趙鑫

[摘 要]通過(guò)添加變質(zhì)劑Ca，探究對(duì)Mg-5Al-2Al-Ti-B型鎂合金的組織和力學(xué)性能的影響。本實(shí)驗(yàn)使用永久模鑄造的方式制備材料，采用光學(xué)顯微鏡、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。研究Ca的不同添加量對(duì)鑄態(tài)組織晶粒尺寸的影響。研究表明：合金鑄態(tài)組織由α-Mg，共晶組織與第二相構(gòu)成，Ca的添加改變第二相的形貌，抑制Mg17Al12的生成，產(chǎn)生新的相Mg2Ca和 Al2Ca，Ca的添加顯著的細(xì)化組織，當(dāng)含量達(dá)到1%時(shí)細(xì)化效果最好。

[關(guān)鍵詞]鎂合金；晶粒細(xì)化；力學(xué)性能

能源節(jié)約已成為當(dāng)代工業(yè)發(fā)展和科技研究的一個(gè)重要主題，新型工業(yè)的發(fā)展旨在其能源的利用率和材料的輕量化，傳統(tǒng)工業(yè)的能源消耗之所以甚巨的主要原因之一為：結(jié)構(gòu)材料的本身比重大。目前鎂合金發(fā)展的主要瓶頸是其綜合力學(xué)性能的改變。晶粒細(xì)化是提高鎂合金力學(xué)性能的重要途徑，王凌云在研究鎂合金AZ31的晶粒細(xì)化時(shí)提出了材料的屈服強(qiáng)度與晶粒大小存在著函數(shù)關(guān)系，晶粒的尺寸對(duì)鎂合金的影響非常的顯著[1-2]。金屬晶粒細(xì)化的主要方法有：（1）增加過(guò)冷度，加大冷卻速度；（2）添加變質(zhì)劑；（3）振動(dòng)處理。本文所研究的是，在熔融狀態(tài)下在Mg-5Al-2Al-Ti-B型鎂合金中添加不同含量的Ca，研究不同含量的Ca對(duì)基體的晶粒細(xì)化效果以及力學(xué)性能的改變。

一、實(shí)驗(yàn)材料與過(guò)程

1.材料準(zhǔn)備

鎂合金在熔煉時(shí)極易氧化，因此在熔煉過(guò)程中要采用溶劑保護(hù)，溶劑由NaCl、KCl、CaCl2按照1：1：1的量混合制成。為避免鎂合金溶劑與模具型腔發(fā)生氧化反應(yīng)，同時(shí)為了方便脫模，本實(shí)驗(yàn)采用在模具型腔涂抹ZnO涂料，在熔煉的過(guò)程中鎂合金有可能會(huì)燃燒，所以要準(zhǔn)備一些硫磺，放置在干燥的玻璃器皿中。實(shí)驗(yàn)所需的工具和設(shè)備：金屬模具、石墨坩堝、電阻爐。實(shí)驗(yàn)原料：工業(yè)鎂錠（99.8%）、鋁錠（99.7%）、鋅錠（99.8%）、鎂鈣中間合金（Mg-30%Ca）。

2.試樣的鑄造過(guò)程

將坩堝預(yù)熱至暗紅色（400～500℃），將溶劑灑在坩堝的側(cè)壁和底部；然后升溫熔化預(yù)熱的鎂錠，在740℃時(shí)加入中間合金，將合金液充分?jǐn)嚢?，并升溫至變質(zhì)劑處理溫度，之后在保溫10～15min后，當(dāng)熔體溫度降到660℃左右時(shí)進(jìn)行澆注。

試樣依次采用600#、1000#、1500#的砂紙打磨，然后用酒精在絨布上拋光，用4%的硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，當(dāng)試樣變色時(shí)用酒精沖洗試樣并吹干，金相分析采用Nikon-300型金相顯微鏡。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于與分析

