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2 0 1 3 年4 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／[ y s y l ．b g r i m m ．o n 5 3 - 一_ _ _ ●一 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／J ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 3 ．0 4 ．0 1 5 M g C u 合金共晶组织形貌及C u M 9 2 的小平面特性 蘑玲 陕西理工学院材料学院，陕西汉中7 2 3 0 0 3 摘要利用O M 和S E M 等观察不同铜含量M g C u 合金的铸态共晶组织形貌，探讨不同共晶组织的形成 机理及C u M g z 相的小平面特性。结果表明，M g - C u 亚共晶合金中共晶组织的数量随铜含量的增加逐渐 增加，初生相数量减少，且在M g 一1 5 ％C u 合金中出现了晕圈组织。在M g C u 合金系中有C u M g 和 C u 2M g 两种金属问化合物相，C u M g z 以有棱有角的小平面生长，而C u M g 以非小平面生长。 关键词M g C u 合金；C u 2 M g ；C u M 9 2 ；形貌；小平面；非小平面 中图分类号T G l 6 4 ．4文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 3 0 4 0 0 5 3 0 5 E u t e c t i cM o r p h o l o g yo fM g - C u A l l o ya n dF a c e t e d C h a r a c t e r i s t i co fC u M 9 2P h a s e T A N GL i n g M a t e r i a lC o l l e g e ．S h a n n x iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，H a n z h o n g7 2 3 0 0 3 ，S h a n n x i ，C h i n a A b s t r a c t E u t e c t i cm o r p h o l o g i e so fa s c a s tM g C ua l l o y sw i t hd i f f e r e n tc o p p e rc o n t e n tw e r eo b s e r v e dw i t h o p t i c a lm i c r o s c o p e O M a n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e S E M ．T h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fe u t e c t i c s t r u c t u r ea n df a c e t e dc h a r a c t e r i s t i co fC u M 9 2p h a s ew e r ed e s c r i b e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a ti nh y p o e u t e c t i c M g C ua l l o y s 。t h ee u t e c t i em i c r o s t r u c t u r e se n r i c h e sa n dt h ep r i m a r yp h a s e sd e c l i n e sw i t hi n c r e a s eo fc o p p e rc o n t e n t ，a n dh a l o e ss t r u c t u r ei nM g 一15 ％C ua l l o yo c c u r s ．T h e r ea r et w oi n t e r m e t a l l i cp h a s e s ，i ．e ． C u M 9 2a n dC u 2M gp h a s ei nM g C ua l l o y s ．T h eg r o w t hm e c h a n i s mo fC u M 9 2p h a s ei sf a c e tw i t he d g e sa n d c o r n e r s ，w h i l et h a to fC u 2M gp h a s ei ss m o o t hn o n f a c e t ． K e yw o r d s M g C ua l l o y ；C u 2M g ；C u M 9 2 ；m i c r o s t r u c t u r e ；f a c e t ；n o n f a c e t 受合金组成及凝固条件的影响，共晶合金比单 相合金的凝固过程要复杂[ 1 - 5 ] 。金属一金属间化合 物共晶合金的研究日益成为热点，如N b N b 。S i L 6 J 、 N i N i 。A 1 E 7 ’8 ] 、B i M n B i E } 1 0 3 等。此类合金具有很高 的强硬度和熔点及其他特殊性能[ 1 卜1 3 ] 。这种性能往 往是通过共晶合金中金属间化合物对合金起到增强 相来实现的。因此，应尽可能提高其在合金中的体 积分数，通常是通过选择共晶点附近的成分来达到。 