Al-5Ti-0.25C-8Sr對AM60B鎂合金鑄態(tài)顯微組織及性能的影響

趙紅亮，段曉輝，于 洋，翁康榮，孔亞萍

(鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州450001)

0 引言

Mg-Al系鎂合金為目前應(yīng)用最廣泛的鎂合金之一，在Mg-Al系鎂合金中，AM60鎂合金具有較高的塑性、較好的韌性和抗蠕變性，日漸成為汽車部件生產(chǎn)首先考慮的材料，但該合金存在著強度較低的缺點.添加晶粒細化劑細化鎂合金晶粒和改變組織形態(tài)是改善鎂合金性能，擴大鎂合金應(yīng)用范圍的一種方便而有效的手段.近年研究結(jié)果表明：Al-Ti、Al-Ti-C中間合金對純鎂及其鎂合金的組織和性能有較好的改善［1-3］，但這類二元或三元中間合金多只從組織細化方面討論了其對鎂合金的影響，而對鎂合金組織中第二相變質(zhì)的討論則較少.因此，筆者通過添加Al-5Ti-0.25C-8Sr四元中間合金，研究Al-5Ti-0.25C-8Sr對AM60B鎂合金組織的細化和變質(zhì)效果以及其性能的影響，并對其細化變質(zhì)機理進行探討.

1 試驗方法

晶粒細化劑采用自制的Al-5Ti-0.25C-8Sr中間合金［4］，選用AM60B合金作為晶粒細化的基礎(chǔ)合金;在一定比例的SF6+CO2混合氣體保護下，采用SG2-7.5-12鑄鐵坩堝電阻爐(7.5 kW)進行熔煉;熔配3種成分的AM60B+x%Al-5Ti-0.25C-8Sr(x=0.1，0.3，0.5)試驗合金.熔煉過程為：720℃將AM60B鎂合金熔化，后升溫到740℃時加入中間合金，待中間合金熔化后輕微攪拌，使中間合金在熔體中分布均勻，靜置保溫20 min并降溫至720℃，澆鑄于規(guī)格為Φ20 mm×130 mm并預(yù)熱250℃的鋼模內(nèi).

從試樣頂端25 mm處取樣分析.試樣經(jīng)過打磨和拋光后腐蝕，腐蝕溶液為苦味酸酒精溶液(10 mL醋酸，4.2 g苦味酸，10 mL水，70 mL乙醇)與4%硝酸酒精溶液.腐蝕后經(jīng)蒸餾水清洗并吹干后進行金相觀察.利用截線法測量α-Mg晶粒的尺寸大小;通過XRD分析試樣的相組成;利用掃描電鏡(SEM)研究合金的顯微組織.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 中間合金對AM60B晶粒和鑄態(tài)組織的影響

圖1為固溶處理后AM60B鎂合金的固溶組織.可以看出，添加 Al-5Ti-0.25C-8Sr中間合金后，AM60B合金晶粒出現(xiàn)了先細化后粗化的趨勢.未添加中間合金時AM60B平均晶粒尺寸為265 μm，添加0.1%后其晶粒最細小，平均晶粒為78 μm，且晶粒大小均勻，這說明 Al-5Ti-0.25C-8Sr中間合金對AM60B具有良好的細化效果.

圖1 添加Al-5Ti-0.25C-8Sr中間合金前后AM60B鎂合金的固溶組織照片F(xiàn)ig.1 Solid solution microstructure of AM60B without and with addition of Al-5Ti-0.25C-8Sr master alloy

圖2為添加不同量Al-5Ti-0.25C-8Sr中間合金時AM60B鎂合金的鑄態(tài)SEM照片.由圖2(a)可以看出：AM60B是由基體α相和離異共晶析出的β-Mg17Al12相組成，β相主要以半連續(xù)網(wǎng)狀沿晶界分布且尺寸較大，也有少量顆粒狀分布于晶內(nèi).在添加質(zhì)量分數(shù)為0.1%的Al-5Ti-0.25C-8Sr中間合金后(見圖2(b))，β相全部轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀并均勻彌散地分布于基體中，且析出量明顯減少.當(dāng)加入質(zhì)量分數(shù)為0.3%時(見圖2(c))，β相仍主要以顆粒狀分布，但析出量較0.1%時多.繼續(xù)增加Al-5Ti-0.25C-8Sr添加量后，發(fā)現(xiàn)粒狀β相減少，骨骼狀β相增多，甚至重新出現(xiàn)了斷續(xù)網(wǎng)狀β相，如圖2(d).這說明該中間合金對AM60B中的β相具有良好的變質(zhì)作用，不僅可改變β相的大小、形貌和分布，而且可抑制β相的析出，但加入量不能過多，0.1%時最佳.

