Mg-8Sn-3Al-Zn合金在不同正挤压温度下的组织与性能

田树科，马世辉



Mg-8Sn-3Al-Zn合金在不同正挤压温度下的组织与性能

田树科，马世辉

（河南工学院 汽车工程系，河南 新乡 453003）

对铸造Mg-8Sn-3Al-Zn合金进行正挤压试验，研究不同的正挤压温度对正挤压组织与性能的影响。分别在300 °C和350 °C下，对Mg-8Sn-3Al-Zn合金进行正挤压，结果表明：挤压温度升高，合金再结晶的程度会提高，细晶强化效果更佳，合金的综合力学性越好。正挤压后的Mg-8Sn-3Al-Zn合金的断裂机理为韧性断裂。

挤压温度；细晶强化；韧性断裂

0 引言

随着能源问题日益严重，车身轻量化已成为未来汽车发展的一个重要方向[1]。近年来，镁合金已成为替代传统结构材料的最佳选择之一[2-3]，广泛应用于汽车零部件制造，如发动机罩盖、方向盘、座椅的支架、车内门板、变速器外壳等。但是，镁合金产品也存在很多难以解决的问题，比如在温度较高的条件下长时间工作，力学性能会变差。Mg-Sn合金是近年来研究的热点之一[4]，在共晶温度时，Sn在镁基体中的固溶度可以达到14.85wt%，可以起到较好的固溶强化效果。与稀土元素相比，Sn本身的价格较低。Mg与Sn可以形成Mg2Sn，具有反CaF2晶体结构，Mg2Sn的熔点为770℃，G/B为0.78，泊松比为0.19[5-6]，Mg2Sn的结构有利于提高合金的高温性能。对于如何进一步提高Mg-Sn合金的性能，热挤压是一种较为有效的途径[7-9]。本文为了研究在不同挤压温度下，正挤压对Mg-8Sn-3Al-Zn合金的组织性能的影响，对Mg-8Sn-3Al-Zn合金进行热挤压，其中挤压温度分别为300°C和350°C，保温时间为10 min。

1 试验方法

以AZ31为基础合金，添加Sn、Al、Zn元素制备Mg-Sn-Al-Zn合金，保护气体采用惰性气体，铸造方法采用重力垂直铸造。其中合金成分Sn为8%(wt)，Al为3%(wt)，Zn为1%(wt)。

将铸造Mg-8Sn-3Al-Zn合金试样机械加工为30 mm的试棒，在MY-100型油压机上做挤压试验。在本次试验中，挤压筒内径D为30 mm，凹模孔径d为12 mm。详细的挤压工艺参数见表1。正挤压后的Mg-8Sn-3Al-Zn合金可以用代号EX-TAZ831表示。

表1 Mg-8Sn-3An-Zn合金挤压工艺参数

分别从制备好的挤压试棒相同部位取金相试样，在MA500GBD金相显微镜上进行组织分析，金相腐蚀液为苦味酸溶液。在WEW-1000B电液伺服万能试验机上做拉伸强度测试实验，其中拉伸速率为1 mm/min。在JSM-6700F 扫描电镜上对试样断口进行形貌分析。在BBRVD-187.5型多功能数显布洛维硬度计上做硬度测试。

2 实验结果及分析

2.1 挤压温度对Mg-8Sn-3Al-Zn合金组织影响

图1是Mg-8Sn-3Al-Zn合金分别在挤压温度为300 °C、350 °C下正挤压后的组织。挤压后的组织主要由均匀的等轴晶和少量的未发生再结晶的晶粒组成。未发生再结晶的晶粒的边界周围是锯齿状的，黑色的网状共晶组织沿挤压方向呈板条形分布。尺寸较大的第二相颗粒在晶界处分布。

挤压温度由300°C升高至350°C，在挤压后的合金组织中，未再结晶的晶粒的尺寸和数目均有所减少，等轴晶的数目增加，且有长大的趋势。

(a) (b) 300°C; (c) (d) 350°C

图1 不同挤压温度下EX-TAZ831合金金相组织

在正挤压过程中，挤压比和挤压速率分别为6.25和1mm/min，挤压温度由300°C升高至350°C，合金材料的变形贮能也随之提高。挤压温度升高会导致材料内部原子的热振动加快，金属溶质原子在基体中的扩散速率也会增加，合金的位错运动以及位错点的脱锚更容易进行，合金发生再结晶的临界值也会降低，再结晶的形核率也会提高，在挤压过程中形成的再结晶晶粒的数目也会提高，没有发生再结晶的晶粒的尺寸和数目都会减少（图1）。因此，挤压温度升高，晶界的扩散和迁移能力也会增强，再结晶的晶粒有长大的趋势。

