AZ81鎂合金的凝固行為及組織演變

2013-10-21 00:56:48龍思遠

機械工程材料 2013年4期

劉榆，龍思遠，2，陶軍

（1.重慶大學材料科學與工程學院，重慶 400045；2.國家鎂合金材料工程技術研究中心，重慶 400044）

0 引言

鎂合金作為實際應用中密度最小的結構材料，兼有高的比強度和比彈性模量，良好的剛性、切削加工性及利于回收等優點，同時還具有減震、導熱、耐沖擊等特點，在汽車、電子、交通、航天航空和軍工領域具有重要的應用價值和前景［1－3］。鎂鋁鋅合金是目前使用最廣泛的鎂合金之一，國內外對鎂鋁鋅合金已開展了大量卓有成效的研究工作［4－5］，但目前的研究多集中在鑄造性能和高、常溫力學性能方面［6］，而對其顯微行為的研究相對較少。

為此，作者以鎂鋁鋅合金中鑄造性能相對優異的AZ81鎂合金為研究對象，通過相圖和差熱分析確定了其在凝固過程中的主要相變點，采用液淬方法得到相變點的顯微組織，并研究了其凝固行為及組織演變機理。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為市售AZ81鎂合金，其化學成分（質量分數／%）為8.16Al，0.62Zn，0.21Mn，0.02Si，0.001 6Cu，0.004Fe，0.000 5Ni，余Mg。

將AZ81鎂合金表面的氧化皮去除后，放入內徑為6mm 的薄壁不銹鋼微型坩堝內，用鎢極氬弧焊將坩堝的開口端密封；然后將不銹鋼微型坩堝置于金屬架上的滑動吊箱上，再一起置于箱式電阻爐（見圖1）內，同時將連接晶閘管溫度控制器的熱電偶置于箱式電阻爐內測爐內溫度，再將一個連接溫度記錄儀的微型熱電偶插入不銹鋼坩堝測合金的溫度。用耐火棉封住箱式爐下端的通道，當溫度達到相變溫度點時，去掉耐火棉，推動滑竿使裝有鎂合金的不銹鋼坩堝從箱式爐下面的開口處迅速掉入激冷的鹽水槽中，進行液淬處理。

圖1 箱式電阻爐示意（側面）Fig.1 Schematic diagram of furnace box（side）

各溫度點液淬的AZ81鎂合金試樣經磨平拋光后，用6%（體積分數）硝酸酒精溶液腐蝕，然后采用XJP－3A 型光學顯微鏡和配有能譜儀（EDS）的VEGA ⅡLMU 型掃描電子顯微鏡（SEM）進行組織觀察和化學元素分布的分析，以揭示AZ81鎂合金的凝固行為。

用METTLER TGA／DSC1／1100LF 型熱分析儀對AZ81鎂合金進行了差熱分析（DSC），以確定其液固相變溫度和共晶相變溫度。測試時，試樣被勻速加熱到700 ℃，然后在5 ℃·min－1的降溫速率下進行差熱分析，降溫全過程在氬氣的保護下進行，氣體流量為10mL·min－1。

根據DTA 曲線得出的固液轉變和共晶相變溫度，采用上述光學顯微鏡，選取在425，460，500，590，650 ℃液淬后的試樣進行組織分析。

2 試驗結果與討論

2.1 DTA 曲線

根據文獻［7］可知，試樣在相變時吸收或放出的熱量使其溫度高于或低于參照物的溫度，從而在DTA 曲線上得到放熱峰或吸熱峰。AZ81 鎂合金的凝固過程包括液－固轉變和共晶轉變兩個過程。

由圖2 可知，AZ81 鎂合金在加熱過程中出現了2個峰值點，根據第一個峰值可以確定共晶轉變（L→α－Mg＋β）溫度為426.8 ℃左右，根據第二個峰值知固液相變（L→α－Mg）溫度為591.4 ℃左右。

圖2 AZ81鎂合金的DTA曲線Fig.2 DTA curve of AZ81magnesium alloy

2.2 XRD譜

由圖3 可知，室溫時合金的凝固組織中存在α－Mg和β－Mg17Al12兩相。

圖3 冷卻到室溫后AZ81鎂合金的XRD譜Fig.3 XRD pattern of AZ81magnesium alloy after cooling to room temperature

2.3 EDS譜

圖4 AZ81鎂合金在550 ℃液淬后的SEM 形貌Fig.4 SEM morphology of AZ81magnesium alloy after liquid quenching at 550 ℃

