電阻爐對鎂合金的半固態組織演變的使用

0 引言

鎂合金具有質量輕、比強度高、比剛度高、機械加工性 能優良、易回收等優點，在實現輕量化、節能減排等方面有 顯著的作用，其應用前景很可觀，被譽為 21 世紀綠色環保 的結構和功能材料。但與鋁合金相比，其強度、蠕變等力 學性能還有不足。目前，改善鎂合金力學性能的方法一般 是通過開發新型合金或者改變加工工藝。其中，半固態壓鑄 成形技術作為一種新型的加工技術，集全固態和全液態成形 的特點于一身; 具有金屬液以層流方式平穩地充型、鑄件卷 氣少、材料損耗少、凝固收縮小、成品質量高、節約能源等一 系列優點; 且較低的成形溫度可延長模具的使用壽命，能有 效地改善鎂合金加工過程中的氧化燒損等澆鑄缺點。近 年來，半固態等溫熱處理法制備鎂合金半固態坯料因設備簡 單、工藝簡化而引起了國內外學者廣泛的關注。

1 實驗

實驗合金的制備原材料是純度不小于 99. 9% 的 Mg、Zn 及 Cu 錠和 Mg-5% Mn( 質量分數) 中間合金。實驗合金采用上海博迅智能一體式箱式電爐SX2-2.5-10Z熔煉，KSW-3 恒溫控制箱控制爐溫， 用 ＲJ-2 覆蓋熔劑和 Ar 氣氛保護熔體，待 Mg 錠熔化后，于 680 ℃加入已預熱的 Zn 及 Cu 錠，700 ℃時加入 Mg-5% Mn 中 間合金，730 ℃ 時進行精煉，靜置 15 ～ 20 min，待爐溫降至 710 ℃時，將熔體澆注于( 200±5) ℃的金屬模具內成形。 半固態重熔實驗于箱式電阻爐( 溫度誤差±2 ℃ ) 中進 行，將合金試樣切制成 Φ15 mm×10 mm 的圓柱形坯料，分別 進行重熔，避免試樣被氧化，在其表面撒一層薄 ＲJ-2 覆蓋熔 劑進行保護，重熔特定時間后迅速水淬。試樣經打磨侵蝕后 進行微觀形貌特征觀察。用 MeF-3 型金相顯微鏡和 JSM6700F 型掃描電鏡( SEM) 進行半固態組織形貌的觀察。用 X 射線 衍 射 儀 ( D/max-2400 ) 進行合金的物相分 析: Cu 靶， 40 kV的電壓，150 mA 的電流，掃描步長為 0. 02°。用 ImagePro Plus 軟件分析其固相率( S) 、形狀因子( F) 和顆粒平均尺 寸( D) 。

2 結果與分析

圖 1 和圖 2 分別為鑄態 Mg-6Zn-1Cu-0. 3Mn 合金的顯微 組織形貌和 XＲD 譜。由圖 1a 可看出，Mg-6Zn-1Cu-0. 3Mn 合 金組織由白色的等軸 α-Mg 基體和沿晶界分布的黑色共晶組 成。其中，α-Mg 基體呈“雪花”狀和“薔薇”狀，共晶組織呈孤 點狀( 圖 1b 紅圈 A 所示) 和粗大樹枝狀( 圖 1b 紅圈 B 所 示) 。由 圖 1 結 合 圖 2 可 得，共 晶 組 織 由 ( α-Mg + CuZn2 + CuMgZn+CuMnZn) 組成。在共晶組織中，因溶質原子 Zn 含 量較高，其形成的化合物富集于枝晶邊界處，呈樹枝狀分 布; 彌散的孤立點狀相是 Mn 顆粒及其化合物( CuMnZn) 。 在非平衡凝固過程中，當溫度降至液相線溫度時會析出 α-Mg 基體，當溫度繼續降至共晶溫度點時，共晶組織( α-Mg+CuZn2 +CuMgZn+CuMnZn) 沿 α-Mg 基體邊界析出，同時剩余 的溶質原子富集在枝晶根部。

