超声处理对AZ8O镁合金组织与性能的影响.pdf

2 0 1 2 年3 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 4 3 d o i l O ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 2 ．0 3 ．0 1 2 超声处理对A Z 8 0 镁合金组织与性能的影响 张康1 ，马鸣龙2 ，张奎2 ，李兴刚2 ，侯玉柏1 ，鲍君峰1 1 ．北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 7 0 ； 2 ．北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点试验室，北京1 0 0 0 8 8 摘要通过o M 、S E M 及阿基米德法等手段，研究超声处理对A Z 8 0 镁合金凝固组织、密度和力学性能的 影响。结果表明6 1 0 ℃超声处理可以降低晶粒尺寸，减少枝晶数量。经过超声处理后，合金密度由 1 ．7 7 0g ／c m 3 升至1 ．8 0 5g ／c m 3 ，抗拉强度由1 3 8M P a 升高到1 7 0 ．5M P a ，延伸率由2 ．5 ％提高为4 ．O ％。 关键词A Z 8 0 镁合金；超声波；空化作用；组织与性能 中图分类号T G l 4 6 ．2 2文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 2 0 3 一0 0 4 3 一0 4 E f f e c to fU l t r a s O n i cT r e a t m e n to nM i c r O s t r u c t u r ea n dM e c h a n i c a l P r o p e r t i e so fA Z 8 0M a g n e s i u mA l l o y Z H A N G K a n 9 1 ，M AM i n g - 1 0 n 9 2 ，Z H A N GK u i 2 ，L Ix i n g g a n 9 2 ，H O UY u 如a i l ，B A oJ u n _ f e n 9 1 1 ．B e 玎i n gG e n e r a lR e 鸵a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，＆q 堍1 0 0 0 7 0 ，C h i f L a l 2 ．S t a t eK e yL a bf o rF a b r i c a t i o n8 LP r o c e s s i n go fN o n “r r o u sM e t a l s ，B e 巧i n gG e n e r a IR e s c a r c hI n 8 t i t u t ef o r N o n - f e r r o u sM e t a l s 。B e 巧i n g1 0 0 0 8 8 ，C h i 姐 A b s t r a c t T h ee f f e c t so ft h eu l t r a s o n i ct r e a t m e n to nm i c r o s t r u c t u r e s ，d e n s i t ya n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f A Z 8 0m a g n e s i u ma l l o y sw e r ei n v e s t i g a t e dw i t hO M ，S E Ma n dA r c h i m e d e sp r i n c i p l e ．T h er e s u l t ss h o w t h a ta f t e rt h eu l t r a s o n i ct r e a t m e n ta t6 1 0 ℃，t h eg r a i ns i z ea n dn u m b e r so fd e n d r i t e sa r er e d u c e d ，t h ed e n s i t yo fa l l o yi n c r e a s e sf r o m1 ．7 7 0g ／c m 3t o1 ．8 0 5g ／c m 3 ，t h et e n s i l es t r e n g t hi n c r e a s e sf r o m1 3 8M P at o 1 7 0 ．