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稀有金属 2017,41(08),857-863 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy16031501

Pb及时效处理对压铸AZ81镁合金组织和中温力学性能的影响

马小黎 游国强 张恒 明玥 童帮华

重庆大学材料科学与工程学院

国家镁合金材料工程技术研究中心

南充兆庆机械制造有限公司

摘 要：

分别向AZ81镁合金熔液中加入0.5%, 1.0%, 1.5% (质量分数) 的Pb, 压铸成型并进行时效热处理, 然后对其微观组织和180℃拉伸性能进行了研究。结果显示:Pb对压铸态AZ81的微观组织有一定的晶粒细化作用, 且随着Pb加入量的增加, 晶粒细化作用有一定的增加趋势;Pb主要以固溶形式存在于压铸态AZ81镁合金的α-Mg基体和β-Mg17Al12相中;时效后, Pb在压铸AZ81镁合金中依然主要以固溶形式存在, 在α-Mg晶内和晶界上均有Mg17Al12相析出, Pb可在一定程度上抑制晶界上的不连续析出并促进晶内连续析出;180℃拉伸结果显示, 随着Pb加入量的增多, 各成分未时效试样的抗拉强度变化幅度不大, 含Pb时效态试样中温抗拉强度随Pb含量增加呈上升趋势, 最高平均强度为181 MPa, 含Pb试样时效态抗拉强度比同成分未时效态均有所提高;各试样时效态屈服强度均比未时效态高;Pb元素和时效热处理均使压铸AZ81镁合金延伸率下降;时效使AZ81镁合金倾向于脆性断裂, 塑性下降。

关键词：

镁合金;压铸;铅;时效;微观组织;中温力学性能;

中图分类号： TG146.22;TG166.4;TG249.2

作者简介：马小黎 (1989-) , 女, 四川万源人, 硕士研究生, 研究方向:镁合金合成与制备及组织性能;E-mail:maxiaolilut@163.com;;游国强, 副教授;电话:023-65112626;E-mail:ygq@cqu.edu.cn;

收稿日期：2016-03-17

基金：四川省科技计划项目 (2013GZ0128) 资助;

Microstructure and Mid-Temperature Mechanical Properties of Die Casting AZ81 Magnesium Alloy with Pb Addition and Aging Treatment

Ma Xiaoli You Guoqiang Zhang Heng Ming Yue Tong Banghua

College of Materials Science and Engineering, Chongqing University

National Engineering Research Center for Magnesium Alloy Materials

Nanchong Zhaoqing Machinery Manufacturing Co., Ltd.

Abstract：

AZ81 magnesium alloy melt was added with 0. 5%, 1. 0% and 1. 5% Pb followed by die casting and aging treatment. The microstructure and mechanical property at 180 ℃ of die casting and aging specimens were investigated, leading to the following results:the addition of Pb refined the grains of die casting AZ81, and such grain refinement effect increased with the increase of Pb. Pb mainly? dissolved in α-Mg and β-Mg17Al12 phase of die casting AZ81 magnesium alloy before and after aging. After aging, precipitation of Mg17Al12 was found both in α-Mg and at grain boundary. Furthermore, Pb promoted the continuous precipitation in α-Mg and suppressed the discontinuous precipitation at grain boundary. The tensile strength of die casting specimens at 180 ℃ exhibited no obvious change as the content of Pb increased. However, the tensile strength values and yield strength values of aging specimens at 180 ℃ were higher than those of non-aging ones which had the same content of Pb. Moreover, the tensile strength values of aging specimens at 180℃ increased with the increase of Pb, and the highest average value was 181 MPa. Pb and ageing treatment could make the elongation of die casting AZ81 decrease. Aging treatment made the die casting AZ81 tend to be brittle fracture along with ductility decreasing.

