挤压铸造高锌含量的Mg-Zn-Al合金缩松缺陷解决方案

导读：以高锌Mg-14Zn-3Al镁合金为研究对象，利用OM、XRD和SEM等研究了挤压铸造工艺对Mg-14Zn-3Al镁合金的显微组织、铸造缺陷和力学性能的影响。结果表明，挤压铸造后的Mg-14Zn-3Al合金的显微组织由α-Mg基体、狭长的块状τ-Mg32(Al,Zn)49相、颗粒状或骨骼状的ε-MgZn相组成。随着挤压铸造压力不断增加，合金组织得到细化，第二相的数量增多，显微缩松得到抑制，铸件中的缩松面积从15.67 %急剧减少到0.81 %。经过挤压铸造处理后，Mg-14Zn-3Al合金的抗拉强度、伸长率分别达到218.1 MPa、5.2 %，合金的力学性能得到明显改善。

关键词：Mg-Zn-Al合金；挤压铸造；微观组织；缩松缺陷；力学性能

Mg-Zn-Al合金具有高温性能好、铸造性能优良，生产成本较低等优点。通过改变Mg-Zn-Al系镁合金中的Zn含量、适当控制w(Zn)/w(Zn)质量比，可以提高合金的耐热性能和高温抗蠕变性能，这是因为Mg-Zn-Al系镁合金微观组织中的共晶化合物相主要是热稳定性较强的τ-Mg32(Al,Zn)49(熔点为535 ℃)相、?-Al2Mg5Zn2(熔点为393 ℃)或ε-MgZn(熔点为347 ℃)等耐热的合金相。当合金中w(Zn)/w(Zn)比≥2时，尤其是高锌含量的Mg-Zn-Al合金（如ZA102、ZA122、ZA122）中形成的共晶化合物相主要是热稳定性较强的Mg32(Al,Zn)49相和ε-MgZn相，合金的耐热性能和抗蠕变性能较好，是新的高锌耐热镁合金。然而，传统铸造过程中存在的铸造缺陷（如缩松）仍然是影响Mg-Zn-Al合金进一步应用的约束因素。

挤压铸造可以有效地消除合金铸件中的铸造缺陷，提高铸件致密性、提高铸件的力学性能。试验合金为Mg-14Zn-3Al（ZA143）合金，原材料（质量分数）为工业纯镁（99.9%）、工业纯锌（99.9%）和工业纯铝（99.9%）。在720～740 ℃熔化，采用CO2+SF6混合气体保护，浇注成Ф50 mm×130 mm的圆锭。挤压铸造试验中，将熔炼好的合金熔体在气体保护下，浇注到预热为200 ℃的模具（Ф50 mm×130 mm）中，同时启动液压装置对合金熔体进行加压，采用单向挤压，冲头下行速度为5 mm/s，保压时间为60 s；对合金熔体施加的压力分别为0、40、80和120 MPa。

1显微组织分析

Mg-14Zn-3Al合金组成为灰白色的α-Mg基体、晶内的颗粒状或孤岛状相、沿着晶界分布的深灰色的狭长块状相。同时，在合金中出现了沿晶界分布的显微缩松，见图1。

图1 ZA143合金铸态金相组织

ZA143合金第二相为ε-MgZn相，主要以颗粒状或有致密层的骨骼状存在，狭长的块状相成分接近τ-Mg32(Al,Zn)49相，见图2和图3。

图2 铸态ZA143合金的SEM形貌和各点的EDS能谱图

图3铸态的Mg-14Zn-3Al合金XRD图谱

ZA143合金均具有枝晶形貌，其凝固组织均由α-Mg基体、半连续的狭长块状的τ-Mg32(Al,Zn)49相、颗粒状或骨骼状的ε-MgZn相组成。当压力为0（重力铸造）时，α-Mg枝晶粗大，在晶界处的第二相呈不连续分布，且面积占比较小，晶内同时分布着数量较少的颗粒状第二相（ε-MgZn相）；当压力提高到40 MPa时，α-Mg枝晶细化，第二相增多，其在晶界处分布由不连续分布转变为连续分布，晶内分布的颗粒状第二相呈细化趋势；继续提高压力，α-Mg枝晶细化趋势变小，第二相在晶界处为连续的 状分布

图4不同挤压铸造压力下ZA143合金的凝固组织金相照片

此外还发现，挤压铸造压力为0时，组织中有缩松出现。随着压力的增大，即80 MPa和120 MPa时组织中观察不到明显缩松存在。

当压力从0提高到40 MPa，合金凝固组织中的晶粒尺寸明显减小，但是当压力从40 MPa提高到120 MPa时，压力的变化对晶粒尺寸的影响并不显著。此外，随着距铸件表面距离的增加，晶粒尺寸逐渐增加。挤压铸造能够提高合金铸件的凝固组织的均匀性。