这类合金在凝固时，在共晶组织析出前有粗大的金 属间化合物相 初生相 析出，不仅割裂了基体的连 收稿日期2 0 1 2 0 9 1 9 基金项目陕西省科技厅基金项目 2 0 1 1 J E 0 0 9 作者简介唐玲 1 9 7 9 一 ，女，陕西汉中人，硕士，讲师 续性，而且还会影响合金的最终凝固组织。所以，要 制备性能优异的非共晶成分的共晶复合材料，就必 须了解金属间化合物的凝固行为和机理。本文对铜 含量不同的M g - C u 合金的共晶析出方式及形貌进 行研究，并考察C u M g 的小平面特征。 1试验方法 选用工业纯镁锭 9 9 。7 ％ 和紫铜棒 9 9 ．7 ％ 在 5k W 井式坩埚电阻炉内熔炼5 种成分的M g C u 合 金，铜质量分数 下同 分别为1 5 ％、2 5 ％、3 0 ％、 万方数据 5 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年4 期 4 5 ％、7 0 ％、7 5 ％。保护剂采用R J 一2 熔剂，并通氩气 保护，静置时间1 5m i n ，浇铸温度取合金的液相线 温度 1 0 0 ℃，金属型铸造。试样经磨制抛光后用 柠檬酸水溶液腐蚀，用J S M 一6 3 9 0 1 。v 扫描电镜进行 组织观察。 2 试验结果及分析 2 ．1不同铜含量合金的共晶组织形貌 根据M g C u 合金相图[ 1 “M g C u 合金系共有 3 个共晶点，分别为M g - 3 8 ％C u 共晶温度4 8 5 ℃ ， M g 一6 6 ％C u 共晶温度5 5 2 ℃ ，M g 一9 0 ％C u 共晶温 度7 2 2 ℃ 。但由于M g 一9 0 ％C u 共晶温度超过镁的 熔点，普通坩埚电阻炉无法实现，故本试验采用的合 金成分点在M g 一3 8 ％C u 和M g 一6 6 ％C u 左右。图1 为不同铜含量合金在同一部位处的铸态显微组织。 。【】1 i 7L 、j 1 b j √ ’I I ； c ” 【’u f { l j ’ ’I 】 L 7r 1 ∥ 、L j f 7 3n ，，【’L I 图1 不同铜含量M g C u 合金的铸态显微组织 F i g l M i c r o s t r u c t u r e so fa s - c a s tM g - C ua l l o y sw i t hd i f f e r e n tc o p p e rc o n t e n t 由图1 可以看出，不同铜含量M g C u 合金的显 微组织有比较大的区别，主要表现在初生相形貌和 数量的分布上。根据相图⋯] ，当铜含量小于3 8 ％ 时，M g C u 合金中初生相为a M g 相，而共晶组织为 a M g ／C u M g 。，初生a M g 相的形貌随铜含量的递增 基本没有变化 图1 a ～l c ，始终保持蔷薇花形的非 小平面凝固方式，但分布的量和大小随铜含量的递 增逐渐变小，符合凝固原理中的杠杆定律。共晶组 万方数据 2 0 1 3 年4 期有色金属 冶炼部分 h t t p H y s y l ．b g r i m m ．c n 5 5 织大多以层片状分布在初生枝晶周围。当铜含量大 于3 8 ％但小于6 5 ％时，初生相为C u M g 金属间化 合物相 图l d ，初生C u M g 。相的形貌为典型的有 棱有角的四方形，呈现典型的小平面凝固行为，各向 异性较强。随着铜含量的继续增加，初生相由 C u M 9 2 相转变为C u 。M g 相。 M g C u 二元系在不同成分下生成C u 。M g 和 C u M g z 金属间化合物，且在化合物之间及其与母材 金属之间各自发生共晶反应。观察其结合面，可以 看到在近铜处是立方晶体结构的C u 。M g ，在近镁处 则是斜方晶体结构的C u M g 。。这两种相的形貌有 比较大的差异 图1 d 一1 f 。初生C u M g 相的形貌 为典型的有棱有角的四方形，呈现典型的小平面 凝固行为，初生C u zM g 相的形貌与a M g 相较相 似，为圆弧状的蔷薇花形，表现出非小晶面的凝固 方式。 2 ．2 共晶晕圈的形成 不同铜含量M g C u 合金的S E M 形貌见图2 。 a ～1 5 ％C u ； b 一7 5 ％C u ； c 一4 5 ％C u 图2 不同铜含量M g - - C u 合金的S E M 形貌 F i g ．2 S E Mm i c r o s t r u c t u r eo fM g - C ua l l o y sw i t hd i f f e r e n tc o p p e rc o n t e n t 含铜1 5 ％的亚共晶的形貌特征是，一层由 C u M g 相组成的亮白色晕圈包裹在初生a - M g 相 的周围，共晶组织以放射状生长在晕圈外围形成 共晶群 图2 a 。在该合金的共晶组织中，a M g 与 C u M g 。相的体积分数相当，在金相视野中二维形 貌为片状，呈灰黑色。在a M g 相之间为片状共晶 C u M g 相，呈白亮色。从图2 a 还可发现，灰黑色 共晶a M g 相与灰黑色初生a M g 蔷薇花状枝晶相 中间隔着一圈很明显的白亮色晕圈，而白亮色共 晶C u M g 。相却与晕圈相直接相连。由此可以推 断，白色晕圈应该是C u M g 相，共晶转变前必须先 在初生a M g 枝晶周围形成晕圈，在发生共晶转变 时，共晶C u M g 相才可以依附在晕圈上生长。 但当小平面C u M g 。金属间化合物作为初生相 灰白色 析出时 图2 c ，共晶组织 灰白色和黑色 相间的层片结构 直接就在初生相周围形核，而没有 出现晕圈组织。并且在本试验中，我们发现，当共晶 组织中的两相都为金属间化合物相时，也没有出现 万方数据 5 6 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年4 期 明显的晕圈组织 图2 b 。