Ca含量對Mg－8Sn合金組織與力學(xué)性能的影響

李萬東，劉雅聰，孫楊鋒，劉榮偉

（承德石油高等?？茖W(xué)校，河北 承德067000）

Mg－Sn合金由于其具有較高的強(qiáng)度和較好的熱穩(wěn)定性，近年來逐漸被關(guān)注。Mg－Sn合金中具有形成穩(wěn)定性較高的Mg2Sn相的特點(diǎn)［1］，但是Mg2Sn相偏析嚴(yán)重、尺寸粗大，限制了Mg－Sn合金強(qiáng)度的進(jìn)一步提升。為了進(jìn)一步改善Mg－Sn合金的組織與性能，不同Sn含量的鑄態(tài)Mg－Sn合金及其合金化影響成為研究熱點(diǎn)［1－3］，如典型的 Mg－3Sn和Mg－5Sn系列合金。

當(dāng)Mg－Sn合金中Sn含量達(dá)到10%時(shí)，抗拉強(qiáng)度、特別是伸長率降低，主要是因?yàn)榇执蟮腗g2Sn相形成［4］。鑄態(tài)Mg－Sn合金可以通過添加Sr、Ca、Zr等合金元素達(dá)到優(yōu)化Mg－Sn合金性能的目的［5］。研究表明，Ca添加到 Mg－5Sn合金中，合金的室溫拉伸強(qiáng)度和在200℃時(shí)的拉伸強(qiáng)度明顯提高［6］。不同Ca含量的Mg－Sn－Ca合金相組成不同，當(dāng)Ca含量較低時(shí)，相組成主要為Mg2Sn相及少量的CaMgSn相，Ca含量較高時(shí)合金相組成為Mg2Ca及 CaMgSn相［7－8］。

為了解決合金塑性降低及Mg2Sn相粗大的問題，得到細(xì)小均勻的CaMgSn和Mg2Sn第二相，充分發(fā)揮Sn、Ca元素在Mg合金中的強(qiáng)化作用。在Sn含量較高的Mg－8Sn合金中添加Ca元素，利用金相顯微鏡（OM）、掃描電鏡（SEM），X射線衍射（XRD）、萬能試驗(yàn)機(jī)等測試手段，分析Ca含量對Mg－8Sn合金組織和力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

以純鎂（99.99%），純錫（99.9%）及 Mg－25Ca中間合金為原料，通過金屬模鑄造加工成不同組分的試驗(yàn)合金毛坯，其化學(xué)成分及原料配比見表1，其中Mg和Ca在熔煉過程中損耗嚴(yán)重，增加5%余量。首先將金屬坩堝加熱到200℃，通入99%SF6＋1%CO2混合氣體作為保護(hù)氣氛，然后將烘干的純鎂原料放入到坩堝中保溫5分鐘后進(jìn)行升溫，升溫到680℃保溫15分鐘，純鎂熔化后先后加入Mg－25Ca中間合金及純錫，保溫10分鐘，進(jìn)行攪拌除渣，升溫至720℃保溫10分鐘，進(jìn)行第二次除渣。待降溫至650℃進(jìn)行澆鑄，模具為直徑60mm的圓柱低碳鋼。

合金試樣經(jīng)磨平、拋光、4%硝酸酒精溶液腐蝕后，采用金相顯微鏡 （OM）和掃描電子顯微鏡 （SEM）觀察樣品顯微組織，通過X射線衍射（XRD）及能譜（EDS）分析相組成。顯微硬度在顯微硬度計(jì)上使用1.98N力保持15s后獲得，測量10個(gè)靠近試樣中部點(diǎn)的顯微硬度值，分別去掉一個(gè)最大值和最小值，剩下的取平均值為該試樣的硬度值（HV）。壓縮性能利用萬能試驗(yàn)機(jī)測試，試樣尺寸為直徑4mm、高7.5mm的圓柱形試樣，初始壓縮速率為1×10－3／s，通過壓縮曲線分析獲得極限壓縮強(qiáng)度（UCS）、壓縮屈服強(qiáng)度（UYS）和壓縮塑性（CEL）。

表1 合金化學(xué)成分及原料配比

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 Ca含量對Mg－8Sn合金組織的影響

圖1顯示了不同Ca含量的Mg－8Sn鑄態(tài)合金的金相組織形貌。由圖1a可以看出，Mg－8Sn合金主要由淺色的Mg基體和深色的網(wǎng)狀晶界組織，在晶界上富集了第二相，結(jié)合XRD圖譜（見圖3）可以看出該合金中的第二相為Mg2Sn相。對比金相組織圖1（b－d）可以看出，當(dāng)合金中添加Ca以后，組織發(fā)生了明顯的變化，主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：

