Al、Zn含量對鑄態(tài)Mg-5%(wt)Sn合金組織性能的影響

田樹科，劉學軍

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Al、Zn含量對鑄態(tài)Mg-5%(wt)Sn合金組織性能的影響

田樹科，劉學軍

（河南機電高等?？茖W校 汽車工程系，河南 新鄉(xiāng) 453003）

通過金相觀察、掃描電鏡、XRD分析以及硬度測試，研究添加2%~3%(wt)Al、1%~2%(wt)Zn對鑄態(tài)Mg-5%(wt)Sn組織與性能的影響。實驗結(jié)果表明：在Mg-5%(wt)Sn合金中，凝固組織主要由α-Mg、Mg2Sn相組成，添加合金Al、Zn后，會形成少量β-Mg17Al12和t-Mg32(Al,Zn)49相。Al、Zn均對合金的性能有提高的作用，其中Al更為明顯。

α-Mg；微觀組織；Mg2Sn

鎂合金具有很多優(yōu)點，比如強度高、密度低等，在未來有著巨大的發(fā)展?jié)摿1]。稀土元素可以提高鎂合金性能，但是，稀土元素價格昂貴，直接限制了Mg-RE系合金的發(fā)展[2-4]。近年來，研究發(fā)現(xiàn)，Sn元素具有可以在鎂合金中替代RE元素的潛力。Mg與Sn可以形成金屬間化合物Mg2Sn，Mg2Sn具有以下優(yōu)點：形成能為24.46 kJ/mol[5]，熔點為770℃，G/B為0.78，泊松比n為0.19[6]。

1 試驗方法

以純鎂和純錫為原料，制備Mg-5%(wt)Sn中間合金；以Mg-5%(wt)Sn合金為基礎合金，添加Al和Zn制備Mg-Sn-Al-Zn合金，其成分如表1所示，其中4種合金成分分別用TAZ521、TAZ522，TAZ531、TAZ532表示。

表1 Mg-Sn-Al-Zn合金成分

合金采用氣體保護熔煉重力鑄造方法制備，其中，熔煉爐采用電阻爐，坩堝采用低碳鋼材質(zhì)，鑄型采用碳鋼材質(zhì)。澆注冷卻后得到合金鑄件為圓棒形狀，其尺寸為30mm′10 mm，對4種成分的樣品分別取樣。

在金相制樣過程中，金相腐蝕液采用硝酸酒精，濃度為2%；金相分析在MA500GBD型金相顯微鏡上進行；物相分析在D8ADVANCE-X型射線衍射儀上進行；電鏡掃描在JSM-6700F型掃描電鏡上進行；EDS分析在TN-5400I型能譜儀上進行；硬度測試在BBRVD-187.5型硬度計上進行。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 合金的組織

在Mg-Sn合金中，Sn一方面會固溶于α-Mg中，另一方面會與鎂元素形成Mg2Sn金屬間化合物，其空間群為Fm-3m[5]。

圖1是中間合金Mg-5Sn的鑄態(tài)金相組織?？梢杂^察到，合金的凝固組織主要為樹枝狀的α-Mg和沿枝晶晶間分布的Mg2Sn相。在實驗過程中，合金溶液澆注到碳鋼鑄型中，由于碳鋼的傳熱系數(shù)比較高，合金凝固快，凝固過程會產(chǎn)生溶質(zhì)富集。因此，凝固組織中不會出現(xiàn)典型的共晶(α-Mg＋α-Mg固溶體和枝晶晶間顆粒狀彌散分布的Mg2Sn相)組織。

圖2是Mg-5Sn合金的X射線衍射圖，通過對鑄態(tài)Mg-5Sn合金進行物相分析，可以推斷出Mg-Sn合金的基本組成相為α-Mg與Mg2Sn。

圖1 鑄態(tài)Mg-5Sn合金組織

圖2 鑄態(tài)Mg-5Sn合金的XRD圖譜

圖3是合金TAZ521、TAZ531和TAZ532的凝固組織。圖中，α-Mg以樹枝晶的形式存在，其他相以Mg2Sn為主，在樹枝晶晶間以網(wǎng)狀分布形式存在。與Mg-5Sn合金(圖1)相比，樹枝晶晶間的組織含量增加，樹枝晶尺寸變小。在合金TAZ521和TAZ531中，Al含量由2 %提高至3 %，枝晶晶間共晶組織含量沒有變化，而枝晶的尺寸略有變化，可見Al對合金組織形貌的影響并不大。在合金TAZ531和TAZ532中，Zn的含量由1%提高至2%，可以觀察到樹枝晶晶間的第二相的數(shù)目增加?？梢?，Zn對合金組織形貌的影響較大，有利于Mg2Sn相在晶間的析出。

圖4是合金TAZ532的微觀組織。圖4(d)中，有三種不同顏色的金屬間化合物，分別標記為I、II和III。分別對I、II和III區(qū)化合物進行EDS分析，其結(jié)果分別為； Mg含量為73.61 at.%，Sn含量為29.39 at.%；Mg、Al和Zn含量分別為66.20 at.%、26.47 at.%和7.33 at.%；Mg、Al和Zn含量分別為70.28 at.%、15.82 at.%和13.90 at.%。因此可以得出結(jié)論，I區(qū)化合物為Mg2Sn相，II區(qū)化合物為β-Mg17Al12相，III區(qū)化合物為t-Mg32(Al, Zn)49相?？梢灾苯佑^察到，Mg2Sn多呈塊狀，在樹枝晶晶間斷續(xù)分布。在二次枝晶臂間會析出少量的Mg2Sn顆粒。因此，在Mg-5Sn合金中添加Al和Zn，會形成Mg2Sn、β-Mg17Al12和t-Mg32(Al, Zn)49，與α-Mg組成共晶組織，在樹枝晶晶間呈網(wǎng)狀分布，形成離異共晶。

