Si对压铸Mg-5Al-xSi合金组织和性能的影响

摘要

镁合金密度小、阻尼性能好、比强度和比刚度高等特点，被认为是21世纪最具有商业应用前景的轻质金属结构材料。近年来，随着汽车等交通工具轻量化要求的日益迫切、镁合金性能的不断提高和镁合金压铸技术的显著进步，压铸镁合金的用量持续增长。据报道，世界范围内作为工程结构件的镁合金产品中98％来自于压铸行业，而其中的70％以上又用于汽车行业。因此研究压铸条件下镁合金的组织与性能对镁合金的工业应用具有重要意义。 Mg-Al-Si系(AS系)合金是德国大众汽车公司开发的压铸镁合金，目前常用的压铸镁合金牌号有AS41(Mg-4Al-1Si)和AS21(Mg-2Al-1Si)两种。本研究以综合机械性能和铸造性能较好的AM50镁合金为基础合金，研究了在压铸条件下不同含量的Si元素对合金组织与性能的影响。 为此，本文设计了通过压铸成型的Mg-5Al-xSi（x=0％, 0.5％, 1.0％, 2.0％）四种不同成分的合金，在运用光学金相分析、扫描电镜（SEM），电子束微区分析（EDS），等离子耦合光谱（ICP）等多种分析和测试手段全面测试了他们的室温、高温力学性能、流动性能、硬度、冲击韧性、耐腐蚀性能的同时，对所设计合金的组织结构与力学性能、流动性能、硬度、冲击韧性、耐腐蚀性能之间的关系进行了系统的研究。 研究发现，在压铸Mg-5Al-xSi合金中，观察到两种不同形貌的Mg2Si相：当Si含量为0.5％、1.0％时，呈现为多边形颗粒状的Mg2Si相；当Si含量为2.0％时，呈现为多边形颗粒状与大块汉字状并存的Mg2Si相。由于细小颗粒状的Mg2Si具有钉扎位错的作用，使得合金在Si含量小于1.0％时室温、高温的力学性能都有明显的提高，而大块汉字状的Mg2Si相与基体的界面处很容易产生微裂纹，内部也存在较多的裂纹源，所以Mg-5Al-2.0Si合金的力学性能急剧下降。Si元素的添加改善镁合金的流动性能，提高合金硬度。室温的拉伸试样断面表现为脆性的解理或准解理断裂，150℃时的拉伸断口为解理和韧窝组成的混合型断口，显示出合金的塑性得到提高。压铸状态下Si降低镁合金的冲击韧性，提高镁合金的腐蚀速率。 研究发现，压铸Mg-5Al-0.93Si合金中Mg2Si形态为颗粒状，而在金属型重力铸造时Mg-5Al-1.0Si合金中Mg2Si是以大块汉字状形态出现。压铸态Mg-5Al-xSi合金比重力铸造态的力学性能有着明显的改善。AM50压铸件比AM50重力铸造件具有更高的耐腐蚀性能，腐蚀速率降低约0.5mg·cm-2·d-1。 研究发现，在Mg-5Al-1Si基镁合金中加入Ca、Y后，合金的组织得到细化，力学性能明显提高。在Mg-5Al-1Si基合金中添加Ca后，CaSi2相可以作为Mg2Si相的非均质形核核心，有利于合金显微组织的细化。Y的加入有利于提高镁合金的流动性，而Ca的加入使镁合金的流动性略有下降。