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有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年1 期 2 7 急冷M 9 8 1 ．5 3Z n l 8 ．1 9 Y o ．2 8 合金薄带 的制备及凝固组织 刘静远，张振忠，沈晓冬 南京工业大学材料学院，南京2 1 0 0 0 9 摘要通过真空单辊甩带法成功制备了M 9 8 1 ．5 3 Z n l 81 9 Y o ．2 8 合金急冷快速凝固薄带，采用X R F 、X R D 、 S A D 、S E M 、显微硬度测量等分析方法系统研究了其凝固组织及显微硬度。研究结果表明急冷快速凝 固条件下，薄带的凝固组织为以h e p M g Z n ，Y 相 非晶相为基体，其中均匀弥散超细M 9 7 Z n ；相；薄 带的显微硬度值是其母合金的2 ．4 倍，且有良好的脆性；并对产生的原因进行了初步探讨。 关键词M g s l ．5 3 Z n l 8 ．1 9 Y o ．2 8 合金；快速凝固；凝固组织；显微硬度 中图分类号T G l l l ．2文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 7 0 1 0 0 2 7 0 4 P r e p a r a t i o na n dS o l i d i f i c a t i o nM i c r o s t r u c t u r eo fR a p i d l y S o l i d i f i e dM 9 8 1 ．5 3 Z n l 8 ．1 9 Y o ．2 8A l l o y L I UJ i n g y u a n ，Z H A N GZ h e n z h o n g ，S H E NX i a o d o n g C o l l e g eo fM a t e r i a lS c i e n c e ＆E n g i n e e r i n g ，N a n j i n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，N a n j i n g2 1 0 0 0 9 ，C h i n a A b s t r a c t B a s i n go ns u c c e s s f u lp r e p a r a t i o no fr a p i d l ys o l i d i f i e dM 9 8 1 ．5 3 Z n l 8 ．1 9 Y 0 ．2 8r i b b o nb ys i n g l er o l l e rm e l t s p i n n i n g ，i t ss o l i d i f i e ds t r u c t u r ea n dm i c r o h a r d n e s sh a db e e ns t u d i e ds y s t e m i c a l l yb yX R F ，X R D ，S A D ，S E M a n dm i c r o h a r d n e s sa n a l y s i s ．T h er e s u l t si n d i c a t et h a to nt h ec o n d i t i o no fr a p i ds o l i d i f i c a t i o n ，t h es o l i d i f i c a t i o n m i c r o s t r u c t u r eo ft h er i b b o nw a sa m o r p h o u sp h a s e h c p M g Z n ，Y p h a s e ，w h i c ha r ed i s p e r s e dw i t hu l t r a f i n e M 9 7 Z n 3p h a s e ，a n dt h em i c r o h a r d n e s sv a l u eo ft h em e l t s p i n n i n gr i b b o ni s2 ．4t i m e st h es i z eo fi t sm o t h e ra l l o y ， w h i c hi Si n c r e a s e dt r e m e n d o u s l y ．A n di ti Sb r i t t l e n e s s ．T h er e a s o n so ft h er e s u l t sm e n t i o n e da b o v eh a da l s ob e e n d i s c u s s e dp r i m a r i l y ． K e y w o r d s Ⅳ【9 8 1 ．