热挤压镁合金 Mg-9Al-1Zn-0.5RE-xCu（x=0，1，3，4）组织与力学性能研究

刘江江，曾涛，何新泽，龚胡念，房大庆

（太原科技大学，山西太原030024）

镁合金是目前最轻的金属结构材料，具有比强度高，比刚度高，阻尼性好，减震性能优良，磁屏蔽能力强和易于回收等诸多优点，在汽车、通讯、电子产品、航空航天等领域具有很好的应用价值，被誉为“21世纪的绿色工程材料”[1-3]。

在石油钻井工程中，可降解压裂球需要应用高强度、低密度、快速降解的材料。从这个角度出发，本文考虑镁合金材料在这方面的运用。AZ91是我们最常见的铸造镁合金，且生产加工工艺成熟。稀土元素常被添加到镁合金中来提高合金的性能[4]。而且经过热挤压塑性变形的镁合金材料，性能往往高于铸态合金。根据以往的研究，铜可以和镁合金中的其他元素形成化合物，通过细化合金晶粒和第二相弥散强化的方式来提高合金的综合力学性能，并且Cu元素的加入可以加快镁合金的分解[5]。因此本文研究Cu元素在热挤压Mg-9Al-1Zn-0.5 RE基合金中的作用。

1 实验

实验采用的原材料为纯度为99.95%的镁锭，99.7%的工业纯铝，99.95%的锌锭，Al-10%Mn中间合金，Al-10%RE中间合金，Mg-30%Cu中间合金，采用RJ-6作为覆盖剂、精炼剂。所有原料装炉前均要在200℃的烘干箱中进行预热，合金在井式电阻炉中采用熔剂保护熔炼，熔炼温度约为720℃.精炼处理后，加入中间合金搅拌10 min，静置约30 min，待合金液降至700℃开始浇铸，浇注成φ150 mm的铸锭，铸模为金属模。各合金铸锭的化学成分为Mg-9Al-1Zn-0.5 RE 中分别添加 0、1%、3%、4%质量分数的Cu元素。

合金铸锭经300℃保温10 h均匀化处理后，在1250T型挤压机上以350℃的挤压温度和18：1的挤压比将试样挤压成宽120 mm、厚8 mm的板材，挤压方式为正向挤压。在挤压后的板材上截取金相试样和拉伸试样，按照与挤压方向呈0°取样，即研究的显微组织和力学性能均是沿着挤压方向的。金相试样（10 mm×9 mm×8 mm）经打磨、抛光、苦味酸溶液浸蚀后，采用MEF4徕卡光学显微镜、X射线衍射（XRD）、SH4800场发射式扫描电镜对合金的金相组织、相组成以及第二相的分布和形貌进行观察和分析。采用WDW-E100D微型控制电子万能试验机对试验合金进行力学性能测试，根据国标所要求的尺寸，先在电火花慢走丝线切割机上将每种试样切成4个大小相同的拉伸片。拉伸试样尺寸如图1所示，拉伸速度为2 mm/min，最终测量结果取4个拉伸片的平均值。

2 结果与讨论

2.1 合金中的相组成

图1 拉伸试样尺寸示意图

由图2可知，热挤压镁合金Mg-9Al-1Zn-0.5RE中有α-Mg基体相、β-Mg17Al12相和Al11Ce3相；当加入Cu元素1%时，合金中生成少量A12Cu相；随着Cu含量的继续增加，又有新的A1CuMg相产生，第二相β-Mg17Al12数量减少。由此可以得出：Mg-Al-Zn-RE-Cu体系中第二相的种类可能与溶质的相对含量有关[6]。

图 2 Mg-9Al-1Zn-0.5RE-xCu（x=0，1，3，4）合金的XRD图谱

2.2 合金的显微组织

从图3中可以看出，挤压后的晶粒沿着挤压方向呈等轴状，合金在热挤压过程中发生了动态再结晶现象，在晶界周围及晶粒内分布着大量第二相小晶粒。镁合金Mg-9Al-1Zn-0.5RE加入不同质量分数的Cu元素后，镁合金的基体组织得以细化。这是因为加入Cu元素后，形成热稳定性较好的Al2Cu或AlCuMg相，阻碍了晶界的推移，抑制了基体相α-Mg 的长大[6-7]。

