Mg2Si 含量對過共晶Al-Si 復(fù)合材料組織和性能影響*

董拴濤

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西楊凌712100）

工業(yè)上使用的重要合金多為多相合金，其中共晶合金就是其中之一。近年快速發(fā)展的自生復(fù)合材料即通過定向凝固而形成的共晶材料[1-2]。大多數(shù)共晶均由兩相組成，由于它們的化學(xué)組成及凝固條件不同，可以形成各種各樣的組織形態(tài)，并大致可分為層片狀、棒狀( 纖維狀)、球狀、針狀和螺旋狀等共晶組織形態(tài)[3-4]。Sugiyama 等[5]用機械合金化的方法合成了Mg Si 基熱電復(fù)合材料。研究表明，在氫氣的氣氛下，當(dāng)在行星式球磨機里研磨1080ks 時，形成了Mg2Si 相，然而，當(dāng)加入如Fe、Si、N 或者SiC 時，則生成Mg2Si 相的時問變短;此外，在氮氣氣氛下，Mg2Si 顆粒最為細(xì)小。日本學(xué)者Tatsuoka 等[6]用單晶Si 和多晶FeSi 作為襯底，通過Mg 蒸汽使Mg 原子沉積于襯底上，根據(jù)互擴散原理，在500℃條件下，使得Mg 原子與Si 原子反應(yīng)形成Mg2Si，但是，由于Mg2Si 的膨脹系數(shù)(14.8×10-6K-1) 與Si 膨脹系數(shù)(4～4.46)×10-6K-1之間的差異，導(dǎo)致Mg2Si/Si 的樣品上出現(xiàn)裂紋。美國學(xué)者Song 等利用脈沖激光沉積工藝(pulsed laser deposition, PLD)制得了Mg2Si 非晶和納米薄膜電極。Morris 等采用區(qū)域重熔法制備了Mg2Si 單晶，實驗采用高純Mg 粉和Si 粉按照化學(xué)計量比2: 1 配料混合后放入石墨坩堝內(nèi)，在氫氣的保護(hù)下熔化。通過溫度的調(diào)整，使得溫度梯度為25℃/cm，冷卻速度為50℃/h。日本學(xué)者Yoshinaga 等利用垂直布里奇曼方法也制備出了Mg2Si 單晶，實驗所采用的坩鍋是化學(xué)氣相沉積熱解石墨坩鍋，目的是減少Mg2Si 在生長過程中與坩堝反應(yīng)。Tamura 和Akasaka 等[7-8]采用垂直布里奇曼方法分別制備出了Mg2Si 大塊晶體，并研究了它的生長特性。

1 實驗部分

本文通過在不同的Mg 的添加量對 Al-Si 過共晶合金組織及性能的影響，通過Mg 含量的不同的變化，從而形成不同形態(tài)和含量的Mg2Si 增強相，來對材料的綜合力學(xué)性能進(jìn)行研究，具體內(nèi)容如下：

（1）不同Mg2Si 含量過共晶Al-Si 合金的相組成；（2）同一成分，不同冷卻速度下合金試樣的組織形貌；（3）Mg2Si 的形狀因子對合金性能的影響；（4）不同Mg2Si含量對過共晶Al-Si 合金顯微硬度的影響。

本文采用坩堝電爐進(jìn)行熔煉，在對澆注好的試樣進(jìn)行拋光等處理后進(jìn)行顯微組織的檢測，同時對組織中不同Mg2Si 含量的過共晶Al-Si 復(fù)合材料中Mg2Si 顆粒大小形貌進(jìn)行測量，其中包括熔煉、澆注、取樣、晶相式樣的制作、數(shù)據(jù)測量等一系列環(huán)節(jié)，硬度采用布氏硬度機進(jìn)行測量，耐磨度通過質(zhì)量的損失進(jìn)行測量。

1.1 實驗材料及方案

（1）實驗材料：Al-20%Si 合金材料、工業(yè)純鎂、覆蓋劑。

（2）實驗儀器： 坩堝電阻爐、階梯模具、試樣切割機、砂紙、拋光機、光學(xué)顯微鏡、 掃描電鏡、布氏硬度測試機。

（3）制取試樣粗胚：A1-Si-Mg 合金試樣由99.9%的高純鎂錠與Al-20%Si 合金材料按照計算量配制熔煉澆注制得。實驗開始前，對所有儀器及材料進(jìn)行相應(yīng)溫度的預(yù)熱，且要對覆蓋劑進(jìn)行干燥處理，防止加入時發(fā)生爆炸。先將Al-20%Si 合金材料放入電阻爐內(nèi)進(jìn)行加熱，加熱到其完全融化的狀態(tài)，將鎂塊加入；同時加入覆蓋劑，等鎂塊也完全融化后，用過濾勺除去溶液表面的廢渣，保溫五分鐘左右后進(jìn)行澆注。用金屬型模具進(jìn)行澆注得Al-Si-Mg 合金試樣（熔煉溫度700℃左右，澆注溫度750℃左右）。

