赵红亮，段晓辉，于 洋，翁康荣，孔亚萍

(郑州大学材料科学与工程学院，河南郑州450001)

0 引言

Mg-Al系镁合金为目前应用最广泛的镁合金之一，在Mg-Al系镁合金中，AM60镁合金具有较高的塑性、较好的韧性和抗蠕变性，日渐成为汽车部件生产首先考虑的材料，但该合金存在着强度较低的缺点.添加晶粒细化剂细化镁合金晶粒和改变组织形态是改善镁合金性能，扩大镁合金应用范围的一种方便而有效的手段.近年研究结果表明：Al-Ti、Al-Ti-C中间合金对纯镁及其镁合金的组织和性能有较好的改善［1-3］，但这类二元或三元中间合金多只从组织细化方面讨论了其对镁合金的影响，而对镁合金组织中第二相变质的讨论则较少.因此，笔者通过添加Al-5Ti-0.25C-8Sr四元中间合金，研究Al-5Ti-0.25C-8Sr对AM60B镁合金组织的细化和变质效果以及其性能的影响，并对其细化变质机理进行探讨.

1 试验方法

晶粒细化剂采用自制的Al-5Ti-0.25C-8Sr中间合金［4］，选用AM60B合金作为晶粒细化的基础合金;在一定比例的SF6+CO2混合气体保护下，采用SG2-7.5-12铸铁坩埚电阻炉(7.5 kW)进行熔炼;熔配3种成分的AM60B+x%Al-5Ti-0.25C-8Sr(x=0.1，0.3，0.5)试验合金.熔炼过程为：720℃将AM60B镁合金熔化，后升温到740℃时加入中间合金，待中间合金熔化后轻微搅拌，使中间合金在熔体中分布均匀，静置保温20 min并降温至720℃，浇铸于规格为Φ20 mm×130 mm并预热250℃的钢模内.

从试样顶端25 mm处取样分析.试样经过打磨和抛光后腐蚀，腐蚀溶液为苦味酸酒精溶液(10 mL醋酸，4.2 g苦味酸，10 mL水，70 mL乙醇)与4%硝酸酒精溶液.腐蚀后经蒸馏水清洗并吹干后进行金相观察.利用截线法测量α-Mg晶粒的尺寸大小;通过XRD分析试样的相组成;利用扫描电镜(SEM)研究合金的显微组织.

2 试验结果与分析

2.1 中间合金对AM60B晶粒和铸态组织的影响

图1为固溶处理后AM60B镁合金的固溶组织.可以看出，添加 Al-5Ti-0.25C-8Sr中间合金后，AM60B合金晶粒出现了先细化后粗化的趋势.未添加中间合金时AM60B平均晶粒尺寸为265 μm，添加0.1%后其晶粒最细小，平均晶粒为78 μm，且晶粒大小均匀，这说明 Al-5Ti-0.25C-8Sr中间合金对AM60B具有良好的细化效果.

图1 添加Al-5Ti-0.25C-8Sr中间合金前后AM60B镁合金的固溶组织照片Fig.1 Solid solution microstructure of AM60B without and with addition of Al-5Ti-0.25C-8Sr master alloy

图2为添加不同量Al-5Ti-0.25C-8Sr中间合金时AM60B镁合金的铸态SEM照片.由图2(a)可以看出：AM60B是由基体α相和离异共晶析出的β-Mg17Al12相组成，β相主要以半连续网状沿晶界分布且尺寸较大，也有少量颗粒状分布于晶内.在添加质量分数为0.1%的Al-5Ti-0.25C-8Sr中间合金后(见图2(b))，β相全部转变为颗粒状并均匀弥散地分布于基体中，且析出量明显减少.当加入质量分数为0.3%时(见图2(c))，β相仍主要以颗粒状分布，但析出量较0.1%时多.继续增加Al-5Ti-0.25C-8Sr添加量后，发现粒状β相减少，骨骼状β相增多，甚至重新出现了断续网状β相，如图2(d).这说明该中间合金对AM60B中的β相具有良好的变质作用，不仅可改变β相的大小、形貌和分布，而且可抑制β相的析出，但加入量不能过多，0.1%时最佳.