保溫時間不變，隨保溫溫度的升高，半固態 組織的固相率一直呈下降趨勢，顆粒平均尺寸和形狀因子都 呈先降低后增加的趨勢。這符合 Ostwald 熟化機制，在過 飽和固溶體析出的后期，為了降低體系界面能，較小顆粒消 失，而較大顆粒長大，相鄰晶粒合并，因而平均尺寸增大。對于半固態合金的形狀因子先減小后增大的規律，張 少輝和馮凱等研究認為是由于保溫前期枝晶臂的熔斷 和消失使得形狀因子減小; 在保溫后期，初生顆粒邊沿出現 了“毛刺”狀組織，且顆粒合并長大，這共同影響了其形狀因 子，使得形狀因子變大。在特定保溫時間下，隨著保溫溫度的升高，枝晶熔斷消 失，無規則塊狀組織逐漸演變為球狀和近球狀顆粒。對于半 固態組織的這種變化規律，李元東等研究發現，隨著保溫 溫度的升高，顆粒的晶內成分會均化，固溶度提高; 其次，不 同枝晶的曲率不同，致使枝晶周圍溶質濃度存在差別，半徑 小的枝晶周圍溶質濃度較低，導致枝晶間存在溶質濃度梯 度。這滿足溶質原子的擴散理論，故半徑相異的兩枝晶間( 一次枝晶與二次枝晶間) 會形成一個擴散偶，不同濃度的溶 質原子在化學勢作用下從粗大枝晶處向細小枝晶處擴散，造 成細枝熔化或從根部熔斷; 在凝固過程中，由于共晶組織的 成分不同，溶質濃度高的區域熔點低，低熔點相后凝固而存 在晶粒之間，重熔時這些組織優先熔化。

3 結論

( 1) Mg-6Zn-1Cu-0. 3Mn 合金的鑄態組織由白色 α-Mg 基 體和黑色( α-Mg+CuZn2 +CuMgZn+CuMnZn) 共晶組織組成，其 中，呈孤點狀和樹枝狀的共晶組織分布在晶界處; Mg-6Zn1Cu-0. 3Mn 合金的半固態組織主要由初生 α1-Mg 大顆粒、次 生 α2-Mg 小顆粒和共晶液相構成。
( 2) Mg-6Zn-1Cu-0. 3Mn 合金經 585 ℃ ×30 min 的半固態 等溫熱處理，可獲得細小、均勻分布且呈球狀的理想半固態 顆粒，其顆粒平均尺寸、形狀因子、固相率分別為 29. 91 μm、 1. 09 和 47. 55% 。在不同溫度保溫 30 min 或在 585 ℃ 保溫 不同時間的過程中，隨著溫度升高或保溫時間的延長，合金 的半固態顆粒平均尺寸、形狀因子均先減小后增大，組織的 固相率明顯下降。
( 3) 在半固態等溫熱處理過程中，晶界和亞晶界共同提 供了溶質原子的擴散通道和液相相互滲透的路徑; 晶粒內部 的溶質原子 Zn、Cu 和 Mn 富集區和枝晶壁搭接處形成了高溶 質濃度的小“液池”。
( 4) 在重熔-結晶的球化演變過程中，Mg-6Zn-1Cu-0. 3Mn 合金的枝晶臂熔斷消失，水淬后形成次生 α2-Mg 固溶體和共 晶液相; 其圓整光滑的初生半固態顆粒由枝晶組織轉變而 來; 保溫時間為 30 min 不變，溫度由 575 ℃升高到 585 ℃時， 其顆粒形狀因子由 1. 54 降至 1. 09，半固態組織加速了球化 演變; 在 585 ℃保溫 40 min 和 50 min 時，顆粒平均尺寸分別 為 41. 24 μm 和 42. 38 μm，顆粒間發生了合并長大和熟化現 象，其粗化符合 Ostwald 熟化機制。