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Ca、Sr对AS21合金组织及性能的影响

王岩

   镁合金在温度超过120℃时蠕变强度往往会随着温度升高而大幅度下降,因此,开发具有优异高温性能的耐热镁合金是镁合金研究的主要方向之一。在汽车工业中,传统的耐热镁合金AS系(Mg-Al-Si)合金由于A1含量的减少和Si元素的加入,减少了沿晶界呈网状分布的β-Mg17Al12相,得到了具有高熔点(1085℃)的Mg2Si强化相,能够显著提高合金的高温性能。但是合金中的Mg2Si相往往呈现粗大的汉字状形态,会阻碍合金性能的进一步提高。因此,如何改变Mg2Si相的形态从而使其充分发挥对镁合金性能的有益性显得尤为重要。 本文以AS21合金为基础,通过加入微量合金元素Ca和Sr,利用光学显微镜(OM),X射线衍射仪(XRD)、差热分析仪(DTA)、带能谱分析(EDS)的扫描电子显微镜(SEM)等分析手段,研究了Ca、Sr单独添加及复合添加对合金组织和性能的影响及作用机理,为进一步开发高性能、低成本的耐热镁合金提供理论和实践依据。 研究表明,Ca对汉字状Mg2Si相有显著的变质作用,对AS21合金有明显的晶粒细化作用。加入0.25%Ca时,粗大汉字状Mg2Si相完全转变为均匀、弥散分布的颗粒状、块状,平均尺寸由原来的42μm减小为8μm,AS21合金的晶粒由105μm细化为75μm。Sr对汉字状Mg2Si相也有明显的变质作用,对已经被Ca变质的颗粒状Mg2Si相有一定的细化作用,对合金有一定的晶粒细化作用。在AS21-0.25Ca合金中加入0.1%Sr后颗粒状Mg2Si相的平均尺寸不大于5μm,合金的平均晶粒尺寸也进一步减小为67μm。 AS21合金的组织由α-Mg、β-Mg17Al12相和Mg2Si相组成。加入超过0.25%Ca后,合金中生成了新相CaSi2。在AS21-0.25Ca合金中加入0.3%Sr后,合金中生成了少量针状的MgCaSi三元相。 AS21合金在420℃经12~20h的固溶处理之后,组织中的β-Mg17Al12相基本溶入到基体中,汉字状Mg2Si相由于枝晶生长发达,在表面张力的作用下,Si沿α-Mg基体和Mg2Si相的界面扩散,使Mg2Si相的枝晶发生部分溶解,并依靠自发球化的趋势向未溶的粒状Mg2Si扩散聚集,最终部分溶解并伴有断裂和球化现象。加入Ca、Sr后的合金经过420℃,16h固溶处理后,块状Mg2Si相由于表面张力很小,Si原子的扩散远不如汉字状Mg2Si相枝晶末端的Si原子扩散速度大,因此形态没有发生明显的变化,表现为其耐热性好于汉字状Mg2Si相。 Ca的加入可以大幅度提高AS21合金的高温蠕变性能,AS21-0.25Ca合金的蠕变变形程度仅为AS21合金的28.6%。在加入Ca的基础上再加入少量Sr可以进一步提高合金的高温蠕变性能,AS21-0.25Ca-0.1Sr合金的蠕变变形程度为AS21合金的21.4%。由于Ca、Sr的加入使得Mg2Si相的形态由粗大的汉字状转变为细小的颗粒状,在合金的高温蠕变过程中能够显著减少Mg2Si相附近的应力集中,并且能够更加有效的钉扎晶界,阻碍晶界滑移和晶内位错运动,从而提高高温蠕变性能。 0.25%Ca的加入使AS21合金的液相线降低了4℃,从而提高合金的过热度,有利于提高凝固过程中的流动性。在0.25%Ca的基础上加入0.1%Sr后,合金的凝固区间减小,也能够改善合金的流动性。 Ca、Sr的加入能够提高合金的自腐蚀电位,改善腐蚀稳定性。AS21-0.25Ca合金的自腐蚀电位比AS21合金提高了约0.014V, AS21-0.25Ca-0.1Sr合金的自腐蚀电位也比AS21合金相提高了0.002V。 Ca对Mg2Si相的变质机理为:在合金液的冷却过程中,Ca与Si首先形成熔点较高的金属间化合物CaSi2,在熔体中形成大量细小、弥散分布的颗粒,随着温度的降低,这些弥散分布的颗粒成为Mg2Si异质形核的核心,从而在凝固过程中形成大量细小的块状Mg2Si相。Sr对Mg2Si相的变质和细化机理为:一方面Sr容易富集在Mg2Si相的生长界面前沿,机械地阻碍了Mg、Si原子的扩散,使Mg2Si相的生长受到限制;另 方面Sr增大了固液界面前沿的过冷度,使得凝固过程中Mg2Si相形核率增加。……   
[关键词]:AS21合金;Ca;Sr;组织;性能;变质;生长形态
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:郑州大学2010年
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