Ca和Sn對(duì)提升機(jī)控制手柄用Mg-Al-Zn-Si合金性能的影響

趙瑞峰， 安 琴， 張清正， 張 永， 石桂林， 李 峰

（山西新富升機(jī)器制造有限公司，山西 太原 030032）

鎂及鎂合金是迄今為止在工業(yè)中應(yīng)用最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料。和其他金屬相比，鎂及鎂合金有很多優(yōu)越的工藝特點(diǎn)及性能特點(diǎn)。例如，其密度小，是所有結(jié)構(gòu)金屬中密度最小的一種；熔點(diǎn)低，容易進(jìn)行熱成形，而且能耗較低；用作結(jié)構(gòu)件時(shí)，具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、減震和抗沖擊性能好、易切削加工、不易老化等優(yōu)點(diǎn)；有良好的導(dǎo)熱性，無(wú)磁性，電磁屏蔽能力強(qiáng)，在受到?jīng)_擊和摩擦?xí)r不會(huì)產(chǎn)生火花，陽(yáng)極氧化著色能力強(qiáng)。鑒于這些特點(diǎn)，鎂及鎂合金廣泛應(yīng)用于冶金工業(yè)、交通運(yùn)輸領(lǐng)域、3C產(chǎn)品、電化學(xué)、醫(yī)藥等行業(yè)。鎂及鎂合金的特點(diǎn)可滿(mǎn)足于許多高科技領(lǐng)域?qū)p質(zhì)材料吸噪、減震、防輻射的要求，明顯降低了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)質(zhì)量[1-3]。本文擬將鎂合金用于代替不銹鋼材料來(lái)制備提升機(jī)的電控手柄，以減輕零件的質(zhì)量，提高手柄操作的靈活性。但用鎂合金制備手柄的要求是，材料須具有足夠的抗拉強(qiáng)度及良好的韌性，同時(shí)還要具有一定的耐環(huán)境腐蝕性能，即并不是所有鎂合金均可用于制造這種零件。目前不少新近開(kāi)發(fā)的鎂合金，具有良好力學(xué)性能[4-6]，本文擬在此基礎(chǔ)上，研究合金元素Ca，Sn對(duì)提升機(jī)電控手柄用Mg-Al-Zn-Si合金（適用于電控手柄的新的合金體系）的抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率及腐蝕速率的影響。

1 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)選取Mg-Al-Zn-Si合金，其中Al的含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為4%，Si的含量為0.5%，Zn的含量為1%，Ca的含量為0.5%～1.5%，Sn的含量為0.5 %～4.5%。此外還加入少量其他元素，如Pb。生產(chǎn)時(shí)將配好的純Mg塊、純Pb塊、純Zn塊、純Al塊及Al-Si中間合金塊置于電阻坩堝爐中，升溫至710～730 ℃熔化。在該溫度范圍保溫10 min之后，再根據(jù)配方加入Al-Ca中間合金及純Sn片。繼續(xù)保溫一段時(shí)間后，將熔融的合金液澆入金屬模具中，待冷卻后即得到合金樣件。熔煉在SF6氣體保護(hù)下進(jìn)行。圖1為用于測(cè)試?yán)鞆?qiáng)度后的合金試樣。試驗(yàn)合金的組織觀(guān)察采用光學(xué)顯微鏡及掃描電子顯微鏡（SEM）。鹽霧腐蝕試驗(yàn)的鹽溶液采用化學(xué)純氯化鈉和蒸餾水配制，氯化鈉的體積分?jǐn)?shù)為5%。鹽霧試驗(yàn)溫度為35 ℃時(shí)，溶液的pH=7。鹽霧腐蝕試驗(yàn)的時(shí)間為48 h。

圖1 拉伸試樣Fig.1 Tensile sample

2 結(jié)果和討論

圖2為含Ca及Sn的Mg-Al-Zn-Si合金的顯微組織。由圖2可以看出，含4.5%Sn，1.0%Ca的合金的晶粒相比含2.5%Sn，0.5%Ca的合金晶粒要細(xì)小得多，組織致密。圖3為鎂合金的能譜分析。從圖3中可以看出，在鎂合金中，除含有基體金屬M(fèi)g之外，元素組成還有 Sn，Zn，Ca，Al等。

