劉江江，曾濤，何新澤，龔胡念，房大慶

（太原科技大學，山西太原030024）

鎂合金是目前最輕的金屬結構材料，具有比強度高，比剛度高，阻尼性好，減震性能優(yōu)良，磁屏蔽能力強和易于回收等諸多優(yōu)點，在汽車、通訊、電子產(chǎn)品、航空航天等領域具有很好的應用價值，被譽為“21世紀的綠色工程材料”[1-3]。

在石油鉆井工程中，可降解壓裂球需要應用高強度、低密度、快速降解的材料。從這個角度出發(fā)，本文考慮鎂合金材料在這方面的運用。AZ91是我們最常見的鑄造鎂合金，且生產(chǎn)加工工藝成熟。稀土元素常被添加到鎂合金中來提高合金的性能[4]。而且經(jīng)過熱擠壓塑性變形的鎂合金材料，性能往往高于鑄態(tài)合金。根據(jù)以往的研究，銅可以和鎂合金中的其他元素形成化合物，通過細化合金晶粒和第二相彌散強化的方式來提高合金的綜合力學性能，并且Cu元素的加入可以加快鎂合金的分解[5]。因此本文研究Cu元素在熱擠壓Mg-9Al-1Zn-0.5 RE基合金中的作用。

1 實驗

實驗采用的原材料為純度為99.95%的鎂錠，99.7%的工業(yè)純鋁，99.95%的鋅錠，Al-10%Mn中間合金，Al-10%RE中間合金，Mg-30%Cu中間合金，采用RJ-6作為覆蓋劑、精煉劑。所有原料裝爐前均要在200℃的烘干箱中進行預熱，合金在井式電阻爐中采用熔劑保護熔煉，熔煉溫度約為720℃.精煉處理后，加入中間合金攪拌10 min，靜置約30 min，待合金液降至700℃開始澆鑄，澆注成φ150 mm的鑄錠，鑄模為金屬模。各合金鑄錠的化學成分為Mg-9Al-1Zn-0.5 RE 中分別添加 0、1%、3%、4%質(zhì)量分數(shù)的Cu元素。

合金鑄錠經(jīng)300℃保溫10 h均勻化處理后，在1250T型擠壓機上以350℃的擠壓溫度和18：1的擠壓比將試樣擠壓成寬120 mm、厚8 mm的板材，擠壓方式為正向擠壓。在擠壓后的板材上截取金相試樣和拉伸試樣，按照與擠壓方向呈0°取樣，即研究的顯微組織和力學性能均是沿著擠壓方向的。金相試樣（10 mm×9 mm×8 mm）經(jīng)打磨、拋光、苦味酸溶液浸蝕后，采用MEF4徠卡光學顯微鏡、X射線衍射（XRD）、SH4800場發(fā)射式掃描電鏡對合金的金相組織、相組成以及第二相的分布和形貌進行觀察和分析。采用WDW-E100D微型控制電子萬能試驗機對試驗合金進行力學性能測試，根據(jù)國標所要求的尺寸，先在電火花慢走絲線切割機上將每種試樣切成4個大小相同的拉伸片。拉伸試樣尺寸如圖1所示，拉伸速度為2 mm/min，最終測量結果取4個拉伸片的平均值。

2 結果與討論

2.1 合金中的相組成

圖1 拉伸試樣尺寸示意圖

由圖2可知，熱擠壓鎂合金Mg-9Al-1Zn-0.5RE中有α-Mg基體相、β-Mg17Al12相和Al11Ce3相；當加入Cu元素1%時，合金中生成少量A12Cu相；隨著Cu含量的繼續(xù)增加，又有新的A1CuMg相產(chǎn)生，第二相β-Mg17Al12數(shù)量減少。由此可以得出：Mg-Al-Zn-RE-Cu體系中第二相的種類可能與溶質(zhì)的相對含量有關[6]。

圖 2 Mg-9Al-1Zn-0.5RE-xCu（x=0，1，3，4）合金的XRD圖譜

2.2 合金的顯微組織

從圖3中可以看出，擠壓后的晶粒沿著擠壓方向呈等軸狀，合金在熱擠壓過程中發(fā)生了動態(tài)再結晶現(xiàn)象，在晶界周圍及晶粒內(nèi)分布著大量第二相小晶粒。鎂合金Mg-9Al-1Zn-0.5RE加入不同質(zhì)量分數(shù)的Cu元素后，鎂合金的基體組織得以細化。這是因為加入Cu元素后，形成熱穩(wěn)定性較好的Al2Cu或AlCuMg相，阻礙了晶界的推移，抑制了基體相α-Mg 的長大[6-7]。

