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摘要
1 实验▲
2 实验结果▲
3 分析与讨论▲
参考文献
图▲

中国有色金属学报 2003,(03),622-625 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2003.03.017

Al-Ti-C中间合金对Mg-Al合金的晶粒细化作用

柳延辉刘相法李廷斌边秀房张均艳

山东大学材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室,山东大学材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室,山东费县银光镁业有限公司,山东大学材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室,山东大学材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室济南250061 ,济南250061 ,费县273400 ,济南250061 ,济南250061

摘要：

制备了一种用于Mg Al合金晶粒细化的Al Ti C中间合金。发现该Al Ti C中间合金可以有效地细化镁合金的晶粒 ,细化后的AZ6 1合金的抗腐蚀性能大大提高。分析认为 ,Al Ti C中间合金中起晶粒细化作用的是Al4 C3和TiC的复合相。

关键词：

镁;Mg-Al合金;晶粒细化;Al-Ti-C中间合金;

中图分类号： TG146.2

作者简介：柳延辉(1978),男,硕士研究生.电话:05318395271;Email:yhliu@mail.sdu.edu.cn;

收稿日期：2002-07-20

基金：国家自然科学基金资助项目 (5 0 1710 37);

Grain refining effect of Al-Ti-C master alloy on Mg-Al alloys

Abstract：

A special Al-Ti-C master alloy was prepared to refine the grains of Mg-Al alloys. The results show that the Al-Ti-C master alloy has an effective grain refinement for Mg-Al alloy. The corrosion resistance of AZ61 increases greatly, after refined by Al-Ti-C master alloy. It is the duplex of Al 4C 3 and TiC that serves as the nuclei of α(Mg) during solidification.

Keyword：

Mg; Mg-Al alloy; grain refinement; Al-Ti-C master alloy;

Received： 2002-07-20

镁合金由于具有小的密度, 高的比强度、比刚度, 好的阻尼性能及好的机械加工性和尺寸稳定性, 加之其低的铸造成本, 使其得以广泛应用于汽车、航空航天和电子等领域 ^[1,2,3,4,5] 。镁合金的晶粒尺寸是影响其性能的重要因素, 细小的晶粒有助于提高镁合金的性能 ^[1,2,3,4] 。研究镁合金的晶粒细化工艺具有重要的实际意义, 然而迄今为止, 尚未开发出在工业生产中可以广泛应用的有效的镁合金晶粒细化剂。研究表明, Al₄C₃和镁具有相似的晶体结构 ^[6] , 可以作为镁的结晶核心。本文作者通过实验制备了一种含有Al₄C₃相、可用于Mg-Al合金晶粒细化的Al-Ti-C中间合金, 将其用于对AZ61镁合金的晶粒细化实验, 并对其进行了分析。

1 实验

实验以自制的Al-4%Ti-1.5%C中间合金(以下简称Al-Ti-C)作为晶粒细化剂, 以牌号为AZ61的Mg-Al-Zn合金(以下简称AZ61)作为晶粒细化的对象。

在钢坩埚内用电阻炉将50 kg的AZ61合金熔化并加热至715 ℃后, 加入0.5 kg的Al-Ti-C, 并进行适当搅拌以使Al-Ti-C在熔体中均匀分布, 保温25 min后浇注试样。为防止熔炼过程中镁被氧化, 以RJ-2熔剂覆盖保护。晶粒测试试样的铸型为直径50 mm, 深30 mm的圆形铜模。抗腐蚀试样的铸型为外接圆直径25 mm, 深250 mm的正六棱柱钢模。

沿晶粒测试试样半径及高度的中部切开, 在剖面上取样镶嵌, 抛光后用3%的柠檬酸(3 g柠檬酸, 97 mL水)腐蚀, 以高倍视频金相显微镜分析实验结果。抗腐蚀试样在CaSO₄-MgSO₄饱和溶液介质中测试其开路电位值及腐蚀速率, 测试时间为15 d。晶粒测试试样和抗腐蚀试样的制备以及抗腐蚀实验均在山东费县银光镁业有限公司的常规生产过程中进行。

Al-Ti-C 试样精抛后用0.5%的HF腐蚀, 制得SEM分析试样。 SEM分析仪器型号为JCXA-733。同时, 用X射线衍射仪分析Al-Ti-C的相组成, 衍射电压为40 kV, 衍射电流为100 mA。

