关于AM50镁合金组织和合金相的研究

合金和化合物杂志关于AM50镁合金组织和合金相的研究摘要不同状态的AM50镁合金（从铸造到固溶体和时效处理）的微观结构及合金阶段的综合研究，已经出现在了现有的论文中。Al–Mn相和它们对合金的电化学性能的影响受到了特别的关注。结果显示Al–Mn合金相是铸态、固溶处理和时效处理后AM50镁合金中的主要合金相。它们非常耐高温，几乎保持不变的形态、分布及数量。当固溶处理温度达到410◦C，大多数Mg17Al12相在铸态合金中可能会减少，而且它在时效处理时沉淀为增强相。根据的微观结构和相应的显微硬度分析，人们认为AM50的强化机制可能不限于沉淀增强；例如底部构造和重新分布的合金元素的一些其他因素也可能会发挥关键作用。电化学实验进一步表明Al–Mn相不利于抵抗正在考虑中的合金的腐蚀，尤其是当富铝α-Mg和Mg17Al12相的消除。1．简介镁及镁合金的极具吸引力的力学性能提高了许多技术的应用，特别是在汽车工业中的使用。在各种商业镁合金中，由于AM系列镁合金足够的强度、良好的铸造性能和耐腐蚀性能，因此它们是最广泛使用的。然而，AM系列合金的全球研究主要重点在于铸造技术、成形性和其在该行业中的应用。基本的工作，例如微观结构、合金相，以及对它们的热处理影响极为少见。与此同时，AM系列合金属于Mg–Al系，通常会添加锰来减少对铁的耐腐蚀的有害影响。锰的少量加入会通过Al–(Fe,Mn)粒子的形成减少熔炼体中铁的浓度，其中一些沉淀在坩埚底部，其它的在凝固过程中嵌入铸件。据报道，这种粒子的大小通常范围从0.1到30μm，他们的形态似乎形成十字架、针、花和短角块状结构；这些粒子的可能的合金相是Al6Mn，Al4Mn，Al8Mn5和铁浓度很少或没有铁浓度的AlMn。最近的研究显示Al–Mn的不同相有不同的输出电流密度，因此对Mg–Al系列合金的腐蚀性有不同的效果。富铝粒子像Al6Mn和Al4Mn显示较低输出电流密度，而那些像Al8Mn5和AlMn含锰浓度高显示出了相当高的输出电流密度。因此后者可能不利于合金的耐腐蚀问题，除了对耐腐蚀性能的影响，Al–Mn相也能充当导致晶粒细化的异质成核的地方。然而，这种影响目前仍不清楚，Haithametal最近报道了Al–Mn相可能有裂纹的形成有关。显然，Al–Mn相Mg–Al系列合金性能有密切的联系。不幸的是，随着这种合相受到更多的关注，关于Al–Mn相的研究显得非常有限。为了研究微观结构和合金相、尤其是在AM系列合金中Al–Mn相的研究，有关AM50显微组织和合金相从固态到固溶和时效处理的重要研究已经出现在了现今的论文当中。种类、大小、形态、分布和目标合金中Al–Mn相的含量受到了特别的关注。另外，显微硬度测试和电化学测试也说明了微观结构与力学性能的相关的联系。2.实验步骤2.1热处理实验实验中采用含有铝5.07%，锰0.297%，锌0.168%,硅0.0398%,铁0.001%,铜0.0018%,镍0.0003%,铍0.0012%,氯0.0005%和94.4204%镁的商业铸态AM50镁合金铸块。因为在Mg–Al系中，广泛发现共晶和粗共晶的存在可能影响Al–Mn的相的观察与分析，他们尺寸相对较小，其标本是保持镁粉在380和410◦C之间固溶处理，分别为24小时，然后水淬以便当Al–Mn相残余时α-Mg和β-Mg17Al12可能会逐步减少。更高的温度（430和450◦C）亦适用于的合金来研究Al–Mn相特征对温度的影响。执行所有的时效处理，分别以24小时410◦C和12小时分别150，200,250◦C固溶处理为基础，从而从参考到其它附属东西得出结果。试样在1.5g苦味酸+25毫升乙醇+5毫升醋酸+10毫升水解溶液中腐蚀30到60S。采用光学显微镜(OM)扫描电子显微镜（SEM）和能量分散性x射线(EDX)来研究其第二个相的形态和化学组成。根据相结合的相图和元素构成来估测和推测合金相可能能够形成稳定或亚稳定的相。