劉 榆，龍思遠(yuǎn)，2，陶 軍

（1.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400045；2.國(guó)家鎂合金材料工程技術(shù)研究中心，重慶 400044）

0 引言

鎂合金作為實(shí)際應(yīng)用中密度最小的結(jié)構(gòu)材料，兼有高的比強(qiáng)度和比彈性模量，良好的剛性、切削加工性及利于回收等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有減震、導(dǎo)熱、耐沖擊等特點(diǎn)，在汽車、電子、交通、航天航空和軍工領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值和前景［1－3］。鎂鋁鋅合金是目前使用最廣泛的鎂合金之一，國(guó)內(nèi)外對(duì)鎂鋁鋅合金已開展了大量卓有成效的研究工作［4－5］，但目前的研究多集中在鑄造性能和高、常溫力學(xué)性能方面［6］，而對(duì)其顯微行為的研究相對(duì)較少。

為此，作者以鎂鋁鋅合金中鑄造性能相對(duì)優(yōu)異的AZ81鎂合金為研究對(duì)象，通過(guò)相圖和差熱分析確定了其在凝固過(guò)程中的主要相變點(diǎn)，采用液淬方法得到相變點(diǎn)的顯微組織，并研究了其凝固行為及組織演變機(jī)理。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為市售AZ81鎂合金，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）為8.16Al，0.62Zn，0.21Mn，0.02Si，0.001 6Cu，0.004Fe，0.000 5Ni，余Mg。

將AZ81鎂合金表面的氧化皮去除后，放入內(nèi)徑為6mm 的薄壁不銹鋼微型坩堝內(nèi)，用鎢極氬弧焊將坩堝的開口端密封；然后將不銹鋼微型坩堝置于金屬架上的滑動(dòng)吊箱上，再一起置于箱式電阻爐（見(jiàn)圖1）內(nèi)，同時(shí)將連接晶閘管溫度控制器的熱電偶置于箱式電阻爐內(nèi)測(cè)爐內(nèi)溫度，再將一個(gè)連接溫度記錄儀的微型熱電偶插入不銹鋼坩堝測(cè)合金的溫度。用耐火棉封住箱式爐下端的通道，當(dāng)溫度達(dá)到相變溫度點(diǎn)時(shí)，去掉耐火棉，推動(dòng)滑竿使裝有鎂合金的不銹鋼坩堝從箱式爐下面的開口處迅速掉入激冷的鹽水槽中，進(jìn)行液淬處理。

圖1 箱式電阻爐示意（側(cè)面）Fig.1 Schematic diagram of furnace box（side）

各溫度點(diǎn)液淬的AZ81鎂合金試樣經(jīng)磨平拋光后，用6%（體積分?jǐn)?shù)）硝酸酒精溶液腐蝕，然后采用XJP－3A 型光學(xué)顯微鏡和配有能譜儀（EDS）的VEGA ⅡLMU 型掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行組織觀察和化學(xué)元素分布的分析，以揭示AZ81鎂合金的凝固行為。

用METTLER TGA／DSC1／1100LF 型熱分析儀對(duì)AZ81鎂合金進(jìn)行了差熱分析（DSC），以確定其液固相變溫度和共晶相變溫度。測(cè)試時(shí)，試樣被勻速加熱到700 ℃，然后在5 ℃·min－1的降溫速率下進(jìn)行差熱分析，降溫全過(guò)程在氬氣的保護(hù)下進(jìn)行，氣體流量為10mL·min－1。

根據(jù)DTA 曲線得出的固液轉(zhuǎn)變和共晶相變溫度，采用上述光學(xué)顯微鏡，選取在425，460，500，590，650 ℃液淬后的試樣進(jìn)行組織分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 DTA 曲 線

根據(jù)文獻(xiàn)［7］可知，試樣在相變時(shí)吸收或放出的熱量使其溫度高于或低于參照物的溫度，從而在DTA 曲線上得到放熱峰或吸熱峰。AZ81 鎂合金的凝固過(guò)程包括液－固轉(zhuǎn)變和共晶轉(zhuǎn)變兩個(gè)過(guò)程。

由圖2 可知，AZ81 鎂合金在加熱過(guò)程中出現(xiàn)了2個(gè)峰值點(diǎn)，根據(jù)第一個(gè)峰值可以確定共晶轉(zhuǎn)變（L→α－Mg＋β）溫度為426.8 ℃左右，根據(jù)第二個(gè)峰值知固液相變（L→α－Mg）溫度為591.4 ℃左右。

圖2 AZ81鎂合金的DTA曲線Fig.2 DTA curve of AZ81magnesium alloy

2.2 XRD譜

由圖3 可知，室溫時(shí)合金的凝固組織中存在α－Mg和β－Mg17Al12兩相。

圖3 冷卻到室溫后AZ81鎂合金的XRD譜Fig.3 XRD pattern of AZ81magnesium alloy after cooling to room temperature

2.3 EDS譜

圖4 AZ81鎂合金在550 ℃液淬后的SEM 形貌Fig.4 SEM morphology of AZ81magnesium alloy after liquid quenching at 550 ℃

表1 AZ81鎂合金在550 ℃液淬后的EDS分析結(jié)果Tab.1 EDS analysis results of AZ81magnesium alloy after liquid quenching at 550 ℃ %