表1 AZ81鎂合金在550 ℃液淬后的EDS分析結果Tab.1 EDS analysis results of AZ81magnesium alloy after liquid quenching at 550 ℃ %

由圖4及表1可知，AZ81鎂合金在550℃液淬后，從液相中析出的初晶組織（1點）中鎂的質量分數達96.03%，由此可以判定其為α－Mg；初晶α－Mg中固溶有少量鋁，同時由于試樣表面被氧化，也含有少量氧元素。初晶α－Mg枝晶間富鋁的殘余金屬液淬后，過冷度很大，形成偽共晶組織（2 點），它由α－Mg和分布于其間的網狀β－Mg17Al12構成，從而使得該偽共晶組織中鎂的質量分數為67.03%，高于β－Mg17Al12相中的鎂含量。

由圖5和表2可知，AZ81鎂合金在400℃液淬后，基體相（3點）為α－Mg。應該指出的是，共晶相應為β－Mg17Al12，但由于合金隨爐冷卻，β－Mg17Al12中的鋁元素有充分的時間擴散，使得4點的EDS分析結果中的鎂含量高于β－Mg17Al12中的鎂含量。共晶轉變是在已存在大量初晶α－Mg 的條件下進行的，共晶α－Mg相依附初晶α－Mg生長，與初晶α－Mg合為一體，β－Mg17Al12相則存在于α相的晶界處。

圖5 AZ81鎂合金在400 ℃液淬后的SEM 形貌Fig.5 SEM morphology of AZ81magnesium alloy after liquid quenching at 400 ℃

表2 AZ81鎂合金在400 ℃液淬后的EDS分析結果Tab.2 EDS analysis results of AZ81magnesium alloy after liquid quenching at 400 ℃ %

2.4 凝固過程

在AZ81鎂合金中，鋅的含量較少，且固溶于鎂基體中，因此可以根據鎂鋁二元合金相圖［8］和XRD結果來分析AZ81鎂合金的凝固過程。

由圖6可見，在650℃液淬時，因鎂合金的的過冷度很大，形核率較高，故而此時獲得的枝晶組織為飽和的固溶體，尺寸極其細小，說明在此溫度下AZ81鎂合金為液態，鋁完全溶于鎂基體中；隨著液淬溫度降至590℃，鋁在鎂基體中的固溶度減小，細小枝晶中出現了少量白亮塊狀組織，結合鎂鋁二元合金相圖和XRD 分析結果推知其為初晶α－Mg，說明此溫度下初晶相α－Mg 固溶體開始從液相中析出，與前面推斷的固液相變溫度約為590 ℃完全相吻合；液淬溫度繼續降至500℃時，白亮塊狀的初晶α－Mg數量不斷增多，逐漸長大連成一片，并形成粗大的枝晶組織。當液相析出初晶α－Mg時，向α－Mg枝晶間排出部分鋁溶質原子，鋁溶質原子來不及擴散均勻化，在尚未凝固的液相中富集［9］，隨著固液界面前沿鋁含量不斷增多，使富鋁的殘余液體在初晶α－Mg 枝晶間隙發生共晶轉變，形成α－Mg、β－Mg17Al12共晶組織。液淬時，由于過冷度很大，富鋁的殘余液體來不及形成離異共晶組織，直接進入偽共晶區形成黑色網狀的偽共晶β－Mg17Al12；液淬溫度為460℃時，隨著溫度的降低，溫度的下降速率變得比較緩慢，溶質鋁有相對多的時間進行擴散，使得共晶組織中的枝晶變細；液淬溫度降到425℃時，黑色顆粒β相繼續變小，此時的β相不是網狀的偽共晶組織，而是兩相分離的離異共晶組織，這表明合金在450～425 ℃之間發生了共晶轉變。

3 結論

（1）AZ81鎂合金的固液相變溫度約為590 ℃，共晶轉變溫度約為420 ℃。

（2）AZ81 鎂合金在凝固時首先會析出α－Mg樹枝晶，在其生長過程中，固液界面前沿的鋁含量不斷增多，富鋁的殘余液體在枝晶間隙發生共晶轉變，最后凝固形成α－Mg和β－Mg17Al12的共晶組織；由于該共晶組織含量少，共晶α－Mg相往往依附于初生α－Mg形核長大，將β－Mg17Al12相推向α－Mg 枝晶的晶界，形成離異共晶組織。