图3 试验合金的金相组织

为了进一步分析镁合金试样组织的形貌状态，采用扫描电镜对各试样进行扫描观察，由图4可以观察到 Mg-9Al-1Zn-0.5RE-xCu（x=0，1，3，4）挤压态合金组织，是由黑色基体相和不连续条带状白色第二相组成。Mg-9Al-1Zn-0.5RE合金的基体组织为α-Mg固溶体，β-Mg17Al12相分布在晶界处和枝晶间，同时还有粒状和点状的第二相A1-RE相。当Cu元素质量分数为1%时，第二相多数呈块状聚集分布在基体中。随着Cu元素含量的增加，第二相逐渐变得细小、均匀。其原因是Cu含量的增加，使得Cu与合金中的Al优先形成Al2Cu或AlCuMg相，粗大的β-Mg17Al12相由块状、粗线条状变为不连续、弥散分布的小块状和颗粒状[8-9]。

图4 试验合金SEM形貌

2.3 合金的力学性能

图5和表1分别为不同Cu含量的热挤压镁合金Mg-9Al-1Zn-0.5 RE在室温时的工程应力—应变曲线和力学性能，由此可以看出，Mg-9Al-1Zn-0.5 RE-xCu（x=0，1，3，4）合金的室温抗拉强度和屈服强度随着Cu元素的加入得到了明显的提高，而伸长率显著降低。但随着Cu元素含量的提高，合金的塑性逐渐有所改善，而室温抗拉强度和屈服强度基本无变化。

图5 试验合金室温时的应力-应变曲线

表1 试验合金室温时的力学性能

由以上研究可知，在热挤压镁合金Mg-9Al-1Zn-0.5RE中加入Cu元素，合金的室温抗拉强度和屈服强度得到了明显的提高。原因是Cu的加入使基体晶粒细化，晶界增多，位错运动阻力增大，同时合金中形成的第二相粒子Al2Cu或Al-CuMg相也可以有效阻碍位错的运动，故合金的强度得到提高[10-11]。而随着Cu元素含量的增加，Mg-9Al-1Zn-0.5RE-xCu（x=0，1，3，4）合金的晶粒度尺寸变化不大，镁合金晶粒尺寸较为均匀，且含Cu的第二相粒子没有明显的增多。所以，随着Cu元素含量的增加，镁合金Mg-9Al-1Zn-0.5RE-xCu（x=0，1，3，4）的室温抗拉强度、屈服强度无明显变化。

合金的伸长率明显降低，这与试验合金中第二相的数量、形态和分布有着至关重要的关系，从挤压态镁合金 Mg-9Al-1Zn-0.5RE-xCu（x=0，1，3，4）的金相组织中可以清楚的看到第二相大多沿挤压方向分布在晶粒内，并且第二相的形态基本为粒状和块状，这些硬质的第二相，可以阻碍位错的运动，使镁合金的伸长率降低[12-14]。尤其加入1%的Cu元素时，第二相呈块状集中分布在基体中，材料的塑性降低最为明显。随着Cu元素含量的增加，第二相逐渐由集中分布的块状变得细小、弥散分布于基体中，故此时合金的塑性又有所改善。所以，热挤压镁合金 Mg-9Al-1Zn-0.5RE-xCu（x=0，1，3，4）的伸长率随着Cu元素含量的增加又开始逐步增加[15]。

3 结 论

1）Cu元素的加入细化了热挤压镁合金Mg-9Al-1Zn-0.5RE的基体组织，粗大的β-Mg17Al12相由网状变为不连续、弥散分布的小块状和颗粒状，并先后出现新的A12Cu相和A1CuMg相；

2）与不加 Cu元素时相比，Mg-9Al-1Zn-0.5RE-xCu（x=1，3，4）合金的室温抗拉强度、屈服强度明显提高，而伸长率显著降低。当Cu元素质量分数为1%时，合金的伸长率降低最明显为13.5%，屈服强度最高为204.86 MPa.随着Cu元素含量的增加，该合金的塑性逐渐有所改善，而室温抗拉强度和屈服强度基本无变化。在实验条件下，Cu元素质量分数为4%时，合金的抗拉强度最高为287.33 MPa，伸长率为15.2%，综合力学性能最好。

参考文献：

［1］ 刘丹.镁合金材料的应用及发展前景［J］.科技资讯，2012（29）：74.

［2］ 徐永东.稀土镁合金组织和性能研究［D］.天津：天津大学，2012.

［3］ 师昌绪，李恒德，王淀佐，李依依，左铁镛.加速我国金属镁工业发展的建议［J］.材料导报，2011.15（4）：5-6.

［4］ 陈振华.镁合金［M］.北京：化学工业出版社，2005.

［5］ 黄晓锋，李兴鹏，郝翠翠，等.Cu对Mg-9Zn合金显微组织及性能的影响［J］.中国铸造装备与技术，2014（4）：67-71.