由圖4及表1可知，AZ81鎂合金在550℃液淬后，從液相中析出的初晶組織（1點(diǎn)）中鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)96.03%，由此可以判定其為α－Mg；初晶α－Mg中固溶有少量鋁，同時(shí)由于試樣表面被氧化，也含有少量氧元素。初晶α－Mg枝晶間富鋁的殘余金屬液淬后，過(guò)冷度很大，形成偽共晶組織（2 點(diǎn)），它由α－Mg和分布于其間的網(wǎng)狀β－Mg17Al12構(gòu)成，從而使得該偽共晶組織中鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為67.03%，高于β－Mg17Al12相中的鎂含量。

由圖5和表2可知，AZ81鎂合金在400℃液淬后，基體相（3點(diǎn)）為α－Mg。應(yīng)該指出的是，共晶相應(yīng)為β－Mg17Al12，但由于合金隨爐冷卻，β－Mg17Al12中的鋁元素有充分的時(shí)間擴(kuò)散，使得4點(diǎn)的EDS分析結(jié)果中的鎂含量高于β－Mg17Al12中的鎂含量。共晶轉(zhuǎn)變是在已存在大量初晶α－Mg 的條件下進(jìn)行的，共晶α－Mg相依附初晶α－Mg生長(zhǎng)，與初晶α－Mg合為一體，β－Mg17Al12相則存在于α相的晶界處。

圖5 AZ81鎂合金在400 ℃液淬后的SEM 形貌Fig.5 SEM morphology of AZ81magnesium alloy after liquid quenching at 400 ℃

表2 AZ81鎂合金在400 ℃液淬后的EDS分析結(jié)果Tab.2 EDS analysis results of AZ81magnesium alloy after liquid quenching at 400 ℃ %

2.4 凝固過(guò)程

在AZ81鎂合金中，鋅的含量較少，且固溶于鎂基體中，因此可以根據(jù)鎂鋁二元合金相圖［8］和XRD結(jié)果來(lái)分析AZ81鎂合金的凝固過(guò)程。

由圖6可見(jiàn)，在650℃液淬時(shí)，因鎂合金的的過(guò)冷度很大，形核率較高，故而此時(shí)獲得的枝晶組織為飽和的固溶體，尺寸極其細(xì)小，說(shuō)明在此溫度下AZ81鎂合金為液態(tài)，鋁完全溶于鎂基體中；隨著液淬溫度降至590℃，鋁在鎂基體中的固溶度減小，細(xì)小枝晶中出現(xiàn)了少量白亮塊狀組織，結(jié)合鎂鋁二元合金相圖和XRD 分析結(jié)果推知其為初晶α－Mg，說(shuō)明此溫度下初晶相α－Mg 固溶體開始從液相中析出，與前面推斷的固液相變溫度約為590 ℃完全相吻合；液淬溫度繼續(xù)降至500℃時(shí)，白亮塊狀的初晶α－Mg數(shù)量不斷增多，逐漸長(zhǎng)大連成一片，并形成粗大的枝晶組織。當(dāng)液相析出初晶α－Mg時(shí)，向α－Mg枝晶間排出部分鋁溶質(zhì)原子，鋁溶質(zhì)原子來(lái)不及擴(kuò)散均勻化，在尚未凝固的液相中富集［9］，隨著固液界面前沿鋁含量不斷增多，使富鋁的殘余液體在初晶α－Mg 枝 晶 間 隙 發(fā) 生 共 晶 轉(zhuǎn) 變，形 成α－Mg、β－Mg17Al12共晶組織。液淬時(shí)，由于過(guò)冷度很大，富鋁的殘余液體來(lái)不及形成離異共晶組織，直接進(jìn)入偽共晶區(qū)形成黑色網(wǎng)狀的偽共晶β－Mg17Al12；液淬溫度為460℃時(shí)，隨著溫度的降低，溫度的下降速率變得比較緩慢，溶質(zhì)鋁有相對(duì)多的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散，使得共晶組織中的枝晶變細(xì)；液淬溫度降到425℃時(shí)，黑色顆粒β相繼續(xù)變小，此時(shí)的β相不是網(wǎng)狀的偽共晶組織，而是兩相分離的離異共晶組織，這表明合金在450～425 ℃之間發(fā)生了共晶轉(zhuǎn)變。

3 結(jié)論

（1）AZ81鎂合金的固液相變溫度約為590 ℃，共晶轉(zhuǎn)變溫度約為420 ℃。

（2）AZ81 鎂合金在凝固時(shí)首先會(huì)析出α－Mg樹枝晶，在其生長(zhǎng)過(guò)程中，固液界面前沿的鋁含量不斷增多，富鋁的殘余液體在枝晶間隙發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，最后凝固形成α－Mg和β－Mg17Al12的共晶組織；由于該共晶組織含量少，共晶α－Mg相往往依附于初生α－Mg形核長(zhǎng)大，將β－Mg17Al12相推向α－Mg 枝晶的晶界，形成離異共晶組織。

圖6 AZ81鎂合金在不同溫度液淬后的顯微組織Fig.6 Microstructure of AZ81magnesium alloy after liquid quenching at different temperatures

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