mg-5zn-06zr合金的砂型鑄造工藝

-zn-zr系列化合物具有良好的連續(xù)硬化效果。它被廣泛應(yīng)用于高強(qiáng)度鎂合金的應(yīng)用中，出現(xiàn)了zk51和zk61更高強(qiáng)度的鉻合金。但該系列合金存在著如熱裂傾向嚴(yán)重、塑性差等諸多缺點(diǎn),尤其是該系列合金不可焊,一旦鑄件出現(xiàn)縮松、掉砂等一些常見的鑄造缺陷就只能夠報(bào)廢,造成極大的浪費(fèi)。解決的辦法有2種:一是找到一種新的高強(qiáng)度而且可焊的鎂合金來(lái)替代,目前尚未實(shí)現(xiàn);二是在其基礎(chǔ)上通過(guò)合金化減輕其敏感的顯微疏松和熱裂傾向,在保持足夠力學(xué)性能的條件下提高合金的鑄造性能。由于稀土元素具有凈化和變質(zhì)鎂合金組織、改善鑄造性能以及提高合金的室溫和高溫強(qiáng)度等作用,因此,研究者在稀土元素對(duì)Mg-Zn-Zr系鎂合金的影響這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛的研究。王忠軍等研究發(fā)現(xiàn),ZK60鎂合金中添加Er或Nd能夠細(xì)化晶粒。當(dāng)ZK60鎂合金中加入1.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Er或Nd具有最佳的細(xì)化效果,并可形成含有Er或Nd的稀土共晶相,對(duì)晶界具有釘扎作用,從而提高合金在150℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度。李強(qiáng)等通過(guò)調(diào)整Zn含量和添加稀土元素Nd、Y、Gd等開發(fā)ZK61K合金,顯著提高ZK61合金的燃點(diǎn)、流動(dòng)性以及延伸率。羅文海等也研究了Y對(duì)Mg-4.9Zn-0.7Zr合金組織和力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)加Y可使合金中生成大量的I相,并在熱軋過(guò)程中彌散成細(xì)小的顆粒,從而在提高了合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的同時(shí),保持良好的延伸率。但大多研究工作多集中在變形鎂合金或者鎂合金變形行為方面,而對(duì)鑄造鎂合金及其凝固行為研究不多,尤其在常規(guī)工業(yè)條件下進(jìn)行的研究不夠。因此,本研究通過(guò)砂型鑄造制備Mg-5Zn-0.6Zr和Mg-5Zn-3Gd-0.6Zr合金,進(jìn)而研究合金化稀土元素Gd對(duì)Mg-Zn-Zr鑄造鎂合金鑄造組織和力學(xué)性能的影響。1拉伸性能測(cè)試合金的熔煉在6kg電阻坩堝爐中在RJ-2熔劑保護(hù)下進(jìn)行。Mg和Zn以純金屬(99.99%)加入,Zr以Mg-33%Zr中間合金加入,Gd以Mg-28%Gd中間合金加入。在720℃時(shí)分別澆鑄成標(biāo)稱尺寸為φ10mm×50mm的金相試樣及φ12mm的標(biāo)準(zhǔn)拉力試棒。室溫力學(xué)性能的測(cè)試在CSS1220型電子萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。每組測(cè)3根,結(jié)果取其平均值。拉力試驗(yàn)機(jī)的拉伸速度為0.5mm/min。合金的化學(xué)成分分析采用電感耦合等離子原子發(fā)射光譜法。合金的金相組織觀察采用XJL-02型光學(xué)金相顯微鏡。采用差示掃描量熱(DifferentialScanningCalorimetry,DSC)法分析試驗(yàn)合金的固相線,差示掃描量熱儀型號(hào)為DSC-2910型,加熱速度為10℃/min。采用X射線衍射儀進(jìn)行物相分析。晶界及晶內(nèi)的成分分析在掃描電鏡上進(jìn)行。