合金相决定在任何情况下镁的量被假设是过度的，因为所有相都位于镁基质，以及能量束可能通过第二相，同时也可以探测镁基质。用Cu作为目标材料的DX-2500x射线衍射仪(XRD)，以每秒0.06的扫描和5到58°的扫描角被用来进一步确认的合金相的类型。采用HV-1000维氏硬度计上以每20S，0.98N的载荷测试试样的显微硬度，定量显示热处理的影响。2.2浸泡和电化学实验接下来铸造和热处理的AM50合金试样为浸泡和电化学实验机加工成矩形。对于后者，电极被嵌入在暴露的表面面积为1cm的环氧树脂中，抛光知道类似镜面，然后用蒸馏水清洗，用热空气干燥。浸入式电化学实验在百分比为3.5wt的NaCl溶液中进行，该溶液是用NaCl和去离子水预制的。浸泡实验是在室温下进行的，用扫描电镜和能量弥散X射线探测器来观察浸泡后的试样的腐蚀形貌和的腐蚀制品。这种化学电池由三电极Pyrex玻璃单元格组成。饱和甘汞电极和铂板被分别用作参考电极和辅助电极。使用模型273恒电位仪，用提前在溶液中浸泡5分钟的工作电极来进行动电位极化测试，然后从腐蚀电位以0.5mV/s的扫描速度从阴极电位到阳极电位进行极化。3.结果和结论3.1铸态AM50镁合金的微观结构铸态AM50镁合金的光学显微图像显示某些相（图1）,以黑色黑色粒子呈现，分散在基质中。此外，沿着晶界相对于暗淡一点的基质区域的一些亮色区，能够清楚的被观察到。扫描电镜照片中（图2）可以看到花形和颗状的相的晶粒内部或晶界走向。EDX分析（表1）表示，除了颗粒6到颗粒7主要包含镁和铝外，大多数粒子（从颗粒1到颗粒5）由镁、铝、锰组成。根据对原子比率，可以推断前五个粒子是Al–Mn相；颗粒6和7可以根据铝镁的比例很有把握的决定为β相。颗粒8是一个富铝α相的群集，有92.95%的镁原子百分比和7.05%的铝原子百分比通常分布在β相附近。表1图2中能量弥散X射线探测仪对相的分析图1.铸态AM50光学显微图片图2.铸态AM50的扫描电镜图片和能量弥散X射线探测3.2AM50镁合金固溶处理的微观结构当试样在380◦C下固溶处理24小时后微观结构形态极大地改变了。似乎边界地区和非边界地区的结构差异与铸态试样相比增加了。Haithametal的研究可能能解释这个，他的研究中报告了类似的现象和归咎它于由铝元素沿晶界的不均匀分布造成的耐腐蚀的不同。基质中的主要相也是由Al–Mn相相决定的。与铸态合金相比，这个时候发现了少量的Mg17Al12相。当溶液温度增加到410，430and450◦C，微观结构（图.3b、c和d）显著改变和与铸态标本以及一个在380◦C下固溶处理的标本有显著的不同。在这三个本中，晶界以及相都很容易被观察到，当标本被在410◦C或更高的温度下固溶处理时除了耐热相基体中的元素平等的散布。对光学显微照片进一步的检查显示：当温度从410C增至430◦和450◦C时，沿晶界颜色差异再次出现。在作者的观点来看，它与合金元素分配或合金相的分布有关，虽然到目前为止这种现象没有被报道过。正如所料，Al–Mn相在以上三种标本也发现了。似乎当温度从410(图.3b)增至430◦C(图.3c)而后慢慢增加温度直至进一步接近450◦C(图.3d)时Al–Mn部分相区域显著减少。由于高温及长时间保温Mg17Al12相在三个标本都没被发现。能量弥散X射线探测分析指出，当处理的温度上升至410◦C(图.4)，β相完全消失，只有Al–Mn颗粒（平均大小10微米）依然存在。如表2所示，大部分的粒子被证实依然是Al–Mn相。另一项有趣的发现是:在Al–Mn粒子中发现了硅，而不是被认为通常存在于Al–Mn粒子中的铁。图3.（a）AM50镁合金在380◦C下固溶处理24h的光学显微照片（b）AM50镁合金在410◦C下固溶处理24h的光学显微照片（c）AM50镁合金在430◦C下固溶处理24h的光学显微照片（d）AM50镁合金在450◦C下固溶处理24h的光学显微照片表2图4中能量弥散X射线探测仪对相的分析图4.AM50镁合金在410下处理24h的扫描电镜和能量弥散X射线探测仪测试点的图片3.3AM50镁合金时效处理的微观结构图5a和b分别为样品在150◦c下处理12h的光学显微镜和扫描电镜照片，图5b中颗粒1–6再次证明是Al–Mn相，它们的形态与那些铸态和固溶处理的标本保持一致。