圖3 試驗合金的金相組織

為了進一步分析鎂合金試樣組織的形貌狀態(tài)，采用掃描電鏡對各試樣進行掃描觀察，由圖4可以觀察到 Mg-9Al-1Zn-0.5RE-xCu（x=0，1，3，4）擠壓態(tài)合金組織，是由黑色基體相和不連續(xù)條帶狀白色第二相組成。Mg-9Al-1Zn-0.5RE合金的基體組織為α-Mg固溶體，β-Mg17Al12相分布在晶界處和枝晶間，同時還有粒狀和點狀的第二相A1-RE相。當Cu元素質(zhì)量分數(shù)為1%時，第二相多數(shù)呈塊狀聚集分布在基體中。隨著Cu元素含量的增加，第二相逐漸變得細小、均勻。其原因是Cu含量的增加，使得Cu與合金中的Al優(yōu)先形成Al2Cu或AlCuMg相，粗大的β-Mg17Al12相由塊狀、粗線條狀變?yōu)椴贿B續(xù)、彌散分布的小塊狀和顆粒狀[8-9]。

圖4 試驗合金SEM形貌

2.3 合金的力學性能

圖5和表1分別為不同Cu含量的熱擠壓鎂合金Mg-9Al-1Zn-0.5 RE在室溫時的工程應力—應變曲線和力學性能，由此可以看出，Mg-9Al-1Zn-0.5 RE-xCu（x=0，1，3，4）合金的室溫抗拉強度和屈服強度隨著Cu元素的加入得到了明顯的提高，而伸長率顯著降低。但隨著Cu元素含量的提高，合金的塑性逐漸有所改善，而室溫抗拉強度和屈服強度基本無變化。

圖5 試驗合金室溫時的應力-應變曲線

表1 試驗合金室溫時的力學性能

由以上研究可知，在熱擠壓鎂合金Mg-9Al-1Zn-0.5RE中加入Cu元素，合金的室溫抗拉強度和屈服強度得到了明顯的提高。原因是Cu的加入使基體晶粒細化，晶界增多，位錯運動阻力增大，同時合金中形成的第二相粒子Al2Cu或Al-CuMg相也可以有效阻礙位錯的運動，故合金的強度得到提高[10-11]。而隨著Cu元素含量的增加，Mg-9Al-1Zn-0.5RE-xCu（x=0，1，3，4）合金的晶粒度尺寸變化不大，鎂合金晶粒尺寸較為均勻，且含Cu的第二相粒子沒有明顯的增多。所以，隨著Cu元素含量的增加，鎂合金Mg-9Al-1Zn-0.5RE-xCu（x=0，1，3，4）的室溫抗拉強度、屈服強度無明顯變化。

合金的伸長率明顯降低，這與試驗合金中第二相的數(shù)量、形態(tài)和分布有著至關重要的關系，從擠壓態(tài)鎂合金 Mg-9Al-1Zn-0.5RE-xCu（x=0，1，3，4）的金相組織中可以清楚的看到第二相大多沿擠壓方向分布在晶粒內(nèi)，并且第二相的形態(tài)基本為粒狀和塊狀，這些硬質(zhì)的第二相，可以阻礙位錯的運動，使鎂合金的伸長率降低[12-14]。尤其加入1%的Cu元素時，第二相呈塊狀集中分布在基體中，材料的塑性降低最為明顯。隨著Cu元素含量的增加，第二相逐漸由集中分布的塊狀變得細小、彌散分布于基體中，故此時合金的塑性又有所改善。所以，熱擠壓鎂合金 Mg-9Al-1Zn-0.5RE-xCu（x=0，1，3，4）的伸長率隨著Cu元素含量的增加又開始逐步增加[15]。

3 結 論

1）Cu元素的加入細化了熱擠壓鎂合金Mg-9Al-1Zn-0.5RE的基體組織，粗大的β-Mg17Al12相由網(wǎng)狀變?yōu)椴贿B續(xù)、彌散分布的小塊狀和顆粒狀，并先后出現(xiàn)新的A12Cu相和A1CuMg相；

