Mg及其合金的金相

　　摘要：Mg 及其合金具有較低的硬度和強度，但是沉淀析出物使其強度和硬度都有很大提高。沉淀析出物顆粒的硬度與基體硬度差別較大，樣品制備時基體與析出物顆粒不在同一平面上，想要去除樣品上的劃痕和基體的變形損傷層，控制浮凸都會非常困難。

　　無論采用何種生產工藝和方法，Mg及其合金金相樣品制備都是非常困難的。Mg 及其合金具有較低的硬度和強度，但是沉淀析出物使其強度和硬度都有很大提高。沉淀析出物顆粒的硬度與基體硬度差別較大，樣品制備時基體與析出物顆粒不在同一平面上，想要去除樣品上的劃痕和基體的變形損傷層，控制浮凸都會非常困難。Mg是一種十分活躍的金屬，在最后拋光步驟或每個制備步驟中是否使用水還有一些不同意見。 雖然Mg的晶體結構是HCP，但是拋光后的Mg樣品在偏振光下沒有很大變化。本文介紹了Mg及其合金的樣品制備的新方法，采用新的樣品制備方法可以得到平坦沒有浮凸、劃痕最少和基體變形損傷層最小的樣品。此外還有一些關于侵蝕劑配制的方法介紹。

　　Mg及其合金樣品，由于其基體組織硬度與高硬度的沉淀析出相顆粒硬度差別較大，加之Mg又是一種較活潑的金屬，所以導致浮凸現象產生，其樣品制備非常困難。如果在切割、磨光和拋光過程中施加在樣品上壓力過大都會導致機械孿晶的產生。最終拋光和清洗步驟一定要避免和盡量少使用水和各種溶液。Mg合金比純Mg更容易被水侵蝕，所以有些專家認為不應該在樣品制備的任何步驟上使用水，即使是在磨光步驟上也要使用 1：3（丙三醇+無水乙醇）的混合液或者煤油作為冷卻液。使用這樣的冷卻液最好，因為細小的Mg灰塵顆粒容易引起火災。由于存在硬度較高的金屬中間相，所以浮凸現象較難控制，拋光時使用有毛的拋光布尤其如此。

　　試樣在切割過程中會產生很嚴重的損傷，這是能否獲得良好拋光樣品的前提。采用適當的切割工藝才能得到最小的損傷層，使用砂輪切割機可以獲得不錯的效果。此外，切割時必須使用冷卻液，可以避免在切割過程中過熱現象的發生從而減小損傷。雖然Mg及其合金的熔點相對較低，而且固溶處理和時效處理的溫度也很低，仍然可以使用金相熱鑲嵌料。但是，固溶狀態而沒經過時效處理的樣品，則要使用環氧類的冷鑲嵌樹脂，樹脂聚合時產生的熱量很小。熱壓力鑲嵌會導致高純Mg中產生機械孿晶。

　　現在已經有許多關于Mg及其合金的樣品的制備方法。傳統的方法是，首先使用金相砂紙進行濕磨，從粗到細砂紙逐步磨削，從 P280 到 P1200, 甚至磨到更細的金相砂紙砂紙。一些金相操作員在砂紙上涂抹固體石蠟，減小金相砂紙砂紙顆粒嵌入樣品的現象。這種方法簡單可行。 嵌入的SiC顆粒一般不會觀察到，似乎在金相砂紙上沒有必要涂抹固體石蠟。水可以沖走磨掉的SiC顆粒并減小金相砂紙與樣品摩擦產生的熱量，接下來幾個粗拋光和細拋光步驟，使用2種或更多種粒度的金相拋光劑，在這些過程中必須使用水溶性或酒精基的冷卻液。在樣品制備過程中，最終拋光總是存在問題，使用MgO拋光劑很難得到高質量的樣品表面，MgO拋光劑的粒度是1μm,對于最終拋光有點粗。 MgO可以與水混合成懸浮拋光劑，但是最好避免使用水。氧化鋁可以作為最終拋光劑使用，

　　而且氧化鋁拋光劑粒度可以小到0.05um。也可采購氧化鋁粉或者已經配制好的拋光液，但是它是水基的。也可以使用水基的氧化鋁拋光液添加一點肥皂和酒精或乙二醇。我曾經使用過二氧化硅拋光液，對于純Mg是可以的，但是對于Mg合金有腐蝕作用。在每步磨光步驟之間必須用水清洗樣品，但是在最終拋光步驟不要使用水清洗樣品，要使用酒精或其他溶劑。

