馮露露，劉濤，李偉莉，于晨凱，王小剛

山西銀光華盛鎂業(yè)股份有限公司，山西運(yùn)城，043800

0 引言

鎂作為“21世紀(jì)輕質(zhì)綠色工程結(jié)構(gòu)材料”在各行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用，近年來，高強(qiáng)耐熱稀土鎂合金備受航空航天及軍工領(lǐng)域的青睞[1-3]。在眾多稀土合金中Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金由于其高的強(qiáng)韌性成為目前研究的熱點(diǎn)，陳榮石等[4]研究發(fā)現(xiàn)鑄造Mg-10.1Gd-3.74Y-0.25Zr合金具有很強(qiáng)的固溶時效硬，Hong等人[5]開發(fā)出抗拉強(qiáng)度達(dá)到508MPa，屈服強(qiáng)度400MPa，斷后伸長率達(dá)到8.0%的超高強(qiáng)Mg-9Gd-4Y-0.5Zr合金。通過調(diào)控合金元素及變形工藝，Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金中形成不同結(jié)構(gòu)的LPSO相，進(jìn)一步增強(qiáng)合金的力學(xué)性能。徐超等人[6]通過常規(guī)工藝開發(fā)出超高強(qiáng)Mg-8.2Gd-3.8Y-1.0Zn-0.4Zr合金，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率分別為505MPa、416MPa、12.8%。但是目前對Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的晶粒細(xì)化機(jī)理研究不夠深入，對晶粒細(xì)化過程中的衰退現(xiàn)象及機(jī)理少有報道，導(dǎo)致Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金生產(chǎn)工藝停滯不前，此外由于鎂稀土合金的鑄造凝固過程復(fù)雜，流動性差，中間合金分布不均等，使得Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金在批量化生產(chǎn)中易產(chǎn)生組織偏析、夾渣等缺陷，無法實(shí)現(xiàn)大直徑鑄棒的工業(yè)化應(yīng)用。因此，本文對Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金半連續(xù)大批量生產(chǎn)中出現(xiàn)的偏析及夾渣問題進(jìn)行分析研究，旨在優(yōu)化高強(qiáng)韌稀土合金的半連續(xù)鑄造工藝，提升其鑄棒質(zhì)量，進(jìn)一步推動高強(qiáng)韌稀土合金在航空航天等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料及方法

本文所選用材料為直徑420mm的半連續(xù)Mg-9Gd-3Y-1Zn-0.4Zr稀土合金鑄棒及其鍛件，在鑄棒頭尾鋸切20mm厚切片進(jìn)行組織觀察，鍛件為隨機(jī)取樣。組織觀察前先將試樣進(jìn)行不同型號砂紙進(jìn)行打磨，拋光，然后用苦味酸溶液進(jìn)行腐蝕，其中金相組織觀察儀器為蔡司金相顯微鏡，SEM組織觀察儀器為日本電子IT500掃描電鏡，化學(xué)成分分析儀器為電感耦合等離子光譜儀(ICP-OES)6300，采用HS620數(shù)字式超聲波天探傷儀進(jìn)行內(nèi)部缺陷探傷分析。

2 結(jié)果與分析

（1）Zr偏析。圖1為不同狀態(tài)下偏析缺陷的宏觀組織。該缺陷一般出現(xiàn)在棒料半中心、中心位置，鑄態(tài)低倍腐蝕觀察呈多數(shù)點(diǎn)狀出現(xiàn)，顏色為灰黑色；鍛態(tài)低倍腐蝕呈點(diǎn)狀或者片狀出現(xiàn)，顏色為金屬光澤色；經(jīng)拋光處理后該缺陷呈灰色片狀團(tuán)聚分布。為了探究其具體偏析情況，對其進(jìn)行SEM組織觀察及EDS能譜分析，如圖2所示，在其低倍下為點(diǎn)狀分布，能譜分析結(jié)果可以判定為Zr偏析。在顯微高倍下觀察，觀察時該缺陷為不規(guī)則圓形顆粒狀或梅花狀[2]。

