MgCO3及Sr对过共晶AM60B-2.0%Si复合材料变质的研究

申 乐，陈体军，马 颖，刘明伟，郝 远，付 伟

（兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，兰州 730050）

MgCO3及Sr对过共晶AM60B-2.0%Si复合材料变质的研究

申 乐，陈体军，马 颖，刘明伟，郝 远，付 伟

（兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，兰州 730050）

研究了Sr、MgCO3对过共晶AM60B-2.0%Si镁基复合材料中Mg2Si相及基体的复合变质作用。结果表明：Sr的加入量是决定其能否对复合材料中的Mg2Si相有效变质的重要因素。未变质的初生Mg2Si呈粗大的树枝状，经变质后转为多角形状；未变质的共晶Mg2Si呈粗大的汉字状，经变质后变为弥散而细小的短棒状或多边形粒状。同时，经MgCO3复合变质后，复合材料基体组织也得到了较好的细化，从而改善了复合材料的力学性能。

过共晶 Mg-Si合金；Mg2Si；Sr；AM60B 镁合金；MgCO3；复合变质

镁合金具有密度小、高比刚度、高比强度、减震性、电磁屏蔽性、可切屑加工性及可回收性等一系列的优点，在汽车、电子、电器、航天航空和国防军工领域具有很好的应用前景。Mg-Al-Si系镁合金由于具有较好的高温性能以及较低的成本等优势，是一种很有发展前景的高温抗蠕变镁合金[1-6]，其主要耐热机理是通过加入低成本的合金元素Si在晶界处形成细小而弥散的Mg2Si相来实现。Mg2Si具有低密度、高熔点、高弹性模量、高硬度、高强度、和低热膨胀系数等优点，能够有效地改善和提高镁合金的力学性能尤其是高温抗蠕变性能[7]。采用原位反应自生的Mg2Si增强相，由于其在基体内原位反应生成，具有界面洁净无污染、与基体相容性好、热稳定性好、制造成本低等优点。但粗大树枝晶状镁合金基体组织，以及原位反应生成的粗大树枝状初生Mg2Si及粗大汉字状的共晶Mg2Si限制了Mg－Si合金力学性能的提高[7－8]，因此有必要对过共晶AM60B－2.0%Si镁基复合材料的基体组织及Mg2Si相进行变质细化，从而改善合金的力学性能[9－10]。

作者在前期研究中表明,1.2%的MgCO3对AM60B镁合金具有较好的细化效果。本文主要研究Sr对过共晶AM60B－2.0%Si镁基复合材料中Mg2Si相的变质效果，同时采用MgCO3对经Sr变质后的合金进复合变质，并研究其对力学性能的影响。

1 实验材料与方法

选用纯镁（99.95%）、Al－35%Si中间合金、Mg－30%Sr中间合金、Zn、Mn及MgCO3作为原材料，基体合金采用AM60B镁合金，其化学成分如表1所示。本研究中Sr的加入量依次为0.1%，0.3%，0.5%，0.7%。合金熔炼在井式坩锅炉中进行，当合金熔化至790℃加入Mg－Sr中间合金进行变质处理，保温30min进行浇铸，试样尺寸为ø70mm×160mm。为减少熔炼过程中的氧化燃烧，在合金熔液表面用RJ－2覆盖剂进行保护。

表1 铸态AM60B镁合金化学成分（wB/%）

从试样相同的部位截取金相试样，用浓度为4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀后，采用金相显微镜（OM）对试样进行金相组织形貌观察；用多功能X射线（XRD）仪对试样进行物相分析，对拉伸试样断口用扫描电镜（SEM）进行断口形貌分析。

2 试验结果与分析

图 1为经 MgCO3、Sr复合变质后的AM60B－2.0%Si镁基复合材料的XRD分析结果。由图可知，衍射曲线中除Mg、Mg17Al12峰外，还存在Mg2Si、Al4C3及 Sr2Mg17等峰，这说明在AM60B基体材料中加入Si后原位反应生成了Mg2Si相，MgCO3与合金中的铝经过一系列的反应后生成Al4C3，Sr主要以 Sr2Mg17合金的形式存在。

2.1 Sr对过共晶AM60B－2.0%Si镁基复合材料中Mg2Si相的变质

图2为不同Sr加入量对过共晶AM60B－2.0%Si镁基复合材料中Mg2Si相进行变质后的显微组织。由图2可以看出：经0.1%Sr变质后，初生Mg2Si相变成较小的树枝状但仍比较粗大，共晶Mg2Si变得比较细小；当Sr加入量为0.3%时，初生Mg2Si相变得更加细小，树枝状的Mg2Si形貌发生了明显变化（如图2c），同时出现了少量细小的多角形状的Mg2Si相，共晶Mg2Si进一步变的细小；当Sr的加入量增加至0.5%时，初生Mg2Si变成了细小而均匀分布的多角形状，共晶Mg2Si变成了细小的短棒状；而当Sr含量进一步增大时，Mg2Si相变化不明显。