2）與不加 Cu元素時相比，Mg-9Al-1Zn-0.5RE-xCu（x=1，3，4）合金的室溫抗拉強度、屈服強度明顯提高，而伸長率顯著降低。當Cu元素質(zhì)量分數(shù)為1%時，合金的伸長率降低最明顯為13.5%，屈服強度最高為204.86 MPa.隨著Cu元素含量的增加，該合金的塑性逐漸有所改善，而室溫抗拉強度和屈服強度基本無變化。在實驗條件下，Cu元素質(zhì)量分數(shù)為4%時，合金的抗拉強度最高為287.33 MPa，伸長率為15.2%，綜合力學性能最好。

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山西鑄造史編寫座談會（呂梁地區(qū)）會議報道

為做好呂梁地區(qū)鑄造史編寫資料征集及編寫工作，加強同行之間的交流、了解和促進鑄造行業(yè)發(fā)展，山西省鑄造行業(yè)協(xié)會于2018年3月11日，在交城縣中科正泰機械集團有限公司組織了呂梁地區(qū)山西鑄造史編寫座談會。本次座談會由山西省鑄造行業(yè)協(xié)會主辦，中科正泰機械集團有限公司承辦。座談會共有交城、文水、嵐縣、交口、汾陽等地區(qū)20余位企業(yè)代表參加，會議還特別邀請山西交城縣史志辦相關人員出席了本次會議。

會議由協(xié)會秘書長米淵聰先生主持，會議第一項由協(xié)會會長張曉暉講話致辭，張會長說明了鑄造史編寫的意義并特別感謝了各位遠道而來的企業(yè)代表和相關人員，接著中科正泰集團有限公司王建董事長代表承辦單位致歡迎詞。會議第三項由交城縣鑄造和機械加工協(xié)會會長、交城縣興龍鑄造有限公司閆廣平代表交城地區(qū)企業(yè)進行發(fā)言，閆董事長簡單介紹了交城地區(qū)鑄造企業(yè)情況、并代表交城企業(yè)歡迎各位代表及企業(yè)領導。會議第四項由山西省鑄造行業(yè)協(xié)會常務副會長王錄才向各位參會代表介紹了山西鑄造的基本情況和悠久歷史，分析了鑄造史編寫的必要性、重要性及有利條件，接著對編寫規(guī)劃、編寫大綱等內(nèi)容作了說明，希望各位代表能夠積極參與支持并提供寶貴建議。會議第五項由山西鑄造史編寫組呂梁地區(qū)負責人智曉蕓女士詳細介紹了鑄造史編寫資料收集的具體要求和范圍等。會議第六項由交城縣史志辦李大兵主任詳細介紹了交城縣鑄造發(fā)展歷史、以及重大事件、

人物等，并且從自己專業(yè)的角度對山西鑄造史的編寫給出了專業(yè)建議。參加本次會議的山西鑄造史各地區(qū)負責人紛紛表示李主任專業(yè)化的建議對他們編寫工作有了很大啟發(fā)和幫助。最后一項由各地區(qū)參會企業(yè)代表就自己企業(yè)的發(fā)展歷史以及周圍他們所了解的鑄造歷史、現(xiàn)狀、人物、事件進行了發(fā)言，企業(yè)代表紛紛表示鑄造史的編寫很有意義，不僅是行業(yè)的大事，也是本企業(yè)總結自己展現(xiàn)自己的良好機會。各位企業(yè)家們態(tài)度踴躍、熱情高漲，均表示會對鑄造史的編寫和資料收集工作給與各種形式的大力支持。通過交流，大家認識到呂梁地區(qū)自古以來和鑄造淵源流長，留有很多典故和鑄造文物，現(xiàn)代鑄造也是實力強大，門類眾多，特色優(yōu)勢明顯。大家紛紛表示收獲頗多，座談會收到了很好的效果。

編寫座談會結束后，編寫組各位專家總結交流了本次座談會的收獲及感想，大家紛紛表示這次座談會的效果很好，收獲良多。本次會議為山西鑄造史的編寫和資料收集工作作了有益的探索，為其地區(qū)的編寫工作的展開起到了很好的示范和借鑒作用。通過座談，也加強了本地區(qū)企業(yè)之間的溝通和交流，增加了合作的機會，必將對本地區(qū)和全省鑄造業(yè)的發(fā)展起到很好的推動作用。

山西省鑄造行業(yè)協(xié)會

《山西鑄造史》編寫組

2018-03-16