拉強度和伸長率的對比柱狀圖。從圖4可以看到，在Mg15Al合金中加入Zn和Nd后，合金的抗拉強度得到明顯的提高，從151MPa分別提高到了171MPa和176MPa。分析認為：加入Zn和Nd后Mg15Al合金的基體和β相都有不同程度的細化，根據(jù)Hall-Petch關(guān)系式[2]，材料的晶粒越小，強度越高，β相還有彌散強化的作用。加入Si后，合金的抗拉強度降低，主要由于加入Si后，在晶界處形成了塊狀的Mg2Si相，對基體和β相割裂嚴重，所以加入Si后合金的抗拉強度降低。

從圖5可以看到，在Mg15Al合金中加入Nd后，伸長率得到提高，從0.5%增加到1.2%，這是因為Nd能與Al生成第三相，降低合金中的β相數(shù)量，使合金的組織硬脆傾向降低。加入Zn和Si后，伸長率都降低，加入Zn以后，合金中β相數(shù)量明顯增多，使合金的硬脆性增加，加入Si后，在Mg15Al合金的晶界處形成塊狀的Mg2Si相，這就相當于微裂紋源，所以合金的伸長率降低。

圖4 Mg15Al-x合金抗拉強度對比

圖5 Mg15Al-x合金伸長率對比

3 結(jié)論

1）Mg15Al高鋁鎂合金組織由α-Mg 和β-Mg17Al12兩相組成，向Mg15Al高鋁鎂合金中添加Zn、Si、Nd 元素，均可細化 α-Mg基體和 β-Mg17Al12相。

2）向Mg15Al高鋁鎂合金中加入Si和Nd后，合金組織中均出現(xiàn)第三相，分別為漢字狀或塊狀的Mg2Si相和長針狀的Al11Nd3相。

3）向Mg15Al高鋁鎂合金中加入Zn和Nd后，合金的抗拉強度均比Mg15Al合金的高。增幅分別為13.2%和16.6%。加入Si后合金抗拉強度比Mg15Al合金低。

4）向Mg15Al高鋁鎂合金中加入Zn和Si后，合金的伸長率均比Mg15Al合金的低。加入Nd后，合金的伸長率比Mg15Al合金高，增幅為140%。

［1］肖澤輝，羅吉榮.鎂合金鑄造生產(chǎn)在我國的現(xiàn)狀及其發(fā)展對策［J］.輕金屬，2004（2）：43-45.

［2］美國金屬學(xué)會.金屬手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1994.

［3］American Society for Metals.Metals Handbook［M］.Ohio：Metals Park，1973

［4］肖紀美.合金能量學(xué)［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1985.

［5］Wei L Y.Development of microstructure in cast Mg-Al-Rare earth alloys［J］.Mater Sci Tech，1996，12（19）：741-750.

［6］劉敏娟，李秋書，莫漓江，等.稀土元素對AZ31鎂合金組織和力學(xué)性能的影響［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2010（2）:28-31.