电阻炉对镁合金的半固态组织演变的使用

0 引言

镁合金具有质量轻、比强度高、比刚度高、机械加工性 能优良、易回收等优点，在实现轻量化、节能减排等方面有 显著的作用，其应用前景很可观，被誉为 21 世纪绿色环保 的结构和功能材料。但与铝合金相比，其强度、蠕变等力 学性能还有不足。目前，改善镁合金力学性能的方法一般 是通过开发新型合金或者改变加工工艺。其中，半固态压铸 成形技术作为一种新型的加工技术，集全固态和全液态成形 的特点于一身; 具有金属液以层流方式平稳地充型、铸件卷 气少、材料损耗少、凝固收缩小、成品质量高、节约能源等一 系列优点; 且较低的成形温度可延长模具的使用寿命，能有 效地改善镁合金加工过程中的氧化烧损等浇铸缺点。近 年来，半固态等温热处理法制备镁合金半固态坯料因设备简 单、工艺简化而引起了国内外学者广泛的关注。

1 实验

实验合金的制备原材料是纯度不小于 99. 9% 的 Mg、Zn 及 Cu 锭和 Mg-5% Mn( 质量分数) 中间合金。实验合金采用上海博迅智能一体式箱式电炉SX2-2.5-10Z熔炼，KSW-3 恒温控制箱控制炉温， 用 ＲJ-2 覆盖熔剂和 Ar 气氛保护熔体，待 Mg 锭熔化后，于 680 ℃加入已预热的 Zn 及 Cu 锭，700 ℃时加入 Mg-5% Mn 中 间合金，730 ℃ 时进行精炼，静置 15 ～ 20 min，待炉温降至 710 ℃时，将熔体浇注于( 200±5) ℃的金属模具内成形。 半固态重熔实验于箱式电阻炉( 温度误差±2 ℃ ) 中进 行，将合金试样切制成 Φ15 mm×10 mm 的圆柱形坯料，分别 进行重熔，避免试样被氧化，在其表面撒一层薄 ＲJ-2 覆盖熔 剂进行保护，重熔特定时间后迅速水淬。试样经打磨侵蚀后 进行微观形貌特征观察。用 MeF-3 型金相显微镜和 JSM6700F 型扫描电镜( SEM) 进行半固态组织形貌的观察。用 X 射线 衍 射 仪 ( D/max-2400 ) 进行合金的物相分 析: Cu 靶， 40 kV的电压，150 mA 的电流，扫描步长为 0. 02°。用 ImagePro Plus 软件分析其固相率( S) 、形状因子( F) 和颗粒平均尺 寸( D) 。

2 结果与分析

图 1 和图 2 分别为铸态 Mg-6Zn-1Cu-0. 3Mn 合金的显微 组织形貌和 XＲD 谱。由图 1a 可看出，Mg-6Zn-1Cu-0. 3Mn 合 金组织由白色的等轴 α-Mg 基体和沿晶界分布的黑色共晶组 成。其中，α-Mg 基体呈“雪花”状和“蔷薇”状，共晶组织呈孤 点状( 图 1b 红圈 A 所示) 和粗大树枝状( 图 1b 红圈 B 所 示) 。由 图 1 结 合 图 2 可 得，共 晶 组 织 由 ( α-Mg + CuZn2 + CuMgZn+CuMnZn) 组成。在共晶组织中，因溶质原子 Zn 含 量较高，其形成的化合物富集于枝晶边界处，呈树枝状分 布; 弥散的孤立点状相是 Mn 颗粒及其化合物( CuMnZn) 。 在非平衡凝固过程中，当温度降至液相线温度时会析出 α-Mg 基体，当温度继续降至共晶温度点时，共晶组织( α-Mg+CuZn2 +CuMgZn+CuMnZn) 沿 α-Mg 基体边界析出，同时剩余 的溶质原子富集在枝晶根部。

保温时间不变，随保温温度的升高，半固态 组织的固相率一直呈下降趋势，颗粒平均尺寸和形状因子都 呈先降低后增加的趋势。这符合 Ostwald 熟化机制，在过 饱和固溶体析出的后期，为了降低体系界面能，较小颗粒消 失，而较大颗粒长大，相邻晶粒合并，因而平均尺寸增大。对于半固态合金的形状因子先减小后增大的规律，张 少辉和冯凯等研究认为是由于保温前期枝晶臂的熔断 和消失使得形状因子减小; 在保温后期，初生颗粒边沿出现 了“毛刺”状组织，且颗粒合并长大，这共同影响了其形状因 子，使得形状因子变大。在特定保温时间下，随着保温温度的升高，枝晶熔断消 失，无规则块状组织逐渐演变为球状和近球状颗粒。对于半 固态组织的这种变化规律，李元东等研究发现，随着保温 温度的升高，颗粒的晶内成分会均化，固溶度提高; 其次，不 同枝晶的曲率不同，致使枝晶周围溶质浓度存在差别，半径 小的枝晶周围溶质浓度较低，导致枝晶间存在溶质浓度梯 度。这满足溶质原子的扩散理论，故半径相异的两枝晶间( 一次枝晶与二次枝晶间) 会形成一个扩散偶，不同浓度的溶 质原子在化学势作用下从粗大枝晶处向细小枝晶处扩散，造 成细枝熔化或从根部熔断; 在凝固过程中，由于共晶组织的 成分不同，溶质浓度高的区域熔点低，低熔点相后凝固而存 在晶粒之间，重熔时这些组织优先熔化。

3 结论

( 1) Mg-6Zn-1Cu-0. 3Mn 合金的铸态组织由白色 α-Mg 基 体和黑色( α-Mg+CuZn2 +CuMgZn+CuMnZn) 共晶组织组成，其 中，呈孤点状和树枝状的共晶组织分布在晶界处; Mg-6Zn1Cu-0. 3Mn 合金的半固态组织主要由初生 α1-Mg 大颗粒、次 生 α2-Mg 小颗粒和共晶液相构成。
( 2) Mg-6Zn-1Cu-0. 3Mn 合金经 585 ℃ ×30 min 的半固态 等温热处理，可获得细小、均匀分布且呈球状的理想半固态 颗粒，其颗粒平均尺寸、形状因子、固相率分别为 29. 91 μm、 1. 09 和 47. 55% 。在不同温度保温 30 min 或在 585 ℃ 保温 不同时间的过程中，随着温度升高或保温时间的延长，合金 的半固态颗粒平均尺寸、形状因子均先减小后增大，组织的 固相率明显下降。
( 3) 在半固态等温热处理过程中，晶界和亚晶界共同提 供了溶质原子的扩散通道和液相相互渗透的路径; 晶粒内部 的溶质原子 Zn、Cu 和 Mn 富集区和枝晶壁搭接处形成了高溶 质浓度的小“液池”。
( 4) 在重熔-结晶的球化演变过程中，Mg-6Zn-1Cu-0. 3Mn 合金的枝晶臂熔断消失，水淬后形成次生 α2-Mg 固溶体和共 晶液相; 其圆整光滑的初生半固态颗粒由枝晶组织转变而 来; 保温时间为 30 min 不变，温度由 575 ℃升高到 585 ℃时， 其颗粒形状因子由 1. 54 降至 1. 09，半固态组织加速了球化 演变; 在 585 ℃保温 40 min 和 50 min 时，颗粒平均尺寸分别 为 41. 24 μm 和 42. 38 μm，颗粒间发生了合并长大和熟化现 象，其粗化符合 Ostwald 熟化机制。