（1）晶界中粗大的Mg2Sn相隨著Ca含量的增加明顯減少，晶界細(xì)化。

（2）金相組織中出現(xiàn)了明顯的棒狀和針狀第二相，并且隨著Ca含量的增加，棒狀第二相尺寸增加。為了確定該棒狀第二相的組成，對其進(jìn)行了EDS及XRD分析，結(jié)果見圖2和圖3，可以確定該第二相為富集Ca、Sn元素的CaMgSn相。與Mg2Sn相分布不同的是CaMgSn相均勻分布在晶界與晶內(nèi)。

（3）隨著Ca含量的增加，晶粒尺寸明顯減小。

研究表明，Mg－Sn合金中CaMgSn相是在金屬熔煉的凝固過程中形成的，凝固過程中先穿過L1＋CaMgSn區(qū)，然后發(fā)生L2＋CaMgSn→ɑ－Mg＋CaMgSn反應(yīng)，最后在L3→ɑ－Mg＋CaMgSn＋Mg2Ca／Mg2Sn相 變 下 完 成 凝 固 過 程［9］，可 見，CaMgSn先于或者與晶界同時(shí)形成，所以使其分布在晶界和晶粒內(nèi)部。由于在CaMgSn相形成的過程中需要消耗Sn元素，所以隨著Ca的添加導(dǎo)致Mg2Sn相減少，由XRD結(jié)果（見圖3）也可以看出，隨著Ca含量的增加，Mg2Sn峰逐漸降低，而CaMgSn峰逐漸升高。另外，Ca元素是鎂合金優(yōu)良的孕育劑，孕育效果僅次于Zr元素，所以Ca的添加可以明顯細(xì)化晶粒尺寸，當(dāng)Ca含量超過2%時(shí)，繼續(xù)增加Ca含量晶粒細(xì)化效果不再發(fā)生顯著變化。

2.2 Ca含量對Mg－8Sn合金力學(xué)性能的影響

表2和圖4為不同Ca含量的Mg－8Sn合金的力學(xué)性能結(jié)果及對比。隨著Ca元素的添加，合金的顯微硬度及極限壓縮強(qiáng)度均呈現(xiàn)增加的趨勢，壓縮塑性呈下降趨勢。合金的強(qiáng)化原因是：（1）Ca元素的添加形成了分布在晶界和晶內(nèi)的棒狀和針狀CaMgSn相，第二相的增加在變形的過程中可以有效阻礙位錯(cuò)滑移，從而提高合金強(qiáng)度［3］；（2）由圖2可以看出，Ca元素除了用于形成CaMgSn中間相，還有一部分固溶于基體中，這部分Ca原子可以通過固溶強(qiáng)化效果提高合金強(qiáng)度［10］；（3）Ca元素的添加可明顯細(xì)化晶粒，根據(jù) Hall－Petch公式（σy＝σo＋Kd－1／2）可以得出，晶粒直徑減小，晶粒的強(qiáng)度明顯提高［11］。

圖1 不同Ca含量Mg－8Sn合金的金相組織

圖2 Mg－8Sn－1Ca合金的合金元素面分布組織

圖3 不同Ca含量Mg－8Sn合金的X射線衍射圖譜

表2 不同Ca含量合金的力學(xué)性能參數(shù)

圖4 Mg－8Sn－xCa（x＝0，1，2，3）合金的力學(xué)性能對比

進(jìn)一步分析可以得出，1%Ca元素添加后合金的強(qiáng)度明顯提高，極限壓縮強(qiáng)度由213MPa提高到249MPa，增比16.9%。當(dāng)Ca含量超過1%繼續(xù)增加時(shí)，合金的壓縮強(qiáng)度增幅較小，Ca含量由1%增加到2%時(shí)，合金屈服強(qiáng)度由249MPa提高到256 MPa，增加2.8%，Ca含量由2%增加到3%時(shí)，合金屈服強(qiáng)度由256MPa提高到262MPa，只增加2.3%，所以可以看出，當(dāng)Ca含量較高時(shí)，合金強(qiáng)化效果較小，同時(shí)Ca的繼續(xù)添加使得Mg－8Sn合金的塑性顯著下降，原因可能是粗大的CaMgSn相對于合金的塑性是不利的［7］。綜上，當(dāng)Mg－8Sn合金中Ca含量為1%時(shí)，合金的強(qiáng)度明顯提高，同時(shí)保證了較好的塑性。

3 結(jié)論

（1）Ca添加到Mg－8Sn合金中，形成了棒狀和針狀的CaMgSn相，并且隨著Ca含量的增加，CaMgSn相尺寸增加。

（2）Ca添加到Mg－8Sn合金中，使得合金的晶粒得到了明顯的細(xì)化。

（3）Mg－8Sn合金的強(qiáng)度隨著Ca元素的添加得到了顯著的提高。當(dāng)Ca含量為1%時(shí)，合金在強(qiáng)度明顯提高的情況下，仍保持較好的塑性。