圖2 鎂合金的顯微組織Fig.2 Microstructures of magnesium alloys

圖3 鎂合金的能譜圖Fig.3 EDS spectra of magnesium alloy

圖4 為SEM下試驗(yàn)合金拉伸斷口照片。從圖4中可以看出，斷口組織由大量的韌窩構(gòu)成，呈現(xiàn)明顯的韌窩特征，但是也有少量的解理平面。韌窩斷裂屬于一種高能吸收過(guò)程的延性斷裂，表明鎂合金在外力作用下變形時(shí)，位錯(cuò)滑移機(jī)制起主導(dǎo)作用。在拉伸時(shí)，由于外力增大，使材料基體與分布在基體中的細(xì)小化合物產(chǎn)生微小的分離，即形成微孔。微孔構(gòu)成裂紋萌生的核，在外力繼續(xù)作用下，多個(gè)空洞聚集，從而引發(fā)韌窩斷裂。但是，在斷口的部分區(qū)域，由于所受應(yīng)力復(fù)雜，當(dāng)位錯(cuò)在此區(qū)域難以繼續(xù)滑移以適應(yīng)整體材料的塑性變形時(shí)，便會(huì)在應(yīng)力集中處形成裂紋，這種裂紋容易沿著一定的結(jié)晶面斷裂，呈現(xiàn)出準(zhǔn)解理斷裂特征[4-5]。

圖4 拉伸斷口的SEM圖Fig.4 SEM image of tensile fracture

圖5 為試驗(yàn)合金的力學(xué)性能隨合金成分的變化曲線(xiàn)。從圖5中可以看出，鎂合金中Sn含量的提高，有助于合金抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的提高。但是，當(dāng)Sn含量高于2.5%以后，含1.0%Ca的合金的伸長(zhǎng)率出現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì)。在Sn含量高于4.5%以后，合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，都呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)。此外，由圖5還可以看出，Ca的加入，對(duì)合金的力學(xué)性能有大的提升作用。但是，相比含1.0%Ca的合金，含1.5%Ca的合金的力學(xué)性能有所降低。在本試驗(yàn)合金體系的成分范圍內(nèi)，鑄態(tài)合金的室溫伸長(zhǎng)率可以達(dá)到 12%，抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到225 MPa?？梢钥闯?，由于 Al，Zn，Sn，Ca 元素的共同作用，使本試驗(yàn)中的鎂合金的伸長(zhǎng)率比AZ91鎂合金（伸長(zhǎng)率為6%～7%）增加了約1倍。

圖6為試驗(yàn)用鎂合金中合金元素與腐蝕率的關(guān)系。從圖6中可以看出，Sn和Ca可以提高M(jìn)g-Al-Zn-Si合金的耐腐蝕能力。但是，當(dāng)合金元素含量超過(guò)一定值，如Sn含量高于4.5%及Ca含量高于1.0%時(shí)，合金的耐腐蝕能力都會(huì)降低。由Mg-Ca及Mg-Sn二元合金相圖看，鎂合金中會(huì)出現(xiàn)Mg2Ca及Mg2Sn之類(lèi)的化合物。再根據(jù)Mg-Zn-Ca，Mg-Si-Ca三元合金相圖可知，合金中會(huì)出現(xiàn)CaMgSi，CaMgZn等三元化合物。此外，Sn和Ca還可以形成高熔點(diǎn)的Ca2Sn化合物。Ca，Sn與Mg等其他元素形成的化合物，彌散分布在合金基體中。如圖2所示，并沒(méi)有看到在合金基體中有明顯的大塊狀化合物出現(xiàn)。但從圖2中可以看出，在本合金體系條件下，提高Ca的含量，合金的組織更加致密，晶粒更加細(xì)小。說(shuō)明Ca有明顯的細(xì)化晶粒的作用，Ca的這種作用，與其生成的化合物在合金結(jié)晶時(shí)被排斥到液固界面前沿產(chǎn)生富集有關(guān)。這些化合物可以阻止合金中其他元素的擴(kuò)散，使作為溶劑的Mg中的溶質(zhì)元素Al，Zn的分配系數(shù)k減小，結(jié)果使二次枝晶間距變小，晶粒得到細(xì)化。Ca的這種細(xì)化作用，使合金組織更加致密、均勻，減少了由于組織不均勻造成的電極電位差而引起的電化學(xué)腐蝕傾向。

