熔炼工艺对AZ61稀土镁合金组织的影响

闫 洪，邱鸿旭，杜 磊

（南昌大学机电工程学院，南昌市轻合金材料制备与加工重点实验室，南昌330031）

0 引 言

镁合金的密度小、比强度高，广泛用于汽车、航空航天等行业中，以达到轻量化的目的［1－2］。文献［3－7］研究表明，向镁合金中添加少量稀土元素可细化合金的显微组织、提高合金的力学性能，还可改善合金的耐腐蚀和抗蠕变性能。文献［8］表明，当稀土镧含量超过1%（质量分数，下同）时，AZ61镁合金中晶界上稀土相粗化、长大，合金的力学性能下降。然而在稀土镁合金的浇铸过程中，合金的浇铸温度、保温时间等因素都会对合金组织产生一定的影响［9－10］。浇铸温度高，镁合金熔体容易烧损，浇铸温度低，镁合金熔体充型能力差，不利于浇铸成型；保温时间长可以使稀土元素有足够的时间进行扩散，使其均匀地分布在熔体中；稀土含量的多少也是一个重要的影响因素。但有关AZ61稀土镁合金冶炼工艺参数对其组织的影响缺少详细的报道，为此，作者采用正交试验方案冶炼制备出AZ61稀土镁合金，主要研究了浇铸温度、保温时间、稀土元素含量对合金组织的影响，为冶炼AZ61稀土镁合金提供参考。

1 试样制备与试验方法

试验所用材料为AZ61镁合金（化学成分见表1），颗粒状Mg－15La中间合金（镧质量分数15%）。为了研究浇铸温度、保温时间、稀土含量等因素对合金组织的影响，制定了三水平三因素试验方案，如表2所示。

将原料AZ61合金表面进行机械打磨以去除表面氧化皮及污垢，放入烘干炉中烘干水分待用。试验前将Mg－15La中间合金切成小块使其在熔炼过程中容易熔化，然后按预定的镧质量分数进行配料，充分考虑镁合金的烧损率予以适当调整后，分别在物理天平上称出原料所需量。

第1组试验步骤：将AZ61合金切成小块并预热到300℃，炉子加热至600℃后放入AZ61合金，当合金开始部分熔化时，加入自制的覆盖剂，升温至720℃使其完全融化，再加入预先称好的小颗粒状的Mg－15La中间合金（加入时中间合金用铝箔纸包裹），机械搅拌，使其均匀分布在熔体中；静置保温90min后，降温至700℃浇铸至金属型模具中。在浇铸前预热浇铸模至200℃左右，避免金属熔体激冷，提高合金的流动性。得到AZ61－0.5%La合金。其余10组试验按类似方法进行。

表1 试验用AZ61镁合金的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of test AZ61magnesium alloy（mass）%

表2 AZ61稀土镁合金熔炼方案Tab.2 Experimental scheme of AZ61RE－magnesium alloy

为了观察试样的显微组织，先把合金镶嵌成试样，镶嵌机型号为XQ－1，然后依次使用不同型号的水磨金相砂纸打磨镶嵌好的试样，对试样进行抛光，再用体积分数为4%硝酸酒精溶液进行腐蚀，最后在为XJL－02型的光学显微镜与Quanta 200型扫描电子显微镜（SEM）下观察显微组织。

2 试验结果与讨论

2.1 保温时间对合金显微组织的影响

从图1中可以看出，合金在熔化后，经过不同保温时间处理后，浇铸成型的合金组织没有太大的区别，其显微组织基本类似。试验合金中添加了稀土元素镧，稀土元素镧的熔点高，扩散慢，可以通过延长保温时间来增加稀土镧元素融入合金中的量，从而达到理想的合金化效果。

2.2 浇铸温度对合金显微组织的影响

从图2中可以看出，基体合金主要由α－Mg相和粗大的β－Mg17Al12相组成；当浇铸温度为700℃时，合金组织比较均匀，当浇铸温度升高到720℃时，合金的组织十分均匀，晶粒也比较圆整，随着温度的继续升高，合金的组织开始长大、粗化。

