Sb對(duì)Mg—Al—Si合金組織的影響

馬濤

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2015.36.142

摘 要：采用熔劑保護(hù)熔鑄了不同成分的Mg-Al-Si合金及Mg-Al-Si-Sb合金，并對(duì)合金進(jìn)行顯微組織分析。結(jié)果表明：Mg-Al-Si合金組織為α-Mg相和β-Mg17Al12相及初晶Mg2Si相，且初晶Mg2Si相隨著Si的增加而增加。Sb的添加有效細(xì)化了粗大塊狀Mg2Si相和a-Mg相，當(dāng)Sb含量為1.5%時(shí)，初晶Mg2Si相完全細(xì)化成顆粒，當(dāng)Sb含量大于1.5%時(shí)，初晶Mg2Si相出現(xiàn)粗大現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：Mg-Al-Si合金 Mg2Si顆粒 Sb 顯微組織

中圖分類號(hào)：TG146.22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）12（c）-0142-04

Effects of Sb on Microstructure of Mg-Al-Si alloy

Ma Tao

（Shaanxi Railway Institute， Department of electrical and Mechanical Engineering， Weinan Shaanxi， 714000， China）

Abstract： As-cast ingots of the different content of Mg-Al-Si and Mg-Al-Si-Sb alloys were prepared by flux protection in electric-resistance furnace， and the Microstructures of as-cast alloys were investigated. The results show that the microstructure of Mg-Al-Si alloys consists of α-Mg phase， β-Mg17Al12 phase and primary Mg2Si. The primary Mg2Si is increased with the increase of the Si. The bulky block Mg2Si phase and a-Mg phase are effectively refined with the Sb， The primary Mg2Si phase is fully refined when the content of Sb is 1.5%. But the primary Mg2Si phase appears rough phenomenonthe when the content of Sb more than 1.5%.

Key words：Mg-Ai-Si alloy； Mg2Si particles； Sb； Microstructure

鎂的hcp型晶體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致鎂及鎂合金的室溫塑性加工困難，拉伸時(shí)的伸長(zhǎng)率一般小于10%[1]。因此，眾多研究者采用不同方法或不同合金化[2-5]來(lái)提高鎂及鎂合金的綜合性能。硅是廉價(jià)的合金元素之一，可以形成高熔點(diǎn)金屬間化合物Mg2Si相，該相具有高熔點(diǎn)，高硬度，高彈性模量，低密度，低膨脹系數(shù)和高熱穩(wěn)定性，可以強(qiáng)化鎂合金基體，改善高溫抗拉性能和抗蠕變性能[6-7]，已經(jīng)在耐熱鎂合金方面得到了廣泛的研究[8]。然而，這種合金不適合砂型鑄造，因?yàn)樵谳^慢冷速的砂型鑄造中，Mg2Si相易發(fā)生粗化，形成粗大的漢字狀Mg2Si相，大大地降低材料力學(xué)性能[9]。因此，許多研究者采用熱擠壓、快速凝固[10]、機(jī)械合金化等技術(shù)細(xì)化含Si鎂合金。盡管上述方法在細(xì)化組織、提高性能方面取得了效果，但也存在不足，使加工過(guò)程復(fù)雜化，導(dǎo)致成本增加。

該文以AZ31合金為基礎(chǔ)，采用熔劑保護(hù)熔鑄Mg-Al-Si合金，通過(guò)Sb元素的變質(zhì)作用，研究其對(duì)Mg-Al-Si合金顯微組織的影響，對(duì)于降低成本、簡(jiǎn)化工藝等方面具有重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法

在井式電阻爐中，采用石墨坩堝進(jìn)行合金熔配，熔配過(guò)程采用商用RJ-2熔劑保護(hù)。熔配工藝為：首先將工業(yè)AZ31鑄錠熔化，當(dāng)熔體溫度達(dá)到750℃時(shí)，然后分別依次加入Mg-10%Si中間合金、工業(yè)純鋁和純鋅，并將熔體進(jìn)行30min的保溫處理，以保證Si的充分溶解和合金成分均勻，最后采用工業(yè)純銻對(duì)熔體進(jìn)行變質(zhì)處理，繼續(xù)保溫5 min后分別澆注到金屬型模具中，得到AZ31-xSi-ySb合金鑄件。合金配置過(guò)程中采用石墨棒攪拌熔體，以利于合金成分均勻。該研究澆注溫度為720℃，鑄型為Φ14 mm×120 mm金屬型。配置的AZ31-xSi-ySb合金的名義成分見(jiàn)表1。配料時(shí)考慮了合金元素的實(shí)收率，所以制備合金的成分與設(shè)計(jì)成分基本相符。在鑄件中部取樣，并依次經(jīng)過(guò)打磨、粗、精拋光后，用5%的硝酸酒精侵蝕。在XJL-D2型立式金相顯微鏡下觀察其顯微組織。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 金相組織