圖1 不同狀態(tài)下偏析宏觀組織

圖2 鑄棒偏析SEM 顯微組織

為進(jìn)一步缺陷此偏析成分，對其不同部位進(jìn)行ICP OES化學(xué)成分分析，表1為正常區(qū)域和缺陷區(qū)域化學(xué)成分對比。從表1中可以看出，偏析區(qū)域Zr含量明顯高于正常部位，從而進(jìn)一步確認(rèn)此缺陷為Zr偏析。由于鋯在鎂中溶解度僅為0.58%，且鋯的熔點(diǎn)高達(dá)1852℃，而鎂的熔點(diǎn)僅650℃，因此在凝固過程中很容易形成鋯偏析，且鋯含量越高越容易促進(jìn)偏析形成。另外Mg-Zr中間合金本身存在Zr偏析團(tuán)聚現(xiàn)象，在后續(xù)合金熔煉過程中無法分散，造成了稀土鑄棒中的Zr偏析更為嚴(yán)重，且此缺陷無法通過熱處理進(jìn)行消除，如圖3所示，經(jīng)過熱處理后，大量的稀土相溶入基體之中，但這種顆粒狀分布物仍然大量存在，且團(tuán)聚在一起，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量[3]。

表1 為正常區(qū)域與缺陷區(qū)域的化學(xué)成分對比（wt.%質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

圖3 熱處理前后缺陷顯微組織對比

Zr偏析問題一直是鎂行業(yè)的一個技術(shù)難題，通過上述鋯偏析的分析，得知鋯偏析問題通過熱處理是無法得到有效改善的。因此，只能通過熔鑄階段去抑制、減少該缺陷的產(chǎn)生，此外，在Zr偏析問題無法有效解決的情況下，檢測控制手段就顯得尤為重要，假如通過檢測手段可以有效控制Zr偏析等問題棒料不流入下一道工序，那么對于變形后的成品合格率是有著極大的質(zhì)量保障。因此，對于Zr偏析的檢測手段是至關(guān)重要的。

Zr在鎂中是一種溶解度低且熔點(diǎn)高的金屬元素，通常在熔煉過程中采用Mg-30%Zr的中間合金直接在鎂液中熔化，這就導(dǎo)致鎂液中有一部分未溶解的鋯產(chǎn)生，若精煉不充分將懸浮在鎂液中，還有部分沉在鍋底。因此要保證鋯在鎂液中充分熔化，提高鎂液純凈度，從而減少鋯偏析的形成。另外隨著鑄棒直徑增大Zr偏析面積增加，因此澆鑄過程中通過對鑄造溫度、澆鑄速度、冷卻強(qiáng)度以及電磁作用的綜合控制來實(shí)現(xiàn)抑制、弱化此偏析的產(chǎn)生[4]。

（2）熔劑夾渣。圖4為鑄棒切片機(jī)加工后的溶劑夾渣宏觀形貌。從圖4中可以看出，該缺陷的分布無規(guī)律，常與熔渣同時存在，經(jīng)機(jī)加工后在空氣中停留一段時間（短則10分鐘）會出現(xiàn)黑褐色斑點(diǎn)，嚴(yán)重時會形成腐蝕坑點(diǎn)，如圖4產(chǎn)品機(jī)加工后黑色點(diǎn)狀物所示。這主要是由于熔劑點(diǎn)在空氣中受潮氧化，從而發(fā)生化學(xué)腐蝕，形成腐蝕坑點(diǎn)，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量。