Keyword：

Mg alloy; die casting; lead; aging treatment; microstructure; mid-temperature mechanical properties;

Received： 2016-03-17

镁合金是目前最轻的商用金属结构材料, 具有阻尼减振性能好、导热导电性优良、铸造及机加工性好等特点, 在地面交通工具、航空航天等领域具有良好的应用前景^[1,2,3]。压铸是当前镁合金最主要的成型方法, 大约90%以上的镁合金件为压铸件。工程界使用最多的Mg-Al系 (AZ和AM系列) 铸造镁合金在压铸态时力学性能相对偏低, 尤其在高于100℃的中高温环境下第二相Mg₁₇Al₁₂易软化使力学性能迅速衰减、难以胜任。

为了提高压铸Mg-Al系镁合金中温性能, 学术界开展了大量的研究工作。目前, 研究较为集中的是向Mg-Al系合金中加入Si, Ca, RE, Sr等合金元素进行强化: (1) 与Al形成高熔点化合物, 并同时达到减少低熔点Mg₁₇Al₁₂相的目的 (RE, Ca, Sr等) ^[2,3]; (2) 与Mg形成高熔点化合物 (RE, Si等) ^[4,5]; (3) 形成Mg-Ca或者Al-Ca强化相^[6]。但上述方法也存在一些不足之处, 如:加Si易形成粗大汉字状第二相、加Ca易形成脆化相、RE价格相对较贵、加Sr会影响合金液充型性能等^[7,8,9]。

国内外对向镁合金中加入Pb元素的影响也有一些研究, 研究证明向Mg-Al系和Mg-Sn系合金中加入少量Pb可提高合金的延展性^[10,11], 而且可以改善镁合金的微观组织, 同时提高镁合金的机械性能^[12]。Liu和Gao^[13]和Hou等^[14]研究了向AZ61镁合金中加入Pb及Pb+Sn, 结果显示Pb和Pb+Sn均提高了镁合金的延展性。Kashyap等报道向铸态镁合金Mg-7Al中加入Pb可以抑制不连续相的析出^[15]。Wei等^[16]研究了向Mg-4Zn加入1%Pb对时效行为的影响, 结果显示Pb减慢了时效行为。相比之下, Pb既具有减少时效过程中不连续相析出的作用, 又在一定范围内不会形成影响镁合金性能的第二相及价格较低。

此外, 研究表明, 通过固溶+时效处理获得析出强化能够提高重力铸造镁合金的中温性能^[17,18]。对于压铸态镁合金而言, 由于压铸过程中存在卷气行为, 内部含气量高, 不适合在高达400℃左右的温度下进行固溶处理, 因为这会导致压铸件近表面的气体受热膨胀使压铸件表面出现“鼓泡”缺陷。但考虑到压铸过程中合金凝固速度快, 当合金成分合适时, 其α-Mg中所固溶的某些合金元素处于过饱和状态, 这为直接进行时效处理获得一定的析出强化效果提供了可能性。此外, 据已有文献报道: (1) 镁合金时效处理阶段先析出不连续沉淀 (Mg₁₇Al₁₂) , 再析出连续沉淀^[19,20,21], 前者有害于时效强化并对中高温性能有负面影响^[22], 后者有利于时效强化; (2) Pb可抑制铸造镁合金时效过程中不连续沉淀的产生^[15,22,23]。

因此, 本研究选择AZ81镁合金为对象, 加入不同含量的Pb并进行直接时效热处理 (T5处理) , 旨在研究Pb及时效处理对压铸AZ81镁合金微观组织和中温性能的影响。

1 实验

设计的实验材料AZ81+x%Pb合金Pb含量 (%, 质量分数) 分别为x=0.5, x=1.0, x=1.5的AZ81合金。实验时, 将AZ81镁合金在气体保护下熔化, 然后在720℃分别加入不同质量的Pb。充分搅拌并保温0.5 h左右后, 在700℃浇注并压铸成型 (采用力劲DCC630型卧式冷室压铸机) , 压铸试样如图1所示。每一成分合金压铸多个试样, 并取一半进行200℃, 8 h的时效处理。