合金力學(xué)性能試棒的熱處理在微機(jī)控制井式熱處理爐中進(jìn)行,熱處理爐恒溫區(qū)的溫度均勻性為±1℃。合金Mg-5Zn-0.6Zr參考ZM-1的熱處理工藝,采取分段加熱方式,在350℃下保溫3h,然后進(jìn)行固溶處理(475℃、14h)和時(shí)效處理(250℃、16h)。對(duì)合金Mg-5Zn-3Gd-0.6Zr采取了在350℃下保溫3h再進(jìn)行固溶處理(500℃、14h)和時(shí)效處理(250℃、16h)的熱處理工藝。2結(jié)果與討論2.1sem及eds分析結(jié)果圖1為實(shí)驗(yàn)合金的鑄態(tài)組織。從中可以看出,合金Mg-5Zn-0.6Zr鑄態(tài)組織中存在很明顯的枝晶,有大量的共晶組織沿晶界或枝晶邊界斷續(xù)分布,晶內(nèi)有少量彌散質(zhì)點(diǎn)。表1為合金的化學(xué)成分分析。由表1可知,合金Mg-5Zn-0.6Zr中Zn的含量只有5.0%,遠(yuǎn)不到共晶點(diǎn)的Zn含量,那么單從Mg-Zn二元相圖來(lái)看合金Mg-5Zn-0.6Zr應(yīng)該只有α-Mg和二次析出相MgZn。但從合金Mg-5Zn-0.6Zr的SEM照片及EDS分析結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)有α-Mg、MgZn2等合金相。這是因?yàn)閆n在結(jié)晶過(guò)程中的再分配系數(shù)k<1,隨著枝晶的長(zhǎng)大,在凝固前沿不斷有Zn原子被排出,富集在晶界或枝晶形成的(如圖2所示)。由圖2的金相組織可以看到,孤立的點(diǎn)2相比較點(diǎn)1,其Zn原子的含量有很大的差別。D2的定性分析結(jié)果表明,Mg的原子百分?jǐn)?shù)約為25.03%,而Zn的原子百分?jǐn)?shù)卻高達(dá)53.7%,Zr的原子百分?jǐn)?shù)大約在21.27%。圖3為合金Mg-5Zn-3Gd-0.6Zr的DSC曲線。由圖3可知,存在1個(gè)第二相,為兩相組織。而且試驗(yàn)基體合金的固相線溫度約為510.85℃,明顯高于合金Mg-5Zn-0.6Zr的固相線溫度。添加合金化稀土元素Gd的合金Mg-5Zn-3Gd-0.6Zr的晶粒顯著細(xì)化(如圖1b所示)。同時(shí),從合金Mg-5Zn-3Gd-0.6Zr的SEM+EDS分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),晶界析出相呈“魚骨狀”(如圖4點(diǎn)1所示)。也有呈連續(xù)網(wǎng)狀,幾乎包圍整個(gè)晶粒(如圖4點(diǎn)2所示)。經(jīng)XRD分析結(jié)果,它們都是由Mg-Zn-Gd三元相組成(如圖5所示)。從合金Mg-5Zn-3Gd-0.6Zr的SEM和EDS分析結(jié)果還發(fā)現(xiàn),基體中有一定含量的Zn和Gd,定性分析結(jié)果表明,Gd的原子百分?jǐn)?shù)約為0.22%,而Zn的原子百分?jǐn)?shù)為0.98%(如圖6所示)。2.2mg-zn-3gd-0.6zr的固溶過(guò)程圖7是合金經(jīng)過(guò)固溶處理后的組織。由圖7可知,合金Mg-5Zn-0.6Zr的共晶組織全部溶入基體,晶界消失。而合金Mg-5Zn-3Gd-0.6Zr的晶界處仍然有未溶的化合物相存在。結(jié)合圖5所示合金Mg-5Zn-3Gd-0.6Zr的XRD結(jié)果也可以看出,在鑄態(tài)和T6熱處理態(tài),都有很強(qiáng)的未知衍射峰。通過(guò)參考合金SEM和EDS分析結(jié)果,認(rèn)為未知衍射峰是Mg-Zn-Gd三元相的衍射峰,同時(shí)也說(shuō)明該三元相具有很高的熱穩(wěn)定性。從圖3熱分析曲線上也可以得到證明,Mg-Zn-Gd三元相在510.85℃才開始熔化。圖8和圖9分別是合金Mg-5Zn-3Gd-0.6Zr經(jīng)過(guò)固溶處理后的SEM和EDS分析結(jié)果?？梢?