结晶速度对Mg-1.5Mn-Al 合金凝固组织和性能的影响

2015-07-11李秋书朱乾科武雅璐于鹏程

铸造设备与工艺 2015年3期

郭璐，李秋书，张炎，朱乾科，武雅璐，于鹏程

（太原科技大学材料科学与工程学院，山西太原 030024）

Mg-Mn系合金作为研究较早的变形镁合金，由于其良好的焊接性和耐蚀性，被广泛应用于汽车和航空航天领域。但相对于其他变形镁合金来说，关于Mg-Mn系合金的研究还较少，且关于其定向凝固的报道更是少见[1-2]。定向凝固的目的是为了使铸件获得按一定方向生长的柱状晶或单晶组织，从而改善材料的的力学性能。为了获得更好的力学性能，通常在镁锰合金中，加入一定量的Al，Al能与Mg形成固溶体而提升合金的强度和塑性，并改善氧化膜的结构[3]。此外，采用定向凝固工艺还可以提高Al在Mg中的固溶度，使镁合金的强度大大提高。

1 实验材料及方法

本实验选择纯Mg锭（99.5%），MnCl2颗粒和纯Al块（99.5%）作为材料。首先将镁锭放入不锈钢坩埚中，用中频感应电炉加热到760℃，保温一定时间待镁块全部熔化后加入MnCl2颗粒，搅拌5min～10min，使其均匀分布其中，然后降温至730℃，加入准备好的Al块并搅拌5min，静置一定时间后浇注于提前预热好（250℃）的铸铁模具中，制作成直径9mm，长150mm的Mg-1.5Mn-Al合金试样棒[4-6]。为了防止镁块在加热熔化过程中氧化，整个加热熔炼的过程在氩气氛围下进行。

图1所示为定向凝固设备工作示意图。实验采用ZMLMC加热法（即区域熔化液态金属冷却法），有利于提高温度梯度[7]。本实验的温度梯度为70K/cm.首先将预先打磨干净的试样棒装在不锈钢管中，固定在拉杆上。依次放好钢套发热体，陶瓷保温套，按设定好的结晶速度（即拉动速度）进行实验。

图1 定向凝固示意图

2 实验结果与讨论

2.1 结晶速度对Mg-1.5Mn-Al 合金定向凝固组织的影响

图2为Mg-1.5Mn-Al合金不同状态下的显微组织。可以看出，Mg-1.5Mn-Al合金的铸态显微组织呈现出明显的网状和花瓣状，经定向凝固实验后，其组织形态发生了很大变化，演变为宽大的柱状晶形态，而且有明显的方向性特征。随着结晶速度的不断加大，柱状晶的宽度逐渐变窄。

分析认为，定向凝固固液界面前方的温度梯度GL＞0，当固相不断散热而使界面前沿熔体温度进一步降低时，每个晶体逆着热流平行向内伸展成一个个柱状晶，在同样的温度梯度下，结晶速度增大时，非均质生核能力增强，形核越多，柱状晶的平均宽度越窄[8]。且在结晶过程中，存在着溶质再分配，使得界面前方存在着成分过冷。当结晶速度增大时，固液界面前方的成分过冷区逐渐变宽，同样会使得柱状晶的平均宽度逐渐变窄。

图2 Mg-1.5Mn-Al 合金不同状态下的显微组织

2.2 结晶速度对Mg-1.5Mn-Y 合金力学性能的影响

图3所示为不同结晶速度对Mg-1.5Mn-Al合金抗拉强度的影响。从图3可以看出，随着结晶速度的增大，其合金的抗拉强度也在逐渐增大。当结晶速度达到100μm/s时，抗拉强度达到193MPa，相对于铸态的Mg-1.5Mn-Al合金，抗拉强度提高了124%.这主要是因为，一方面随着结晶速度的提高，柱状晶的晶粒宽度逐渐变窄，这相当于细晶强化的作用，而使其抗拉强度提高。另一方面，经过定向凝固后组织从树枝晶转变为了柱状晶，消除了横向晶界，进而提高了沿生长方向的拉伸性能。

图3 不同结晶速度对Mg-1.5Mn-Al 合金抗拉强度的影响

2.3 宏观断口分析

图4为Mg-1.5Mn-Al合金断口组织照片。从图4a）可以看出，铸态下合金断口表面呈河流线条花样，说明铸态的Mg-1.5Mn-Al合金为脆性断裂。4图b）～d）为定向凝固合金的拉伸断口扫描。在相同的放大倍数下观察断面，看到很多韧窝，这表明经过定向凝固后，合金呈延性断裂[9]。比较图4b）、c）、d），会发现，随着拉速提高，韧窝越来越密集，韧窝的深度也越来越大，所以塑性变形能力也越大，同时也验证了图3所示的结果。