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AZ91D镁合金消失模铸造稀土改性研究

2019-11-11王永平权思佳张作超王梦茵徐润润

科技资讯 2019年24期
关键词:显微组织热处理力学性能

王永平 权思佳 张作超 王梦茵 徐润润

摘  要:消失模铸造是一种近无余量、精确成形的新铸造技术,在镁合金零部件制造方面具有良好的应用前景。该文采用消失模铸造AZ91D合金,研究了Y对镁合金组织和性能的影响,并分析了Y对镁合金显微组织的细化机理和力学性能的强化机制。结果表明:微量Y的加入可显著细化合金基体组织,同时该元素的加入可使合金内形成方块状的Al6Mn6Y相和杆状的Al2Y相。当Y含量为1.5%时,合金综合力学性能最佳。此外,与常规AZ91D合金相比,含Y的AZ91D合金在固溶、时效后的合金硬度及抗拉强度明显升高,同时延缓合金时效过程,使得合金到达时效峰值所需时间有所延长。

关键词:消失模铸造  AZ91D镁合金  Y合金化  显微组织  力学性能  热处理

中图分类号:TG249.5   文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2019)08(c)-0043-05

消失模铸造是一种近无余量、精确成形的新型铸造技术,被誉为“21世纪的铸造新技术”及“铸造中的绿色工程”,与镁合金压铸相比,镁合金消失模铸造可避免昂贵的投资并且平稳地充型,还能克服压铸时的气孔缺陷,具有良好的应用前景。合金化是提高镁合金综合性能的有效手段,本质是将所需合金元素添加到金属中的过程,通常可在金属熔炼过程中将合金元素直接加入液态金属中。合金化的主要目的是改善金属的组织结构,或使金属具有某些特殊性能。

在镁合金中添加稀土元素(RE)可有效改善合金室温、高温力学性能。随着人们对稀土元素合金化的认识和应用不断完善,如今国内外已针对AZ91D镁合金的合金化开展了大量工作,以研究稀土元素对AZ91D镁合金显微组织和力学性能的影响。大多数稀土元素在镁中具有较大的固溶度。除稀土元素中的钪(Sc)外,其余16种元素均可与Mg形成共晶相,且共晶温度较为接近。Mg-Al系合金是镁合金中应用范围最广泛的合金系列,因此,相关研究人员一直致力于研究稀土元素对Mg-Al系合金综合性能的影响。

Y是改善镁合金力学性能的重要合金元素。至今镁合金研究者已针对合金高温力学性能的改善进行了大量的试验研究。结果表明,稀土元素Y可以显著提高AZ91D合金的力学性能。但Y对消失模铸造AZ91D合金组织和性能的影响仍缺乏系统研究。

1  试验材料与方法

1.1 模样制作与浇铸

试验所用模型材料为可发性聚苯乙烯泡沫模,均采用密度为0.02g/cm3的聚苯乙烯(EPS)泡沫板材经线切割方法成形。

试验中使用的模组均通过热熔胶粘合,粘接过程应尽量减少热熔胶的使用量,以减小热解产物对试验结果的影响。粘接结束后,用毛刷在模组表面涂刷亚仕兰消失模专用涂料,涂挂后置入烘箱内进行烘干,保证烘箱温度低于50℃。为保证涂层具有足够的强度,应在模组完全烘干后进行二次涂刷、烘干。

试棒18m×18cm×140cm,横浇道18cm×26cm×150cm,直浇道26cm×26cm×190cm,冒口20cm×20cm×30cm,底26cm×26cm×20cm。试样形状如图1所示。

将完全烘干的模组放入底抽式专用砂箱内,填入宝珠砂后覆盖塑料薄膜、打开真空泵。调节真空度并待其稳定后,将浇口杯放置于直浇道处,并在其周围覆盖干砂,以避免熔融金屬液在浇注过程中冲出并烧破塑料薄膜从而导致真空度降低。通常待真空度稳定3~5min后开始浇铸,并在浇注完成后保持真空度约5min。

浇注原料为Mg-Y中间合金(Mg-30%Y)和AZ91D合金铸锭,AZW系列合金均为AZ91D与Mg-Y中间合金在电阻坩埚中熔炼制成:(1)清洗坩埚,预热坩埚和工具200℃~300℃,喷涂涂料。(2)清理AZ91D合金锭,并称重、预热150℃以上。(3)将坩埚预热500℃左右,装料,通入保护气体,升温熔化。(4)至700℃~720℃时,搅拌2~5min,使成分均匀。(5)730℃~750℃精炼:取占炉料重量0.1%的专用精炼剂(C2Cl6-30g+石墨-3g+Zn-15g),在80℃烘箱烘干1h,用钟罩压入合金液中,总时间约为8~12min,缓慢绕圈,静置5min后,清除合金液表面和坩埚壁上的熔渣。(6)730~750℃氩气精炼:流量为1~2L/min,将吹头插入溶液下部吹洗2~4min,吹气结束后,升温至760℃~780℃,保温静置10~20min,然后扒渣,然后将温度降至720℃。(7)浇注消失模不含Y的试样4根。(8)合金化:加入Mg-Y中间合金(Y的质量分数占炉料的0.5%),搅拌5min后,在720℃静置20min,氩气精炼,720℃静置10min。(9)浇注消失模试样4根(含0.5%Y)。(10)方法同上(8)(9),每次加入Mg-Y中间合金,接着浇注。各次加入Y的质量分数占炉料的1.0%、1.5%、2.0%,搅拌5min后,在720℃静置20min,氩气精炼,720℃静置10min。依次得到含Y1.0%、1.5%、2.0%的试样各4根。试样化学成分见表1。

