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Mg-3Al合金中Mn对碳化铝异质形核的影响机制
Mg-3Al合金中Mn对碳化铝异质形核的影响机制
詹美清,李 克,王 飞,廖建南,吴尚敏,周耐根
(南昌大学,江西 南昌 330031
摘要:采用光学显微镜、扫描电镜、EDS能谱和差热分析研究了Mg-3Al合金中AlMn中间相的形貌特征,以及Mn含量对碳质变质剂异质形核作用的影响机制。结果表明:加碳变质处理产生的碳化铝可成为(-Mg的有效形核核心;当合金中的Mn含量小于0.32%时,加碳变质处理能使(-Mg晶粒明显细化,最小平均晶粒达到66 μm,此时形成大量细小的球状和杆状AlMn中间相,有助于晶粒细化;但当Mn含量增加到0.56%时,形成更多粗大的十字花瓣状AlMn中间相。过量的溶质Mn易与A14C3粒子结合形成不利于形核的Al-Mn-C-O复杂化合物,并导致(-Mg晶粒粗化。
关键词:镁合金;Mn;碳化铝;异质形核;AlMn中间相
中图分类号:TG146.2TB31 文献标识码:A
镁合金中Mg-Al系合金的应用最为广泛,既包括铸造合金又包括变形合金,具有优异的铸造性能和抗蚀性,但是由于铸态组织中的(-Mg17Al12相固溶处理后的析出强化效果较弱,该系列合金的综合力学性能还有待进一步提高[1-4]。在凝固过程中对(-Mg晶粒进行细化处理可使(相的分布更均匀,是有效提高合金综合性能的方法之一,其中,添加含碳变质剂具有成本低廉、工艺简单、易控制、晶粒细化效果显著等优点[56]。一般认为,含碳变质剂分解出的C与熔体中的Al反应形成大量弥散、难熔的A14C3质点,呈悬浮状态并在凝固过程中充当形核基底[7-9]。
添加合金元素锰可改善Mg-Al系变形合金的抗腐蚀性和延展性,其加入量一般控制在0.6%以下。Mn在Mg中的溶解度非常小且不易和Mg形成化合物,和Al形成的(2-Al8Mn5、ε-AlMn、(-AlMn等化合物粒子均被认为具有一定异质形核作用[10-12],但同时也有不少研究提出质疑[13,14]。许多研究还表明,Mn、Fe元素与Al4C3、Al-C-O等碳化物之间存在相互作用,直接或间接地影响着碳质细化剂对Mg-Al合金的晶粒细化效果。Tamura和Haitani等[15,16]的早期研究认为微量的Fe或Mn均会与Al4C3发生化学反应形成形核能力更差的Al-C-O-(Fe, Mn)化合物,从而减少熔体中有效晶核的数量,引起晶粒的粗化。Cao等[17]认为微量Mn、Fe可在Al4C3表面成膜并毒化其形核作用,并提出850900 ℃的过热处理可使Al4C3表面的Al-Fe-Mn膜重新分解,从而还原Al4C3的晶粒细化作用[18]。与以上观点相反,Liu等[19]认为Mn、Fe与Al4C3相互作用形成的Al-C-O- (Fe, Mn)相才是潜在的形核核心,但并未找到充分的证据证明Al-C-O-(Fe, Mn)化合物由Al4C3转变而来。
本进行的研究旨在澄清以上争议,进一步利用光学显微镜、扫描电镜和差热分析等手段分析Mg-3Al合金中Al-Mn中间相的形貌特征,探讨Mn含量对碳质变质剂异质形核作用的影响机制。
1 实验
在5 kW 井式电阻炉内用高纯镁 (≥99.97%)、高纯铝(≥99.99%)和Al-10Mn中间合金熔炼配制Mg-3%Al-x%Mn (x=0, 0.1,0.3, 0.6) 合金,为防止燃烧,采用SF6+CO2混合气体对熔体进行保护。740 ℃将MgCO3为主的含碳变质剂加入镁合金熔体,充分搅拌和保温10 min,725 ℃浇注到标准拉伸试样模中。从镁合金试棒中部截取直径约10 mm的金相试样,对试样进行T4固溶处理(415 ℃保温6),以获得清晰的晶界。试样经研磨抛光后,用硝酸+乙酸+苦味酸+水配制的混合溶液腐蚀金相试样表面,按GB-T6394用截线法测定(-Mg的晶粒度。
利用离子体发射光谱 (ICP-AES OPTIMA 5300DV) 仪测定试样中的实际Mn含量,结果如表1所示。用F3230型光学显微镜和HITACHI S-3000N扫描电镜对样品进行显微分析,用EDS能谱分析仪进行微区成分分析。用Pyris Diamond TG/DTA 型差热分析仪测定合金的温度变化曲线,A12O3 作为参比,升温速率为10 ℃/min。表1 Mg-3Al-xMn合金中的实际Mn含量
Table 1 ractical Mn content in Mg-3%Al-x%Mn alloy (ω/%)
Alloy Mg-3Al-0Mn Mg-3Al-0.1Mn Mg-3Al-0.3Mn Mg-3Al-0.6Mn Mn content 0.023 0.12 0.32 0.56
2 结果与分析
2.1 T4态显微组织
实验表明[2,21],采用固溶态合金的晶粒度表征镁合金的晶粒细化
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