(a)TAZ521 (b)TAZ531 (c)TAZ532

在澆鑄過程中，鑄型的材質(zhì)為碳鋼，傳熱系數(shù)較大，鑄件可以迅速冷卻，這樣會導致成分偏析，在鑄件最后凝固區(qū)域出現(xiàn)溶質(zhì)富集，這是t-Mg32(Al, Zn)49相和β-Mg17Al12形成的原因。在圖4中，II區(qū)和III區(qū)就是鑄件最后凝固區(qū)域，導致溶質(zhì)Al和Zn富集，形成t-Mg32(Al, Zn)49和β-Mg17Al12。

本研究中Al含量為2%和3%，在合金中，Al的消耗有兩方面：首先，在形成t-Mg32(Al, Zn)49相消耗了部分Al元素；然后，Al在Mg會形成少量β-Mg17Al12相，由于t-Mg32(Al, Zn)49相耗費部分Al元素，因此形成的少量β-Mg17Al12相在枝晶間斷續(xù)分布。如果β-Mg17Al12相以斷續(xù)的形式分布，可以提高合金的性能；如果β-Mg17Al12以網(wǎng)狀分布的形式分布，不利于合金的高溫性能。

(a) (b)合金TAZ532的金相組織 (c) (d) 合金TAZ532的能譜分析位置

2.2 合金的力學性能

Mg-Sn-Al-Zn合金的布氏硬度如表2所示。

表2 鑄態(tài)Mg-Sn-Al-Zn合金硬度

Al的含量為2%，Zn的含量由1%提高至2%，合金的平均硬度由46.22提高至48，提高了3.8%；Al的含量為3%，Zn的含量由1%提高至2%，合金的平均硬度由49.30提高至52.74，硬度提高了6.9%。Zn的含量為1%，Al的含量由2%提高至3%，合金的平均硬度由46.22提高至49.30，提高了6.7%；Zn的含量為2%，Al的含量由2%提高至3%，合金的平均硬度由48提高至52.74，提高了9.9%；因此Mg-5Sn-3Al-2Zn合金的硬度最佳。Al的含量對于合金的硬度的作用更為明顯。因此，考慮到要提高合金的力學性能，可以適當提高Al含量，但是不要出現(xiàn)網(wǎng)狀β-Mg17Al12。

3 結(jié)論

鑄態(tài)TAZ521、TAZ522、TAZ531和TAZ532合金主要由α-Mg、Mg2Sn相組成，在枝晶晶間存在β-Mg17Al12和t-Mg32(Al, Zn)49相，呈斷續(xù)分布。分別將Al含量由2%提高至3%、Zn含量有1%提高至2%，合金的硬度均得到提高，其中Al較為明顯。

（責任編輯呂春紅）

[1] 張磊.Mg-6Al-3Sn鎂合金變形行為及襯板軋制組織與力學性能[D].吉林大學,2015.

[2] 徐永東,稀土鎂合金組織和性能研究[D].天津大學,2012.

[3] 關明,郝維新,樊建鋒.Mg-Y-Ce稀土阻燃鎂合金的高溫氧化行為研究[J].材料科學與工藝,2010,39(8).

[4] Ming LI, Hai HAO, Aimin ZHANG, Yingde SONG, Xingguo ZHANG. Effects of Nd on microstructure and mechanical properties of as-cast Mg-8Li-3Al alloy[J].Journal of Rare Earths,2012(5).

[5] 周惦武,徐少華,張福全,等.Sn合金化MgZn2相及Mg2Sn相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的第一原理研究[J].中國有色金屬學報,2010,20(5).

[6] 柯江靈.Mg2X(X=Si,Ge,Sn,Pb)理想強度的第一性研究[D].長沙:湘潭大學,2011.

Effects of Al、Zn Addition on the Microstructure and Mechanical Properties of Cast Mg-5%(wt)Sn Alloy

TIAN Shu-ke，et al

(Department of Automotive Engineering, Henan Mechanical and Electrical Engineering College, Xinxiang 453003, China)

A cast Mg-Sn-Al-Zn alloys were developed by adding 2~3 %(wt) Al、1~2 %(wt) Zn into a Mg-5Sn base alloy. The microstructures and mechanical properties of the prepared as cast Mg-Sn-Al-Zn alloys were studied through compositional adjustments of Al and Zn. The microstructural observation was on an optical microscopy and SEM with EDS which was used to check the composition of phase.X-ray diffraction (XRD) was used to identify the phase consisting. Hardness was analyzed on a BBRVD-187.5 hardness tester. The results shown that a Mg-5Sn alloy was composed of α-Mg and Mg2Sn. After adding Al and Zn, there was small part of β-Mg17Al12andt-Mg32(Al, Zn)49phases dispersed at grain boundaries and in between dendritic arms. The isolated β-Mg17Al12 andt-Mg32(Al, Zn)49phases were not in network form due to the limited quantities. Increasing Al and Zn can also increase the hardness of the alloy, and the increase is more effective with Al alloying.

α-Mg; microstructure; Mg2Sn

TG146.2

A

1008–2093(2016)02–0006–03

2016-02-10

田樹科（1986―），男，河南安陽人，助教，碩士，主要從事凝固技術、理論及新材料研究。