5M P aa n dt h ee l o n g a t i o ni n c r e a s e sf r o m2 ．5 ％t o4 ．O ％． K e yw o r d s A Z 8 0m a g n e s i u ma l l o y ；u l t r a s o n i c ；c a v i t a t i o n ；m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t y 镁合金密度低，比强度和比刚度高，兼有良好的 阻尼减震和电磁屏蔽性能等特点口_ 3 ] 。铸造镁合金 由于其良好的成形性能，发展优于变形镁合金。不 过，镁合金铸件内部常存在缺陷，使得其不能作为大 型承力构件来使用，而变形镁合金具有更加稳定及 多样的综合力学性能，因此是扩大镁合金应用的有 效途径。研究表明，原始铸造组织可以显著影响合 金的变形行为，粗大的晶粒尺寸极易导致合金变形 开裂，另外，由于镁合金的滑移系较少，变形能力较 差，晶粒间的协调作用是其重要的变形机制，因此， 制备组织相对均匀细小的铸造镁合金，可以有效提 基金项目。十二五”国家科技支撑计划项目 2 0 1 1 B A E 2 2 8 0 1 作者简介张康 1 9 8 3 一 ，男。河北沧州人。硬士． 高合金的塑性变形效率。A Z 8 0 合金作为最常见的 变形镁合金，由于其室温力学性能较好，应用较为广 泛。超声波作为一种环保的物理场可以对金属凝固 过程产生一定程度的影响H 娟J 。目前，关于超声处理 对镁合金铸锭组织及性能的研究较少，因此，选择较 为成熟的商用镁合金作为研究对象，分析合金经过 处理后的各项指标，制备组织相对细小均匀的变形 镁合金，为后续变形提供相对良好的组织。 1试验 本文所用材料为山西闻喜银光镁业有限责任公 万方数据 4 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 2 年3 期 司提供的商用A Z 8 0 镁合金，成分 ％ A l8 ．4 0 、Z n O ．4 8 、M nO ．0 2 、C u0 ．0 0 2 6 、N iO ．o 0 0 6 、F eO ．0 0 1 4 、 S io ．0 2 6 0 、B eo ．o 0 0 7 、M g 余量。 试验合金在铸铁坩埚中熔化，采用R J 一2 熔剂覆 盖保护，熔体温度升至7 0 0 ℃搅拌2 ～3m i n 并除 渣，静置保温2 0m i n ，然后降温至6 1 0 ℃，保温1 0 m i n 后进行超声处理，时间分别为3 0 、4 5 、6 0 、7 5s ， 处理后的合金迅速水冷。超声处理开始时熔体的温 度是根据M g _ A l 二元合金相图[ 3 ] 及合金降温D S C 曲线确定 图1 。D S C 测试仪器为N E T Z S C H S T A4 0 9P C ／P G 热分析仪，升温速度1 0 ℃／m i n ， D S C 试样尺寸为雪3m m 2m m 。由D S C 曲线可 知，该合金的液相线温度为5 9 6 ．1 ℃，将超声波探头 深入熔体液面以下1 5m m ，将经过超声处理和未经 超声处理的铸锭分别取样，铸铁坩埚尺寸为中1 0 0 m m 2 0 0m m ，取样位置为探头端面垂直正下方3 0 m m 处，将试样经砂纸打磨、机械抛光后采用4 ％硝 酸酒精进行腐蚀。根据国家标准G B 2 2 8 8 7 和 G B 6 3 9 7 8 6 确定拉伸试样尺寸，室温下在W D W 一 1 0 0 D 万能试验机上测定合金的力学性能。利用 C A M B R I D G E 孓3 6 0 扫描电镜对拉断后的力学试样 进行断口扫描分析。 ， 警 ● ≥ 呈 甚 o T e m p c I 删耐℃ 图lA z 8 0 镁合金的D S C 降温曲线 F i g ．1 D I S Cc o o I i n gc Ⅱr V eo fA Z 8 0 m a 弘e s i u ma o y 2 结果与讨论 2 ．1 超声处理对镁合金凝固组织的影响 图2 为不同时间超声处理后的A Z 8 0 镁合金显 微组织。 图2 不同时间超声处理后A z 8 0 的显微组织 F i 昏2M i c m s t r u c t u r 髑o fA Z 8 0m a 弘姻i u ma o ya “e ru I t r a ∞n i ct 他a t m 蛆tw i t hd i f f e 唧tt i m e 图2 表明，超声处理对A Z 8 0 镁合金显微组织 有明显的影响。