韓茜，李原,2，李春,2

（1.商洛學(xué)院化學(xué)工程與現(xiàn)代材料學(xué)院/陜西省尾礦資源綜合利用重點實驗室，陜西商洛726000；2.西安工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710048）

鑄造工藝對Mg-10Zn-5Al合金組織的影響

韓茜1，李原1,2，李春1,2

（1.商洛學(xué)院化學(xué)工程與現(xiàn)代材料學(xué)院/陜西省尾礦資源綜合利用重點實驗室，陜西商洛726000；2.西安工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710048）

在不同澆注溫度下采用圓錐銅模成形得到不同冷卻速率Mg-10Zn-5Al合金，并對其進(jìn)行熱處理，探討合金的組織演變機理。結(jié)果表明：隨著冷卻速率的減小，鑄態(tài)組織枝晶間距變大，晶界變得清晰。固溶處理后，隨著澆注溫度的升高，第二相的溶解度增大，隨著冷卻速率的降低，第二相由連續(xù)網(wǎng)狀向不連續(xù)點片狀轉(zhuǎn)變。時效處理后，隨著澆注溫度的升高，從過飽和固溶體中析出的第二相數(shù)量增多，隨著冷卻速率的降低，析出相由不連續(xù)點片狀逐漸變?yōu)檫B續(xù)網(wǎng)狀。

Mg-10Zn-5Al合金；澆注溫度；冷卻速率；熱處理；顯微組織

ZA系耐熱鎂合金的主要化合物相τ-Mg32(Al，Zn)49相熔點為535℃，比β-Mg17Al12相具有更高的熔點和熱穩(wěn)定性[1-2]，因此該合金高溫性能好、成本低、鑄造性能好，是一種很有前景的高溫鎂合金[3-4]。但是該系合金的韌性較差，延伸率較低[5]。澆注溫度、冷卻速度及熱處理工藝都會影響該系合金的組織，進(jìn)而影響其性能。因此，研究了不同澆注溫度及不同熱處理參數(shù)對不同冷卻速率Mg-10Zn-5Al合金組織的影響，探討組織的演變機理。

1 材料與方法

Mg-10Zn-5Al鎂合金制備原材料為純Mg、Zn和Al錠(純度＞99.9%)，在井式坩堝電阻爐中進(jìn)行熔煉，采用RJ-2溶劑，Mg錠熔化后，在680℃時加入一定量的Al錠和Zn錠，725℃時用C2Cl6精煉除渣，靜置10～15min，待溫度分別降至650℃、600℃、550℃時澆注于圓錐模具內(nèi)，所得鑄件如圖1(a)所示。將所得圓錐鑄件從底部開始，每隔20 mm取一個試樣，分別記為1#、2#、3#、4#、5#試樣，如圖1(b)所示。金屬熔體在凝固過程中，從1#試樣到5#試樣，鑄件中心位置的凝固速率鑄件減小。

圖1 鑄件

對不同冷速的鑄態(tài)試樣在340℃固溶處理30h，再對固溶處理后的試樣在180℃時效處理18 h，出爐均為空冷。熱處理后的試樣經(jīng)預(yù)磨、拋光、腐蝕（腐蝕液為4%的硝酸酒精）后，利用光學(xué)顯微鏡觀察試樣的組織形貌，探討合金的組織演變機理。

2 結(jié)果及分析

2.1 Mg-Zn-Al三元合金物相分析

圖2為Mg-Zn-Al三元合金相圖。由文獻(xiàn)[6]可知，Mg-Zn-Al合金的整個凝固過程中包含以下反應(yīng)：溫度在液相線（585℃～607℃）時發(fā)生的反應(yīng)為L1→αp-Mg+L2，此時生成初生的α-Mg相，接著α-Mg晶粒在熔體中逐漸長大；當(dāng)溫度達(dá)到第二相相變開始溫度（349℃～360℃）時，發(fā)生二元共晶反應(yīng)：L2→αE1-Mg+φ+L3；然后發(fā)生三元偽包晶反應(yīng)：L3+φ→αφ-Mg+τ+L4（反應(yīng)溫度為343℃在平衡條件下）；第二相相變終止溫度（339℃～341℃）時，發(fā)生二元共晶反應(yīng)L4→αE2-Mg+τ+L5；最后在337℃時，發(fā)生三元共晶反應(yīng)：L5→αE3-Mg+ε+τ。所以，鑄態(tài)Mg-Zn-Al合金中的相主要有Mg17Al12(γ相)、Mg32(Al，Zn)49(T相)和二元Mg-Zn相。