5 3 Z n l 8 ．1 9 Y 0 ．2 8a l l o y ；R a p i ds o l i d i f i c a t i o n ；S o l i d i f i e ds t r u c t u r e ；M i c r o h a r d n e s s 镁合金具有资源丰富、密度低、高比强度和比刚 度、减振性、导热性、可切削加工和可回收，强电磁屏 蔽和抗辐射能力等诸多优点L lJ ，在兵工、航空航天、 交通、日用器材等领域具有极为重要的应用价值和 广泛的应用前景。高性能镁合金及其复合材料的研 制是近年国内外研究的热点之一，被誉为2 1 世纪的 绿色工程材料口。3J 。 急冷快速凝固工艺具有冷速高、细化合金显微 组织、提高合金元素固溶度以及形成亚稳相或引入 新相等特点，是开发高性能镁合金的一个重要方 向J 。然而，迄今有关快速凝固M g Z n Y 合金的报 道多为喷雾快速凝固／粉末冶金制备方法[ 5 ] ，而单 辊急冷甩带法具有更高的冷却速度，对非晶相、亚稳 相的形成更加有利，理论上所制备的镁合金有更高 的力学性能M - 7 j 。A l l i e dS i g n a l 以平面流铸／粉末冶 金法制备了M g A 1 一Z n 基合金E A 5 5 R S E8 | 。但是有 关急冷甩带M g Z n Y 合金的报道极少，本文通过真 空单辊甩带法制备M g Z n Y 亚稳相增强材料，希望 基金项目国防重点基金项目；南京工业大学引进人才科研启动基金项目 5 1 3 0 3 0 2 1 作者简介刘静远 1 9 8 0 一 ，男，硕士研究生 万方数据 2 8 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年1 期 通过增加Z n 的比例获得较脆的薄带，以期有利于 后期的粉磨压块，并系统研究其凝固组织特征和性 能，该研究对M g Z n Y 合金的开发和基础理论研究 具有重要意义。 1试验 试验以纯度大于9 9 ．9 ％的镁锭、锌块和纯度大 于9 9 ．5 ％的M g 一3 8 ．6 8 ％Y 质量分数 中间合金 为原料。首先对镁锭及锌块表面进行机械打磨，车 去其表面氧化皮，再用石油醚清洗各原料并低温吹 干，按M 9 7 4 Z n 2 5 Y l 原子百分数 进行配料，盛装于 真空感应加热炉中的陶瓷坩埚，抽真空至3P a 以下 后，充入保护性气氛A r 3 ％S F 6 至0 ．0 8 5M P a ，低 功率2 ．5k w 加热至熔化并保温2 0r a i n ，自然冷却， 熔制出成分均匀的母合金样品。将母合金切割至小 块并置于石英坩埚中，进行单辊甩带，其工艺参数 为加料量5g 、感应加热功率5k w 、喷嘴与辊间距 0 ．8m m 、喷射压力0 ．0 8M P a 、辊轮线速度2 0 ．7m ／s 及喷嘴狭缝尺寸lm m 8m m 6m m 。对镁合金 薄带金相试样采用的腐蚀剂为1 ％硝酸酒精。单辊 甩带试验装置见图1 。 图1单辊法制备薄带简图 F i g ．1 T h es k e t c hm a po ft e s t 采用A R LA d v a n t ’X P 型X 射线荧光光谱仪对 样品进行成分分析，用A R LX ’T R A 型X 射线衍射 仪进行相组成分析，用J E M 一2 0 1 0 U H R 型高分辨 透射电镜进行区域电子衍射分析，用] S M ～5 9 0 0 型 扫描电镜进行微观形貌分析，用6 3 1 型显微硬度计 进行显微硬度测试。 2 试验结果及分析 2 ．1 母合金X R F 测试结果及分析 通过X R F 分析的合金成分结果为 原子百分 数 M g s l ．5 3 Z n l 8 ．1 9 Y o ．2 8 ，通过计算3 种原料收得率 分别是 ％ M g8 9 ．6 、Z n5 5 ．6 、M g Y2 1 ．7 。可 见，虽然在熔炼过程中采用了A r 3 ％S F 6 气氛保 护，较好的阻止了镁的氧化和燃烧，但仍有一定的元 素蒸发损失，并且镁钇合金与纯锌的烧损大于纯镁， 这主要是由于镁钇合金 6 4 0 ℃ 与锌 4 1 2 ℃ 的熔点 低于纯镁 6 5 0 1 ℃ ，同时不同原材料的蒸汽压 和密度具有较大差别而引起。 2 ．2 所制备薄带的宏观形貌及力学性能 图2 为本试验所制备的宽约1 5m m 、厚约1 0 0 扯m 的M 9 8 1 _ 5 3 Z n l 8 ．1 9 Y o ．2 8 镁合金薄带，对薄带进行 轻微的弯折即可断裂，这说明此成分的镁合金薄带 均具有较高的脆性，经与其他成分薄带对比发现，锌 含量的增加极大提高了薄带的脆性，有利于后期的 粉磨工序。 M 9 8 1 ．5 3 Z n l 8 ．1 9 Y o ．2 8 合金薄带及其母合金的维氏 显微硬度值分别为3 0 1 ．