在压力作用下ZA143合金组织得到细化，一方面是压力使凝壳紧贴型壁，增加了二者界面的传热系数，提高了熔体的冷却速率，另一方面是压力引起合金熔体物性参数的变化，提高熔体凝固过程中的形核率。压力不仅会改变熔体冷却速率，而且还会改变熔体的平衡凝固温度。由外加压力造成的过冷度提高可同时使临界晶核半径和临界形核功减小，使结晶核心数量增多，促使熔体凝固由均质形核向非均质形核方式转变，从而使组织细化。

图5压力对ZA143合金平均晶粒尺寸的影响

2 挤压铸造压力对ZA143合金凝固缺陷的影响

随着压力增加，ZA143合金中缩松面积逐渐减少。当压力从0增加到40 MPa时，合金中的缩松面积从15.67 %急剧减少到6.91 %；当压力增大到80 、MPa120 MPa时，合金中的缩松面积分别减少到2.5 %和0.81 %。

没有施加压力时，ZA143合金铸件中的缩松主要集中在铸件的中上部，两条缩松聚集“条带”呈中心对称分布，而铸件侧面和底面的缩松较少。40 MPa和80 MPa下挤压铸造的ZA143合金铸件中的缩松减少，而且不再呈密集聚集状态，而是呈面积较大的“V型”分布状态。这是由于铸型表面的激冷作用，铸件边缘处的熔体最先凝固形成凝壳，凝壳在压力作用下发生塑性变形，使熔体承受等静压。在挤压铸造的初期，凝壳厚度小，易发生塑性变形，此时熔体受到的等静压大，抑制了缩松产生，因此铸件侧面和底面的缩松较少。但是随着凝固过程进行，凝壳厚度逐渐增加，凝壳在压力作用下发生塑性变形所消耗的能量逐渐增加，铸件心部熔体承受的等静压也就越小，因此铸件心部容易产生缩松。

镁合金在凝固过程中易形成发达的树枝晶，树枝晶互相连接形成骨架，将尚未凝固的熔体封闭起来，该部分熔体凝固时发生体积收缩，而相邻部位的熔体无法补缩，从而在枝晶间形成缩松。在挤压铸造工艺下，如果压力足以使先形成的凝壳发生塑性变形，这将使枝晶间液相向着阻力较小的固液两相区、液相区和缩孔区流动，从而实现了强制补缩。

图6 不同的挤压铸造压力下ZA143合金中的缩松分布

图7压力对ZA143合金中缩松面积分数的影响

ZA143合金在不同压力作用下的力学性能

随着挤压压力增加，晶界处第二相增多，消耗了基体内的Zn、Al元素，导致基体固溶强化能力下降，基体更容易优先变形，所以屈服强度有下降趋势。随着挤压铸造压力增加，ZA143合金组织得到细化，同时又能减少合金的缩松，因此ZA143合金综合性能得到提高。

图8不同挤压铸造压力下ZA143合金的典型拉伸曲线

图9压力对ZA143合金拉伸性能的影响

图10为不同挤压压力下的ZA143合金的拉伸断口扫描电镜照片。可以看出，当压力为0时，合金拉伸断口为解理面、解理台阶及少量撕裂棱，表现出混合断裂特征，同时，断口存在明显的断裂裂纹（图10a中箭头所示）；当压力继续增加到40 MPa时，合金拉伸断口中未观察到断裂裂纹，断口中存在很多较窄的解离台阶、少量的韧窝以及撕裂棱，表现出以韧性断裂为主的混合断裂特征；当压力继续增加到80、120 MPa时，合金拉伸断口中韧窝以及撕裂棱增多，存在较窄的解离台阶，仍然表现出韧性断裂为主的混合断裂特征。

图10不同压力下的ZA143合金拉伸断口扫描电镜照片

3 结论

(1) 挤压铸造使得铸态ZA143合金组织中α-Mg枝晶得到细化，第二相增多，合金由α-Mg基体、狭长的块状τ-Mg32(Al,Zn)49相、颗粒状或骨骼状的ε-MgZn相组成，其在晶界处分布由不连续分布转变为连续分布。

(2) 挤压铸造压力增加能减少铸态ZA143合金中的缩松缺陷，铸件中的缩松面积分数从15.67%急剧减少到0.81%。

(3) 挤压压力的增加提高了ZA143合金的综合性能，当压力达到120 MPa时，合金的抗拉强度和断后伸长率分别为218.1 MPa和5.2 %，较重力铸造分别提高了13.2%和333%。