圖5 鎂合金的力學(xué)性能Fig.5 Mechanical properties of magnesium alloys

此外，由Ca及其他元素所形成的化合物可在 鎂合金中起增強(qiáng)增韌作用。根據(jù)Mg-Ca二元合金相圖可知，Ca幾乎不溶于Mg，因此Ca沒(méi)有固溶強(qiáng)化的作用。但是含Ca的化合物可以起到彌散強(qiáng)化合金的作用。在外力作用下試樣被拉伸時(shí)，由于合金中的含Ca化合物不能隨基體進(jìn)行連續(xù)變形，引起位錯(cuò)塞積，因此強(qiáng)化了合金。但是當(dāng)外力超過(guò)材料與化合物的結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，這些化合物會(huì)與基體在結(jié)合界面處形成微孔。隨著應(yīng)力增加，微孔不斷長(zhǎng)大，相互吞并，使微孔形成的裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，導(dǎo)致材料縮頸和斷裂[6]。這就是圖4中合金拉伸斷口呈現(xiàn)較多韌窩的原因。

圖6 鎂合金的腐蝕速率Fig.6 Corrosion rate of magnesium alloys

由圖5還可以看出，在本試驗(yàn)合金體系中，提高Sn的含量，合金的力學(xué)性能有較大的提高。由Mg-Sn二元合金相圖可知，Sn有固溶強(qiáng)化的作用。文獻(xiàn)[7]研究了Sn在鎂合金中的作用：Sn能改變鎂合金的鑄態(tài)組織形貌，使粗大的網(wǎng)狀Mg17Al12相破碎為斷網(wǎng)狀，并且Sn在合金基體上均勻分布，有效地細(xì)化了晶粒。

由圖5中的力學(xué)性能曲線(xiàn)可以看出，試驗(yàn)合金中加入4.5%Sn及1.0%Ca時(shí)，力學(xué)性能最優(yōu)。繼續(xù)增加Sn，Ca，合金的力學(xué)性能不再明顯提高；當(dāng)Sn，Ca含量達(dá)一定值后，試驗(yàn)合金的力學(xué)性能反而降低。其原因是，Sn，Ca過(guò)多，所形成的 Sn，Ca化合物也增多。這些化合物多為脆性化合物，因此會(huì)嚴(yán)重降低合金的的塑性和強(qiáng)度。此外，過(guò)多的化合物會(huì)發(fā)生聚集，因而會(huì)破壞合金組織的均勻性。因此，也會(huì)造成合金的耐腐蝕性能的下降。所以，無(wú)論從合金的力學(xué)性能角度，還是從合金的耐腐蝕能力方面，限制第二相化合物的數(shù)量都是非常必要的。

3 結(jié) 論

（1）在 Mg-Al-Zn-Si合金體系中，加入 4.5%Sn和1.0%Ca，可以得到最好的抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率及腐蝕速率的組合。在本試驗(yàn)成分范圍內(nèi)，合金的室溫伸長(zhǎng)率可達(dá)12%，抗拉強(qiáng)度可達(dá)225 MPa。完全滿(mǎn)足提升機(jī)電控手柄的力學(xué)性能及耐腐蝕性能的要求。

（2）合金綜合性能提高的主要原因來(lái)自Mg2Ca，Mg2Sn，Ca2Sn及一些多元化合物的彌散強(qiáng)化及晶粒細(xì)化作用。