为了研究AM60B中添加Al-5Ti-0.25C-8Sr中间合金后晶粒细化的机理及Ti和Sr元素在AM60B中存在的位置，对添加质量分数为0.5%Al-5Ti-0.25C-8Sr中间合金的AM60B合金试样进行了面扫描，结果如图3所示.可以看出，Ti和Sr元素均存在于镁合金中，且主要沿晶界分布.

图2 添加Al-5Ti-0.25C-8Sr中间合金前后AM60B合金的铸态SEM照片Fig.2 SEM micrograph of as-cast AM60B without and with addition of Al-5Ti-0.25C-8Sr master alloy

向熔融态AM60B合金液中加入Al-5Ti-0.25C-8Sr中间合金后，释放出 TiC、Al4Sr、TiAl3和少量Al4C3粒子［4］.TiAl3相高温分解后 Ti溶于合金熔体中，Al则与C发生反应生成Al4C3粒子.Al4C3为密排六方结构，与α-Mg具有相同的晶体结构，TiC虽为体心立方结构，但其(111)面与Mg的(0001)面具有相似的原子排列方式，这两种粒子与α-Mg的错配度分别为3.8%和4.6%.根据异质形核理论，晶格错配度δ≤9%即可作为有效核心.因此，Al4C3和TiC粒子均可作为α-Mg的有效形核核心［5］.Ti和Sr元素在镁中的溶解度均较小，是所谓的“表面活性元素”［6-8］.在合金凝固过程中，Ti和Sr被排挤到固—液界面前沿，富集在α-Mg晶粒相界面，降低了溶质原子的扩散速度，并抑制了晶粒长大，从而细化合金晶粒并使β相转变为弥散分布的颗粒状.另外，部分Al4Sr相在合金凝固过程中，会在α-Mg晶粒相界面前沿偏聚，起到阻止晶粒长大作用.

图3 添加质量分数0.5%Al-5Ti-0.25C-8Sr中间合金的AM60B面扫描照片Fig.3 SEM micrograph of AM60B with addition of 0.5%Al-5Ti-0.25C-8Sr master alloy

2.2 中间合金对AM60B抗拉强度的影响

在添加 Al-5Ti-0.25C-8Sr中间合金后，AM60B合金的抗拉强度和显微硬度均呈现出先升高后降低的趋势.当加入质量分数为0.1%Al-5Ti-0.25C-8Sr时，其抗拉强度达到181 MPa，较原合金提高了22%;显微硬度达到57.9 Hv，提高了21.9%.继续增加Al-5Ti-0.25C-8Sr添加量时，抗拉强度和显微硬度均有所下降，这主要是由合金晶粒粗化和β相变质效果较弱所影响.在添加0.1%Al-5Ti-0.25C-8Sr时，合金晶粒最小，且β相为细小颗粒相，因此其抗拉强度和显微硬度最高.

3 结论

(1)Al-5Ti-0.25C-8Sr中间合金不仅可有效细化AM60B合金晶粒，并可改变其β相的大小、形貌和分布，添加0.1%Al-5Ti-0.25C-8Sr中间合金具有最佳的细化变质效果，α-Mg平均晶粒尺寸由原265 μm细化到78 μm，但当中间合金加入量大于0.1%时，AM60B呈现晶粒粗化趋势.

(2)Al4C3和TiC粒子在合金凝固过程中起异质形核核心作用;Sr和Ti则作为“表面活性元素”，在合金凝固过程中富集在固-液界面前沿，降低溶质原子的扩散速度，并抑制晶粒长大，从而细化α相和变质β相.

(3)Al-5Ti-0.25C-8Sr中间合金对AM60B抗拉强度和显微硬度的影响均呈现先升高后降低的趋势，当加入质量分数为0.1%的中间合金时抗拉强度和显微硬度达到最大值.AM60B抗拉强度的变化趋势与合金晶粒细化及β相大小、形貌和分布的变化是密不可分的.

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