原标题：挤压铸造和热处理对WE43镁合金组织与性能的影响

镁合金因其比强度、比刚度高, 电磁屏蔽性好等特点, 在通讯、航天、汽车及医学领域等有广泛的应用潜力。与传统的合金制成的血管支架、骨板和骨钉等材料相比, 镁及镁合金具有良好的生物相容性、可降解性和可以有效避免“应力遮蔽”效应, 且镁合金能够在生物体内发生自然降解, 患者无需经历二次手术来摘除。应用于生物医用材料的研究越来越受到人们的关注。

WE43镁合金是应用较为广泛的合金之一, 因其优异的生物性能, 在生物学方面受到重视, 但是WE43镁合金的塑性较差, 不容易成形。将稀土元素加入到合金中, 可以使合金性能发生改善, 但是要应用于生物材料领域, 需要对其力学性能进行进一步研究, 开发适当工艺使合金获得优良的性能。挤压铸造工艺结合了压铸和挤压的特点, 可以使合金的晶粒得到细化, 合金的组织变得更加致密, 使合金性能得到明显改善。

研究者们研究发现, 随着挤压力增加, 挤压铸造Mg-Zn-Y合金的晶粒发生细化, 层片状组织由连续状变成了断续状, 并且分布更加均匀, 同时合金性能得到了改善。对铸造Mg-Y-Nd-Zr合金进行了热处理, 发现对合金进行498K的时效处理后, 合金的强度及伸长率均达到了最佳。分别对挤压和锻压后的Mg-Y-Nd-Zr镁合金进行了热处理, 发现Mg-3.46Y-3.22Nd-0.47Zr合金通过热处理后, 合金性能可以得到强化。本课题主要对WE43镁合金进行挤压铸造, 并对其进行热处理, 研究不同状态下合金的组织与性能, 从而获得优良的力学性能, 旨在为其在生物领域的应用提供参考。

图文结果

试验用WE43镁合金锭的化学成分见表1。将WE43镁合金锭放入刷有ZnO涂料的铁制坩埚中熔炼, 通入SF6与N2 (SF6和N2体积比为1∶100) 保护气氛。在720℃下保温1h待合金全部熔化。在合金进行熔化保温的同时, 打开另一个箱式炉, 将浇注模具放入加热, 加热温度为300℃、保温30min。打开炉盖, 用铁钩提出坩埚, 将坩埚中适量的WE43金属液先浇到浇包中, 再将浇包中的金属液迅速倒入模具中, 进行挤压。挤压力为3300kN, 保压60s。挤压锭的尺寸为φ80mm×100mm。金相试样尺寸为10mm×10mm×10mm, 拉伸试样见图1。

表1 WE43镁合金的化学成分(%)

图1 拉伸试样

表2 不同铸造方式对WE43镁合金力学性能的影响

图2 热处理对挤压铸造WE43镁合金力学性能的影响

图3为WE43镁合金在室温下的拉伸断口形貌。可以看出, 重力铸造镁合金拉伸断口大部分发生了脆性解理断裂, 断口较为平整, 断口中存在许多面积较大的解理平台, 并存在少量面积较小的平台, 在平台周围存在少量韧窝, 断口呈明显的沿晶断裂的特点, 见图3a;挤压铸造后, WE43镁合金断口中存在大量的撕裂韧窝, 此时的韧窝较浅, 断口中的撕裂棱有所增加, 与重力铸造相比, 解理平台数量明显减少并且面积变小, 见图3b;固溶后, 断口由大量的等轴韧窝构成, 并且大部分韧窝较为细小, 有许多短小而弯曲的撕裂棱分布在韧窝周围, 断口中仍存在解理平台, 但此时解理平台较小且数量较少, 见图3c;经T6热处理后, 合金断口仍然以大量分布的韧窝为主, 韧窝变大变浅, 数量有所减少, 并且撕裂棱减少, 见图3d。断口中撕裂棱和韧窝越多, 合金塑性越好。主要是因为合金在拉伸过程中发生断裂时, 较多撕裂棱和韧窝的存在, 合金的撕裂进行比较缓慢, 发生断裂时消耗的能量就会增多。

图3 WE43镁合金室温拉伸断口形貌

图4 不同铸造对WE43镁合金晶粒尺寸的影响

图5 不同方式铸造WE43镁合金X射线衍射图谱

图6 重力铸造WE43镁合金的SEM及EDS能谱

图7为WE43镁合金的扫描电镜显微组织。可以看出, 在重力铸造WE43镁合金中, 第二相主要呈枝状和粒状, 不均匀地分布在晶界处。大部分Mg-Y-Nd相呈粗大网状分布在晶界处, 粗大的Mg-Y-Nd相内存在针状共晶组织, 见图7b, 少量粒状Mg24Y5相分布在晶内。进行挤压铸造时, 由于在凝固过程中施加了压力, 改变了第二相的形貌。粗大的网状Mg-Y-Nd相被打碎, 并且细化, 呈细条状沿晶界分布, 见图7d。

挤压铸造是在金属凝固过程中施加一定的压力, 从而减小合金中晶粒之间的距离。同时, 与重力铸造相比, 挤压铸造可以提高原子的扩散激活能, 降低其扩散速率, 晶核的生长受到抑制。形核率的提高与晶核生长速率的减缓, 可以有效地细化晶粒尺寸, 组织更加的均匀致密, 沿晶界分布的第二相组织形貌变得细小。第二相形貌的变化有利于位错的运动, 材料变形能力更好, 这表现为铸件伸长率提高。

图7 WE43镁合金的SEM组织

图8 525℃×6h固溶后225℃下时效不同时间对挤压铸造WE43镁合金显微组织的影响

结论

(1) 挤压铸造后, WE43合金晶粒尺寸减小, 粗大的网状Mg-Y-Nd相被打碎, 并且细化, 变为细条状, 在晶界处分布, 其力学性能得到提高。挤压铸造后合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为181MPa、152MPa和7.62%。

(2) 挤压铸造WE43合金T6处理后, 其抗拉强度和屈服强度得到了显著提高。时效14h后, 合金的抗拉强度与屈服强度分别为297MPa和280MPa。

(3) 挤压铸造WE43合金时效过程中, Mg24Y5相首先在晶界上以粒状析出, 分布弥散, 合金的性能提高;随着时效时间增加, 粗大的Mg-Y-Nd相沿晶界析出, 合金的力学性能下降。

本文作者：

石文静1 卞健从1 姜磊1 李硕敏1
郑黎1 于宝义1 袁晓光1 李润霞2

1.沈阳工业大学材料科学与工程学院；2.东莞理工学院材料科学与工程学院

本文转载自：《特种铸造及有色合金》