因为试验采用金属液直接浇铸到金属模具然后成形的方式，而模具温度比金属液温度低很多，金属液浇入模具型腔后快速冷却，因此合金的凝固过程是非平衡凝固。浇铸温度不同，金属熔体所含的热量也不同，所产生的过热度也不同，使得合金组织的长大形式及机制发生变化。另外，金属液温度的不同使得合金熔体的黏度不同，这对合金熔体在模具型腔内的流动性产生较大影响。金属液流动性差将导致初生相在长大过程中出现成分偏差，影响合金成分的均匀性，最终改变合金初生相长大机制。

根据合金熔体热量散失时间T公式［9］：

式中：t浇为浇铸温度；t型为模型温度；tL为合金液相线温度。

在冷却条件相同的情况下，浇铸温度高，合金所需要的散热时间也就长，相应的凝固时间也长。当浇铸温度为700℃时，合金的浇铸温度相对来说比较低，熔体冷却速率快，凝固时间短，温度场比较均匀，有利于形成颗粒均匀的初生α－Mg相。当浇铸温度升高到720℃时，熔体中所含的热量增加，合金形核和长大的时间延长，但是由于增加的热量刚好达到合金凝固形核和长大的最佳点，故得到的合金组织也非常均匀，晶粒也十分圆整；随着浇铸温度的进一步升高，合金中所携带的热量也继续增加，导致合金凝固时间延长，α－Mg相开始长大，甚至发展成为树枝晶。另外，当浇铸温度升高时，镁合金熔体的氧化倾向增多，熔体吸气增多，合金凝固时易出现缩松、缩孔等铸造缺陷。因此，浇铸温度选择在720℃时效果最好。

2.3 镧含量对合金显微组织的影响

由图3，4可以看出，当合金中稀土镧质量分数为0.5%时，初生相α－Mg呈树枝状，晶粒比较粗大，β－Mg17Al12相在晶界上呈不均匀网状分布，并出现偏聚现象，由SEM形貌可知，此时稀土相的含量相对较少，零星地分布在组织中，其形貌主要是呈短棒状；当合金中稀土元素镧质量分数为1.0%时，晶粒细化较为明显，树枝状初生相α－Mg得到明显改善，网状β－Mg17Al12相消失，均匀分布在晶界上，由其SEM形貌可知，合金中长条形、白色发亮的组织开始增多，在组织中大部分地方都有分布，原来呈现短棒状的稀土相开始变长，稀土相既有短棒状，也有长棒状；当稀土镧质量分数为1.5%时，树枝状α－Mg重新出现，并且晶粒粗大，β相在晶界上偏聚现象严重，由SEM形貌可知，合金中存在较多的稀土相，稀土相继续变长，大部分稀土相都是呈长条状分布于合金中，甚至少数地方出现了稀土相团聚的现象。

晶粒尺寸、β－Mg17Al12相及生成稀土相的形貌及分布直接影响合金的性能［11］。在常温下，细化晶粒是一种有效提高合金强度和塑性的手段，β相的网状化对合金的力学性能具有不利的影响，第二相稀土相本身为硬脆相，它的形成可以防止晶体塑性变形时晶界的滑移，从而提高合金的强度，同时稀土相的均匀分布对合金的强韧性也有一定的提高。由图3可知，当稀土镧含量为1.0%时，晶粒显细化，网状β相被打散，同时短杆状的稀土相在合金中均匀分布，这都有利提高合金的强韧性；当稀土含量继续升高至1.5%时，网状β相重新聚集，同时细长稀土相的析出对合金具有割裂能力，严重影响合金的力学性能。因此，当合金中稀土镧含量为1.0%时，所得合金的组织最佳。

3 结 论

（1）试验条件下，随浇铸温度升高，组织变得均匀、晶粒变得圆整，但也开始长大、粗化；当浇铸温度为720℃时，合金的组织最均匀，晶粒也最圆整。

（2）随稀土镧含量增加，合金中树枝状初生相α－Mg得到改善，同时稀土相也开始长大，当其质量分数为1.0%时，β－Mg17Al12相均匀分布在晶界上，并且组织中所含的稀土相分布比较均匀，没有出现团聚。

（3）合金熔体经过不同保温时间浇铸的合金组织没有太大的区别，基本类似。

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