Sb对镁基复合材料组织及性能的影响

王新源，吴孝泉

（江西科技学院教务处，江西南昌330098）

Sb对镁基复合材料组织及性能的影响

王新源，吴孝泉

（江西科技学院教务处，江西南昌330098）

文章通过分析复合材料中原位自生Mg2Si的过程，研究Si含量对Mg2Si/AM60组织和性能的影响，并就金属Sb对复合材料变质效果进行了深入的研究。结果表明Si含量的增加，自生Mg2Si数量增多，且在组织中出现了块状、汉字状及树枝状的Mg2Si相。金属Sb对Mg2Si相和基体起到一定的细化作用，Sb加入后可生成Mg3Sb2相,其成为Mg2Si增强相的异质核心，增大形核率，细化晶粒。颗粒状Mg2Si并弥散地分布于复合材料组织中，从而获得较理想的镁基复合材料组织。

复合材料；微观结构；组织性能

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

结晶Si粉与铸造镁合金AM60，镁合金成分见表1。

表1铸造镁合金AM60成分表元素 Al Mn Zn Si Fe Cu Ni 其它 Mg含量 5.58 0.33 0.17 0.03 0.001 0.005 0.005＜0.004其余

1.2 实验方法

模具内壁除锈－预热，试验模具预热300℃左右。同时，将结晶Si包于铝箔中，预热温度也为300℃左右。加热熔化镁合金，加入不同含量的Si到镁合金熔体中搅拌。

熔体温度升至800℃后保温，去除熔体表面的氧化物，钟罩法将结晶Si粉末压入合金熔体中（Si加入量分别为0.5wt.%、1.0 wt.% 、1.5 wt.%和5.0 wt.%），熔体温度保持在800℃左右，静置10min，搅拌3min，再静置5min。变质处理时，金属Sb加入量分别为0.4 wt.%、0.8 wt.% 和1.2wt.%，保温5min。当温度降至700℃时，去除熔渣，浇注。

2 实验结果与讨论

图1是Mg-Si二元相图。

图1Mg-Si二元相图

分析Mg-Si可知，Mg-Si共晶温度为638.8℃，含量为1.38 wt.%。当Mg-Si为过共晶成分，降温时，初生Mg2Si析出。随着温度持续降低，Mg2Si不断析出并形成粗大枝晶，液相中Si含量因Mg2Si析出而逐渐降低。在638.8℃时，合金熔体发生共晶转变，共晶转变产物为Mg+Mg2Si共晶体。因此，过共晶成分的Mg-Si合金凝固后的产物为Mg+Mg2Si。通过以上分析，结合实验方法得出，可以原位形成Mg2Si/AM60复合材料。

2.1 Sb的加入量对Mg2Si/AM60复合材料组织的影响

在前期研究中发现，加入1.0wt.%Si粉制备的Mg2Si/AM60复合材料力学性能优良，本实验对Si的质量分数加入量为1%的Mg2Si/AM60复合材料分别加入0.4wt.%、0.8 wt.%和1.2wt.%Sb进行变质处理。Sb不同含量对复合材料微观组织的影响如图2所示。

图2 Sb对复合材料组织的影响

未加变质剂的复合材料由α-Mg基体、β-Mg17Al12相和Mg2Si相组成。从图2.2a中发现，大部分Mg2Si呈汉字状。图3为复合材料中Mg2Si颗粒的形貌及核心部位的能谱。从图中可看出颗粒状Mg2Si相的核心部位富含Mg、Si及Sb的化合物，从而确定其核心为Mg3Sb2。

当加入Sb质量分数为0.4wt.%时，Mg2Si/AM60的显微组织中汉字状Mg2Si明显减少，大部分呈颗粒状，且分布分散，基体组织得到细化[如图2]。

当加入Sb质量分数为0.8wt.%时，复合材料中Mg2Si进一步得到细化，且Mg2Si趋向晶界分布。

当加入Sb质量分数为1.2wt.%时，复合材料Mg2Si开始变得粗大，且α-Mg基体组织大部分变粗大。

图3 复合材料中Mg2Si颗粒的SEM形貌及核心部位的能谱

通过分析图2可知，Sb加入量为0.8wt.%时晶粒细化效果最为显著。其主要原因在于Sb与Mg形成了高熔点金属间化合物Mg3Sb2相，在合金浆料凝固过程中Mg3Sb2相颗粒有以下几种存在方式：

1.a-Mg相异质形核的核心，最终细化基体组织，提升晶粒形核率；

2.在合金凝固时Mg3Sb2相富集于固液界面，从而阻碍了其它原子扩散，并形成Mg2Si相异质形核的核心，从而形成大量细小Mg2Si相颗粒，最终细化晶粒；

3.Mg3Sb2凝固后也易富集于固液界面前沿，这种富集同样影响了Al、Si等其它原子的扩散，晶粒长大受阻，最终细化晶粒。

一旦Sb含量超过0.8%（如1.2wt.%）后，晶粒粗化。因此，在加入Sb量超过0.8%后，Mg3Sb2会聚集于界面前沿并长大，使异质形核概率减少，进而影响形核率。