本文所涉及的检测的试样均是从图1中A部分取样, 并分别加工成特定尺寸, 用XRF (X射线荧光光谱) 检测试样的化学成分, 用OM (光学显微镜) 、用SEM (扫描电镜) 、EDS (能谱仪) 和XRD (X射线衍射分析仪) 观察、分析试样微观组织, 用万能试验机在180℃检测试样的力学性能, 其中力学性能试样取自图1中A部分采用线切割加工成如图2所示尺寸, 并用SEM观察其断口形貌。

图1 压铸试样三维图及部分尺寸Fig.1 3D figure of die-casting specimen and size of one part (mm)

图2 180℃拉伸试样尺寸Fig.2 Size of tensile specimens at high temperature (mm)

2 结果与讨论

2.1 合金的化学成分

使用XRF测得合金的化学成分, 结果如表1所示。

结果显示, Al和Zn的含量有一些波动, 加入的Pb有一定熔损, 实际收得率比设计值稍低, 但各元素的含量波动均在可接受范围。

2.2 微观组织

图3是各成分压铸试样时效前后的低倍光学显微镜照片, 图4和5分别为试样时效前后的XRD结果。由图3~5可知: (1) 试样主要由α-Mg (浅色相) 和Mg₁₇Al₁₂ (深色相) 组成, 无含Pb的新相形成。 (2) 随着Pb的含量增加, 压铸态AZ81+x%Pb中α-Mg的形貌由粗大枝晶逐渐向小尺寸的近等轴晶转变, 晶粒尺寸有一定程度减小, 即Pb的加入对压铸态AZ81+x%Pb具有一定程度的晶粒细化作用。由溶质晶粒细化效应:镁中溶质元素的Q值 (生长限制因子) 越大, 在结晶前沿形成成分过冷趋势越高, 越有可能产生晶粒细化^[24];Ali等^[25]计算表明, Pb的Q值为1.002 (Sn为1.446, Mn为0.038) , 理论上具有溶质晶粒细化效应。由此可以解释Pb对压铸AZ81+x%Pb组织的晶粒细化, 即Pb作为镁中的溶质元素, 在结晶前沿可形成一定程度的成分过冷, 通过“溶质晶粒细化”效应限制了晶粒的长大, 从而使合金晶粒细化。 (3) 时效处理后, AZ81+x%Pb组织晶粒明显长大, 时效热处理有一定的使AZ81+x%Pb组织晶粒长大的作用。

表1 合金的化学成分Table 1 Chemical compositions of alloys (%, mass fraction)   下载原图

表1 合金的化学成分Table 1 Chemical compositions of alloys (%, mass fraction)

图3 压铸AZ81+x%Pb镁合金的金相图Fig.3 Optical microstructure of die-cast AZ81-x%Pb alloys

(a) AZ81; (b) AZ81+0.5%Pb; (c) AZ81+1.0%Pb; (d) AZ81+1.5%Pb; (e) Aging AZ81; (f) Aging AZ81+0.5%Pb; (g) Aging AZ81+1.0%Pb; (h) Aging AZ81+1.5%Pb

图4 AZ81+x%Pb镁合金的XRD结果Fig.4 XRD patterns of die-cast AZ81+x%Pb alloys

图5 时效处理后压铸AZ81+x%Pb镁合金的XRD图Fig.5 XRD patterns of aging die-cast AZ81+x%Pb alloys

图6为各成分试样时效前后 相的变化情况。由图可以看出, 压铸态试样中Mg₁₇Al₁₂相主要以近连续形态分布于晶界;时效后, 在晶界上有明显的颗粒状或层片状析出相出现, 大多围绕在原Mg₁₇Al₁₂相周边。结合XRD结果 (图5) 和EDS结果 (图7) , 这些析出相为Mg₁₇Al₁₂;根据Srinivasan等^[22]的研究报道, Pb元素有抑制这种不连续析出的作用;从图6结果来看, Pb含量0.5%~1.5%的合金晶界上的不连续析出的确有所减少, 且随着Pb含量的增加, 不连续析出相数量和尺寸均越少。

