超聲處理對Mg-Al-Si 耐熱鎂合金初生Mg2Si 相的影響*

熊 莎 ， 付 浩

（1.江西通用技術(shù)工程學(xué)校，江西 九江 330306；2.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程訓(xùn)練中心，江西 九江 332007）

0 引言

Mg-Al-Si 系耐熱鎂合金具有密度小、比強(qiáng)度高、比剛度高、高溫性能優(yōu)良、切削加工性好和減震性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車、航空、電子等領(lǐng)域[1-4]。該合金中的Mg2Si相具有高熔點(diǎn)、低密度、高硬度、低熱膨脹系數(shù)和高彈性模量等優(yōu)點(diǎn)，是鎂基合金理想的強(qiáng)化相之一[5]。但是，普通鑄造產(chǎn)生的Mg2Si 相，會(huì)形成粗大的漢字狀或發(fā)達(dá)的枝晶狀，嚴(yán)重割裂合金基體，使Mg-Al-Si 系耐熱鎂合金的力學(xué)性能大幅下降，限制了其推廣應(yīng)用[6]。

通過物理場細(xì)化、變質(zhì)細(xì)化以及Si 含量和形態(tài)的控制可以得到彌散分布的球狀Mg2Si 相，物理場細(xì)化是通過電磁場處理、物理攪拌擠壓、快速凝固和超聲波處理等方法[7-8]。超聲處理是在熔體中產(chǎn)生周期性應(yīng)力和聲壓變化，使熔體產(chǎn)生局部的高溫高壓作用，產(chǎn)生的空化作用和攪拌作用會(huì)影響合金熔體的結(jié)晶過程[9]。廖露亮等[10]研究了超聲對AS31 鎂合金組織及性能的影響，發(fā)現(xiàn)超聲處理可以改善組織中共晶Mg2Si 相形貌、尺寸和分布。王志文等[11]研究了超聲處理后Mg-9Al-1Si 合金中共晶Mg2Si 相的形貌，由粗大漢字狀變成短棒狀、條狀，團(tuán)聚現(xiàn)象得到改善，抗拉強(qiáng)度和伸長率顯著提高。

關(guān)于Mg 合金熔體超聲處理功率和時(shí)間的研究較多，證明了超聲具有一定的處理效果，但處理溫度對熔體黏性、合金形核率影響很大，相關(guān)研究較少。本文研究了超聲處理溫度對Mg-9Al-3Si 合金凝固組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，探尋耐熱鎂合金超聲處理的最佳處理溫度，同時(shí)也為Mg-Al-Si 合金組織和性能的改善奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為Mg-9Al-3Si 合金，采用純Mg 塊和Al-25Si合金熔煉得到。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1 所示，實(shí)驗(yàn)所用超聲波攪拌裝置主要由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿等部件組成。超聲波發(fā)生器把220 V/50 Hz 的市電變成20 kHz。處理采用的低碳鋼坩堝內(nèi)徑為80 mm，壁厚為3 mm，高為120 mm，每次實(shí)驗(yàn)約處理300 g 的鎂合金熔體。石墨鑄型的參數(shù)是高度80 mm、內(nèi)徑30 mm、外徑40 mm。

圖1 超聲熔體處理工藝裝置圖

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

先將坩堝預(yù)熱至600 ℃，將預(yù)熱干燥好的Mg塊、Al-25Si 合金（Mg 160 g、Al-25Si 240 g）放入熔煉爐坩堝中熔煉，熔煉溫度為740 ℃。將處理溫度分為630 ℃、660 ℃、690 ℃和720 ℃四類，設(shè)置超聲處理功率700 W，將超聲波導(dǎo)入桿插入金屬熔體液面以下10 mm 的位置，處理時(shí)間1 min，處理后澆注到石墨坩堝中，在空氣中自然冷卻。制得的試樣采用0.5%的氫氟酸水溶液進(jìn)行化學(xué)腐蝕，在金相顯微鏡下觀察試樣的微觀組織，分析測量初生Mg2Si 相的平均尺寸；通過WDW-200D 萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)測試合金試樣的抗拉強(qiáng)度和伸長率。采用相對標(biāo)準(zhǔn)偏差法測量Mg2Si 相分布均勻性，在視場區(qū)域范圍內(nèi)Mg2Si 凝固組織微觀圖片分成2×4 方格，計(jì)算每個(gè)微區(qū)中包含的Mg2Si 相，最后求出各參數(shù)下的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差Sr’[12]：

式中：N為劃分微區(qū)個(gè)數(shù)；Zi為第i微區(qū)區(qū)域包含Mg2Si 相的個(gè)數(shù)；為單位微區(qū)域Mg2Si 相的平均數(shù)量。公式中的Sr’可以有效反映各參數(shù)對Mg2Si 相在基體中的分布情況。Sr’值越小，Mg2Si 相在基體中分散程度越好；反之，團(tuán)聚越嚴(yán)重。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 超聲處理溫度對合金凝固組織的影響