1.2 镁合金消失模铸件的固溶热处理方案

热处理在箱式电阻炉中进行,炉内温差±3℃。为防止试样氧化,用C粉和石英砂将试样覆盖。

固溶处理工艺:将试样加热到420℃,保温20h,在20℃的水中淬火。

时效处理工艺:将固溶处理后的试样在250℃时效处理,时效时间分别为:5h、10h、15h、20h。然后试样随炉冷却(见表2)。

1.3 镁合金铸件微观组织及力学性能测试实验方案

1.3.1 金相组织观察、XRD和SEM检测

试验中的金相试样均从所浇注试样的底部截取,尺寸1.5cm×1.5cm×1.5cm,经打磨、抛光,用4%的硝酸酒精溶液腐蚀后,在OLYMPUS-MG3金相显微镜上进行组织观察和照片采集,所获照片均来自于金相试样心部,以便进行观察比较。然后用XPERT PEOHE型X射线衍射仪分析相组成,步进扫描0.02°,扫描范围为10°~120°,获得XRD图谱;用QUANTA200型环境扫描电子显微镜显示试样的组织形貌特征。

1.3.2 硬度测试

在HB3000型硬度计上测试试样的布氏硬度。测量硬度时,用400#砂纸将铸态及热处理态的试样上下表面磨平,每个试样测试两个点,取其平均值作为最终结果。加载载荷为250kfg,压头直径为5mm,保压时间为30s。

1.3.3 拉伸试验

试棒由消失模浇注的试棒加工,尺寸为Φ8mm×110 mm。选用岛津AG-I250kN电子拉伸试验机进行拉伸试验,试验温度为室温。使用JSM-5610LV扫描电镜观察试样断口,并用OLYMPUS光学显微镜进行组织观察与分析。

2  钇对消失模铸造AZ91D铸态组织的影响

图2为不同Y含量的铸态AZ91D合金的显微组织。由图可知,AZ91D合金以α相为基体,同时α相周围存在枝晶状的β相(Mg17Al12)及少量共晶α相。由图2(a)、图2(b)、图2(c)可知,当元素Y含量(质量分数,下同)小于1%时,AZ91D合金内具有网状枝晶状的β相多数转变为粒状β相,表明元素Y对β相具有显著的细化作用。此外,合金内出现了少量的深色组织。由图2(d)可知,当Y含量达到1.5%时,深色组织含量进一步增加,同时合金内再次出现枝晶状β相。在图2(e)中,镁合金中的枝晶状β相含量进一步增加,β/α体积比增加,并再次构成网状结构。图3为铸态下AZ91D合金和AZW10合金的X射线能谱图。由图可知,AZW合金以α相为基体,同时α相周围存在枝晶状的β相及少量的Al2Y相和Al6Mn6Y相。此外,可知图2的深色组织为Y相,但该相尺寸较小,因此难以采用光学显微镜进行微观结构观察。图4为AZW15合金铸态扫描电镜图。由图可知,合金内存在两种形态的Y相:方块状的Al6Mn6Y相与杆状的Al2Y相。

上述现象符合Y与Mg、Al 结合的电负性原理:Y和Mg的晶体结构均为密排六方结构,且晶格常数接近(Mg的晶格常数为a=0.321×10-9m,c=0.520×10-9m;Y的晶格常数为a=0.365×10-9m,c=0.573×10-9m);且两元素的原子半径也较为相似(Mg的原子半径为1.60×10-10m;Y的原子半径为1.82×10-10m)。此外,Y和Mg的化合价相同,均为+2价。因此,根据固溶度理论,Y在Mg中的极限固溶度较大,可达11.4%,因此可产生良好的固溶强化效果。除了固溶于镁基体之外,Y还可与其他元素反应并形成金属间化合物,如Mg-Y、Al-Y或Mg-Al-Y等。

