汽車發動機用AX55-xSn合金的熱處理與蠕變性能

王 瑞 張麗鳳 王社則 羅 峰

(1.山西交通職業技術學院，山西 太原 030031；2.太原理工大學，山西 太原 030024)

為汽車提供動力的汽車發動機的優劣直接決定著汽車的動力性、經濟性、穩定性和環保性，無論是柴油發動機、汽油發動機還是電動汽車電動機等，輕量化都是其重要的發展方向[1]。鎂合金是密度最小的結構材料，由于具有比強度高、散熱性好以及良好的抗阻尼性能等，在汽車、航空航天和3C等領域應用廣泛[2]。然而，應用于汽車動力系統中的耐熱鎂合金，除需要有良好的比強度和剛性等外，還需要有良好的抗高溫蠕變性能，以滿足其長期在高溫下服役的特性[3]。雖然采用高壓壓鑄等特殊工藝以及添加昂貴稀土微合金化的方法能夠在一定程度上提高鎂合金的抗高溫蠕變性能，但也存在工藝復雜、生產成本較高等問題[4-5]。為了開發出成本低、抗高溫蠕變性能優良的汽車動力系統用耐熱鎂合金，本文研究了添加Sn元素以及后續固溶和時效處理對AX55合金顯微組織和蠕變性能的影響，以期為高性能耐熱鎂合金的開發與應用提供參考。

1 試驗材料與方法

試驗以純Mg(99.98%，質量分數，下同)、純Al(99.99%)、純Sn(99.99%)和Mg-30%Ca中間合金為原料，在井式電阻爐中熔煉了4種不同成分的Mg-5Al-5Ca-xSn合金，經鐵模澆鑄成φ150 mm×200 mm的鑄錠，采用電感耦合等離子發射光譜法測得合金的主要化學成分如表1所示。

表1 Mg-5Al-5Ca-xSn合金的主要化學成分(質量分數)

合金鑄錠經過切頭、銑面后在Nabertherm LV 15/11/P330型熱處理爐中進行兩種方式的固溶和時效處理：(1)雙級固溶+時效(工藝A)，360 ℃×28 h固溶+490 ℃×15 h固溶+190 ℃×24 h時效；(2)單級固溶+時效(工藝B)，490 ℃×24 h固溶+190 ℃×72 h時效。合金固溶后水冷、時效后隨爐冷卻。

采用帕納科Empyrean銳影智能X射線衍射儀對合金進行物相分析；從合金同一部位截取金相試樣，經過機械打磨、拋光和4%(體積分數)硝酸酒精溶液腐蝕后，在日立S-4800型掃描電鏡上進行觀察，并用Epsilon-3XL能譜儀對微區成分進行分析；顯微硬度采用wilson VH1150維氏硬度計測量，試驗力為0.49 N、保載時間為15 s；采用線切割法從鑄錠心部截取24 mm×6 mm×3 mm片狀試樣，在GWT1203·3型高溫蠕變持久試驗機上進行蠕變試驗，蠕變條件設定為175 ℃/65 MPa，蠕變時間為100 h。

2 結果及討論

2.1 XRD物相分析

圖1為鑄態AX55-xSn合金的X射線衍射分析結果。可見，未添加Sn的AZ55合金的物相主要為α-Mg、Al2Ca和(Mg,Al)2Ca相，其中后兩種物相的高溫熱穩定性較好；添加0.5%～1.5%Sn后，AX55-xSn合金中除α-Mg、Al2Ca和(Mg,Al)2Ca相外，還出現了CaMgSn相，但未出現Mg2Sn相的衍射峰，這主要是因為當Sn/Ca質量比小于3時，合金中Mg2Sn相的析出會被抑制而形成含Sn的CaMgSn相，這種含Sn相的尺寸、大小和分布對合金的蠕變性能有重要影響[6]。

圖1 鑄態AX55-xSn合金的XRD圖譜

2.2 顯微組織

圖2為雙級固溶+時效態AX55-xSn合金的SEM形貌。可見不同Sn含量AX55-xSn合金中都存在魚骨狀或長條狀析出相，且在Sn的質量分數為0.5%～1.5%時，合金中還出現了短棒狀析出相。能譜分析表明，魚骨狀初生相主要含有Mg、Al和Ca元素，晶內大致平行的長條狀析出相主要含有Al和Ca元素，短棒狀析出相主要含有Mg、Sn和Ca元素。結合上述XRD圖譜和文獻[7]可知，這種網狀分布的魚骨狀析出相主要為(Mg,Al)2Ca，長條狀析出相為Al2Ca，短棒狀析出相為CaMgSn。此外，AX55-1.5Sn合金中CaMgSn相含量明顯多于其他成分合金，這主要與合金中Sn含量有關。

圖3為單級固溶+時效態AX55-xSn合金的SEM形貌。可見不同Sn含量AX55-xSn合金中魚骨狀相的形貌與雙級固溶+時效態合金中的相似，短棒狀CaMgSn相在Sn的質量分數為1.0%和1.5%的合金中較多，而在Sn的質量分數為0.5%的合金中較少。此外，通過對比圖2和圖3可知，單級固溶+時效態合金中長條狀和短棒狀析出相的數量要多于相同Sn含量雙級固溶+時效態合金，且前者析出相的平均尺寸更小，更有利于提高合金的強度和抗高溫蠕變性能[8]。