然而，当时效温度上升到了200◦C，令人印象深刻的变化发生了。在扫描电镜（图.5c）中发现了细晶和等轴晶，这表明等轴晶主要是在原来晶粒中形成，它们的大小是少于10微米。当时效温度增加到250◦C（图.5d),细晶、甚至沉淀物开始析出。3.4X射线衍射分析图6与铸态和热处理后的AM50镁合金的X射线衍射图相比。除了在一个410◦C固溶处理下β的数量大量减少外，所有的标本中都检测到了β-Mg17Al12相。这表示铸态合金中的β在固溶处理时首先溶解在基质中，然后再进行时效处理时沉淀。AlMn和Al8Mn5在所有标本中伴随着很强衍射峰值被发现，与用扫描电镜和能量弥散X射线探测器研究的结果是一致的。看来Al6Mn的沉淀与时效处理有关，因为在铸态与固溶处理的标本中没有检测到它。Al86Mn14，Al11Mn14，Mg32（Al，Zn）49以前没有报告过存在于AM50镁合金中，依旧为指定的模型。然而，由于这些相不少于三个衍射峰值，因此进一步确认很有必要。图5.（a）AM50镁合金在150◦C下时效处理12h的光学显微照片（b）AM50镁合金在150◦C下时效处理12h的扫描电镜照片（c）AM50镁合金在200◦C下时效处理12h的扫描电镜照片（d）AM50镁合金在250◦C下时效处理12h的扫描电镜照片3.5.显微硬度分析标本的显微硬度可能显示热处理过程中微观结构演化对机械性能的影响。从图.7可以看到，铸态试样的硬度较在410◦C下固溶处理的试样高，但远远小于的在380下固溶处理的试样，那里硬度达到61HV。时效处理后的试样的硬度从150◦C时的60HV攀升到200◦C时的最高点63HV，而后则再次下跌到60HV。图7.不同状态下的AM50镁合金显微硬度人们认为，沿晶界重新分配的Al归咎于试样在380◦C时的强化。在这样的温度下，当β-Mg17Al12相是圆形的或尺寸变得更小时，共溶的α完全溶解到基质中，因此在基质中铝的浓度增加，同时改善了微观结构。至于时效处理过程中的硬化影响，人们认为当固溶处理后的试样在200◦C下时效处理12h形成的良好的底部结构，就硬度影象方面而言贡献比沉淀多。解释如下：一方面，铝在当前合金中的含量，低于其他Mg–Al合金，例如说，AZ91D；另一方面，大部分铝被限制在耐热Al–Mn相中，不能溶入到实验中的达到450◦C的基质中。这些导致增强相的减少，i.e，因此β-Mg17Al12导致时效处理强化影响的降低。4.电化学性能研究的合金的电化学性能与微观结构之间的相关性可以通过极化曲线来解释（图.8）。相比固溶处理后的试样，铸态合金有的最大电位（−1.503V）和最低腐蚀电流（9.399微米/平方厘米)。固溶处理后合金的耐腐蚀性能的退化归咎于富铝α-Mg和β-Mg17Al12相。铸态合金中，微电池电极由富铝相和Al–Mn相组成。然而，在固溶处理后电极转变Al–Mn相和基，加速合金的腐蚀速率，这个结论由Huoetal得出，他研究热处理对AM5合金腐蚀行为的影响。当试样都浸泡在3.5%wt的NaCl溶液中，在相同激化测试方案中，优先被腐蚀的点发现了。浸泡几分钟后,密集腐蚀发生在一些点和迅速发展成可见腐蚀坑。每平方厘米约有3-5个坑，而且他们分布并不均匀。考虑到坑的数量和分布，人们认为这种现象可能会归于铸造合金中存在气孔。正如Tiryakioglu报道的，AM50镁合金压铸工艺经常会有大于15微米的气孔。经过一个小时的浸泡，试样被取出处理，再经水清洗后用于扫描电镜观察。有趣的是：在浸泡过的试样中，这个相的形态和相关金相的一样清晰。图.9显示在410◦C下固溶处理24h的试样中相的典型形态。能量弥散X射线探测分析显示颗粒状的相(at.%,氧：