1.金相分析

（a）Mg-5Al-0.5Ca-2Al-Ti-B

（b）Mg-5Al-1Ca-2Al-Ti-B

（c）Mg-5Al-1.5Ca-2Al-Ti-B

（d）Mg-5Al-2Ca-2Al-Ti-B

圖1 不同Ca含量對(duì)鎂合金組織的形貌影響

圖1為Ca的不同加入量的Mg-5Al-2Al-Ti-B鎂合金鑄的金相組織。鎂鋁合金的相圖可知，共晶體的平衡比例為11%，而本實(shí)驗(yàn)的澆注過(guò)程并非平衡結(jié)晶，因此共晶組織有所增加。由圖可以發(fā)現(xiàn)，合金化的鑄態(tài)組織主要由初生的α-Mg固溶體和β相（Mg17Al12）組成，晶粒尺寸及形貌隨Ca含量的不同呈現(xiàn)出不同的狀態(tài)。

圖1（a）可以發(fā)現(xiàn)主要由粗大的等軸晶及第二相構(gòu)成，隨著Ca含量的增加從圖2（b）中可以看出晶間的共晶組織減少，晶界上存在少量的顆粒，大部分共晶相已溶解進(jìn)入機(jī)體α-Mg當(dāng)中，因此晶粒細(xì)化的效果顯著。

2.力學(xué)實(shí)驗(yàn)

（1）拉伸試樣。

拉伸試樣制備執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)金屬材料室溫拉伸試樣，標(biāo)距尺寸為30mmX6mm ，拉伸速率設(shè)為1x10-3S-1。使用長(zhǎng)春機(jī)械院生產(chǎn)萬(wàn)向拉伸試驗(yàn)機(jī)WE-30進(jìn)行試驗(yàn)，拉伸結(jié)果如表2。

2.細(xì)化機(jī)理

用金屬學(xué)理論的觀點(diǎn)來(lái)看，加入的變質(zhì)劑只要能和Mg、Al元素形成高熔點(diǎn)的化合物就可以起到阻礙晶粒增長(zhǎng)的效果，從而細(xì)化了晶粒。由圖1（a）觀察可知，由于少量的變質(zhì)劑Ca的加入，固溶于β相中，但沒(méi)有形成新的相，起到了一定的細(xì)化效果，但是效果并不明顯。由圖1（b）可知，隨著Ca含量的增加，Mg17Al12相的數(shù)量越來(lái)越少，組織越細(xì)。向 Mg-Al系合金中加入Ca可以抑制Mg17Al12的生成，產(chǎn)生新的耐熱相Mg2Ca和 Al2Ca，Al2Ca 大多以 α-Mg+Al2Ca不連續(xù)骨骼狀共晶出現(xiàn)，這就是Mg-Al-Ca合金中存在的網(wǎng)絡(luò)狀分布粗大第二相。隨著 Ca含量的增大，鎂合金中的第二相由Mg17Al12向Mg2Ca、（Mg，Al）2Ca轉(zhuǎn)變。合金中的第二相主要以Mg17Al12相的形式存在，Ca元素大部分固溶在 Mg17Al12相中。當(dāng)Ca含量為0.5%時(shí)，第二相呈現(xiàn)球狀或粗大不規(guī)則的形狀，但是分布較為均勻，而Ca含量為1%和1.5%時(shí)，第二相則變?yōu)榇执蟮木W(wǎng)絡(luò)狀樹(shù)枝晶。在Ca含量為2%時(shí)，第二相則變?yōu)檩^細(xì)的樹(shù)枝晶，Ca含量再升高至3%時(shí)，第二相再次變得粗大。

三、結(jié)語(yǔ)

1.通過(guò)添加不同含量的變質(zhì)劑Ca研究其對(duì)基體的晶粒細(xì)化效果，相互對(duì)照發(fā)現(xiàn)，Ca的添加能夠細(xì)化Mg-5Al-2Al-Ti-B型鎂合金的晶粒，但是當(dāng)Ca的含量為1%時(shí)細(xì)化效果最好。平均晶粒度能夠達(dá)到6.6mm。

2.Ca的添加對(duì)抗拉強(qiáng)度有著較為顯著的影響，當(dāng)Ca的含量為0.5%時(shí)其抗拉強(qiáng)度200MPa，但是Ca的含量為1%時(shí)組織晶粒尺寸最小，這表明Ca的添加改變了組織的晶粒尺寸，從而影響到鎂合金的力學(xué)強(qiáng)度。但是兩者也不是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，這與基體中的Al-Ti-B還有一定的關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

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