未经超声处理的铸态A Z 8 0 镁合金 显微组织的特征是组织不均匀，含有大量的树枝 晶，二次枝晶臂发达。A Z 8 0 镁合金的固液两相区 范围较大，凝固过程中易产生枝晶偏析，a M g 基体 晶粒尺寸粗大，大小不一致，p M g - ，A l 。z 在晶界上形 成连续粗大的网状结构。当熔体温度为6 1 0 ℃时， 随着超声处理时间的延长，组织细化明显，原始树枝 万方数据 2 0 1 2 年3 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 4 5 晶及二次枝晶臂减弱，当超声处理时间为6 0s 时， 组织细化效果最为明显，继续延长超声处理时间，超 声波的热效应降低合金的冷却速度，超声处理时间 7 5s 时晶粒有所长大。 表1 是超声处理前后熔体的温度，可见停止超 声作用时，熔体的温度均低于该合金的液相线温度， 超声处理对合金的凝固过程产生了作用。A Z 8 0 镁 合金熔体中进行超声处理，由于镁合金的黏度低，黏 性系数不高 低于铝合金 ，按照空化阈值与黏性系 数的关系可知[ 7 ] ，镁合金熔体中的空化作用易于发 生。同时镁合金熔体中可能混入较多的气体，有助 于形成大量的空化核，有利于空化泡的产生。空化 泡脱离稳定区发生溃陷放出大量能量，该能量足以 打碎正在长大的枝晶，破碎的一部分枝晶将会重熔， 其余部分则能够成为有效的形核核心，从而会增加 镁合金的形核率，超声波在镁合金熔体中产生的声 流搅拌作用使得这些形核核心均匀弥散地分布在熔 体中，超声波的声流搅拌作用使得流场和温度场分 布更加均匀。所以A Z 8 0 镁合金熔体经过超声处理 之后组织变得更加均匀，枝晶数量减少，晶粒数量增 多，晶粒尺寸变小，声流作用使得熔体扩散更加均 匀，降低了枝晶干中心和外部的溶质浓度差，减弱了 枝晶偏析。 表1 超声处理前后熔体的温度 T a b l e1 T e m p e 髓t u 弛O fA Z 8 0m e l t b e f o r ea n da f t e ru l t r a s o n i ct r e a t m e n t 2 ．2 超声处理对镁合金力学性能的影响 图3 为超声处理对合金力学性能影响结果。 图3 表明，超声处理后铸态合金的抗拉强度均 有了大幅提高，当熔体温度为6 1 0 ℃时，直接凝固水 冷的铸态合金的抗拉强度为1 3 8M P a ，抗拉强度随 着超声作用时间的延长而增加。当处理6 0s 后，合 金的抗拉强度最大为1 7 0 ．5M P a ；超声处理提高了 A Z 8 0 镁合金的形核率，形核核心越多，晶粒的数目 就越多，从而降低了合金的晶粒尺寸；晶界越多，位 错被阻滞的地方就越多，增大了品界附近的滑移阻 力，降低了晶界上形变的协调性，因而需要多个滑移 系统同时动作，因此位错不易穿过晶界，而是塞积在 晶界上，引起了强度的提高。 蛊 蒌 辇 羹 图3 超声处理对A Z 8 0 镁合金力学性能的影响 F i g ．3 E f f ∞to fu l t m ∞n i ct r 昀t m 蚰t 帆 m 优h a n i c a lp r o p e r t i 俗o fA Z 8 0m a 弘姻i u ma U O y 镁在室温时主要是基面滑移，室温时滑移面为 O 0 0 1 基面，滑移方向为 晶向，基面上有 [ 1 1 2 0 ] 、[ 1 2 1 0 ] ’[ 2 1 1 0 ] 三个滑移方向，镁在室温下 只有3 个滑移系[ 8 ] ，所以室温下镁的塑性变形能力 比其他面心立方和体心立方金属都低。未进行超声 处理时，铸态镁合金宏观偏析严重、晶粒粗大、组织 不均匀等特点均影响着镁合金的铸态延伸率，超声 处理之后，可以有效地去除合金铸态组织中的缺陷， 超声处理细化晶粒，增加了晶粒间的变形协调性，所 以可提高合金的延伸率，未加超声处理的合金延伸 率为2 ．5 ％，超声处理后延伸率提高至4 ．O ％，虽然 仍属于脆性断裂范畴，但超声处理后，改善了合金的 塑性。 图4 为超声处理6 0s 后合金断口与原始合金 断口对比。可以发现，6 1 0 ℃未加超声时的断口形 貌呈现出明显的解理断口特征。断口中含有大量的 由众多的解理台阶相互汇合形成的河流状花样。此 外断口形貌中还含有少量的韧窝；6 1 0 ℃超声处理 6 0s 之后，合金断口仍然以脆性断裂特征为主，但局 部韧窝的数量有所增加，说明超声处理之后合金韧 性断裂特征增加。 2 ．3 超声处理对镁合金密度的影响 镁合金在熔炼过程中很容易混入气体，混入的 气体主要是氢[ 9 ] 。一定功率的超声波在镁合金熔体 中作用时会生成空化泡，熔体中的氢在超声波的作 用下会析出，与周围的空化泡结合在一起形成更大 的气泡，当气泡尺寸增加到一定程度时，会上浮到熔 体液面而消失。