1.2 試樣制備

制取試樣：用手工鋸或線切割截取試樣后，依次用600、1000、1200、1500 砂紙打磨試樣，打磨后用拋光機拋光（金剛砂拋光膏），配置0.5%HF 酸腐蝕液，腐蝕完成后在光學(xué)顯微鏡上初觀察。

掃描拍照：試樣制取成功后在電子掃描顯微鏡下觀察試樣的組織，合格后拍照獲取實驗結(jié)果，在顯微硬度測試機上對試樣進(jìn)行顯微硬度的測量。

2 結(jié)果與討論

2.1 Mg 的添加量對組織Mg2Si 形態(tài)的影響

2.1.1 對初生Mg2Si 形態(tài)的影響

圖1 所示為光學(xué)顯微鏡下放大倍數(shù)為五十倍的圖像。

圖1 不同含量Mg2Si 的光學(xué)顯微鏡照片(a-10%、 b-12% 、c-15% 、d-18% 、e-20%)Fig.1 Optical micrographs of Mg2Si with different contents

當(dāng)含Mg2Si 量為10%時，Mg2Si /Al-Si 復(fù)合材料凝固組織中存在大塊多邊形的灰色初晶硅，尺寸在120μm左右，初生Mg2Si 多呈細(xì)小的四邊形狀，部分有球化的趨勢，顆粒尺寸較細(xì)小。隨 Mg2Si 含量的增加，復(fù)合材料中的初生Mg2Si 開始聚集長大，形成粗大的多邊形塊狀或多邊形上長有大的孔洞，有的形成十字架的漢字狀結(jié)構(gòu)， 其尺寸逐漸增大。當(dāng)Mg2Si 含量為18%時，復(fù)合材料中的初生Mg2Si 進(jìn)一步聚集長大，逐漸形成粗大的樹枝晶，其尺寸變得粗大[9]。當(dāng)Mg2Si 含量為20%時，復(fù)合材料中粗大的Mg2Si 枝晶開始斷裂，形成較小的樹枝晶，尺寸又變得細(xì)小。

掃描電鏡下的初生Mg2Si 的形態(tài)如圖2 所示，Mg2Si 含量依次增加為：12%、15%、18%、20%。

圖2 掃描電鏡下的初生Mg2Si 的形態(tài)Fig.2 Morphology of primary Mg2Si under scanning electron microscope

2.1.2 對共晶Mg2Si 形態(tài)的影響

隨著Mg 添加量的增加生成共晶Mg2Si 的形態(tài)也發(fā)生相應(yīng)的變化，隨著Mg2Si 含量的增加,Mg2Si/Al-Si復(fù)合材料中共晶Mg2Si 相的形態(tài)由X 狀(10%～12%) 轉(zhuǎn)變?yōu)閅 狀結(jié)構(gòu)(15%), 最后 轉(zhuǎn)變成Y 狀再轉(zhuǎn)變?yōu)镮 狀(18%～20%)。

在光學(xué)顯微鏡下不添加量Mg 下共晶Mg2Si 的形態(tài)變化圖像如圖3 所示，含量變化分別為10%、12%、15%、20%，形狀變化為：X-Y-Z-I。

圖3 不同添加量Mg 下共晶Mg2Si 的形態(tài)變化（光學(xué)）Fig.3 Morphology change of eutectic Mg2Si with different Mg addition (Optics)

在掃描電鏡下組織的圖片如圖4 所示。

圖4 不同添加量Mg 下共晶Mg2Si 的形態(tài)變化（掃描電鏡）Fig.4 Morphology change of eutectic Mg2Si with different Mg addition (SEM)