这主要与初生相和二次 晕圈相的形核过冷度的大小有关[ 15 。1 6 ] 。 2 ．3 共晶领先相的凝固 合金在凝固时，晶核形成后在长大过程中要 受原子向固液界面附着动力学条件的影响。固液 界面上原子尺度的特殊结构决定了长大后的晶体 形貌。通常将那些具有宏观上锯齿状的固液界 面、并显示出结晶面特征的平坦区域称为小面 f a c e t e ds u r f a c e ，而将出现小面的晶体称为小平 面相或棱面相 f a c e t e dp h a s e [ 1 7 。8 | 。合金凝固组织 中出现小平面在强制生长系统中 如定向凝固 是 比较普遍的，因为这种晶体中不同晶面的长大速 度不一样，高指数的晶面具有低指数生长的各向 异性，使晶体形成具有棱角的外形。其结晶长大 示意图见图3 ～4 。 小平面相由低指数光滑面包围，在生长时有很 强的各向异性，棱角比棱面处的驱动力 如过冷度 口画噶 a b C 图3 小平面相生长示意图 F i g ．3 S c h e m a t i cm a po fg r o w t ho f f a c e t e dp h a s e 大，因此，棱角处的生长速度快 图3 b ，但最终形态 仍然由有棱角的界面组成 图3 c 。而非小平面开 始呈球形 图4 a ，随着凝固的进行，界面出现失稳 使界面形状发生变化 图4 b ，如果驱动力足够大的 话，晶体最终就会形成树枝晶 图4 c [ ”] 。 Oo 图4 非小平面相生长示意图 F i g ．4 S c h e m a t i cm a po fg r o w t ho f n o n - f a c e t e dp h a s e 2 ．3 ．1 初生C u M g z 相的小平面特性 M g C u 二元合金有M g C u 和M g C u 两种金 属间化合物相。在本试验所采用的合金成分中，出 现了三种初生相a M g 、C u z M g 和C u M g z 相。但这 三种初生相的凝固行为有较大差异。C r o k e r 采用 溶解熵 e n t r o p yo fs o l u t i o n 的大小对共晶组织进 行分类[ 17 。，小平面相的溶解熵大于2 3J ／ m o l K ， 非小平面相的溶解熵小于2 3J ／ m o l K 。由于a M g 相的熔融熵为9 ．7J ／ m o l K [ 18 | ，C u 2 M g 相的 溶解熵为8 ．1 2 ～9 ．6 9J ／ t o o l K ，而C u M 9 2 相的 溶解熵大于2 3J ／ m o l K [ 2 0 - 2 1 3 。不同初生相的形 貌如图5 所示。 图5M g - C u 合金系中不同初生相的形貌 F i g ．5 M i e r o s t r u c t u r eo fd i f f e r e n tp r i m a r yp h a s e si nM g - C ua l l o y 从图5 可以看出，a M g 相和C u M g 相始终呈 现蔷薇花状的非小晶面结构，而C u M g 相的各向 异性较强，呈现明显的小晶面结构，但当C u M g 。相 作为共晶组织中的一相时，它与a M g 共同从液相 形核生长，由于a M g 与C u M g 。相共同搭桥形核 生长，彼此依赖限制，这就削弱了C u M g 相的各向 异性，使得两相以规则的片层耦合生长。在共晶 集群外围的层片状共晶组织中，由于层片位相的 改变，可以分辨出共晶团的晶界，在共晶团的晶界 周围，由于杂质等因素的影响，C u M g 相的各向异 性又有一定程度的释放 如图5 c 中的右下角区 域 。 万方数据 2 0 1 3 年4 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．e n 5 7 2 ．3 。2 小平面相形成的热力学原因 晶体的长大是否属于小晶面长大主要取决于它 们的熔化熵，也可通过J a c k s o n 因子口来判断，当a 4 R ，正如C u M g 。的 强小平面特性。 3结论 1 M g C u 亚共晶合金中，领先相为a M g ，共晶 转变以前先在初生a M g 相形成C u M g 相晕圈相， 再进行共晶生长。而M g C u 过共晶合金中，领先相 为C u M g 。相，共晶组织直接在C u M g 。相上形核生 长。富铜区的M g C u 共晶合金中，领先相为 C u M g 相，共晶组织为C u M g ／C u M g ，并未出现晕 圈相。 2 M g C u 亚共晶合金中，随着铜含量的增加， 共晶组织的数量逐渐增多，而初生枝晶逐渐减少，且 初生枝晶的形貌没有变化。 3 M g C u 合金系中存在两种金属间化合物 相C u M g 相和C u M g 相。其中C u M g 。的各向异 性较强，为典型的小平面生长方式，而C u 。M g 以蔷 薇花形的枝晶形式生长，为典型的非小平面生长 方式。 参考文献 [ 1 ] K u r zW ，F i s h e rDJ ．F u n d a m e n t a la ts o l i d i f i c a t i o n [ M ] ． 4 t he d i t i o n ．S w i t z e r l a n d T r a n sT e c hP u b l i c a t i o n ，19 9 8 9 3 ． [ 2 ] E l l o o t tR ．E u t e c t i cs o l i d i f i c a t i o np r o c e s s i n g c r y s t a l l i n e a n dg l a s s ya l l o r s [ - 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