新型數控機床用鎂鋁合金的組織與性能研究

劉志剛

(吉林工商學院，長春 130062)

0 引言

鎂鋁合金由于具有重量較輕、比強度較高等優點，備受業界的關注，目前已在汽車、電子、航空、航天等領域得到了越來越廣泛的應用[1,2]。在數控機床方面，鎂鋁合金的應用還較少，有待于進一步的研究。眾所周知，合金化是合金材料改性的一種有效途徑，在鎂鋁合金中人們進行了較多的合金化研究，也取得了較多的研究成果[3～5]。為了促進鎂鋁合金在數控機床上的應用，本文在AZ91鎂鋁合金中添加少量的合金元素鈧（Sc）、鉺（Er）和鈦（Ti），采用常規感應熔煉方法制備了數控機床用新型鎂鋁合金，并進行了合金的顯微組織、物相組成、耐磨損性能和力學性能的測試與分析。

1 試驗材料與方法

1.1 試樣材料

采用工業級的金屬Mg、Al、Zn、Ti以及Mg-5Mn、Mg-15Sc、Mg-10Er中間合金，在ZAZ30型感應熔煉爐中進行數控機床用新型鎂鋁合金的制備，合金的制備工藝流程，如圖1所示。添加合金元素Mn是為了除雜質元素Fe。本試驗制備出的數控機床用新型鎂鋁合金試樣，采用HORIBA XGT-1000WR型X射線熒光光譜儀進行化學成分分析，分析結果，如表1所示。

圖1 試樣的制備工藝流程

1.2 試驗方法

數控機床用新型鎂鋁合金鑄態試樣的顯微組織采用PX15型金相顯微鏡進行觀察；其物相組成采用X'Pert PRO型X射線衍射儀進行分析；其表面硬度采用HV-1000型維氏硬度計進行測試，加載力為100g、加載時間為10s；其耐磨損性能采用MG-2000型高溫摩擦磨損試驗機進行測試，測試溫度分別為20℃、100℃、250℃、400℃，摩擦磨損過程中的主軸轉速為2500r/min、負荷為500N、試驗時間10min，磨損試驗完成后用PX15型金相顯微鏡觀察試件的表面形貌；其力學性能采用NKK-2010型高溫拉伸試驗機進行測試，測試溫度分別為20℃、100℃、200℃和400℃，并采用JSM6510型掃描電子顯微鏡進行拉伸斷口形貌的觀察和分析。

表1 新型鎂鋁合金的化學成分

2 試驗結果及討論

2.1 顯微組織

數控機床用新型鎂鋁合金鑄態試樣的顯微組織，如圖2所示。從圖2可以看出，本試驗制備的數控機床用新型鎂鋁合金鑄錠中無明顯的孔洞、氣孔等鑄造缺陷，合金晶粒較為細小、平均晶粒尺寸為18μm，組織中的第二相分布較為均勻。

圖2 新型鎂鋁合金的顯微組織

2.2 物相組成

數控機床用新型鎂鋁合金鑄態試樣的XRD衍射圖譜，如圖3所示。從圖3可以看出，本試驗制備的數控機床用新型鎂鋁鑄態合金由α-Mg基體以及少量的Mg17Al12、Mg2Sc、(Mg,Zn)4Er組成。

試樣的XRD圖譜中未發現含Ti的化合物相，主要是因為Ti的添加量太少。

圖3 新型鎂鋁合金的XRD圖譜

2.3 耐磨損性能

數控機床用新型鎂鋁合金鑄態試樣及商用AZ91合金鑄態試樣，分別在20℃、100℃、250℃、400℃的磨損試驗結果，如圖4所示。從圖4可以看出，經過500N載荷、2500r/min×10min摩擦磨損后，本試驗制備的數控機床用新型鎂鋁合金鑄態試樣具有較好的耐磨損性能，較商用AZ91鑄態合金得到了顯著提高，其中20℃磨損體積從85×10-3mm3減小至23×10-3mm3，減小了73%；100℃磨損體積從104×10-3mm3減小至35×10-3mm3，減小了66%；250℃磨損體積從169×10-3mm3減小至48×10-3mm3，減小了72%；400℃磨損體積從201×10-3mm3減小至62×10-3mm3，減小了69%。圖5是商用AZ91鑄態合金和數控機床用新型鎂鋁鑄態合金經過20℃磨損試驗后的表面形貌，從圖5可以看出，商用AZ91鑄態合金摩擦磨損后表面出現較多大小不一的脫落和較深的磨損痕跡，而本試驗制備的數控機床用新型鎂鋁合金摩擦磨損后表面僅有較淺的磨損痕跡、無明顯的脫落。由此我們可以看出，本試驗制備的數控機床用新型鎂鋁合金較商用商用AZ91合金具有更好的耐磨損性能，這與試樣的磨損體積測試結果一致。