3  钇对热处理态AZ91D组织及力学性能的影响

热处理是改善合金显微组织和力学性能的常用手段。与铸态相比,AZ91D合金经420℃/20h的固溶处理(T4)后,合金强度和伸长率增加,但硬度有所降低。时效处理后,强度和硬度增加,伸长率发生降低。与铸态相比,直接经时效处理的合金强度和硬度稍有升高,但伸长率较低[1]。热处理对镁合金的影响受合金化元素含量的不同而发生改变,如Mg-9Al-xRE合金在175℃/16h空冷时效处理(T6)后,低RE含量合金的拉伸性能可得到改善,但高RE含量合金的拉伸性能发生恶化[2]。此外,不同合金经热处理后的力学性能也不同。当经410℃/(20~50)h水淬(T4)处理后,AZ91D-xRE合金的力学性能显著提升,但AM60B+xRE合金力学性能不发生明显改变[3,4]。因此,非常有必要深入分析Y对消失模铸造热处理态AZ91D合金的微观结构和力学性能的影响。

图5(a)、5(b)分别为固溶处理后AZW15合金和AZ91D合金的显微组织。由图可知,合金中主要强化相第二相基本已经消失。图6为热处理后的AZW合金硬度曲线。由图可知,相对于铸态合金,热处理后合金硬度发生降低,此时合金的强化机制转变为固溶强化。经固溶保温后,在退火作用下,合金组织发生均匀化,大部分应力集中和成分偏析现象消失,同时合金的拉伸性能和塑性得到改善。由于硬质相Al2Y相和Al6Mn6Y相均具有較高的热稳定性,因此未在固溶过程中溶于AZW15合金基体,从而使得AZW15合金在固溶处理后具有比AZ91D合金更高的抗拉强度和硬度。

图5(c)、图5(d)为AZW15和AZ91D合金经固溶处理与时效10h后的显微组织。由图可见,AZW15合金的析出相含量明显远少于AZ91D合金中析出相含量。镁铝合金的时效过程本质是Mg17Al12相自过饱和固溶体中形核并长大的过程,该过程受Al原子和Mg原子的扩散速度影响。根据Fick扩散第二定律,扩散速度与固溶体中溶质浓度成正比。固溶处理后,Al完全固溶在AZ91D合金基体中,而AZW15合金中的部分Al与Y形成了非固溶的Al2Y相,因此AZ91D合金基体中固溶的Al含量更多。此外,时效析出后生成的Al2Y相在合金中高度稳定存在,对β相的形核和生长具有钉扎作用,因而将阻碍β相的析出。因此,与AZW15合金相比,AZ91D合金时效后生成的析出相含量较多,即Y的加入可起到延缓镁合金时效过程的效果。由于此延缓作用,所以相同的热处理方式,随着合金元素Y的加入量的增加,合金的硬度逐渐降低;而对于同一种合金,不同热处理工艺其硬度也不同,硬度随时效时间的增加而增加(如图6所示)。

4  结语

该文探明了Y合金化对消失模铸造AZ91D组织和力学性能的影响规律,优化出提高消失模铸造AZ91D力学性能的最佳Y合金化工艺,找到合金元素Y对AZ91D的最佳加入量,以及结合热处理参数对镁合金组织和力学性能的影响,得出如下结论。

(1)元素Y的加入会显著细化AZ91D合金显微组织,并促使合金内形成方块状的Al6Mn6Y相以及杆状的Al2Y相。此外,合金中β相(Mg17Al12)含量减少,相形态由原始的网状分布转变为断网分布,但当Y含量超过1.5%时,合金内再次出现β相网状结构。

(2)少量Y的加入可提高AZ91D合金的力学性能。适量的Y可细化合金铸态组织、改善合金综合力学性能。Y在合金中以两种形式存在,一部分固溶于α-Mg基体中,在合金中起固溶强化作用;另一部分以方块状的Al6Mn6Y相与杆状的Al2Y相弥散分布于晶界,在合金中起第二相强化作用。当Y含量为1.5%时,对合金的晶粒细化效果最佳。

(3)与常规AZ91D合金相比,含Y的AZ91D合金在固溶处理后的合金硬度及抗拉强度均有所提升。此外,Y可延缓镁合金的时效过程,延长合金达到时效峰值所需时间。这是由于在含Y的AZ91D合金中,Y与Al反应生成的Al2Y相无法固溶于α-Mg基体中,使得Al在α-Mg基体中固溶量降低,从而造成合金时效驱动力下降。

参考文献

[1] 马图哈,丁道云.非铁金属结构及性能[M].北京:科技出版社,1999.

[2] 李金峰,耿浩然,杨中喜,等.钇对AZ91镁合金组织力学性能得影响[J].铸造,2005(1):53-57.

[3] 闫蕴琪,张廷杰,邓炬,等.耐热镁合金的研究现状与发展方向[J].稀有金属材料与工程,2004(6):561-565.

[4] 刘宏伟,罗承萍,刘江文.钇及混合稀土对镁铝锌合金组织与性能的影响[J].特种铸造及有色合金,2003(5):14-17.

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