2.1.3 對顯微硬度的影響

硬度測試是檢測材料性能的重要指標(biāo)之一，也是最經(jīng)濟最快速的實驗方法之一。之所以能夠成為力學(xué)性能試驗的常用方法，是因為硬度測試能反映出材料在化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和處理工藝上的差異。本試驗所研究的 Al-Si-Mg 三元近共晶合金其本質(zhì)是一種自生復(fù)合材料，增強相 Mg2Si 顆粒展現(xiàn)出 1085 ℃的高熔化溫度、1.99×103kg/ m3的低密度、4.5×109N/m2的高剛度、7.5×10-6K-1的低熱膨脹系數(shù)(TEC) 和 120GPa 的相當(dāng)高彈性模量，極大地增強了材料自身的綜合力學(xué)性能[10]。因此，為了更清晰地了解定向凝固后增強相顆粒大小的變化及組織細(xì)化對材料性能的影響，有必要對材料的硬度變化做出測試，本試驗測試硬度的方法為顯微硬度測試。

不同含量Mg2Si 對Mg2Si /Al-Si 復(fù)合材料硬度的影響：隨著復(fù)合材料中Mg2Si 含量的增加， 復(fù)合材料的硬度發(fā)生明顯變化。當(dāng)含量為12% 時，材料的硬度達(dá)到最大；含量為18% 時，材料的硬度最小。這與材料中初生開始聚集長大成粗大的樹枝晶有一定關(guān)系。另外，試驗中 Si 含量是固定的, 當(dāng)Mg 的加入量增加時， 生成的Mg2Si 數(shù)量也增加，這勢必要消耗更多的Si，從而使得復(fù)合材料中初生Si 數(shù)量減少。由于初生 Si 也是硬質(zhì)相，當(dāng)初生 Si 數(shù)量減少時，復(fù)合材料的硬度也會相應(yīng)降低。

2.2 同一成分不同壁厚對Mg2Si 形態(tài)的影響

2.2.1 不同冷卻速度對初生Mg2Si 形態(tài)的影響

在相同成分的情況下取不同壁厚（及不同的冷卻速度）下Mg2Si 的形態(tài)，圖5 是成分為10% 的Mg2Si 下的形態(tài)；由圖5 可以看出，隨著冷卻速度的減慢初生Mg2Si 的量增加，且初生Mg2Si 的顆粒變得細(xì)化。

圖5 不同冷卻速度對初生Mg2Si 形態(tài)的影響Fig.5 Effect of different cooling rates on morphology of primary Mg2Si

2.2.2 冷卻速度對共晶片層間距的影響

隨著冷卻速度的減慢共晶組織片層之間的距離是逐漸減小的，在不同的冷卻條件下，如圖6 所示，三元共晶中的網(wǎng)絡(luò)狀相和α-Al 相結(jié)構(gòu)緊湊，為典型的共生生長，而三元共晶中的 Si 相離異地存在與網(wǎng)絡(luò)狀相和α相外，且網(wǎng)絡(luò)狀相中都有某些局部的地方和硅相的側(cè)臂搭接。但也存在如同圖6a 所示的情況，網(wǎng)絡(luò)狀相的周圍并未見有硅相的存在，而在圖6b 的組織中，雖然存在α 相、Si 相和金屬間化合物，但此時金屬間化合物是以塊狀形態(tài)存在，這種塊狀相顏色和上述的網(wǎng)絡(luò)狀相相似（同為淺灰色），而且與硅相搭接處邊界清晰。這種塊狀相可能為網(wǎng)絡(luò)狀相的另一種形態(tài)。

圖6 不同冷卻速度對過共晶片層間距的影響Fig.6 Effect of different cooling rates on the spacing of eutectic layers

3 結(jié)論

隨著復(fù)合材料中Mg2Si 含量的增加，凝固組織中Mg2Si 的形態(tài)發(fā)生明顯變化。在較低Mg2Si 含量（10%和12%）的復(fù)合材料中，Mg2Si 呈現(xiàn)多邊形塊狀結(jié)構(gòu)；當(dāng)Mg2Si 含量達(dá)到15% 時，復(fù)合材料中Mg2Si 呈現(xiàn)十字架的漢字狀結(jié)構(gòu)；當(dāng)Mg2Si 含量達(dá)到18% 時，復(fù)合材料中的Mg2Si 進(jìn)一步聚集長大， 形成粗大的樹枝晶。Mg2Si/Al-Si 復(fù)合材料的硬度與初生Mg2Si 相的形態(tài)和數(shù)量有一定關(guān)系。在試驗研究范圍內(nèi)，Mg2Si 含量為 12%時， 材料的硬度能最好；Mg2Si 含量為18% 時， 材料的硬度性能最差。