樣品制備試驗

　　在實驗室我們已經開發了許多種關于Mg及其合金樣品的機械拋光的方法。這些方法可以廣泛的適用于鑄造和鍛造樣品的制備，從一開始的純Mg的樣品制備延伸至常用Mg合金的樣品制備。首先, 嘗試使用一、二步的 金相砂紙 然后使用一系列9um、3um 、1um金相拋光劑(人造多晶金剛石)。 使用無絨毛的絲綢拋光布可以得到很好效果，有絨毛的拋光布會導致嚴重的浮凸和像脫落或拖尾現象產生，所以避免使用有絨毛的拋光布。使用水基的金剛石拋光劑可以得到很好的結果，如果在拋光過程中避免使用水而采用油基的金剛石研磨膏（人造單晶金剛石）效果更佳。目前還沒有證據顯示使用水基的金剛石拋光液會對顯微組織產生腐蝕。若是使用油基金剛石研磨膏和拋光潤滑劑樣品表面更好，劃痕更少且更淺。經過試驗評價，最終拋光步驟使用絨毛長度中等的人工合成的真絲金絲絨拋光布和無絨毛的絲綢拋光布都是可以的，較軟的絲綢拋光布控制劃痕更好些，使用真絲金絲絨拋光布控制樣品表面平整度（浮凸）更好些。但是，如果不存在浮凸問題兩種拋光布都行，使用絲綢拋光布效果會稍好點。這是因為二氧化硅拋光液對于Mg合金有腐蝕作用（對于純Mg較好），其他拋光液也可以，圖1 所示：精煉純Mg (99.8% Mg)中的機械孿晶，最終拋光液使用二氧化硅拋光液，樣品沒有受到高pH值的二氧化硅拋光液的侵蝕。氧化鋁通常要經過煅燒過程，但是在這些氧化鋁的顆粒中包含一定程度的結晶的顆粒。最近已經開發了細顆粒的凝膠態的氧化鋁拋光液。凝膠態的氧化鋁拋光液其顆粒平均尺寸為0.05μm，這種產品的拋光效果不錯。另外一種膠狀的氧化鋁、二氧化硅、水、石油蒸餾物和丙二醇的混合液, 其效果也很好。

　　本文將主要討論兩種常用壓鑄Mg合金 AM60 (6%Al –0.15% Mn) 和 AZ91D (9% Al – 0.7% Zn – 0.15%Mn)。 對于薄壁的 AZ91D HP (高壓) 模鑄件, 兩種具有輕微的腐蝕作用拋光液拋光3分鐘，不需要侵蝕就可以觀察AM60零件，對于較厚AZ91D零件只需輕微侵蝕。制備方法參見表 1。使用油基的金剛石拋光液后一定要用酒精或者其他的穩定溶劑清洗樣品（使用自動拋光機的樣品卡持器也要清洗）在使用每道金剛石拋光步驟之后,要用酒精棉球擦拭樣品表面，用水快速清洗，然后向樣品表面噴灑酒精，最后用熱風干燥樣品。使用水清洗樣品時間要盡可能短。最后拋光后也需要使用這種方法進行清洗或使用丙三醇酒精溶液清洗樣品。不使用水的清洗過程非常不方便，但是把樣品用水沖一秒鐘，然后清洗會更容易些，而且也不會傷害到顯微組織。當擦拭侵蝕時可以使用化妝用棉球。如果必要的話，最終拋光步驟之后再采用短時的振動拋光。時間過長樣品將被腐蝕。各種常用的侵蝕劑列于表2 。所有的侵蝕劑都用于沉浸侵蝕。HF酸的水溶液應該被儲存在聚乙烯的燒杯里，否則玻璃可能被腐蝕。