总之, 对压铸态AZ81+x%Pb (x=0.5, 1.0, 1.5) 进行时效处理, 晶界和晶内均有Mg₁₇Al₁₂相析出, 与Srinivasan等^[22,23]对含Pb重力铸造态AZ91+x%Pb实施固溶+时效后的析出行为类似。根据Mg-Al二元相图, 高温下Al在Mg中溶解度较高 (437℃时为12.7%) , 如果缓冷至室温 (平衡凝固) , 固溶于镁中的Al含量小于2%;但压铸成型具有高速充型、高压快速凝固的特征, 为典型的非平衡凝固, 在此过程中, Al元素来不及从镁基体中析出, 呈过饱和状态存在于α-Mg中, 为后续的时效、析出提供了条件。这一结果也为压铸镁合金通过时效进行一定程度的组织调控提供了依据。

综上所述: (1) Pb主要以固溶形式存在于压铸态和压铸+时效态的AZ81+x%Pb中; (2) Pb对压铸AZ81+x%Pb具有一定程度的晶粒细化作用, 且Pb含量增加, 晶粒细化作用有所增加; (3) 时效处理对压铸AZ81+x%Pb合金的微观组织的影响是促使在晶界和晶内析出Mg₁₇Al₁₂相、0.5%~1.5%的Pb对晶界上的不连续析出有抑制作用, 且随着Pb含量的增加抑制作用增加。

2.3 力学性能

图8为压铸AZ81+x%Pb合金时效前后 (180±2) ℃力学性能结果。由图8 (a) 抗拉强度结果可知: (1) 未进行时效热处理时, 随着Pb含量的增加, 合金的180℃抗拉强度先略有减小, 后稍有增大, 表明加入Pb对合金中温抗拉强度的影响不太大。结合前文的微观组织结果分析可知, Pb主要以固溶形式存在于压铸AZ81合金中, 且在α-Mg和Mg₁₇Al₁₂相中均有固溶, 有增强其稳定性的作用;同时, Pb有一定的晶粒细化作用, 但即使二者综合作用, 对压铸AZ81合金的中温性能抗拉强度的影响也不大。 (2) 时效后, 压铸AZ81合金的180℃抗拉强度较时效前有一定降低, 这是由于时效使晶粒有一定程度长大所导致;随着Pb含量增加, 合金的中温抗拉强度逐渐增大, 当Pb含量为1.5%时合金的中温抗拉强度达到最大值, 结合前文微观组织的研究结果进行分析得: (1) 随着Pb含量的增加, 晶粒细化越明显, 晶粒细化可提高镁合金的力学性能; (2) 晶内析出连续相Mg₁₇Al₁₂, 这是对镁合金的力学性能有利的, 且由实验结果可以推测Pb含量的增加有促进这种连续析出的作用, 但此结论还有待于进一步更深入的研究; (3) 时效后, AZ81晶界上析出了颗粒状或片层状的Mg₁₇Al₁₂相, 根据已有研究^[22], 这些是不连续析出, 对镁合金的力学性能不利, 但是加入Pb元素后对不连续析出有抑制作用, Pb含量越高, 抑制作用越强, 从另一方面可以提高镁合金的力学性能。

图6 压铸AZ81+x%Pb时效前后β-Mg17Al12相的变化Fig.6 SEM images ofβ-Mg17Al12in die-cast AZ81-x%Pb alloy before and after aging treatment

(a) AZ81-DC; (b) AZ81+0.5%Pb-DC; (c) AZ81+1.0%Pb-DC; (d) AZ81+1.5%Pb-DC; (e) AZ81-DC+aging; (f) AZ81+0.5%Pb-DC+aging; (g) AZ81+1.0%Pb-DC+aging; (h) AZ81+1.5%Pb-DC+aging

图7 压铸AZ81时效后SEM及其EDS图Fig.7 SEM image (a) and EDS spectrum (b) of die casting AZ81 alloy after aging treatment