圖4 鑄棒切片機(jī)加工后的溶劑夾渣宏觀形貌

若熔劑點(diǎn)小，肉眼則無法看到，但是經(jīng)過鹽霧腐蝕后會顯現(xiàn)出來，圖5為鹽霧腐蝕后的溶劑夾渣宏觀形貌。如圖5所示，經(jīng)鹽霧腐蝕8小時后會出現(xiàn)白色結(jié)瘤物，去除結(jié)瘤物后會出現(xiàn)圓形腐蝕坑點(diǎn)，這是由于在鹽霧腐蝕過程中，熔劑點(diǎn)附近發(fā)生快速腐蝕氧化，腐蝕產(chǎn)物殘留在基體中，經(jīng)去除腐蝕產(chǎn)物后則出現(xiàn)腐蝕坑。

圖5 鑄棒切片鹽霧腐蝕后的溶劑夾渣宏觀形貌

為進(jìn)一步確認(rèn)其是否為熔劑成分，對其進(jìn)行腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行收集后進(jìn)行氯離子定性試驗(yàn)，假如出現(xiàn)乳白色沉淀物，則證明是熔劑夾渣，如圖6為氯離子定性試驗(yàn)后的乳白色沉淀物照片，進(jìn)一步確認(rèn)了此種缺陷為熔劑夾渣。

圖6 為氯離子定性試驗(yàn)后的乳白色沉淀物宏觀形貌

圖7為SEM顯微組織下觀察該缺陷的微觀形貌特種及EDS能譜分析結(jié)果。從結(jié)果中可以看出缺陷區(qū)域的Cl、K的含量較高，由此證明該缺陷的形成與使用熔劑有一定關(guān)系。通過上述熔劑夾渣特征分析得知該缺陷的形成主要與熔煉時的熔劑有關(guān)，而熔劑的作用主要是利用熔劑與金屬的密度差關(guān)系，通過對熔體的靜置處理，把金屬夾雜物隨同熔劑從熔體中分離出來，沉降至坩堝底部，從而達(dá)到除渣目的，保證鎂液純凈度。因此在生產(chǎn)過程中，熔劑使用過量、靜置時間過短甚至熔煉使用工具清潔不干凈等細(xì)節(jié)問題，都可能使精煉后的熔渣帶入鎂液中，從而形成熔劑夾渣[5]。

圖7 為SEM 顯微組織及EDS 能譜分析結(jié)果

熔劑夾渣中的主要元素為Cl，而氯在空氣中又加快了鎂合金的腐蝕，由此熔劑夾渣會導(dǎo)致鎂合金的抗腐蝕能力下降，從而直接降低材料的力學(xué)性能。而且熔劑夾渣暴露在產(chǎn)品表面時，產(chǎn)生的熔劑會形成連續(xù)化學(xué)腐蝕，最終導(dǎo)致鎂合金產(chǎn)品完全破壞，因此，鎂合金材料中熔劑夾渣是不允許存在的。通過缺陷區(qū)域與正常區(qū)域的Cl含量測定對比可以看出缺陷區(qū)域的Cl含量比正常區(qū)域高出很多。因此，我們在實(shí)際生產(chǎn)過程中，對Cl的含量要求應(yīng)控制在0.03%以下，對于超0.03%以上的棒料需多切取鹽霧試片進(jìn)行檢測，確保鑄棒品質(zhì)。另外，對熔劑的配比及熔煉工藝進(jìn)行調(diào)整，從而有效即杜絕此問題，特別是靜置處理是特別重要的一個環(huán)節(jié)，必須保證足夠長的靜置時間[6]。

3 結(jié)論

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金中易形成Zr的偏析現(xiàn)象，且無法通過熱處理等進(jìn)行改善。主要是由于Zr在Mg中溶解度低，在凝固過程中容易形成偏析。通過對鑄造溫度、澆鑄速度、冷卻強(qiáng)度以及電磁作用的綜合控制有望減少避免此偏析的產(chǎn)生；熔劑夾渣主要是由于熔煉過程帶入，因此在生產(chǎn)中必須嚴(yán)格控制熔劑用量及保證熔劑干燥。從而提高強(qiáng)韌鎂稀土合金的質(zhì)量，這對工業(yè)化生產(chǎn)具有重要的理論意義和實(shí)用價值。