9 3 和1 2 7 ．4 6 。可见，通过 急冷快速凝固，其硬度大幅提高至2 ．4 倍，这得益于 急冷快速凝固特有的凝固组织特征。 2 ．3X R D 、S A D 测试结果及分析 图3 为M 9 8 1 ．5 3 Z n l 8 ．1 9 Y o ．2 8 急冷快速凝固薄带 及其母合金的X R D 测试结果，对比发现，母合金的 相组成主要是h c p M g Z n ，Y 相 M 9 7 Z n 3 相，而 单辊薄带试样组织的M g ，Z n 3 相衍射峰强度增加， 同时出现了非晶衍射峰。通过对此薄带研磨制标准 样，作S A D 测试 如图4 ，电子衍射花样中显示明 显的晕环，进一步证明薄带中确有非晶相。由此可 见，M g s l t 5 3 Z n l 8 ．1 9 Y o ．2 8 急冷快速凝固薄带盼相组成 是h o p M g Z n ，Y 相 M 9 7 Z n 3 相 非晶相 6 。 0 1 l 。 。该结果表明 1 该镁合金在本试验 冷却速度条件下有部分合金达到其临界玻璃化冷却 速度，从而导致部分非晶相的形成； 2 单辊薄带试 样的X R D 衍射峰的宽化表明相组成中可能有超细 相。 2 ．4S E M 测试结果及分析 图5 是单辊薄带原样 图5 a 和经1 ％硝酸酒精 腐蚀4 0S 后 图5 b 、c ，进行S E M 分析得到的凝固 组织图。由图5 a 可见，该成分的镁合金快速凝固薄 带具有较光洁的表面，含有部分均匀分布的亚微米 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年1 期 2 9 图2 快速凝固镁合金薄带 F 碴．2 R SM 醣．5 3 2 砘8 ．1 9 V o ．2 8a l l o ym e l ts p i l Ⅱl i 呜r i b b o n s I 【JZ I J3 U4 { J 5 0 从I7 l l撑J 2 , 0 ／ 。 图3M 9 8 1 ．5 3 Z n l 8 ．1 9 Y o ．2 8R S 薄 带及其母合金的X R D 测试结果 n g ．3 a mp a t t e r n so f №1 ．5 3 z 啦8 ．1 9 Y o ．2 8m o t h e r a l l o y a a n dm e l ts p i n n i n gr i b b o n b 图4M 9 8 1 ．5 3 Z n l 8 ．1 9 Y 0 ．2 8R S 薄带 的S A D 分析结果 F i g ．4 S A Dp a t t e r n so fM 幽1 ．s a Z n l 8 ．1 9 Y 0 ．2 8 m e l ts p i n n i n g 级颗粒。由图5 b 、5 c 可见，薄带表面有部分相被腐 蚀而出现凹坑甚至长条沟，从腐蚀形貌上可推断各 相组成的分布较为均匀。M 9 8 1 ．5 3 Z n l 8 ．1 9 Y o ．2 8 急冷薄 带凝固组织为h c p M g z n ，Y 相 箭头A 非晶 相 箭头B 超细M 9 7 Z n 3 相 箭头C ，E D S 分析表 明非晶相部分的成分基本等同于母合金，这是由于 在足够高的冷却速度下，液态金属的驰豫时间迅速 增大，在凝固前不能达到平衡态，从热力学上来说是 非平衡的亚稳态，它的成分及结构保持了液态下的 特征。非晶相均匀分布在h c p M g Z n ，Y 相中，两 者构成该薄带的基体，而超细甚至纳米级M 9 7 Z n 。 相弥散于基体中，起到增强力学性能的作用。非晶 相的出现及M 9 7 Z n ，相的超细化是造成此薄带硬度 极大提高的主要原因。同时该相组成分析结果与 X R D 分析结果相一致。 图5M 9 8 1 ．5 3 Z n l 8 ．1 9 Y 0 ．2 8R S 薄带及其腐蚀试样的凝固组织 F i g ．5 S o l i d i f i c a t i o nm i c r o s t r u c t u r e so fM g s l ．s a Z n l 8 ．1 9 Y o ．2 8m e l ts p i n n i n gr i b b o n s a a s c a s t ；b ，C c o r r o d e d 槲 瓤 积 跚 喊 嬲 惯 Ⅻ 吖 。 万方数据 3 0 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年1 期 3结论 1 在真空感应熔炼、0 ．0 8 5M P a 的A r 3 ％S F 6 气氛保护下制备了M g Z n Y 母合金，各原料均 存在较大烧损，其中M g Y 合金和z n 的损失大于 M g ； 2 通过真空单辊甩带法成功制备出成分 原子 百分数 为M 9 8 1 ．5 3 Z n l 8 ．1 9 Y o ．