圖1為鑄態(tài)Mg-Al-Si合金的顯微組織。由圖可見(jiàn)，Mg-2Al-1Si合金的組織為α-Mg相和β-Mg17Al12相，組織中幾乎沒(méi)有初晶Mg2Si相，且基體組織晶粒比較粗大。而Mg-2Al-2Si、Mg-2Al-3Si及Mg-2Al-4Si合金的組織均為α-Mg相和β-Mg17Al12相及初晶Mg2Si相，初晶Mg2Si量隨著合金中Si含量的增加而增加，并呈不規(guī)則多邊形狀且顆粒比較大。

圖2為鑄態(tài)Mg-Al-Si-Sb合金的顯微組織。由圖可見(jiàn)，與Mg-Al-Si合金相比Mg-Al-Si-Sb合金組織中α-Mg相和β-Mg17Al12相都得到了一定程度的細(xì)化，晶粒尺寸明顯減小，而初晶Mg2Si相隨著Sb含量增加細(xì)化程度愈加明顯，并且細(xì)化的Mg2Si顆粒向晶界偏聚，當(dāng)Sb含量為1.5%時(shí)，合金中初晶Mg2Si相由不規(guī)則形狀完全細(xì)化成細(xì)小顆粒狀；當(dāng)Sb含量大于1.5%時(shí)，Mg2Si顆粒又出現(xiàn)粗化現(xiàn)象，仍分布在晶界處。

2.2 分析與討論

Mg-2Al-1Si合金組織中幾乎沒(méi)有初晶Mg2Si相，經(jīng)分析討論其原因可能是在自制Mg-Si中間合金時(shí)Si沒(méi)能完全進(jìn)溶入。制備Mg-Si中間合金的實(shí)驗(yàn)原理為：

SiO2+4Mg=Mg2Si+2MgO

將SiO2原料加入到熔融的鎂液中，并用石墨棒持續(xù)攪拌使其充分反應(yīng)從而制備出Mg-Si中間合金。在制備過(guò)程中，SiO2原料沉到坩堝底部沒(méi)能與鎂液充分接觸并完全反應(yīng)，而是作為底渣扒除去；反應(yīng)得到的Mg2Si或附帶在熔煉產(chǎn)生的漂浮在合金液面上熔渣中被扒除或沉到坩堝底部沒(méi)能以熔體形式澆鑄到模型中。

Mg-Al-Si合金中加入Sb后，鑄態(tài)組織得到一定程度的改變。G.Y.Yuan等人[11]認(rèn)為，Sb加入Mg合金中，能與Mg形成Mg3Sb2化合物。通過(guò)計(jì)算，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)Mg3Sb2和Mg2Si的位相關(guān)系滿足（0001）Mg3Sb2//（111）Mg2Si時(shí)，兩者之間的晶格錯(cuò)配度δ=5.1%（﹤6%），因此，在Mg中加入Sb后，形成的Mg3Sb2可以作為Mg2Si的異質(zhì)形核核心而細(xì)化Mg2Si。由于Mg3Sb2相熔點(diǎn)較高（Tm=1228℃），合金凝固時(shí)該相首先結(jié)晶析出，隨著溫度的降低，Mg3Sb2相顆粒有以下幾種可能存在方式[12]：一部分可能成為a-Mg相非均質(zhì)形核的核心，細(xì)化基體組織；第二部分可能成為Mg2Si相異質(zhì)形核的核心，從而形成大量細(xì)小的Mg2Si相顆粒，Mg2Si相顆粒在凝固過(guò)程中富集于固-液界面前沿，機(jī)械地阻礙合金液中Al等原子的擴(kuò)散，使α-Mg相長(zhǎng)大受阻；還有一部分Mg3Sb2在凝固過(guò)程中也富集于固-液界面前沿，這也會(huì)機(jī)械地阻礙合金液中Al、Si 等原子的擴(kuò)散，使α-Mg相及Mg2Si相長(zhǎng)大受阻，從而阻礙其枝晶組織的進(jìn)一步長(zhǎng)大。

從能量角度來(lái)說(shuō)，異質(zhì)形核所需要的形核功小，形核的幾率大，所以，在存在核心的情況下，合金優(yōu)先發(fā)生異質(zhì)形核。Mg-Al-Si合金中加入Sb后，形成的Mg3Sb2相與Mg2Si相存在界面共格對(duì)應(yīng)，為Mg2Si相得異質(zhì)形核提供了條件，所以Mg3Sb2相細(xì)化Mg2Si相是可能的。

