不同压力下AZ31镁合金的凝固组织及性能变化

朱倩丽,曹　君,夏园园,杨　帆（西安德森新能源装备有限公司,西安　710043）



不同压力下AZ31镁合金的凝固组织及性能变化

朱倩丽,曹君,夏园园,杨帆
（西安德森新能源装备有限公司,西安710043）

摘 要：我国的镁矿资源丰富，是原镁生产大国，但在镁资源利用上依然停留在原镁生产阶段，对于高质量镁合金制备等深加工方面，我国依然显著落后于世界先进水平，我国镁行业迫切需要提高自己的实力。

关键词：压力；镁合金；组织；性能

0　引言

本文选用AZ31镁合金作为课题研究对象，基于加压凝固基础理论及影响机制，分析研究了加压对镁合金凝固组织变化特征以及性能的影响，其不仅对控制镁合金凝固组织进而改善性能具有积极意义，而且对进一步丰富镁合金凝固理论都也具有一定影响。

1　实验条件和方法

本实验选用AZ31镁合金，主要化学成分（质量百分比）见表1。采用一端封闭的不锈钢管作为浇铸的模型，本实验采用的压力条件分别是常压，静压，离心压力。

表1　原材料组成成分

选用高纯石墨坩埚作为AZ31合金熔炼容器，设定熔炼温度为720℃。合金熔炼过程中使用2#溶剂进行熔体的保护和除渣处理。待合金完全熔化后浇注入预热的管子中，浇注时采用氩气保护，浇铸温度670℃～685℃。

静压力是通过管式加热炉的加热区域控制镁合金熔体的施加静压的高度，通过熔体自重来补缩，获得在不同熔体深度下具有不同的静压头作用的凝固组织。

离心压力凝固是将浇注冷却的管子封闭后加热至合金融化，放入转速为1400r/min的离心设备上进行离心加压使得合金完全凝固。注意，管子在放入井式加热炉之前要用石棉布包裹，确保管子拿出井式炉未开始离心凝固之前管子内的合金处于液态。

为了明显的对比两种工艺的优缺点，静压力凝固的铸件取样沿重力方向的底部位置，离心压力凝固的铸件取离旋转中心远的边部位置。

试样磨制，抛光和腐蚀后，在奥林巴斯金相显微镜和日产S-3400N型的扫描电镜下观察显微组织，利用型号为D/max2200PC的XRD衍射仪对不同凝固条件制备成的金相试样进行相成分测试，确定相组成。使用型号HX-1000TM的显微硬度计进行硬度测试。在型号Instron8801的拉伸机上测试力学性能。

2　实验结果及分析

图1为AZ81静压、常压和离心凝固试样的显微组织图片 ，用Image J金相图片分析软件测量的平均晶粒尺寸为常压70.64um，静压61.49 um，离心压力47.59 um，第二相β-Mg17A112的体积分数为常压25.89%，静压11.74%，离心压力4.37%。

AZ31常压试样晶相组织中的第二相β-Mg17A112呈连续粗大的网状，广泛分布于晶界，富集Al的液相发生α-Mg+β-Mg17A112共晶转变形成第二相沿晶界析出。静压试样晶粒组织较常压试样晶粒尺寸变化不大，第二相析出量相对减少，第二相沿晶界呈蠕虫状分布，晶界周围也存在少量细小粒状析出相。这主要是由于压力凝固过程中，熔体自重对底部液体施压，但是静压的压力不大，对溶质的扩散系数影响不大，并未使排出的铝元素大量“截留”于α-Mg相之中，大量的铝元素最终都被“推”到晶界处达到共晶点，熔体中共晶转变L→α-Mg+β-Mg17A112大量进行，因此在晶界处形成了大量网状的第二相，另一方面由于静压压力不大，过冷度较常压试样增大不明显，其对形核率影响不大，所以静压较常压的细化程度较小。