圖2 Mg-Zn-Al三元合金相圖

圖3 為Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時Mg-Zn-Al三元合金相圖的垂直截面圖[7]。若設(shè)合金中Mg、Zn、Al元素原子個數(shù)分別為X、Y、Z個，則ωMg：ωZn：ωAl=24X：65Y：27Z。圖3中最右側(cè)的點表示ωMg=90%、ωZn=10%，ωAl=0%，可得24X/65Y=9/1，即X/Y=585/24，得各原子分?jǐn)?shù)，Mg=96%，Zn=4%。同理可知，相圖最左側(cè)點ωMg=0%、ωZn=10%，ωAl=90%時，Al=95.6%，Zn=4.4%。

圖3 Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時Mg-Zn-Al三元合金相圖的垂直截面圖

試驗合金中ωMg=85%、ωZn=10%，ωAl=5%，將Al的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)換算為原子百分?jǐn)?shù)即為4.8%，通過相圖可知，該成分合金凝固的組織為α-Mg基體和MgZn2、Al6Mg11Zn11共晶組織。

2.2 650℃澆注的合金組織變化

圖4中(a)(d)(g)(j)(n)為在650℃澆注時1#試樣至5#試樣的鑄態(tài)組織。由圖4(a)可知，白色區(qū)域為α-Mg相，共晶組織呈連續(xù)網(wǎng)狀分布于晶界，晶粒內(nèi)彌散分布著點狀的第二相。隨著冷卻速率逐漸降低，枝晶間距增大，枝晶組織變得粗大，晶界更為清晰，傳熱傳質(zhì)理論所推導(dǎo)的金屬冷卻速率與二次枝晶間距的經(jīng)典關(guān)系式D=βV-1/3表明[8]，二次枝晶間距D與金屬冷卻速度成反比關(guān)系，與合金組織變化相符。隨著冷卻速率逐漸降低，還能夠觀察到非連續(xù)的、沿著枝晶臂間出現(xiàn)的點狀第二相。這是因為冷卻速度較快時，合金元素的擴(kuò)散速度較慢，大量合金元素在枝晶臂間的最后凝固區(qū)域富集，形成連續(xù)的析出相。隨著冷卻速率減小，合金中的元素有比較充分的時間擴(kuò)散均勻化，導(dǎo)致枝晶臂間最后凝固區(qū)域的合金元素富集傾向減弱，第二相數(shù)量減少，從而形成非連續(xù)的點狀的析出相[9]。

圖4 澆注溫度為650℃時合金不同狀態(tài)下的顯微組織

圖4中(b)(e)(h)(k)(o)為650℃澆注的1#試樣至5#試樣在340℃固溶處理30 h的顯微組織?？梢钥闯觯T態(tài)合金經(jīng)固溶處理后，組織中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)部分已經(jīng)斷開，原來分布于晶界的非平衡凝固組織逐漸固溶于基體中，因為晶界處共晶相的部分溶解，晶界變得明顯。隨著冷卻速率的降低，固溶處理后，合金枝晶間距變大，晶界變得明顯，第二相由比較連續(xù)的網(wǎng)狀分布向不連續(xù)的點片狀分布轉(zhuǎn)變，且點片狀聚集變大，第二相溶解度增大。

圖4中(c)(f)(i)(m)(p)為650℃澆注的1#試樣至5#試樣經(jīng)340℃固溶處理30 h后再經(jīng)180℃時效處理18 h的顯微組織。與固溶處理后的組織對比可以看出，經(jīng)時效處理后，溶于基體的第二相重新析出，彌散分布在基體中形成沉淀相。隨著冷卻速率的降低，時效處理后，合金組織中晶界變得明顯，枝晶間距變大，第二相析出量減少。

2.3 600℃及550℃澆注的合金組織變化

600℃及550℃澆注的合金其鑄態(tài)組織變化與650℃類似，當(dāng)冷卻速率較大時，枝晶間距較小，晶界以及晶粒內(nèi)化合物相對較少。隨著冷卻速率的減小，枝晶間距變大，連續(xù)的網(wǎng)狀析出相變成點狀，當(dāng)冷卻速率較小時，枝晶較粗大且晶界較清晰，并且可以觀察到間斷的、沿著枝晶臂間出現(xiàn)的點狀析出相。圖5為澆注溫度為600℃時5#合金試樣不同狀態(tài)下的顯微組織。圖5(a)鑄態(tài)組織與圖4(n)比較，隨著澆注溫度的降低，同一冷速的合金枝晶間距變小。

圖5 澆注溫度為600℃時5#合金試樣不同狀態(tài)下的顯微組織

600℃及550℃澆注的合金固溶及時效處理后其組織變化也與650℃類似，經(jīng)固溶處理后，沿晶界分布的粗大連續(xù)的共晶相逐漸固溶于基體中，晶界變的明顯。再經(jīng)時效處理后，第二相重新析出，彌散分布在基體中形成沉淀相。圖5(b)固溶處理后組織與圖4(o)比較，隨著澆注溫度的降低，同一冷速的合金固溶處理后連續(xù)網(wǎng)狀的第二相更加明顯。圖5(c)固溶處理后組織與圖4(p)比較，隨著澆注溫度的降低，同一冷速的合金固溶+經(jīng)時效處理后，第二相的析出量有所減少。