2.2 挤压温度对Mg-8Sn-3Al-Zn合金性能的影响

表2列出了在不同挤压温度下EX-TAZ831合金的抗拉强度、延伸率和硬度值。挤压温度由300 °C升高至350 °C，合金的布氏硬度由69.52提高至71.30，相对提高了2.5%，抗拉强度由279MPa提高至293MPa，相对提高了5%，而延伸率提高的最为明显，由9.06提高至12.84，相对提高了41.7%。

由图1可知，分别在300 °C、350 °C的条件下，对Mg-8Sn-3Al-Zn合金进行正挤压，挤压温度为350 °C时，材料的再结晶的程度更高，虽然已发生再结晶的晶粒在温度提高的情况下有长大的趋势，但是尺寸增加并不明显，不影响合金的性能。因此挤压温度提高，晶粒细化的效果比较好，材料的综合力学性能可以得到提高，尤其是延伸率。

图2分别是在300°C、350°C挤压后，EX-TAZ831合金的室温拉伸断口形貌。断口的微观形貌均含有大量韧窝和破裂的第二相，两者断裂机理均属于韧性断裂。挤压温度升高，韧窝的平均尺寸增加，进一步推断出，挤压温度升高，晶粒有长大的趋势。

表2 EX-TAZ831合金的力学性能

(a) 300 °C; (b) 350 °C

图2 不同挤压温度下Mg-8Sn-3Al-Zn合金室温拉伸端口形貌

3 结论

EX-TAZ831合金组织主要由再结晶的晶粒和未发生再结晶的晶粒组成。Mg-8Sn-3Al-Zn合金在正挤压过程中，沿原始晶粒边界周围发生再结晶，逐渐向心部发展。黑色的网状共晶组织沿挤压方向被挤压破碎，尺寸较大的第二相大颗粒分布在晶界上。未发生再结晶的晶粒以板状形式沿挤压方向分布，边界周围是锯齿状。Mg-8Sn-3Al-Zn合金分别在300 °C和350 °C下进行热挤压，挤压温度提高，再结晶的程度也会提高，形成的再结晶的晶粒有长大的趋势，合金的强化效果更佳，合金的硬度、抗拉强度和延伸率也会得到提高。EX-TAZ831合金的断裂机理为韧性断裂，挤压温度升高，断口形貌上的韧窝尺寸也会提高。

（责任编辑吕春红）

[1] 李永兵,李亚庭, 楼铭,等.轿车车身轻量化及其对连接技术的挑战[J].机械工程学报,2012(18).

[2] 黄宜松,陈吉清,龙江启,等.车身轻量化材料的应用发展[J].中国制造业信息化,2009(21).

[3] 郭玉琴,朱新峰 杨艳,等.汽车轻量化材料及制造工艺研究现状[J].锻压技术,2015(03)

[4] 吴友芳.Mg-Sn系镁合金的合金化及变形处理的研究[D].大连理工大学,2012.

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[6] 王峰,孙士杰,于波,等.Mg-Al-Ca-Sn合金中二元相金属间化合物电子结构、弹性性质和热力学性质的第一性原理计算[J].中国有色金属学会会刊,2016(01).

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Influence of the Forward Extrusion Temperature on Microstructures and Properties of Mg-8Sn-3Al-Zn Magnesium Alloys

TIAN Shu-ke，et al

(Department of Automotive Engineering, Henan Institute of Technology, Xinxiang 453003, China)

In this paper, Mg-8Sn-3Al-Zn magnesium alloys were prepared by using forward extrusion process at different temperatures. The influence of the forward extrusion temperatures on microstructures and properties of the alloys were analyzed. Recrystallization percentage increases with higher extrusion temperature and mechanical properties were higher, although grains were coarse relatively. The fracture mechanism of the Mg-8Sn-3Al-Zn alloys after using forward extrusion were ductile fracture.

extrusion temperature; fine-grain strengthen; ductile fracturey

TG146.2

A

1008–2093(2016)05–0016–02

2016-06-12

田树科（1986―），男，河南安阳人，助教，硕士，主要从事凝固技术、理论及新材料研究。