图1　AZ81合金XRD图谱（a常压、b静压、c离心压力）

离心试样的晶粒尺寸较常压和静压试样晶粒明显细化，晶粒大小均匀，第二相析出量较静压试样少,第二相形貌呈弥散颗粒状。这主要是由于一方面，除了模具可以与外界进行热传导，离心凝固的散热非常快，所以凝固速度比常压和静压冷却速度快。镁合金的熔体在凝固过程中，离心压力比静压力大几十倍，离心力不仅增大了传热速率，且使熔体的过冷度增大，从而形核质点数量增多，离心力也使先凝固层的晶体就越易脱落、断裂及晶粒增多，凝固后的组织形貌就越细小，从而缩短了形核时间和凝固时间。另一方面，离心力减小了溶质Al的扩散速率，使得Al元素在Mg中的固溶度增大，固-液界面前沿凝固速度大于Al元素的扩散速度，铝元素被大量固溶于初生相中，冷却最后阶段在晶界处排出的Al元素含量要远低于静压试样晶界处的Al元素，因此生成的第二相少，由于晶粒更加细小因此第二相分布更加弥散。

对试样中的物相分析主要采用D/max2200PC型X射线衍射仪、X射线衍射分析实验参数为：衍射条件为Cu靶，X射线征波长为0.154178nm，40kV电压，衍射范围20°-90°，扫描步长0.02°/s。

图1为AZ81静压、常压和离心凝固试样的X射线衍射分析，从XRD图中可看出，常压和静压凝固时存在Mg与β相的衍射峰，β相的衍射峰强度随着凝固压力的增加而降低，离心凝固时无β相的衍射峰。常压试样中Mg17Al12相衍射峰最明显，其后静压试样中Mg17Al12相衍射峰强度降低，在离心凝固试样中几乎测不到第二相Mg17Al12的衍射峰，这说明随着凝固压力的增加，α-Mg的析出量增加，β相的析出量减少。

通常来说，加压凝固后的组织是非平衡组织，由于合金凝固组织决定其力学性能，所以加压凝固后其力学性能应该也有所变化。合金力学性能是表征结构合金最重要的参数之一。

表2是AZ31镁合金在不同凝固条件下的拉伸性能数值。常压凝固条件下，AZ31合金的抗拉强度是112.63MPa，随着凝固压力的升高，合金的力学性能逐渐提高，包括抗拉强度，屈服强度以及延伸率。当在离心力下凝固时，合金的抗拉强度提高到215.52MPa，是接近常压

凝固的合金抗拉强度的2 倍，屈服强度达到了121.93MPa，延伸率也达到了1.85%。

表2　AZ31试样的室温力学性能

可由Hall-Petch公式]得知材料的屈服强度与其显微组织的晶粒尺寸有直接关系。随着凝固压力的增大，镁合金铸件室温力学性能提高的主要原因为：(1)凝固组织的晶粒细化；(2)第二相组织的细化和分散[6]；(3)合金元素在基体中的固溶强化。

3　结论

（1）镁合金经过压力凝固处理后组织形貌发生了明显的变化，压力从常压到静压再到离心压力，AZ31的晶粒组织明显细化且逐步均匀化；AZ31第二相沿晶界的形态分布由块状到连续网状再到弥散细小颗粒状；（2）随着凝固压力的增大，AZ31拉伸性能有所改善，AZ31合金强度显著提高， AZ31合金的抗拉强度由常压的112.63MPa提高215.52MPa；（3）凝固压力对镁合金的显微硬度有一定程度的影响。第二相β-Mg17A112的硬度要大于基体相α-Mg，而随着凝固压力的增大，凝固组织中第二相的析出量减少，所以镁合金的显微硬度随着凝固压力的增大而减小。

参考文献：

[1]侯维芝,谭建波,王彦辉.镁合金压铸的应用前景之探讨[J].机械设计与制造,2004(01).

[2]滕海涛,张小立,齐凯等.离心铸造AZ6lA镁合金管的显微组织和力学性能[J].稀有金属材料与工程,2010,39(08):1466-1468．

[3]李培杰,弭光宝.镁合金熔体在高压场作用下流场、传热特性及凝固组织形成规律[R].国家重点基础研究发展计划课题中期报告,沈阳:东北大学,2008:12-13.

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.024