為了研究AM60B中添加Al-5Ti-0.25C-8Sr中間合金后晶粒細化的機理及Ti和Sr元素在AM60B中存在的位置，對添加質(zhì)量分數(shù)為0.5%Al-5Ti-0.25C-8Sr中間合金的AM60B合金試樣進行了面掃描，結(jié)果如圖3所示.可以看出，Ti和Sr元素均存在于鎂合金中，且主要沿晶界分布.

圖2 添加Al-5Ti-0.25C-8Sr中間合金前后AM60B合金的鑄態(tài)SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM micrograph of as-cast AM60B without and with addition of Al-5Ti-0.25C-8Sr master alloy

向熔融態(tài)AM60B合金液中加入Al-5Ti-0.25C-8Sr中間合金后，釋放出 TiC、Al4Sr、TiAl3和少量Al4C3粒子［4］.TiAl3相高溫分解后 Ti溶于合金熔體中，Al則與C發(fā)生反應(yīng)生成Al4C3粒子.Al4C3為密排六方結(jié)構(gòu)，與α-Mg具有相同的晶體結(jié)構(gòu)，TiC雖為體心立方結(jié)構(gòu)，但其(111)面與Mg的(0001)面具有相似的原子排列方式，這兩種粒子與α-Mg的錯配度分別為3.8%和4.6%.根據(jù)異質(zhì)形核理論，晶格錯配度δ≤9%即可作為有效核心.因此，Al4C3和TiC粒子均可作為α-Mg的有效形核核心［5］.Ti和Sr元素在鎂中的溶解度均較小，是所謂的“表面活性元素”［6-8］.在合金凝固過程中，Ti和Sr被排擠到固—液界面前沿，富集在α-Mg晶粒相界面，降低了溶質(zhì)原子的擴散速度，并抑制了晶粒長大，從而細化合金晶粒并使β相轉(zhuǎn)變?yōu)閺浬⒎植嫉念w粒狀.另外，部分Al4Sr相在合金凝固過程中，會在α-Mg晶粒相界面前沿偏聚，起到阻止晶粒長大作用.

圖3 添加質(zhì)量分數(shù)0.5%Al-5Ti-0.25C-8Sr中間合金的AM60B面掃描照片F(xiàn)ig.3 SEM micrograph of AM60B with addition of 0.5%Al-5Ti-0.25C-8Sr master alloy

2.2 中間合金對AM60B抗拉強度的影響

在添加 Al-5Ti-0.25C-8Sr中間合金后，AM60B合金的抗拉強度和顯微硬度均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢.當(dāng)加入質(zhì)量分數(shù)為0.1%Al-5Ti-0.25C-8Sr時，其抗拉強度達到181 MPa，較原合金提高了22%;顯微硬度達到57.9 Hv，提高了21.9%.繼續(xù)增加Al-5Ti-0.25C-8Sr添加量時，抗拉強度和顯微硬度均有所下降，這主要是由合金晶粒粗化和β相變質(zhì)效果較弱所影響.在添加0.1%Al-5Ti-0.25C-8Sr時，合金晶粒最小，且β相為細小顆粒相，因此其抗拉強度和顯微硬度最高.

3 結(jié)論

(1)Al-5Ti-0.25C-8Sr中間合金不僅可有效細化AM60B合金晶粒，并可改變其β相的大小、形貌和分布，添加0.1%Al-5Ti-0.25C-8Sr中間合金具有最佳的細化變質(zhì)效果，α-Mg平均晶粒尺寸由原265 μm細化到78 μm，但當(dāng)中間合金加入量大于0.1%時，AM60B呈現(xiàn)晶粒粗化趨勢.

(2)Al4C3和TiC粒子在合金凝固過程中起異質(zhì)形核核心作用;Sr和Ti則作為“表面活性元素”，在合金凝固過程中富集在固-液界面前沿，降低溶質(zhì)原子的擴散速度，并抑制晶粒長大，從而細化α相和變質(zhì)β相.

(3)Al-5Ti-0.25C-8Sr中間合金對AM60B抗拉強度和顯微硬度的影響均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，當(dāng)加入質(zhì)量分數(shù)為0.1%的中間合金時抗拉強度和顯微硬度達到最大值.AM60B抗拉強度的變化趨勢與合金晶粒細化及β相大小、形貌和分布的變化是密不可分的.

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