［6］ 胡耀波，赵冲，吴福洲.Mg-Zn-xCu-Ce镁合金铸态组织与力学性能［J］.材料工程，2012（5）：1-5.

［7］ 张丁非，段作衡，张红菊，等.Cu含量对AZ61镁合金显微组织和力学性能的影响［J］.重庆大学学报，2013（7）：79-84.

［8］ 张建新，邵水军，郭学锋.合金元素对镁合金组织性能影响的研究进展［J］.热加工工艺，2012（12）：32-34.

［9］ Dargusch M S，Dunlop G L，Pettersen K，in： MordikeB L，K.U.Kainer（Eds.），Magnesium alloys and applications，Werkstoff-Informations GmbH Wolfsburg，Germany［J］.1998：277-282

［10］ 张景怀，唐定骧，张洪杰，等.稀土元素在镁合金中的作用及其应用［J］.稀有金属，2008（5）：659-667.

［11］ 张金玲.Mg-Al系合金中稀土元素的作用机理研究［D］.太原：太原理工大学，2012.

［12］ 康云.稀土元素对AZ61镁合金微观组织及力学性的影响［D］.太原：太原科技大学，2009.

［13］ 王瑞斐.混合稀土对AZ61镁合金组织和力学性能的影响［D］.重庆：重庆大学，2009.

［14］ 吕宜振.Mg-AI-Zn镁合金组织性能的研究［D］.上海：上海交通大学，2001.

［15］ 余晖.镁合金的挤压工艺及其组织和力学性能的研究［D］.济南：山东大学，2012.

山西铸造史编写座谈会（吕梁地区）会议报道

为做好吕梁地区铸造史编写资料征集及编写工作，加强同行之间的交流、了解和促进铸造行业发展，山西省铸造行业协会于2018年3月11日，在交城县中科正泰机械集团有限公司组织了吕梁地区山西铸造史编写座谈会。本次座谈会由山西省铸造行业协会主办，中科正泰机械集团有限公司承办。座谈会共有交城、文水、岚县、交口、汾阳等地区20余位企业代表参加，会议还特别邀请山西交城县史志办相关人员出席了本次会议。

会议由协会秘书长米渊聪先生主持，会议第一项由协会会长张晓晖讲话致辞，张会长说明了铸造史编写的意义并特别感谢了各位远道而来的企业代表和相关人员，接着中科正泰集团有限公司王建董事长代表承办单位致欢迎词。会议第三项由交城县铸造和机械加工协会会长、交城县兴龙铸造有限公司闫广平代表交城地区企业进行发言，闫董事长简单介绍了交城地区铸造企业情况、并代表交城企业欢迎各位代表及企业领导。会议第四项由山西省铸造行业协会常务副会长王录才向各位参会代表介绍了山西铸造的基本情况和悠久历史，分析了铸造史编写的必要性、重要性及有利条件，接着对编写规划、编写大纲等内容作了说明，希望各位代表能够积极参与支持并提供宝贵建议。会议第五项由山西铸造史编写组吕梁地区负责人智晓芸女士详细介绍了铸造史编写资料收集的具体要求和范围等。会议第六项由交城县史志办李大兵主任详细介绍了交城县铸造发展历史、以及重大事件、

人物等，并且从自己专业的角度对山西铸造史的编写给出了专业建议。参加本次会议的山西铸造史各地区负责人纷纷表示李主任专业化的建议对他们编写工作有了很大启发和帮助。最后一项由各地区参会企业代表就自己企业的发展历史以及周围他们所了解的铸造历史、现状、人物、事件进行了发言，企业代表纷纷表示铸造史的编写很有意义，不仅是行业的大事，也是本企业总结自己展现自己的良好机会。各位企业家们态度踊跃、热情高涨，均表示会对铸造史的编写和资料收集工作给与各种形式的大力支持。通过交流，大家认识到吕梁地区自古以来和铸造渊源流长，留有很多典故和铸造文物，现代铸造也是实力强大，门类众多，特色优势明显。大家纷纷表示收获颇多，座谈会收到了很好的效果。

编写座谈会结束后，编写组各位专家总结交流了本次座谈会的收获及感想，大家纷纷表示这次座谈会的效果很好，收获良多。本次会议为山西铸造史的编写和资料收集工作作了有益的探索，为其地区的编写工作的展开起到了很好的示范和借鉴作用。通过座谈，也加强了本地区企业之间的沟通和交流，增加了合作的机会，必将对本地区和全省铸造业的发展起到很好的推动作用。

山西省铸造行业协会

《山西铸造史》编写组

2018-03-16