3 討論

析出型合金在時效處理前，一定要進(jìn)行“固溶化”處理，其主要目的是使溶質(zhì)原子固溶到基體中去，并且形成大量的凍結(jié)空位。在后續(xù)的時效處理過程中，被凍結(jié)下來的空位在晶體中運動起來，明顯地促進(jìn)溶質(zhì)原子的擴(kuò)散，使得形核率大幅度提高[10]，第二相得以沉淀析出。

在時效過程中，過飽和的固溶體直接析出非共格的平衡相Mg17Al12相，不存在預(yù)沉淀階段或過渡相[11]。Mg17Al12相有兩種析出方式，非連續(xù)析出和連續(xù)析出，在100℃～250℃時效處理時，兩種析出方式同時存在[12-13]，但通常以非連續(xù)析出為先導(dǎo)，然后再進(jìn)行連續(xù)析出，這表明后者在能量上處于不利地位，不易于形成。開始于晶界的不連續(xù)析出進(jìn)行到一定階段后，晶內(nèi)將會產(chǎn)生連續(xù)析出，這便形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。此外，MgZn第二相的析出存在預(yù)沉淀階段，在110℃以上時效時，不形成G.P.區(qū)，而是α→β'→β(MgZn)，析出方式為連續(xù)析出?；w中的溶質(zhì)原子含量較高，而晶界溶質(zhì)原子含量較少，屬于貧溶質(zhì)區(qū)域，在時效過程中，因為存在濃度梯度，所以溶質(zhì)原子將由含量高的基體向貧溶質(zhì)區(qū)的晶界處擴(kuò)散，從而在時效后晶界處也有第二相的析出[14]。

溶質(zhì)原子融入基體形成過飽和固溶體，造成基體晶格畸變，進(jìn)而增大了位錯運動的阻力，使滑移難以進(jìn)行，從而使合金強度硬度增加。通過時效，合金元素從過飽和固溶體中以一定方式析出，彌散分布在基體中形成第二相，第二相能有效阻礙晶界和位錯的運動，從而提高合金強度[15]。

4 結(jié)論

1）隨著冷卻速率的減小，鑄態(tài)組織中枝晶間距變大，枝晶組織粗化，晶界變得清晰，還有間斷的、沿著枝晶臂間出現(xiàn)的點狀析出相。

2）固溶處理后，合金鑄態(tài)組織中沿晶界處的第二相分解并溶入基體，形成過飽和固溶體。隨著澆注溫度的升高，固溶處理后第二相的溶解度增大。隨著冷卻速率的降低，枝晶間距變大，枝晶組織變大，晶界變得明顯。

3）時效處理后，第二相從過飽和固溶體中析出。隨著澆注溫度的升高，時效處理后第二相的析出量增大。隨著冷卻速率的降低，不連續(xù)的點狀、短棒狀析出相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)的網(wǎng)狀析出相，枝晶間距變大。

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（責(zé)任編輯：張國春）

Effect of Different Casting on Microstructure of Mg-10Zn-5Al Alloy

HAN Xi1,LI Yuan1,2,LI Chun1,2
(1.College of Chemical Engineering and Modern Materials/Shaanxi Key Laboratory of Tailings Comprehensive Utilization of Resources,Shangluo University,Shangluo726000,Shaanxi；2.Materials Science and Engineering Department,Xi'an Technological University,Xi'an710048,Shannxi)

Mg-10Zn-5Al alloy with different cooling rate was obtained by conical copper mold at different pouring temperatures,and the heat treatment was carried out to study the microstructure evolution mechanism of the alloy.The results show that as the cooling rate decreases,the dendrite arm spacing distance of cast alloy microstructure become larger and the grain boundaries become clear.After the solution treatment,the solubility of the second phase increases with the increase of the pouring temperature,and the second phase changes from the continuous network to the discontinuous point sheet as the cooling rate decreases.After the aging treatment,the amount of the second phase precipitated from the over-saturated solid solution increases with the increase of the pouring temperature.With the decrease of the cooling rate,the precipitated phase gradually changes from continuous point to continuous network.

Mg-10Zn-5Al alloy;pouring temperature;cooling rate;heat treatment;microstructure

TG166.4

：A

：1674-0033（2017）04-0039-05

10.13440/j.slxy.1674-0033.2017.04.009

2017-05-23

國家級大學(xué)生創(chuàng)新項目（201511396705）；陜西省教育廳專項科研計劃項目（16JK1241）

韓茜，女，陜西洛南人，碩士，講師