　　對于稀土Mg合金和Mg-Th合金使用乙二醇侵蝕劑最好。用偏振光+靈敏色片觀察時，醋酸——苦味酸酒精溶液（在不同文獻中有點差異）作為著色劑。而對于經過固溶退火處理的樣品，使用磷酸——苦味酸酒精溶液顯示未溶解的第二相顆粒最好。使用這種方法可以使黑色的基體與未侵蝕的第二相有較高的對比度。乙二醇侵蝕劑和醋酸——乙二醇侵蝕劑可以達到相似的結果，但是后者只能輕微顯示晶粒邊界。醋酸——苦味酸酒精侵蝕劑也可以略微顯示晶粒邊界。這三種侵蝕劑都能顯示塊狀的Mg17Al12 相邊界。HF水溶液作為侵蝕劑可以優先侵蝕大的塊狀相組分使其變黑。在Mg合金中可以觀測到孔洞存在，其形成有以下幾種原因。壓鑄合金由于在鑄造過程中帶入空氣而形成一定數量的氣孔，采用真空鑄造可以減少氣孔。鑄造合金中的空洞是由于在凝固過程中氣體的析出和熔化的合金不能及時補充而造成的縮孔。固溶退火過程中可能會發生共晶熔化。在這種情況下，通常觀察在孔洞周圍的塊狀Mg17Al12組織，而不是觀察樣品的其他位置。這些塊狀相是否具有不同的形態，這取決于合金中是否含有Zn元素。如果合金中不含Zn元素，這些塊狀相與Mg形成共晶體。但是如果合金中含有Zn元素，就可以在基體組織上觀察到分散分布的顆粒狀的離異共晶體。更進一步，這些塊狀相以連續和不連續兩種方式沉淀析出。時效溫度大約在200 °C 時，這些塊狀相的沉淀析出以Widmanstätten模式連續析出。當時效溫度較低，在晶界上Al的含量較高的相將以不連續的板條的形式優先析出。Mg-Al-Zn 合金中, 塊狀相被認為是Mg32(Al,Zn)49。 10%HF 水溶液可以使一般的塊狀相變黑，但是對于以Zn為主的塊狀相卻不行。稀土（RE）元素在Mg中的溶解度較低，而且容易在晶界處析出。圖 2a 和 b 所示 2.5% RE – 2.11%Zn – 0.64% Zr 合金的鑄態顯微組織，侵蝕劑：醋酸-乙二醇試劑和醋酸-苦味酸試劑。注意：前者顯示晶界處的薄片狀RE比后者要好。基體上的氧化膜也被顯示出來。這些氧化膜是在凝固過程中形成的，隨后被保留在基體組織中。

　　圖 4 所示為 AZ91D HP 合金壓鑄樣品在1μm金剛石拋光步驟后的情況。氣孔（大的圓洞）和縮孔（不規則的狹長孔洞）通常在鑄件上會看到。1μm 金剛石拋光步驟后, 其表面非常平坦; 沒有任何樣品制備缺陷, 如彗星拖尾、脫落和塑性流變現象。與同向旋轉相比反向旋轉材料去除率更大，對于硬

　　質顆粒更容易產生彗星拖尾和嚴重的浮凸現象，如果上述現象出現，使用同向旋轉重復最后一步，可以消除這種現象，在最后拋光之后僅僅有幾道非常細的劃痕存在。圖 5 和6 所示AZ91D 和 AM60 HP合金壓鑄件樣品的最終拋光后的表面狀態，拋光液使用的是氧化鋁拋光液，樣品未侵蝕。能清晰的顯示孔洞，沒有任何缺陷，僅僅有幾條淺劃痕存在。觀察整個樣品，有幾個小孔洞呈線性排列，但是這種情況并不多。圖7所示，樣品上的機械孿晶，使用乙酸-苦味酸酒精溶液作為侵蝕劑最好。圖8 到12所示，兩種合金使用表2 中的五種侵蝕劑，侵蝕后的顯微組織。這些照片清晰的顯示AZ91D合金含量高其顯微組織更復雜。由于AZ91D合金中Al含量高，所以比AM60合金其成分偏析更嚴重并包含更多的塊狀Mg17Al12 相，而且會有更多更細小的沉淀析出相。

結論：

　　Mg合金的金相樣品制備非常難，若想顯示真實的顯微組織，制備過程的每個步驟都必須認真對待。 切割過程一定不能產生過大的損傷層，磨光過程盡可能磨到最細的SiC砂紙，這樣可以在合理的時間內去除切割產生的損傷層。油基的金剛石研磨膏比水基的拋光效果稍好。二氧化硅拋光液可用于純Mg的最終拋光，但是對于Mg合金有腐蝕作用。最終拋光使用氧化鋁懸浮拋光液和氧化鋁和二氧化硅混合拋光液能得到令人滿意的效果。幾種常用的侵蝕劑可以顯示不同的顯微組織。但是僅使用其中的一種侵蝕劑 (乙二醇、乙酸-乙二醇或者乙酸-苦味酸酒精侵蝕劑)可能是不夠的。