圖2 和圖4 是合金在不同超聲處理溫度作用下的合金初生Mg2Si 相的分布狀況和Mg2Si 相Sr’值的變化折線圖。從圖中可以看出630 ℃和660 ℃時(shí)，初生Mg2Si 相有團(tuán)聚的現(xiàn)象，Sr’值也隨之增大；而當(dāng)處理溫度為690 ℃時(shí)，合金的初生Mg2Si 相均勻分布在整個(gè)鑄錠中，且有大量的初生Mg2Si 相形成，此時(shí)Sr’值減少，Mg2Si 相分布情況良好；當(dāng)720 ℃時(shí)，初生Mg2Si 相均勻性變差，Sr’值增大。圖3 為不同的熔體超聲處理溫度下的初生Mg2Si 相形貌，從圖中可以看出，在630 ℃~690 ℃范圍內(nèi)所得到的Mg2Si 相的形貌都是球狀；而當(dāng)處理溫度為720 ℃時(shí)，Mg2Si 的形狀由之前的球狀變成不規(guī)則的多角形狀。圖4 為不同處理溫度下Mg2Si 相直徑的變化情況，從圖中可以看出，隨著超聲處理溫度的上升，合金的Mg2Si 相直徑先細(xì)化再粗化，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為690 ℃。

圖2 超聲處理溫度對Mg2Si相分布的影響

圖3 超聲處理溫度對Mg2Si相形態(tài)的影響

圖4 超聲處理溫度對Mg2Si相Sr’值和晶粒直徑的影響

在超聲處理作用下，合金組織由于受到液體振動(dòng)沖刷、相互碰撞和自身旋轉(zhuǎn)的影響，逐漸變得尺寸細(xì)小、圓整和球狀化，超聲處理細(xì)化了合金組織。因此，隨著處理溫度的上升，超聲的空化和聲流作用加強(qiáng)，細(xì)化效果加強(qiáng)。雖然處理溫度上升，會(huì)使熔體冷卻速度減慢，降低形核率，但增強(qiáng)的超聲細(xì)化效應(yīng)大于形核率降低的影響，因而合金組織得到細(xì)化。然而，當(dāng)超聲處理溫度過高時(shí)，超聲處理的空化強(qiáng)度減弱，超聲細(xì)化效果減弱，且冷卻速度緩慢，形核困難，因而合金組織粗化。這就是在630 ℃~690 ℃時(shí)Mg2Si相細(xì)化，超過690 ℃時(shí)，Mg2Si相粗化的原因。

2.2 超聲處理對合金力學(xué)性能的影響

圖5 為不同超聲處理溫度對合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率的影響。由圖5 可知，隨著處理溫度的上升，合金抗拉強(qiáng)度先有小幅度降低，然后到溫度達(dá)到690 ℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度提升到198 MPa，之后隨著溫度繼續(xù)上升，抗拉強(qiáng)度開始下降，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為690 ℃；當(dāng)處理溫度為720 ℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最小值為145 MPa。合金伸長率在小范圍內(nèi)波動(dòng)，在處理溫度為630 ℃時(shí)達(dá)到最大值為1.7%；處理溫度為660 ℃時(shí)，伸長率達(dá)到最小值為1.4%。總體來看，合金伸長率變化不大。

圖5 超聲處理溫度對合金拉伸性能的影響

隨著超聲處理溫度的提高，熔體充型能力增強(qiáng)，有很好的補(bǔ)縮作用，從而減少了凝固組織中的縮松、縮孔等缺陷，提高了合金的力學(xué)性能，同時(shí)溫度上升也使熔體超聲處理作用加強(qiáng)，使Mg2Si 相細(xì)化，力學(xué)性能提高。但過高的處理溫度會(huì)使晶粒粗化，導(dǎo)致熔體在鑄型中的冷卻速度降低，這也就是處理溫度為690 ℃，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，之后再提高處理溫度，合金的抗拉強(qiáng)度會(huì)降低的原因。從圖4 也可以看出，溫度從690 ℃到720 ℃時(shí)，Mg2Si 直徑由11.7 μm 變?yōu)?4 μm，Mg2Si 相分布的Sr’值也提高了很多，說明在720 ℃時(shí)，Mg2Si 相粗化且分布不均勻，因此抗拉強(qiáng)度明顯降低。

3 結(jié)論

超聲熔體處理可以改善Mg-9Al-3Si 合金的凝固組織和力學(xué)性能。

在630 ℃~720 ℃范圍內(nèi)，隨著超聲處理溫度的提高，合金中Mg2Si 相先細(xì)化再粗化，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為690 ℃。

在630 ℃~720 ℃范圍內(nèi)，隨著超聲處理溫度的上升，合金抗拉強(qiáng)度先有小幅度降低再上升，達(dá)到690 ℃后，抗拉強(qiáng)度開始下降。合金伸長率在小范圍內(nèi)波動(dòng)，在處理溫度為630 ℃時(shí)達(dá)到最大值為1.7%。