Ca含量對Mg－8Sn合金組織與力學性能的影響

李萬東，劉雅聰，孫楊鋒，劉榮偉

（承德石油高等專科學校，河北 承德067000）

Mg－Sn合金由于其具有較高的強度和較好的熱穩定性，近年來逐漸被關注。Mg－Sn合金中具有形成穩定性較高的Mg2Sn相的特點［1］，但是Mg2Sn相偏析嚴重、尺寸粗大，限制了Mg－Sn合金強度的進一步提升。為了進一步改善Mg－Sn合金的組織與性能，不同Sn含量的鑄態Mg－Sn合金及其合金化影響成為研究熱點［1－3］，如典型的 Mg－3Sn和Mg－5Sn系列合金。

當Mg－Sn合金中Sn含量達到10%時，抗拉強度、特別是伸長率降低，主要是因為粗大的Mg2Sn相形成［4］。鑄態Mg－Sn合金可以通過添加Sr、Ca、Zr等合金元素達到優化Mg－Sn合金性能的目的［5］。研究表明，Ca添加到 Mg－5Sn合金中，合金的室溫拉伸強度和在200℃時的拉伸強度明顯提高［6］。不同Ca含量的Mg－Sn－Ca合金相組成不同，當Ca含量較低時，相組成主要為Mg2Sn相及少量的CaMgSn相，Ca含量較高時合金相組成為Mg2Ca及 CaMgSn相［7－8］。

為了解決合金塑性降低及Mg2Sn相粗大的問題，得到細小均勻的CaMgSn和Mg2Sn第二相，充分發揮Sn、Ca元素在Mg合金中的強化作用。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）、萬能試驗機等測試手段，分析Ca含量對Mg－8Sn合金組織和力學性能的影響。

1 試驗材料及方法

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合金毛坯，其化學成分及原料配比見表1，其中Mg和Ca在熔煉過程中損耗嚴重，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，進行攪拌除渣，升溫至720℃保溫10分鐘，進行第二次除渣。待降溫至650℃進行澆鑄，模具為直徑60mm的圓柱低碳鋼。

合金試樣經磨平、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上使用1.98N力保持15s后獲得，測量10個靠近試樣中部點的顯微硬度值，分別去掉一個最大值和最小值，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機測試，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度（UCS）、壓縮屈服強度（UYS）和壓縮塑性（CEL）。

表1 合金化學成分及原料配比

2 試驗結果與分析

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基體和深色的網狀晶界組織，在晶界上富集了第二相，結合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，當合金中添加Ca以后，組織發生了明顯的變化，主要表現在三個方面：

（1）晶界中粗大的Mg2Sn相隨著Ca含量的增加明顯減少，晶界細化。

（2）金相組織中出現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，對其進行了EDS及XRD分析，結果見圖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。

（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，然后發生L2＋CaMgSn→ɑ－Mg＋CaMgSn反應，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形成，所以使其分布在晶界和晶粒內部。由于在CaMgSn相形成的過程中需要消耗Sn元素，所以隨著Ca的添加導致Mg2Sn相減少，由XRD結果（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的添加可以明顯細化晶粒尺寸，當Ca含量超過2%時，繼續增加Ca含量晶粒細化效果不再發生顯著變化。

2.2 Ca含量對Mg－8Sn合金力學性能的影響

表2和圖4為不同Ca含量的Mg－8Sn合金的力學性能結果及對比。隨著Ca元素的添加，合金的顯微硬度及極限壓縮強度均呈現增加的趨勢，壓縮塑性呈下降趨勢。合金的強化原因是：（1）Ca元素的添加形成了分布在晶界和晶內的棒狀和針狀CaMgSn相，第二相的增加在變形的過程中可以有效阻礙位錯滑移，從而提高合金強度［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化效果提高合金強度［10］；（3）Ca元素的添加可明顯細化晶粒，根據 Hall－Petch公式（σy＝σo＋Kd－1／2）可以得出，晶粒直徑減小，晶粒的強度明顯提高［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含量合金的力學性能參數

圖4 Mg－8Sn－xCa（x＝0，1，2，3）合金的力學性能對比

進一步分析可以得出，1%Ca元素添加后合金的強度明顯提高，極限壓縮強度由213MPa提高到249MPa，增比16.9%。當Ca含量超過1%繼續增加時，合金的壓縮強度增幅較小，Ca含量由1%增加到2%時，合金屈服強度由249MPa提高到256 MPa，增加2.8%，Ca含量由2%增加到3%時，合金屈服強度由256MPa提高到262MPa，只增加2.3%，所以可以看出，當Ca含量較高時，合金強化效果較小，同時Ca的繼續添加使得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Mg－8Sn合金中Ca含量為1%時，合金的強度明顯提高，同時保證了較好的塑性。

3 結論

（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化。

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