准晶增强AM60镁合金的研究

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1984年,在Al-Mn体系中,在快速凝固的条件下人类首次发现准晶,准晶从此走进研究学者的视野,并且在其他的诸多体系中同样证明准晶的存在。准晶的非周期性,表现出非常特别的性能,与传统的金属材料相比,准晶体增强后的材料,性能更加满足其工业上的应用要求。镁合金因为其自身的低密度和高比强度性质,在诸多行业中作用巨大。镁合金近些年在汽车行业的应用备受关注,但和铝合金相比,镁合金因为其机械性能比较低及不耐腐蚀等缺点,严重阻碍了镁合金在实际生产中的使用,只有部分挤压铸造的镁合金性能可满足汽车行业指标。AM60镁合金是常见的一种工业应用材料,较AZ91系列镁合金而言,AM60具有更优良的延展性,但强度相对比较低。目前人们对AM60组织及性能的认识与研究还比较薄弱。AM60镁合金的多项性能目前还满足不了汽车轮毂零件相关指标的严格要求,在此背景下,提高其性能的相关研究工作就显得尤为重要。准晶以优良的特征,吸引了众多研究学者的目光,准晶增强AM60镁合金的研究为其应用开辟了新的领域。本研究试图通过利用准晶的特征来增强AM60镁合金。研究内容主要包括三个板块:第一板块,控制一定的熔炼温度,用重力浇注的方式,首先制备出Mg-Zn-Y三元准晶中间合金。采用OM观察、SEM技术、EDS、以及XRD技术等测试,对试验制备的准晶中间合金进行组织形貌观察、成分鉴定、物相检测、物相分布的研究,以及准晶基体合金的强化效果,即对组织和性能的影响。少量Y原子使初生的物相α-Mg+MgxZny向准晶相转变,生成的准晶相为Mg42Zn50Y8,呈现四、五、六花瓣样的结构形貌,且不含“花蕊”。Mg7Zn3相和Mg42Zn50Y8准晶相两者之间交替形成“菌”状结构,该现象说明体系中有共晶组织存在。加一定量Mg42Zn50Y8准晶中间合金到AM60中,能够改变基体晶粒的形成与长大过程,起晶粒细化作用,在一定范围内,随着准晶量的增加,晶粒尺寸逐步减小。准晶中间合金使得AM60硬度由原来的54HB增加到74.5HB,拉伸强度由165MPa增加到204MPa,屈服强度由75MPa增加到100MPa,合金的伸长率没有明显的变化。第二板块,采用常温重力浇注方法,制备Mg-Zn-Y-Mn四元准晶中间合金,并用该准晶中间合金对AM60镁合金进行强化,同时研究非金属元素Si对AM60镁合金组织性能的影响,确定最佳成分比例,将准晶中间合金与Si复合强化基体镁合金。MZYM准晶中间合金主要为:Mg40Zn46Y9M5准晶相、-Mg基体、Mg7Zn3相和-Zn相。Mg7Zn3和准晶相也交替形成“菌”状结构,形成共晶组织。Mn含量的增加,使Mg-Zn-Y-Mn准晶中间合金中“菌”状结构向五花瓣状转变,最终向带有球状“花蕊”的五花瓣状转变。Mg-Zn-Y-Mn准晶改变基体晶粒的形成与长大过程,起到晶粒细化和弥散强化作用,使得AM60硬度由原来的54HB增加到74HB,拉伸强度由165MPa增加到205MPa,屈服强度由75MPa增加到117MPa,伸长率由原来的6.5%最多升高至7.9%。常规铸造制备Si增强的AM60镁合金材料,形成Mg2Si增强相,Si外加量为1.0%时,Mg2Si主要为树枝状、棒状或者不规则的块状,体系中Si的含量继续增添,当百分含量超过1.5时,过多的非金属元素Si,发生结晶现象,使Mg2Si出现粗化。合金体系中添加Si在一定程度上能够提高合金材料的硬度及强度,但对伸长率的影响效果甚微。通过同时添加8%MZYM准晶中间合金和1.0%Si到AM60镁合金中,AM60镁合金的硬度由原来的54HB增加到77HB,拉伸强度由原来165MPa增加到212MPa,屈服强度由原来的75MPa增加到119MPa,伸长率变化不大。第三板块,不仅研究Mg-Zn-Y-Mn四元准晶中间合金对AM69镁合金的影响,同时研究非金属元素Se对AM60镁合金的影响,确定两者的最佳复合比例,将准晶中间合金与Se复合强化基体镁合金。采用常规铸造制备Se增强的AM60镁合金材料,形成AlxSey增强相,Se对Mg17Al12相的析出过程有一定的影响,减小Mg17Al12数量及尺寸,抑制相的析出,使得AM60镁合金材料的伸长率明显增加。通过同时添加8%MZYM准晶中间合金和0.8%Se到AM60镁合金中,AM60的硬度由原来的54HB增加到73HB,拉伸强度由原来165MPa增加到201MPa,屈服强度由原来的75MPa增加到103MPa,伸长率由原来的6.5%上升到10.2%。
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