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      原位內(nèi)生AM50-x(Zn, Y)合金組織與性能

      2022-01-08 10:48:06供稿陳學(xué)文CHENXuewen
      金屬世界 2022年1期
      關(guān)鍵詞:鎂合金晶粒力學(xué)性能

      供稿|陳學(xué)文 / CHEN Xue-wen

      作者單位:1. 廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣州 510520;2. 廣州市金屬學(xué)會,廣州 510520

      內(nèi)容導(dǎo)讀本文將Zn和Y元素以原子比為6:1的形式混合加入到AM50合金中,希望通過這種方式能夠在AM50合金中形成Mg3Zn6Y準(zhǔn)晶相,從而達到改善AM50合金性能的目的。用電子能譜儀(EDS)、光學(xué)顯微鏡(OM)和電子拉力實驗機等研究了原位內(nèi)生AM50-x(Zn,Y)合金組織與性能。結(jié)果表明:Zn、Y元素加入到AM50合金中后,其形成的合金晶粒在體積上縮小,原本合金組織以β-Mg17Al12相存在,在加入Zn、Y元素之后形成β-Mg17(Zn,Al)12固溶體相,由此使得原合金組織的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化;適當(dāng)增加加入元素的量,在質(zhì)量比例為4%時,檢測到合金的各項力學(xué)性能指標(biāo)達到最高值,σb、σ0.2、δ最高值分別為206.63 MPa、92.50 MPa、10.04%,相較于原合金,各項指標(biāo)均得到明顯提升。

      由于鎂合金較為輕便且具有較高的硬度,因此常被應(yīng)用到汽車等交通工具上[1]。但從鎂合金的實際應(yīng)用來看,在較高摩擦因數(shù)的影響下使得該材料難以應(yīng)用到一些運動部件上面。為了讓鎂合金擁有更高的應(yīng)用價值,對提升鎂合金耐磨性能的方法展開研究具有較為積極的意義,而從相關(guān)研究結(jié)果來看,通過添加稀土元素、堿土元素、碳纖維、Al2O3纖維等都可以對鎂合金耐磨性能起到較大的改善效果[2-10]。

      準(zhǔn)晶表現(xiàn)出較多具有優(yōu)勢的特性,如:硬度較高、摩擦因數(shù)較低等,使得其成為當(dāng)前鎂合金研究的主要方向。有研究表明[11-16]:利用普通鑄造法制備出準(zhǔn)晶含量較高的 Mg-Zn-Gd 準(zhǔn)晶,在此制作過程中采用外加法,研究在AM50合金中加入Mg-48Zn-13Y準(zhǔn)晶后對其性能產(chǎn)生的影響。從結(jié)果來看,在向AM50合金中加入適量的Mg-48Zn-13Y準(zhǔn)晶后,能夠改善和細化AM50合金組織,使其原本的各項力學(xué)性能得到較大的改善。但是該制作方法也存在較大的局限性,首先需要制作出準(zhǔn)晶含量較高的Mg-Zn-Gd 準(zhǔn)晶,使其成為AM50合金的中間合金,但該制作工藝較為復(fù)雜,且具有較高的生產(chǎn)成本,使其實用性受到影響。

      本文將Zn和Y元素以原子比為6:1的形式混合加入到AM50合金中,希望通過這種方式能夠在AM50合金中形成Mg3Zn6Y準(zhǔn)晶相,從而達到改善AM50合金性能的目的。從Zn和Y元素與AM50合金的實際凝固過程來看,當(dāng)前主要有兩種不同的凝固處理工藝,下面主要通過實驗研究的方式探討科學(xué)的處理工藝。

      實驗材料與方法

      實驗材料

      實驗中的實驗材料包括:5%(體積分?jǐn)?shù))硝酸乙醇腐蝕劑、Mg-48Zn-13Y準(zhǔn)晶合金、AM50合金等。

      實驗儀器設(shè)備包括:MDS金相顯微鏡(OPTEC公司)、Rigaku D/max-2500 型 X 射線衍射儀、METT LERTGADSCⅠ/1100LF 型差熱分析儀、VEGAⅡLMU可變真空SEM及EDS(TESCAN公司)、HXS-1000AKY型顯微硬度計。同時在實驗中應(yīng)用Image-pro Plus 6.0 (IPP 6.0)軟件進行統(tǒng)計。

      實驗方法

      首先將AM50合金置于700 ℃溫度下,使合金發(fā)生熔化,然后將表面的一些浮渣去除;其次對提前制作完成的Mg-48Zn-13Y準(zhǔn)晶合金進行預(yù)熱處理,然后將其按照不同的質(zhì)量比例(2%、3%、4%、5%)添加到合金熔液中,并維持700 ℃溫度約5 min,對其中的合金熔液做攪拌處理,將浮于表面的渣滓去除;最后將合金熔液澆筑到準(zhǔn)備好的模具之中。

