(镁合金铸态和挤压态组织观察)实验指导书

镁合金铸态和挤压态组织观察的操作及组织观察

一、实验目的

1掌握镁合金组织金相制作的方法

2了解镁合金的显微组织特征

二、概述

镁合金的密度是钢的23％，铝的67％，塑料的170％，是金属结构材料中最轻的金属，镁合金的屈服强度与铝合金大体相当，只稍低于碳钢，是塑料的4~5倍，其弹性模量更远远高于塑料，是它的二十多倍，因此在相同的强度和刚度情况下，用镁合金做结构件可以大大减轻零件重量，这点对航空工业，汽车工业，手提电子器材均有重要意义。

镁合金是以金属镁为基，通过添加一些合金元素形成的合金系，通常可分为二元、三元及多组元系合金。二元系如Mg-Al，Mg-Zn，Mg-Mn，Mg-RE，Mg-Zr等；三元系如Mg-Al-Zn，Mg-Al-Si，Mg-Al-RE等；多元系如Mg-Th-Zn-Zr，Mg-Ag-Th-RE-Zr等。因为大多数合金含有不止一种合金元素，所以实际上为了分析问题方便，也为了简化和突出合金中最主要的合金元素，习惯上依据镁与其中的一个主要合金元素，将其划分为二元合金系。

对于AZ31镁合金的腐蚀，早期的研究主要集中在合金元素对腐蚀性能的影响上。近几年来随着加工及表面处理技术的进步，合金耐蚀性的研究越来越集中在通过新型的加工技术（如快速凝固技术、半固态成型技术等）和表面处理技术（如化学转化、阳极氧化、微弧氧化等）来直接或间接的提高AZ31镁合金的耐蚀性能。总而言之提高合金耐蚀性的途径主要从以下几个方面入手：减少镁合金杂质含量，提高镁合金的纯度；采用快速凝固、热处理与合金化改性等方法细化合金组织，使成分均匀化。

因此，了解镁合金组织，对于提高镁合金质量、防止镁合金腐蚀有重要的意义。

三、铸态镁合金的组织

AZ31镁合金属于典型的亚共晶合金，其凝固区间约为60℃，铸造过程中凝固时间短，冷却速度快，因此无论采用何种方式，其凝固收缩均难以补偿，加之Al元素在镁合金中的扩散速度极慢，凝固过程十分复杂，而镁合金组成相的含量、分布、形态、成分等因素与合金的腐蚀性能密切相关。

图1为AZ31镁合金铸态XRD谱图。结合相图（图2）可得，AZ31镁合金相组成为α-Mg固溶体和β-Mg17Al12析出相。

图1 AZ31镁合金铸态XRD谱图

图2 镁铝合金二元平衡相图

图3(a)和 (b)为AZ31镁合金铸态经Acetic-picral 浸蚀后的金相照片，可以看出，铸态组织内部晶粒大小不一，平均晶粒尺寸为90μm ；在其晶界处某些部位能够观测到黑色的团聚物。经SEM 观察发现，这些团聚物是由一些气孔和缩松构成。

(a) 铸态组织 (b) 晶界处黑色团聚物

图3 AZ31镁合金铸态组织；

四、挤压态镁合金的组织

对铸态组织进行热挤压处理，既能通过晶粒的充分细化来提高组织的成分均匀性，又能在挤压过程中消除组织的铸造缺陷，通过后续的热处理工艺还可以进一步抑制第二相的析出并使其弥散分布。

图4为棒材横向与纵向剖面示意图。图5(a)和5(b)为AZ31镁合金铸态在Acetic-picral 浸蚀液中的横向和纵向金相照片，可以看出，AZ31铸态组织的纵向截面和横向截面并没有太大不同，α-Mg 基相的晶粒比较粗大，平均晶粒尺寸为90μm ，晶界处偶有不规则的β-Mg17Al12相。

图4 AZ31镁合金挤压态棒材

b

a)铸态横向组织 (b)铸态纵向组织

图5 AZ31镁合金铸态和挤压态显微组织

五、实验报告书写内容

（1） 实验目的

（2）实验仪器

（分别写出仪器的型号和试件的牌号）

（3） 实验内容

（3.1）镁合金中各元素的作用

（3.2）试样制备和处理（试样切割、清理及表面形貌描述）

（4）实验结果

画出镁合金铸态和挤压态的微观组织形貌

（4） 总结 NiCrBSi 合金感应熔覆

一、实验目的

1. 掌握采用感应熔覆法在钢基体上制作Ni 基合金熔涂层。

2. 了解感应熔覆的原理和熔涂层组织形成机理。

二、概述

采用NiCrBSi 合金粉末制作Ni 基熔涂层，Ni 基合金有很好的耐磨性和耐腐蚀性，但其熔点高。感应熔覆温度高，可在数分钟内完成钎焊，降低基体处于高温的时间，熔覆时NiCrBSi 合金粉末处在液固两相状态，基体与合金粉末中的活性元素之间发生化学冶金反应，从而实现基体与合金粉末的牢固冶金结合。因此采用感应熔覆制作Ni 基熔涂层。

三、感应熔覆制作基体工具的原理及设备

（一）原理

感应加热是将工件放在有足够功率输出的感应线圈中，在高频交流磁场的作用下，产生很大的感应电流，并由于集肤效应而集中分布于工件表面，使受热区迅速加热，NiCrBSi 合金粉末处在液固两相状态，实现了工件表层和NiCrBSi 合金及合金粉末和基体之间的冶金结合。由于感应加热是藉交链耦合到工件中的交变磁通感应产生的高频涡流热效应来加热熔化金属的，热能产生于金属内部，本身具有热能损耗少、加热速度快等特点。

（二）设备

测温装置:温度控制在感应加热过程中非常关键，如果工件的温度低于或超出一定的温度范围，产品的品质容易变差，严重的会产生大量废品。红外测温（如图1）反映的是被加热物体表面辐射的能量大小，它与被测物体的表面状态直接相关。此温度测量系统比较简单，可以实现大面积的测温，也可以是被测物体上某一点的温度测量；且使用方便；它的制造工艺简单，成本较低，测温时不接触被测物体，具有响应时间短、不干扰被测温场、使用寿命长、操作方便等一系列优点。本次实验采用量程为1500℃的红外测温仪。

b d

图1红外测温仪实物图

感应熔覆装置: 图2为感应熔覆制作基体工具的设备，采用自动控制型感应加热设备（MY-15，山东省青岛水木感应设备有限公司）熔覆，设备的感应器内径为50mm，用空心紫铜管（外径：8mm，内径：4mm）弯制，其输出功率为15kW，振荡频率范围为15~35kHZ。为了防止金属表面氧化及确保钎料浸润母材，熔覆过程通入氩气保护。

图2感应熔覆设备

四、感应熔覆基体工具的制作过程

（1）实验材料

基体：直径30mm、厚8mm的钢材。

焊料：200-300目晶态和非晶态NiCrBSi合金粉末。

（2）制作过程

丙酮与NiCrBSi合金粉末按体积比1: 3混合，混合均匀后备用。黏结剂+混合粉末铺放在基体上。

打开熔覆设备的水阀和气阀后打开设备的电源开始熔覆。熔覆过程中使用红外测温仪测温，熔覆温度为1050℃，钎焊保温时间时间为30s。钎焊过程中使用氩气保护。

五、实验报告书写内容

（1）实验目的

（2）实验装置

（3）实验内容

NiCrBSi合金粉末感应熔覆基体的实验材料和制作过程

（4）实验结果

制作出优良的NiCrBSi合金粉末感应熔覆试样并画出晶态和非晶态组织形态

（5）总结