經(jīng)過(guò)固溶處理后連續(xù)網(wǎng)狀的Mg-Zn-Gd三元相變得斷續(xù)(如圖8所示),分解為孤立的顆粒狀或者長(zhǎng)條狀(如圖9所示)。通過(guò)對(duì)基體的EDS定性分析發(fā)現(xiàn),Gd的原子含量約為0.08%,而Zn的原子含量為1.38%。與鑄態(tài)比較,基體中Gd的原子百分?jǐn)?shù)略微下降,而Zn的原子百分?jǐn)?shù)卻繼續(xù)增加?？梢哉f(shuō)明,在鑄態(tài)時(shí)Mg-Zn-Gd三元相的形成消耗了一部分的Zn原子,而在固溶處理過(guò)程中Zn原子又部分溶入基體,對(duì)提高合金基體的性能會(huì)有所幫助。通過(guò)對(duì)圖8和圖9所示Mg-Zn-Gd三元相各點(diǎn)的EDS定性分析結(jié)果進(jìn)行平均得到,Mg-Zn-Gd三元相中Mg的原子百分?jǐn)?shù)約為53.38%,Zn的原子百分?jǐn)?shù)約為31.03%,Gd的原子百分?jǐn)?shù)約為15.59%,而在鑄態(tài)時(shí),Mg的原子百分?jǐn)?shù)約為58.27%,Zn的原子百分?jǐn)?shù)約為30.78%,Gd的原子百分?jǐn)?shù)約為10.95%。因此,固溶處理后沉淀相中Zn和Gd的原子含量都略微降低。2.3u2004和t6相表2是試驗(yàn)合金的室溫力學(xué)性能。由表2可以看出,在鑄態(tài)條件下合金Mg-5Zn-0.6Zr的力學(xué)性能全面優(yōu)于合金Mg-5Zn-3Gd-0.6Zr。認(rèn)為主要是由于Mg-Zn-Gd三元相的形成消耗了一部分的Zn原子,降低了固溶強(qiáng)化效果。Zn是Mg-Zn-Zr系鎂合金固溶強(qiáng)化的元素,Mg-Zn-Zr系鎂合金的主要強(qiáng)化相就是MgZn、MgZn2等合金相。但添加合金化元素Gd后,形成了Mg-Zn-Gd三元相,而且在固溶處理過(guò)程中該三元相并沒有全部溶入基體。因此,基體中的Zn原子含量降低,降低了基體強(qiáng)度。雖然Mg-Zn-Gd三元相在晶界處有晶界強(qiáng)化的作用,而且還有部分的Gd溶入基體使得晶粒細(xì)化從而改善力學(xué)性能,但不再是主導(dǎo)因素。在經(jīng)T4和T6熱處理后,合金Mg-5Zn-3Gd-0.6Zr的延伸率和屈服強(qiáng)度都優(yōu)于合金Mg-5Zn-0.6Zr。認(rèn)為主要原因是在鑄態(tài)時(shí)晶界處形成的呈“魚骨狀”和“連續(xù)網(wǎng)狀”的Mg-Zn-Gd三元相經(jīng)過(guò)固溶處理變得斷續(xù),分解為孤立的顆粒狀或者長(zhǎng)條狀。2種合金的延伸率在T4態(tài)都較T6態(tài)高,說(shuō)明合金適合于固溶處理。表3是合金T6態(tài)熱處理后的高溫瞬時(shí)拉伸力學(xué)性能。可以看到,隨著溫度的升高合金Mg-5Zn-0.6Zr的抗拉伸強(qiáng)度明顯下降。而合金Mg-5Zn-3Gd-0.6Zr的力學(xué)性能在高溫下都優(yōu)于合金Mg-5Zn-0.6Zr,具有良好的高溫性能。認(rèn)為主要是由于合金Mg-5Zn-3Gd-0.6Zr的Mg-Zn-Gd三元相較合金Mg-5Zn-0.6Zr的第二相具有更高的熱穩(wěn)定性,在晶界處部分未溶入基體的三元相釘扎晶界,阻止晶界滑移。3mg-5zn-3gd-0.6zr晶界的變化1)合金Mg-5Zn-0.6Zr添加合金化稀土元素Gd后,晶粒顯著細(xì)化,晶界處析出了Mg-Zn-Gd三元相,基體中有一定含量的Zn和Gd。2)經(jīng)固溶處理后,合金Mg-5Zn-0.6Zr的共晶組織溶入基體,晶界消失。而合金Mg-5Zn-3Gd-0.6Zr晶界處仍有未溶的化合物存在。連續(xù)網(wǎng)狀的Mg-Zn-Gd三元相變得斷續(xù),分解為孤立的顆粒狀或者長(zhǎng)條狀?；w中Gd的原子百分?jǐn)?shù)略微下降,而Zn的原子百分?jǐn)?shù)卻繼續(xù)增加。3