      實驗結(jié)果與分析

      AM50-x(Zn, Y)合金的顯微組織

      AM50-x(Zn, Y)合金的晶體組織形狀照片如圖1所示,對各圖的晶體組織進行對比,其中圖1(a)的AM50合金組織,其晶粒尺寸明顯較大;圖1(b)的AM50-2%(Zn, Y)合金的晶粒尺寸相較于AM50合金組織變細,且現(xiàn)象較為明顯;圖1(d)的AM50-4%(Zn, Y)合金的晶粒尺寸達到最細,據(jù)觀察晶粒平均尺寸在50 μm左右;圖1(e)的AM50-5%(Zn, Y)合金的晶粒尺寸相較于AM50-4%(Zn, Y)合金有一定程度增大,但整體仍較AM50合金組織晶粒細小。

      圖1 不同比例AM50-(Zn, Y)合金晶粒大小

      AM50-x(Zn, Y)合金的SEM照片如圖2所示。其中圖2(a)的AM50合金組織,含有較多的β-Mg17Al12相,在合金組織中呈現(xiàn)斷續(xù)網(wǎng)狀,寬度在8~10 μm;圖2(b)~(e)為加入Zn、Y元素后的SEM照片,將之與圖2(a)比較,從中可發(fā)現(xiàn)隨Zn、Y元素加入,合金組織中的β-Mg17Al12相逐漸減少,斷續(xù)網(wǎng)狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闂l狀、顆粒狀,且在Zn、Y元素加入量達到4%時,β-Mg17Al12相的寬度降低到3 μm左右。

      圖2 不同比例AM50-(Zn, Y)合金的SEM像

      圖3 為AM50-4%(Zn, Y)合金的局部放大SEM照片和EDS分析結(jié)果。由圖可知,灰色β相中不僅含有較多的Mg、Al元素,而且還含有少量的Zn元素(如圖3(c)所示),因此β相被稱之為β-Mg17(Al,Zn)12固溶體相;此外,在白亮層片狀組織中也含有這三種元素,只是三者所占據(jù)的比例存在差異,具體如圖3(d)所示,因此將這種合金稱為Φ-Mg21(Zn,Al)17相;而在組織中表現(xiàn)出來的白亮顆粒,其內(nèi)一般含有Al、Y、Mn、Mg四種元素,具體如圖3(e)所示,而Al、Y和Mn占據(jù)主體。

      圖3 加入4%Mg-48Zn-13Y準(zhǔn)晶形成合金的SEM照片和EDS分析結(jié)果

      圖4為加入不同比例Mg-48Zn-13Y準(zhǔn)晶形成合金的XRD圖譜。從圖譜顯示結(jié)果來看,當(dāng)加入比例為0和2%的時候,合金組織中只存在α-Mg和β相,此時無Φ相存在,分析其原因,主要因為合金組織中含有Zn元素過少,且存在的少量Zn元素也融入到β相之中;當(dāng)加入比例為3%、4%、5%時,XRD圖譜同時含有α-Mg、β相、Φ相的衍射峰,且新出現(xiàn)的Φ相衍射峰隨加入量增多衍射強度逐漸增強。從合金的XRD圖譜顯示結(jié)果來看,也證明上述組織分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

      圖4 加入不同比例Mg-48Zn-13Y準(zhǔn)晶形成合金的XRD譜

      AM50-x(Zn, Y)合金的力學(xué)性能

      圖5 為AM50-x(Zn, Y)合金的室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線,并對合金的力學(xué)性能進行檢測,如表1所示。從表中數(shù)據(jù)來看,AM50-x(Zn, Y)合金的力學(xué)性能首先隨加入Zn、Y元素量增多而逐漸增強,在加入Zn、Y元素比例為4%時AM50-x(Zn, Y)合金力學(xué)性能達到最優(yōu),此時σb、σ0.2、δ的數(shù)值分別為206.63 MPa、92.50 MPa、10.04%。但隨著加入Zn、Y元素量的進一步增多,AM50-x(Zn, Y)合金的力學(xué)性能會出現(xiàn)下降的趨勢,此點從加入Zn、Y元素比例為5%時的σb、σ0.2、δ的數(shù)值可看出。

      圖5 加入不同比例Mg-48Zn-13Y準(zhǔn)晶形成合金的室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

      表1 加入不同比例Mg-48Zn-13Y準(zhǔn)晶形成合金的室溫拉伸性能

      從實際檢測結(jié)果來看,在AM50合金中添加適量的Zn、Y元素對改善其力學(xué)性能(抗拉強度、屈服強度、屬性)效果較為顯著。

      結(jié)束語

      (1)在向AM50合金中加入適量Zn、Y元素元素之后,所形成的合金組織在晶粒尺寸上大幅減小,究其原因,主要在于合金中β-Mg17Al12相發(fā)生轉(zhuǎn)變。隨著Zn、Y元素加入比例大于3%時,會在合金組織結(jié)構(gòu)中生成Φ相,并包圍在β相周圍,且在Φ相數(shù)量隨Zn、Y元素加入比例增大而逐漸增多。

      (2)加入不同比例Zn、Y元素形成合金的力學(xué)性能,主要因為細晶強化、β相變化所引起。且在加入比例為4%時,所形成合金的各項力學(xué)性能達到最大 值,σb、σ0.2、δ的 數(shù) 值 分 別 為206.63 MPa、92.50 MPa、10.04%,相較于AM50合金有較大的提升。

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