原标题：实践研究！挤压压力与浇注温度对AM60镁合金组织与性能的影响

作为最轻的金属结构材料之一，镁合金由于其低密度，高比强度、比刚度，良好的减震性能、铸造性能、切削加工性能及电磁屏蔽性能，易于再生利用等特点，在汽车、电子通讯、航空航天等领域得到了广泛应用。尽管镁合金具有诸多优点，但作为结构材料使用，仍需提高其力学性能。因此，改善其综合力学性能成为拓展镁合金应用范围的关键。挤压铸造结合了铸造和模锻两种工艺的特点，通过对凝固过程的金属液施加压力，可以获得组织致密、晶粒细小、内部缺陷少且力学性能优良的铸件。本研究通过挤压铸造AM60合金，考察压力和温度对其组织和性能的影响，旨在为Mg合金的产业应用提供参考。

图文结果

研究对象为AM60镁合金，其主要化学成分见表1。镁合金采用SG2-7.5-12型坩埚电阻炉熔炼，坩埚为自制的双层不锈钢坩埚。熔炼前需将镁锭打磨干净以去除氧化皮，采用RJ-2熔剂进行熔体保护与熔液精炼，同时采用CO2+Ar+SF6（体积比为24∶75∶1）混合气体保护熔体，熔炼过程中采用K型铠装热电偶进行测温，当镁锭完全熔化并达到浇注温度后，经过20 min的保温即可进行浇注。浇注时将熔液倒入预热至200 ℃的模具中，随后操作HJS32-100液压机迅速对熔体进行挤压，公称合模力为1 000 kN。在设定的挤压压力下保压30 s后将铸锭顶出，随后空冷，得到尺寸为ϕ68 mm×110 mm的铸件。挤压铸造的工艺参数见表2。此外，用相同的模具在690 ℃下浇注得到重力铸造的铸件进行对比分析。

金相组织的制备流程为粗磨-细磨-粗抛-细抛-腐蚀，粗抛采用丝绸布，细抛采用金丝绒布，在试样的抛光过程中，需不断地向试样滴加无水酒精，以防止试样氧化。金相试样使用苦味酸腐蚀液（苦味酸4.2 g+无水乙醇70 mL+冰醋酸10 mL+蒸馏水10 mL ）腐蚀8~11 s后，采用光学显微镜（Leica DML5000）及热场发射扫描电镜（FEI NONA43）观察微观组织，同时使用EDS能谱仪分析其元素分布。结合Image-ProPlus软件处理金相图片，并采用等面积圆的直径表征晶粒的平均尺寸。采用X' pert Powder多位自动进样X射线衍射仪（X-ray diffraction， XRD）进行物相分析，扫描范围为20°~90°。室温拉伸试样取自铸锭上端表层10 mm以下的材料，使用配备有YSJ10/5-ZC电子引伸计的SUNS UTM5105电子万能试验机对试样进行力学性能测试，拉伸速率为0.42 mm/min，每个参数测试5根试样，取平均值。

表1 AM60镁合金的化学成分(%)

表2 挤压铸造工艺参数

对浇注温度为690 ℃时，不同挤压压力下的AM60试样进行XRD测试，结果见图1。通过对衍射峰的标定，可以发现挤压态AM60镁合金主要的相组成为α-Mg相和β-Mg17Al12相。需要指出的是，在AM60镁合金的组织中，还可能存在由Al和Mn形成的金属间化合物Al6Mn相，但在XRD中由于含量太低而不易观察到。

图1 不同挤压压力下AM60镁合金的XRD图谱

图2 挤压态AM60镁合金的SEM形貌图元素面扫图

图3是浇注温度为690 ℃，不同挤压压力下AM60镁合金的显微组织，其晶粒平均尺寸见表3。可以看出，随着挤压压力增大，α-Mg晶粒尺寸得到细化，在挤压压力为40 MPa时，组织中存在较明显的粗大的树枝晶，而在80 MPa和120 MPa的组织中，基本为等轴晶。另外，在挤压压力为40 MPa时，第二相的尺寸较为粗大且分布不均匀，随着挤压压力增大，第二相尺寸逐渐减小，同时分布更为均匀。图4是挤压压力为120 MPa，不同浇注温度下AM60镁合金的显微组织，其晶粒平均尺寸见表4。

图3 不同挤压压力下AM60镁合金的显微组织

表3 不同挤压压力下铸件的晶粒尺寸

图4 不同浇注温度下AM60镁合金的显微组织

表4 不同浇注温度下铸件的晶粒尺寸

不同挤压压力与浇注温度下AM60镁合金试样室温拉伸应力（σ）-应变（ε）曲线见图5。从图5b可以看出，与重力铸造（0 MPa）的铸件相比，挤压铸件的性能明显提升。当浇注温度一定时，随着挤压压力增大，AM60镁合金的抗拉强度及伸长率都逐渐提高。原因主要有两点：一是因为施加的机械压力能将先凝固的壳层压紧在模具的型壁上，减小壳层与型壁间的间隙，从而增大铸件的散热速度，使熔体得到更大的冷却速度，提高了液相前沿的过冷度并让晶粒来不及长大，最终起到细化晶粒的作用；二是较大的挤压压力能起到更好的破碎枝晶的效果，这些破碎的枝晶又将作为异质形核的核心，起到细化晶粒的作用，且由图3可知，随着挤压压力增大，第二相尺寸减小，分布更加均匀。因此，随着挤压压力增大，铸件的力学性能明显提高。当挤压压力一定时，铸件的力学性能在浇注温度为690 ℃时为最优，结合对微观组织的观察，这是由于浇注温度为690 ℃时，铸件的晶粒尺寸最小，且组织较为均匀。当浇注温度为690 ℃，挤压压力为120 MPa时，试样的抗拉强度达到212.5 MPa，伸长率达到11.2%，分别较重力铸造（135.6 MPa，5.7%）的铸件提高了56.7%和96.5%。

图5 不同挤压压力、浇注温度下挤压铸造AM60镁合金的室温拉伸应力-应变曲线

图6是浇注温度为690 ℃时，重力铸造及挤压铸造（不同挤压压力）AM60镁合金的拉伸断口形貌。可以看出，重力铸造的断口形貌特征主要为解理台阶和河流花样，还存在有少量的撕裂棱，显示其具有一定的塑性，但断口中有缩松存在，这会降低材料的有效承载面积，从而降低材料的力学性能。

图6 重力铸造及不同挤压压力下挤压铸造AM60镁合金的室温拉伸断口形貌

结论

（1）挤压铸造AM60镁合金的组织主要由α-Mg基体和β-Mg17Al12组成；增大挤压压力，α-Mg晶粒得到细化，第二相尺寸减小且分布更加均匀；挤压压力为120 MPa时，晶粒尺寸随浇注温度升高先减小后增大。

（2）浇注温度为690 ℃、挤压压力为120 MPa时，铸件强度与伸长率达到最高。与重力铸造相比，抗拉强度由135.6 MPa提高到212.5 MPa，提高了56.7%；伸长率由5.7%提高到11.2%，提高了96.5%。

（3）挤压态AM60镁合金的断裂形式为准解理断裂，随着挤压压力增大，断裂机制逐渐向韧性断裂转变。

《挤压压力与浇注温度对AM60镁合金组织与性能的影响》

肖嘉程1 廖志雄2 何志洪2
张伟恩2 肖志瑜1

1. 华南理工大学国家金属近净成形工程技术研究中心；2. 昶联金属材料应用制品（广州）有限公司

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志社