2 8 的薄带，其凝固组织 为以h c p M g Z n ，Y 相 非晶相为基体，其中均匀 分布弥散超细M 9 7 Z n ，相； 3 M 9 8 1 ．5 3 Z n l 8 ．1 9 Y o ．2 8 急冷快速凝固薄带的维氏 显微硬度值是母合金的2 ．4 倍，且有良好的脆性，此 特性有利于后续的粉磨压块等工作。 参考文献 [ 1 ] 曾大本，李培杰．当前镁材料研究几个热点问题[ A ] ／／ 全国镁行业年会论文集[ C ] ．2 0 0 1 2 8 3 0 ． [ 2 ] 史文方，周昆．我国镁合金的开发应用现状及展望[ J ] ． 汽车工艺与材料，2 0 0 4 6 3 2 3 7 ． [ 3 ] 刘正，张奎，曾小勤．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 ． [ 4 ] N u S S b a u mG ，R e g a z z o n iG ，G j e s t l a n dH ．S t r e n g t h e n i n g m e c h a n i s m si nt h er a p i d l ys o l i d i f i e dA Z9 1m a g n e s i u m a l l o y [ J ] ．S c r i p t aM e t a l l u r g i c a ，1 9 8 9 7 1 0 7 9 1 0 8 4 ． [ 5 ] A b eE ，K a w a m u r aY ，I n o u eA ．L o n g ～p e r i o do r d e r e d s t r u c t u r ei nah i g hs t r e n g t hn a n o c r y s t a l l i n eM g - la t ％Z n 一 2 a t ％Ya l l o ys t u d i e db ya t o m i c r e s o l u t i o nZ c o n t r a s tS T E M [ J j ．A c t aM a t e r ，2 0 0 2 ，5 0 1 5 3 8 4 5 3 8 5 7 ． [ 6 ] 张振忠，宋广生，杨根仓，等．块状金属纳米材料的制备 技术进展及展望[ J ] ．兵器材料科学与工程，1 9 9 9 3 4 6 5 1 ． [ 7 ] 郭学锋，魏建锋，张忠明．镁合金与超高强度镁合金[ J ] ． 铸造技术，2 0 0 2 3 1 3 3 1 3 6 ． [ 8 ] 陈振华，严红革，陈吉华，等．镁合金[ M ] ．北京化学工 业出版社，2 0 0 4 1 7 4 1 7 5 ． 上接1 6 页 A u C l 。- 1 为平面正方形结正方形结构，其振动是拉曼 活性的，文献[ 7 ] 报道A u C l 。- 1 的振动频率为3 4 7 和 3 2 4c r f l _ 。，与所测谱图峰位置接近。A u 其它形式的 配阴离子如A u C l 2 _ 1 也是拉曼活性的，振动频率为 3 2 9C l T I - 1 ，与测定值不吻合，因此，可以认为树脂吸 附的不是A u C l 2 - 。，而是A u 。 3结论 在盐酸介质中，N 2 3 5 萃淋树脂对A u 吸附性能 很好，A u 交换容量高，树脂吸附选择性好，可从大量 贱金属中吸附富集A u 。吸附焓变化为1 7 ．5 6k J ／ m o l K 。用红外与拉曼光谱研究微观吸附机理确 定树脂吸附A u 的形态为A u C l 。～，且吸附过程为离 子交换过程。 参考文献 [ 1 ] 马建标，何炳林．离子交换树脂在湿法冶金中的应用 [ J ] ．离子交换与吸附，1 9 9 3 ，9 3 2 5 0 2 6 0 ． [ 2 ] 刘建，闫英桃．C L T B P 萃淋树脂吸附分离镓研究[ J ] ． 化学通报，2 0 0 1 ， 2 1 1 9 1 2 1 ． [ 3 ] 李华昌，周春山，符斌．萃淋树脂技术及其在铂族金属分 离中的应用[ 2 J ] ．贵金属，2 0 0 1 ，2 2 4 4 9 ． [ 4 ] 刘兴芝，龙海燕．P 5 3 8 萃取镓、铟、铊的性能研究[ J ] ．有 色金属 冶炼部分 ，1 9 9 2 2 2 8 3 0 ． [ 5 ] 刘军深，周保学．C L P 2 0 4 萃淋树脂分离铟 I n 、镓 G a 、锌 z n [ J ] ．应用化学，1 9 9 9 ，1 6 3 7 6 ． [ 6 ] 周令治．稀散金属冶金[ M ] ．北京冶金工业出版社， 1 9 8 8 1 7 7 2 2 7 ． [ 7 ] 中本一雄．无机和配位化合物的红外和拉曼光谱[ M ] ． 黄德如，汪仁庆，译．北京化学工业出版社，1 9 9 1 1 6 0 ． 万方数据
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