铸态合金的气密性发生变化影响到 最终合金的密度。不同超声时间处理的合金密度测 试结果见图5 。图5 表明，超声处理后合金的密度 万方数据 4 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 2 年3 期 增加，并且随着超声作用时间的延长，合金密度增加越显著，由1 I7 7 0g ／锄3 升至1 - 8 0 5g ／c m 3 。 毛 望 翻 翻 图4 超声处理对A z 8 0 镁合金断口形貌的影响 F i g ．4 E f f ∞to fu I t r 踟n i ct m t m 蛆to nf m c t u 他m o r p h o I o 钉o f A Z 8 0m 驴豁j 硼a n o y 01 53 04 56 07 5 时间，s 图5 超声处理对A z 8 0 镁合金密度的影响 F i g ．5 E f f e c to fu l t r 嬲o n i ct r e a t m e n to n d e n s i t yo fA Z 8 0m a g n 髑i u ma o y 3结论 1 A z 8 0 镁合金在6 1 0 ℃进行超声处理，随着时 间的延长，组织变得更加均匀，枝晶数量明显减少，偏 析减弱，晶粒得到有效细化，超声处理6 0s 时晶粒细 化效果最明显，时间继续延长，晶粒尺寸略微增加。 2 A Z 8 0 镁合金熔体经过超声处理后，铸态合 金的抗拉强度由1 3 8M P a 升高到1 7 0 ．5M P a ，延伸 率由2 ．5 ％提高到4 ．o ％，合金密度随着超声处理 时间的延长由1 ．7 7 0g ／c m 3 升至1 ．8 0 5g ／c m 3 。 参考文献 [ 1 ] c z e r w i n s k iF ．M a g n e s i u mI n j e c t i o nM o l d i n g [ M ] ．N e w Y o r k S p r i n g e r ，2 0 0 8 1 ． [ 2 ] F r i e d r i c hHE ，M o r d i k eBL ．M a g n e s i u mT e c h n o l o g y M e t a l l u r g y ，D e s 培nD a t a ，A p p l i c a t i o n s [ M ] ．B e r l i n S p r i n g e r - V e r l a g ，2 0 0 6 1 4 5 ． [ 3 ] 刘正，张奎，曾小琴．镁基轻质合金理论基础及其应用 [ M ] ．北京机械工业出版社，2 0 0 2 1 4 8 ． [ 4 ] E s k i nGI ．B r o a dp r o s p e c t sf o rc o m m e r c i a la p p l i c a t i o no f t h eu l t r a s o n i c c a v i t a t i o n m e l tt r e a t m e n to f1 i g h ta 1 1 0 y s [ J ] ．U l t r a s o n i c ss o n o c h e m i s t r y ，2 0 0 1 ，8 3 3 1 9 3 2 5 ． [ 5 ] A b r a m o vV0 ，S t r a u m a l aBB ．H y p e r e u t e c t i cA l S i b a s e da U o y sw i t hat h i x o t r o p i cm i c r o s t r u c t u r ep r o d u c e d b yu l t r a s o n i ct r e a t m e n t [ J ] ．M a t e r i a l s8 LD e s i g n ，1 9 9 7 ， 1 8 4 3 2 3 3 2 6 ． [ 6 ] 韩亚峰，李克，王俊，等．高能超声对A l 一5 T i 一1 B 中间合金 组织和细化行为的影响[ J ] ．航空材料学报，2 0 0 5 ，2 5 5 8 1 3 ． [ 7 ] 应崇福．超声学[ M ] ．北京科学出版社，1 9 9 0 5 0 9 ． [ 8 ] 陈振华．变形镁合金[ M ] ．北京化学工业出版社， 2 0 0 5 4 8 ． [ 9 ] 丁文江．镁合金科学与技术[ M ] ．北京科学出版社， 2 0 0 7 2 9 ． 万方数据