圖4 試樣的磨損試驗結果

圖5 試樣在20℃磨損后的表面形貌

2.4 力學性能

數控機床用新型鎂鋁合金鑄態試樣及商用AZ91合金鑄態試樣，分別在20℃、100℃、200℃和400℃的力學性能測試結果，如圖6所示。從圖6可以看出，與商用AZ91鑄態合金相比，本試驗制備的數控機床用新型鎂鋁鑄態合金的抗拉強度和延伸率均得到了明顯提高。其中，20℃抗拉強度從250MPa增加至294MPa、20℃延伸率從7%增加至12%，100℃抗拉強度從182MPa增加至281MPa、100℃延伸率從13%增加至23%，200℃抗拉強度從145MPa增加至265MPa、200℃延伸率從17%增加至31%，400℃抗拉強度從73MPa增加至253MPa、400℃延伸率從26%增加至42%。由此可以看出，本試驗制備的數控機床用新型鎂鋁合金的力學性能較商用AZ91合金得到了明顯提高。圖7是數控機床用新型鎂鋁合金鑄態試樣及商用AZ91合金鑄態試樣的20℃拉伸斷口形貌SEM照片。從圖7可以看出，商用AZ91合金鑄態試樣在20℃拉伸時斷口呈現出較為明顯的脆性斷裂特征，而本試驗制備的數控機床用新型鎂鋁合金鑄態試樣在20℃拉伸時斷口呈現出較為明顯的韌性斷裂特征。這與試樣的拉伸性能測試結果一致。

圖6 試樣的力學性能測試結果

3 結論

1）在AZ91鎂鋁合金中添加少量的合金元素Sc、Er和Ti，采用常規感應熔煉方法可以制備出晶粒較為細小、耐磨損性能和力學性能較佳的數控機床用新型鎂鋁合金。

圖7 試樣20℃拉伸斷口形貌的SEM照片

2）本試驗制備的數控機床用新型鎂鋁鑄態合金由α-Mg基體以及少量的Mg17Al12、Mg2Sc、(Mg,Zn)4Er組成。

3）較商用AZ91鑄態合金相比，本試驗制備的數控機床用新型鎂鋁合金的20℃磨損體積減小73%、100℃磨損體積減小66%、250℃磨損體積減小72%、400℃磨損體積減小69%。

4）與商用AZ91鑄態合金相比，本試驗制備的數控機床用新型鎂鋁鑄態合金的20℃抗拉強度從250MPa增加至294MPa、20℃延伸率從7%增加至12%，100℃抗拉強度從182MPa增加至281MPa、100℃延伸率從13%增加至23%，200℃抗拉強度從145MPa增加至265MPa、200℃延伸率從17%增加至31%，400℃抗拉強度從73MPa增加至253MPa、400℃延伸率從26%增加至42%。

[1]孟憲寶,毛紅奎,徐宏,等.Nd含量對ZM6鎂合金力學性能的影響[J].熱加工工藝,2013,42(6):8-9,12.

[2]Martins J.P, Carvalho, A.L.M, Padilha A.F.Microstructure and texture assessment of Al-Mn-Fe-Si (3003) aluminum alloy produced by continuous and semi continuous casting processes[J].Journal of Materials Science, 2011, 44: 2966-2976.

[3]彭勇,王順成,鄭開宏,等.高性能鎂合金鑄造技術研究進展[J].鑄造技術,2013,38(2):203-207.

[4]Zheng Xingwei, Dong Ji, Liu Wencal, et al.Microstructure and mechanical properties ofNZ30K alloy by semicontinuous direct chill and sand moul casting processes[J].China Foundry, 2011, 8(1):41-46.

[5]史立峰,趙大志,王平.支架零件半固態觸變壓鑄成形工藝研究[J].熱加工工藝,2013, 42(5): 27-29,31.