由于以上因素的綜合作用，使Mg2Si相和a-Mg基體組織得以細(xì)化。顯然這有利于提高合金的力學(xué)性能[13]。但是，當(dāng)Sb含量超過(guò)1.5%后，組織又逐漸發(fā)生粗化現(xiàn)象。根據(jù)擴(kuò)散相變理論，沉淀顆粒的粗化速率和溶質(zhì)原子的濃度相關(guān)，溶質(zhì)濃度越高，顆粒粗化速率也越高[14]。因此加入過(guò)量的Sb后，形成的Mg3Sb2相會(huì)聚集長(zhǎng)大[15]，使異質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)數(shù)減少，從而影響形核率，使得合金組織變粗大，這對(duì)于Mg2Si相的影響尤為顯著。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）Mg-Al-Si合金組織為α-Mg相、β-Mg17Al12相及初晶Mg2Si相，隨著Si含量的增加，初晶Mg2Si相也相應(yīng)增加，形狀不規(guī)則，較粗大。

（2）在Mg-Al-Si合金中加入適量的合金元素Sb能顯著細(xì)化α-Mg基體組織，同時(shí)使粗大的初晶Mg2Si相轉(zhuǎn)變?yōu)檩^細(xì)小的顆粒狀并分布于晶界上。當(dāng)Sb含量超過(guò)1.5%時(shí)，初晶Mg2Si相又出現(xiàn)粗大現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)

[1] Stalmann A， Sebastian W， Friedrich H， el at. Properties and processing of magnesium wrought products for automotive application[J]. Advanced Engineering Materials，2001，3（12）：969-974.

[2] Liu Tianmo， Liu Jianzhong， Lu Liwei， el at. Change Channel Angular Extrusion of Magnesium Alloy AZ31[J]. Materials Transactions，2009，50（4）：765-770.

[3] 徐春杰， 郭學(xué)鋒， 劉禮，等. 往復(fù)擠壓快速凝固Mg92.5Zn6.4Y1.1鎂合金及其微觀結(jié)構(gòu)[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2007， 28（5）：99-103.

[4] Xuefeng Guo， Sergei Remennik， Chunjie Xu， el at. Development of Mg-6Zn-1Y-0.6Ce-0.6Zr magnesium alloy and its microstructural evolution during processing[J]. Materials Science and Engineering A， 2008， 473（1-2）：266-273.

[5] T Honma， T Ohkubo， S Kamado， and K Hono. Effect of Zn additions on the age hardening of Mg-2.0Gd-1.2Y-0.2Zr alloys[J]. Acta Mater， 2007（55）：4137-4150.

[6] 臧樹(shù)俊，周琦，馬勤，等.金屬間化合物Mg2Si研究進(jìn)展[J].鑄造技術(shù)，2006，27（8）：866-869.

[7] Jung JY （Jung，Jae-Yong），Kim IH （Kim，Il-Ho）.Synthesis and Thermoelectric Properties of n-Type Mg2Si[J].ELECTRONIC MATERIALS LETTERS，2010，4（6）：187-191.

[8] 宋佩維，郭學(xué)鋒，井曉天，等.Mg-4Al-2Si合金固溶處理過(guò)程中Mg2Si相顆粒的球化[J].材料工程，2007（3）：34-37.

[9] LU Y.Z，WANG Q.D，ZENG X.Q，et al.Behavior of Mg-6Al-xSi alloys during solution heat treatment at 420℃[J].Materials Science and Engineering，2001（A301）：255-258.

[10] MABUCHIM，HIGASHJ K.Strengthening mechanisms of Mg-Si alloys[J].Acta Mater，1996，44（11）：4611-4618.

[11] YUAN G.Y，LIU Z，WANG Q.D，et al.Microstructure refinement of Mg-Al-Zn-Si alloy[J].Materials Letters，2002（56）：53-58.

[12] 袁廣銀，劉滿平，王渠東，等.Mg-Al-Zn-Si合金的顯微組織細(xì)化[J].金屬學(xué)報(bào)，2002，38（10）：1105-1108.

[13] YI Z.L，QU D.W，XIAO Q.Z，et al.Effects of rare earths on the microstructure properties and fracture behavior of Mg-Al alloys[J].Materials Science and Engineering，2000（A278）：66-76.

[14] 孫揚(yáng)善，翁坤忠，袁廣銀.Sn 對(duì)鎂合金顯微組織和力學(xué)性能的影響[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，1999，9（1）：56-60.

[15] 袁廣銀，孫揚(yáng)善，王震. Sb 低合金化對(duì) Mg-9Al 基合金顯微組織和力學(xué)性能的影響[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，1999，9（4）：779-784.