关于Sr对复合材料中Mg2Si相的变质机理，可能是由于Sr和Si反应生成异质核心促使其生长，这和Ca的作用非常相似[11]，需要指出的是，本文并未找到直接证据证明；同时，Sr作为表面活性元素[12]，在Mg2Si相表面吸附从而有效的抑制了Mg2Si相的长大，增大了过冷度，从而改变Mg2Si相的形状，起到了细化变质效果。

图3为0.5%Sr对过共晶AM60B-2.0%Si镁基复合材料中Mg2Si相进行变质后不同浇铸温度下的显微组织。由图3可以看出：浇注温度为790℃时由于过冷较大，Mg2Si相比较细小；而当浇注温度降低时，Mg2Si相变的粗大并呈一定的树枝状。对比图2可知，Sr的加入量为影响MgSi的主要因素。

2.2 MgCO3及Sr对过共晶AM60B-2.0%Si合金的复合变质

图4为经MgCO3对经0.5%Sr变质后的AM60B-2.0%Si复合材料的基体组织变质效果的显微组织。由图可以明显的看出：未经MgCO3细化的复合材料基体组织由粗大的树枝晶组成，晶粒尺寸为230μm左右；而经1.2%MgCO3对其变质后的基体组织变成了细小的等轴晶组织，晶粒变得细小而均匀，晶粒尺寸为70μm左右（如图 2d）。由此可见，MgCO3对AM60B-2.0%Si复合材料基体具有较好的变质效果。MgCO3加入到Mg-Al合金熔体中后反应产生大量细小而难熔的质点并呈弥散悬浮状态分布[16]。Al4C3作为形核质点，促进非均匀形核，从而细化镁合金基体的晶粒。

2.3 拉伸断口及力学性能分析

图5为试样的拉伸断口扫描电镜照片。从图中可以清楚的看出：断裂发生在Mg基体与Mg2Si晶界处，复合材料中AM60B基体的拉伸断口是以解理断裂为主的脆性断裂，拉伸断口较为平直；断口上同时存在穿晶断裂和晶断裂。同时Mg2Si（如图5a）为脆性断裂，断口沿Mg2Si相处断裂。这主要是由于Mg2Si脆性相引起基体和增强体的分离从而使其产生应力其中后断裂。

表2为试样力学性能，从表中可以看出：由于Si的加入，在基体中原位反应生成粗大的Mg2Si相，对基体产生割裂和应力集中，从而使材料的性能出现明显的下降；而当加入Sr对粗大的Mg2Si相变质后，减小了其对基体产生割裂和应力集中，使其力学性能得到了改善；而采用MgCO3及Sr对原位反应自生Mg2Si/AM60B镁合金的复合变质后，其性能达到最佳；这主要是由于基体组织和Mg2Si强化相组织都比较细小，从而使其力学性能得到提高。

表2 试样铸态力学性能

3 结论

（1）添加Sr元素能明显改善过共晶AM60B-2.0%Si镁基复合材料中Mg2Si相的形貌。随着Sr含量的增加，粗大的树枝状的初生Mg2Si相变为细小均匀的多角形状；粗大汉字状的共晶Mg2Si相变为弥散而细小的短棒状或多边形粒状。

（2）Sr的加入量是决定其能否对复合材料中的Mg2Si相有效变质的重要因素。

（3）经MgCO3和Sr对过共晶AM60B-2.0%Si复合材料进行复合变质后其性能达到最佳，这主要是由于基体组织和Mg2Si强化相组织都比较细小，减少了割裂和应力集中从而使其力学性能得到提高。

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The Research of Modification on the Hypereutectic AM60B-2.0%Si Alloy with MgCO3and Sr

SHEN Le，CHEN TiJun，MA Ying，LIU MingWei，HAO Yuan，FU Wei
（State Key Laboratory of Gansu Advanced Non-ferrous Metal Materials，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，Gansu China）

The effcet of modification of the AM60B alloy and Mg2Si phase of the hypereutectic AM60B-2.0%Si alloy with MgCO3and Sr have been investigated.The results indicated that:the Sr content was a significant factor that determined the modification effect of Mg2Si phase of the composite material.The primary Mg2Si crystals unmodified were mainly coarse dendritic and then polygonal shapes which were modified by Sr.The eutectic Mg2Si crystals unmodified appeared obvious coarse Chinese script and then changed into dispersion granule and/or irregular polygonal shapes which were modified by Sr.In addition，the matrix of the hypereutectic AM60B-2.0%Si alloy has also been well refined by MgCO3.All this above had improved the mechanics properties of the composite material.

Hypereutectic Mg-Si alloy；Mg2Si；Sr；AM60B alloy；MgCO3；Complex modification

TG146.2+2;

A；

1006－9658（2011）04－4

2011－03－21

2011－033

申 乐（1986-），男，硕士研究生，主要研究方向：镁基复合材料制备与成型