总之, 在上述3个方面综合作用下, 时效对于不含Pb的压铸AZ81镁合金180℃力学性能有不利影响, 对于含Pb的压铸AZ81而言是有利的, 而且随着Pb含量增加, 这种有利影响有增加的趋势, 因此压铸AZ81+x%Pb合金在时效前后呈现出如图8 (a) 所示的变化趋势。

由图8 (b) 屈服强度结果可知:时效前, 180℃屈服强度随着Pb含量的增加呈先降低后升高再微小降低的趋势, 但总体呈下降趋势;时效后, 屈服强度呈先升高后微小降低的趋势, 在Pb含量为1%时达到最大值。屈服强度的变化趋势与抗拉强度稍微有所不同, 但明显的是, 时效后的屈服强度比时效前高, 这是因为时效促进了镁合金晶内连续析出, 连续析出相呈均匀分布于晶内, 有利于提高镁合金的中温力学性能。

由图8 (c) 延伸率结果可知, 未时效时, 延伸率值随着Pb的加入有明显降低, 延伸率最低值出现在Pb含量为0.5%时, 时效处理后, 各成分合金的延伸率较时效前均有不同程度的降低, 说明Pb元素与时效处理对压铸AZ81镁合金在180℃下的延伸率均有降低作用。时效后, 合金组织中析出更多连续第二相和非连续第二相, 这些第二相导致合金延伸率下降。

为进一步改善合金的性能, 需了解Pb及时效处理对AZ81镁合金拉伸断裂机制的影响。本实验用扫描电子显微观察拉伸断口形貌。其SEM图如图9所示, 从图9中可以看出, 镁合金AZ81和AZ81+1.5%Pb未经时效处理时 (图9 (a, b) ) , 其断口存在较多韧窝, 韧窝深度较浅, 局部有撕裂棱和微小解理台阶, 整个断口呈现准解理特征。AZ81和AZ81+1.5%Pb时效处理后 (图9 (c, d) ) , 断口有少量韧窝, 存在撕裂棱和解理台阶, 整个断口也呈现准解理特征。可以判断, 这些断口均属于穿晶断裂, 时效后的断口形貌韧窝更浅, 且有更多撕裂棱和解理台阶, 更倾向于脆性断裂。原因是时效后析出了更多第二相Mg₁₇Al₁₂, 在高温下易软化成为裂纹源, 从而导致镁合金塑性降低。

图8 压铸AZ81+x%Pb镁合金时效热处理前后180℃拉伸性能Fig.8 Tensile test results of die-cast AZ81-x%Pb alloys at 180℃

(a) Tensile strength; (b) Yield strength; (c) Elongation

图9 高温拉伸断口形貌SEM图Fig.9 SEM images of tensile fractographs for die-cast alloys tested at 180℃

(a) AZ81; (b) AZ81+1.5%Pb; (c) Aging AZ81; (d) Aging AZ81+1.5%Pb

3 结论

分别向AZ81镁合金熔液中加入0.5%, 1.0%, 1.5%的Pb, 压铸成型并进行时效热处理, 然后对其微观组织和180℃拉伸性能进行了研究, 主要结论如下:

1.Pb对压铸态AZ81的微观组织有一定的晶粒细化作用, 且随着Pb加入量的增加, 晶粒细化作用有一定的增加趋势;Pb主要以固溶形式存在于AZ81镁合金的α-Mg基体和β-Mg₁₇Al₁₂相中。

2.时效后, Pb在压铸AZ81中依然主要以固溶形式存在;在α-Mg晶内和晶界上均有 相析出, 且Pb含量增加, 有抑制晶界析出、促进晶内析出的作用。

3.180℃拉伸结果显示, 时效热处理和Pb共同作用可同时提高压铸AZ81的抗拉强度和屈服强度, 且抗拉强度随Pb含量增加呈上升趋势 (最高平均强度为181 MPa) , 时效态AZ81+1%Pb屈服强度最高 (130 MPa) , Pb元素和时效热处理均使压铸AZ81镁合金延伸率下降。

4.时效热处理使压铸AZ81及AZ81+1.5%Pb镁合金断裂机制倾向于脆性断裂, 塑性下降。

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