等温处理对AZ91 镁合金金的影响

摘 要：对AZ91镁合金进行等温处理，获得相同等温温度和不同保温时间下镁合金半固态组织金相图，实验发现，随保温时间的变化对镁合金半固态球形颗粒的形成具有较大影响。

关键词：半固态、等温处理、保温时间

引言：

随着经济社会发展，人们对低能耗的要求越来越高。镁合金质轻、比强度高。是产品轻量化的首选材料。半固态成型作为镁合金的一种先进、高效的成型方式引起人们的极大兴趣。半固态坯料制备是半固态成型的关键环节，本文利用等温热处理法制备AZ91镁合金半固态坯料，并分析保温时间对镁合金球形组织形成的影响。

1 合金制备

1.1 试验器材

在合金制备过程中，需要用到了以下器材：

原材料熔炼设备：井式熔炼炉SG2-5-12、箱式炉SX2--4-10、机械搅拌器、铜制模具

1.2 原材料的选用

论文试验材料用的是AZ91镁合金。为了将合金的初始晶粒度降低，在熔炼过程中，添加1.0%的稀土元素Ce。AZ91镁合金中各成分见表1所示。

表1 AZ91D 镁合金化学成分（质量分数）

1.3 合金熔炼与浇铸

将刚玉坩埚放进炉膛中随炉升温至750℃，放入事先切割好的块状镁合金，撒少许覆盖剂，通入氩气保护，防止氧化燃烧，关闭炉门。待镁合金熔化后，将事先配重好的稀土Ce用铝箔包裹，利用铁钳将铝箔送入熔融金属液中，插入机械搅拌器搅拌2分钟，撒覆盖剂，关闭炉门，静置2分钟。关闭电源，待温度降至700℃后，开炉门，用铁钳夹取坩埚出炉，浇铸金属液至铜模中。

1.4 半固态式样制备

半固态试样制备有以下几个步骤。

（1）试样切割：待式样冷却后，取出，切割成小20的小试样若干以备等温处理。

（2）试样等温处理：将切割好的小试样放入一端已焊接封闭好的直径为O40的铁管中，先加入黄泥覆盖，再加入覆盖剂覆盖。将铁管放入调好温度的箱式炉内，当到达预定的时间和温度后，投入水中进行快速冷却。

（3）磨试样金相：先将试样进行粗磨，除去表面的杂质。然后用不同规格的砂纸进行细磨，随后利用抛光机进行抛光，腐蚀，用水冲洗，吹干。最后在显微镜下观察其组织。

2.实验结果与分析

对等温处理的半固态组织用显微镜观察，主要对金相组织中的固相率、液相率、固相颗粒的圆整度、固相颗粒尺寸及个数等参数进行分析[1]，选用放大倍数200x。将拍好的金相图进行对比分析，比对同一等温温度不同保温时间下的组织形貌，从而分析保温时间对半固态组织形成的影响

2.1等温处理镁合金的微观组织

图1（附后） 是AZ91镁合金在等温参数为575℃、90min 、200 倍数下的显微微观组织金相图。合金组织由固液两相组成。固相：由固相初生Z-Mg 颗粒、沉淀析出的二次Z相构成；液相：由晶粒包裹的液池、晶粒之间的液相、还有两晶粒之间的液态晶界薄膜构成。

2.2保温时间对组织变化的影响

图2是AZ91镁合金在等温温度为575℃下不同时间的微观组织，由图上可知，整体上，随着等温时间的延长，固相颗粒球化长大，液相也增多。等温时间5min时，图2（a）所示，浇铸出的原始枝晶变为比较粗大的颗粒，此时颗粒大小不均匀，在晶粒间只有少量的液相；随着保温时间达到15min左右，粗大晶粒开始熔化分离，颗粒大小、形状变得均匀、圆整，如（b）所示；随着保温时间进一步延长，当保温时间达到30min，如（c）所示，液相变得更多。晶粒和液相的比率适中，颗粒球状圆整，尺寸大小均匀；

2.3保温时间对组织变化结果分析

（1）前30min内，合金微观组织主要由Z相和沿晶界非连续网状分布的[-Al12Mg17相组成，而且由于非平衡凝固而形成的离异共晶中的[-Al12Mg17相显微组织非常细密。在初始等温阶段，熔化机制对组织中的颗粒发挥了作用，熔化机制导致固相颗粒尺寸逐渐变小，

（2）30min～45min 内：随等温时间继续延长固相颗粒开始粗化长大。Ostwald熟化机制、颗粒团聚合并粗化机制共同作用使固相颗粒不断长大，同时从30min～45min时可以观察到固相颗粒随保温时间延长越发圆整。

（3）45min～90min 内：Ostwald 熟化机制[3]、颗粒团聚合并粗化机制共同作用使固相颗粒变得更加粗大，整体颗粒不怎么圆整，此时，合金的固相率基本保持不变，在二元相图中，当合金成分与温度一定时，在平衡状态下，组织中固液两相的比率是一个固定值。因此，在等温的初始阶段，合金液相增加，固相率下降，当等温时间足够长，合金固液两相达到平衡，固相率保持不变，趋于一常数[4]。由上述可知：随着保温时间的延长，组织将发生如下转变：枝晶组织大块状碎块颗粒球化长大。

3 结论

通过半固态等温热处理后金相分析， 575℃下保温30minAZ91镁合金球形颗粒圆整，大小均匀，固液相比率适中，对半固态成形加工效果最好。

参考文献：

[1] 李元东， 陈体军， 马颖等触变成型AZ91D镁合金的组织与二次凝固行为[J].中国有色金属学报，2008， 18（1）： 18-23..

[2] 倪红军，王渠东等镁合金半固态铸造成形技术（SSP）的研究与应用[J]. 铸造技术， 2000，，21（5）： 36-39.

[3] 谢水生， 黄声宏. 半固态金属加工技术及其应用. 北京： 冶金工业 出版社， 1999.

[4] 安林， 康永林等. 低熔点合金半固态流变成形工艺开发应用研究[J].特种铸造及有色合金， 2003（增刊）：301-303.

作者简介：谢斌（1985-），男，江西南昌人，江西科技学院，硕士，助教。研究方向：材料加工工程。

附：图1 AZ91 镁合金在575℃、90min 的200x 微观组织