2 实验结果

2.1 Al-Ti-C对AZ61的晶粒细化作用

AZ61合金中加入Al-Ti-C前后的晶粒变化如图1所示。可以看出, 加入Al-Ti-C后, AZ61合金的晶粒细化非常明显。未加Al-Ti-C的AZ61的晶粒为粗大的树枝晶, 平均尺寸约为1.5 mm; 加入Al-Ti-C以后, 晶粒变得细小, 晶粒平均尺寸约为300 μm。同时可见, 加入Al-Ti-C后, 一次枝晶间的角度并未改变, 相邻一次枝晶间夹角仍然为60°。

2.2晶粒细化后AZ61的抗腐蚀性能

加入Al-Ti-C前后, AZ61 的开路电位、质量损失及腐蚀速率见表1。晶粒细化后, AZ61合金在

a, b—Without addition of Al-Ti-C; c, d, e, f—With Al-Ti-C refined.

腐蚀液中的开路电位变化不大, 但质量损失和腐蚀速率大大减小。细化前, AZ61的平均质量损失和平均腐蚀速率分别为0.150 7 g和0.647 0 m²/h; 细化后, 其平均质量损失和平均腐蚀速率分别为0.049 1 g和0.208 2 m²/h, 使用寿命比未细化试样提高约2倍。可见, 经Al-Ti-C细化后的AZ61合金抗腐蚀性能大大提高。

3 分析与讨论

镁晶体为密排六方结构(HCP), 晶格常数 ^[7] 分别为: a=0.320 30×10^-9 m, c=0.520 02×10^-9 m。 Al₄C₃是高稳定性的高熔点化合物, 在镁熔液中以固相形式存在, 而且其晶体结构与镁的相似, 同样属于六方晶系, 晶格常数 ^[7] 分别为: a=0.333 10×10^-9 m, c=0.499 00×10^-9 m。两者晶格常数相近, 错配度约为4%。根据结晶共格理论 ^[8] , 错配度小于9%即可作为结晶晶核, 因此, Al₄C₃是镁的良好异质结晶晶核。

图2所示是实验所用Al-Ti-C中间合金的微观组织。图中白色颗粒是TiC, 低倍下(图2(a))有疏松型的团聚现象, 但在高倍下(图2(b))可以发现, TiC颗粒相互独立或者由几个TiC颗粒组成一个小团簇。 X射线衍射研究证明, 作为铝合金晶粒细化的Al-Ti-C中间合金中含有微量的Al₄C₃相, 而且一般在TiC颗粒表面以薄膜的形式存在 ^[9] , 因而在SEM下很难直接观察到TiC颗粒表面的Al₄C₃相。通过控制Al-Ti-C中间合金制备的工艺条件, 可以提高Al-Ti-C中Al₄C₃的比例。

Mg-Al合金中的铝本身对合金具有晶粒细化作用, 根据Lee ^[10] 的研究结果, 当铝含量达到5%时, 其晶粒细化作用基本达到极限, 细化效果不再随铝量的增加而提高, 因而可以判断, 实验中所采用的AZ61合金晶粒的细化不是由于加入Al-Ti-C后引起的铝含量的增加, 而是由于TiC和Al₄C₃的作用。作者认为, Al-Ti-C加入到镁合金熔体以后, TiC将逐渐分散开, 形成单独的TiC颗粒或者由数个颗粒组成的小团簇(具体过程见图3和4); 由于

晶体结构相似, 表面覆盖着Al₄C₃相的TiC颗粒可以直接作为镁非均质结晶的核心, 为镁的生长提供衬底。

图1实验结果还表明, 加入Al-Ti-C后只是减小了晶粒的尺寸, 并没有影响晶粒生长的方式。作者认为, 这是因为由Al-Ti-C引入的外来晶核, 仅为镁的生长提供了大量的衬底, 使得镁的晶粒尺寸大大减小, 但晶粒仍然按照原来的方式生长。

根据实验结果可以推断, 改善Al-Ti-C的制备工艺, 提高其中Al₄C₃的比例, 减小TiC颗粒的尺寸, 将会得到更好的细化效果。