2.2 Sb对Mg2Si/Mg性能的影响

Sb含量对加1.0wt.%Si制备的镁基复合材料性能的影响见表2。

表2Sb含量对镁基复合材料的力学性能的影响

2.3 Sb对复合材料硬度的影响

Sb对Mg2Si/AM60复合材料硬度的影响如图4所示。由图可知未加Sb的加入，对复合材料硬度影响不大，未变质复合材料硬度为55HB，变质后硬度基本无变化，硬度值在53HB-56.3HB间波动。主要原因是复合材料硬度主要取决于Mg2Si生成的量，而变质处理并不影响Mg2Si在复合材料中的含量。因此，变质后硬度变化不大。

图4 Sb对复合材料硬度的影响

2.4 Sb对复合材料伸长率的影响

由图5可知，随着Sb含量增加，复合材料伸长率随之降低，主要原因是加入Sb后形成Mg3Sb2相，其硬度大且脆，如大量存在于复合材料组织中，容易产生脆性裂纹，而降低复合材料伸长性能，适量的Mg3Sb2相存在于组织中，可以起到细化晶粒，增强复合材料的作用。

图5Sb对复合材料伸长率的影响

通过以上分析可知Mg2Si/AM60复合材料的强化机制主要为弥散强化和细晶强化。对粗大汉字状的Mg2Si相细化，因其弥散程序有限，细化效果差，加入Sb变质后，基体组织细化效果明显。

3 结论

文章阐述了Mg2Si增强相原位形成过程的，研究Si含量对原位镁基复合材料的组织及性能的影响，并就金属Sb在复合材料中对Mg2Si相变质作用，得出部分结论:

1.金属Sb细化Mg2Si枝晶，当加入量达0.8wt.%时，复合材料中树枝状Mg2Si绝大部分转变为弥散分布的颗粒状。

2.在Mg2Si/AM60材料变质后能显著细化α-Mg基体组织。Mg3Sb2相成为α-Mg基体及Mg2Si相的异质形核核心，达到细化组织的目的。经过加入多种含量Sb，最终确定当Sb加入量达0.8wt.%时，组织的细化效果最好。

3.研究复合材料力学性能发现，随着Sb加入量的增加，复合材料的室温屈服强度逐步提高。当Sb量为0.8wt.%时，复合材料的强度最高；一旦Sb含量超过0.8wt.%后，由于Mg2Si相发生粗化并向晶界偏聚，从而导致复合材料脆性增加。

[1]刘列安.镁合金加工技术发展趋势与开发应用前景[J].轻合金加工技术,2001(6).

[2]张高会.镁及镁合金的研究现状与进展[J].世界科技研究与发展,2003(1).

[3]王辉.镁合金及其在工业中的应用[J].稀有金属,2004(1).

[4]刘政军.镁合金及其成型技术综述[J].沈阳工业大学学报,2006(2).

[5]袁广银.添加微量Sb对Mg-9Al-0.8Zn合金蠕变抗力及微观组织的影响[J].金属学报,2001(1).

[6]于化顺，闵光辉，刘玉先等.SiO2与Mg-Li合金熔体反应动力学分析[J].中国有色金属学报，1999（4）.

[7]陈晓，傅高升，钱匡武等.原位反应自生MgO/Mg2Si增强镁基复合材料的热力学和动力学研究[J].铸造技术，2003（4）.

[8]李元元，胡侨丹，严有为.Si含量及变质处理对原位Mg2Si/Mg复合材料的影响[J].特种铸造及有色合金，2006年年会会刊.

[9]王连登，傅高升，陈晓等.硅对Mg2Si/ZM5复合材料组织和性能的影响[J].特种铸造及有色合金,2003（2）.

[10]胡汉起.金属凝固[M].北京:冶金工业出版社，1985.

[11]陈晓.原位自生颗粒增强镁基复合材料的研究[D].长沙：中南大学，2005.

（责任编辑：陈 辉）

The Influence of Sb on the Mechanical Properties of the Magnesium Matrix Composites

WANG Xing-yuan，WU Xiao-quan
(The Teaching Administrative Office,Jiangxi University of Technology,Nanchang 330098,China)

Through the study of the forming of Mg2Si phase in composites,the influence of Si content on the microstructure of Mg2Si/AM60,and the influence of Sb on the composites transforming effect,the result indicates that with more Si content,the amount of Mg2Si samples increases in the solidified in AM60 alloy,and its shape becomes block,Chinese characters and dendrite.The addition of Si in the AM60 alloys plays a role that is to refine Mg2Si phase.After addition of Sb,Mg3Sb2phase was generated and it acts as the heterogeneous core of Mg2Si,the most of shape of Mg2Si could become dispersed particles.In so doing,the ideal microstructure of Mg2Si/AM60 composites can be obtained.

composites;microstructure;mechanical properties

TB33

A

123(2015)01-0034-03

2014-09-05

吴孝泉（1980-），男，湖南邵阳人，江西科技学院教务处，讲师，工程师，硕士。研究方向：模具CAD/CAM。