圖2 雙級固溶+時效態AX55-xSn合金的SEM組織

2.3 顯微硬度

圖4為雙級固溶+時效和單級固溶+時效態AX55-xSn合金的維氏硬度測量結果。對比可見，隨著Sn含量的增加，兩種熱處理態AX55-xSn合金的顯微硬度均逐漸升高，且在相同Sn含量下，單級固溶+時效態AX55-xSn合金的顯微硬度要高于雙級固溶+時效態合金，最高可達124.62 HV0.05。這主要是因為Sn的加入除可以起固溶強化作用外，還會形成CaMgSn相而起第二相強化作用[9]，且單級固溶+時效態合金中強化相Al2Ca的數量更多，CaMgSn相的尺寸更小、分布更彌散，第二相強化作用更顯著，這些熱穩定性高的第二相在承受高溫載荷作用時可以抑制裂紋萌生[10]，有利于提高合金的抗高溫蠕變性能。

圖4 固溶+時效態AX55-xSn合金的顯微硬度

2.4 蠕變性能

圖5為雙級固溶+時效和單級固溶+時效態AX55-xSn合金在175 ℃/65 MPa條件下蠕變100 h的蠕變時間-應力曲線。兩種熱處理態AX55-xSn合金的蠕變曲線都較平滑，且在蠕變100 h范圍內可見初始蠕變(隨蠕變時間延長，應變逐漸增加且增加速度減緩)和穩態蠕變(隨蠕變時間延長，應變勻速增加)特征[11]；隨著Sn含量的增加，相同蠕變時間下AX55-xSn合金的應變減小。

圖5 固溶+時效態AX55-xSn合金的蠕變時間-應力曲線

對蠕變100 h時的雙級固溶+時效和單級固溶+時效態AX55-xSn合金的總蠕變量和最小蠕變速率進行統計，結果如表2所示。對于未添加Sn的AX55合金，雙級固溶+時效和單級固溶+時效態合金的總蠕變量分別為0.090%和0.087%，最小蠕變速率分別為7.25×10-8和6.76×10-8s-1；添加0～1.5%Sn后，隨著Sn含量的增加，AX55-xSn合金的總蠕變量和最小蠕變速率均逐漸減小；雙級固溶+時效和單級固溶+時效態AX55-1.5Sn合金的總蠕變量分別為0.075 52%和0.065 47%，最小蠕變速率分別為5.63×10-8和5.22×10-8s-1。可見，在相同Sn含量下，單級固溶+時效態AX55-xSn合金的總蠕變量和最小蠕變速率都更小，說明其蠕變性能更好，且Sn的添加有助于提升AX55合金的抗高溫蠕變性能。對比近年來應用性能較好的汽車發動機用耐熱鎂合金的蠕變性能可知，MRI230D和Mg-4Al-2RE-2Ca合金在175 ℃/65 MPa條件下蠕變100 h時的蠕變速率分別為4.92×10-8和2.77×10-7s-1[12]，可見，AX55-1.5Sn合金的蠕變性能略低于MRI230D合金，這可能是因為MRI230D合金采用了高壓壓鑄成型獲得了較細的組織。而AX55-1.5Sn合金的蠕變性能明顯高于Mg-4Al-2RE-2Ca合金，更適宜于在汽車動力系統中應用。

表2 固溶+時效態AZ55-xSn合金蠕變100 h的結果

圖6為單級固溶+時效態AX55-xSn合金蠕變100 h后的SEM形貌。可見AX55-xSn合金基體中都存在長條狀Al2Ca相，且隨著Sn含量的增加，基體中Al2Ca相的數量逐漸增加。此外，AX55-1.5Sn合金基體中還可見明顯的短棒狀CaMgSn相，而AX55-0.5Sn合金中由于Sn含量較低，僅出現了少量CaMgSn相。經175 ℃/65 MPa蠕變100 h后，未添加Sn的AX55合金中可見少量主要沿骨架相擴展并穿過基體的長裂紋，裂紋附近部分魚骨狀析出相脫落，此時的高溫蠕變斷裂失效機制為沿晶斷裂；添加0.5%Sn合金中的裂紋長度明顯小于AX55合金，且裂紋主要沿魚骨狀析出相擴展，基體中未發現裂紋貫穿現象，表明基體的強度較高；當Sn的質量分數增加至1.0%和1.5%時，合金中均未發現裂紋，只在局部可見由于析出相脫落而形成的微孔，說明合金的抗高溫蠕變性能增強。此外，基體中長條狀Al2Ca相的數量明顯增多，且在魚骨狀析出相附近可見明顯的短棒狀CaMgSn相，并在CaMgSn相與魚骨狀析出相結合處出現了脫落現象，這主要是由于高溫蠕變過程中析出相結合處存在應力集中所致[13]。以上結果表明，AX55-1.5Sn合金的抗高溫蠕變性能最佳，這主要是因為在高溫下合金中魚骨狀(Mg,Al)2Ca相和短棒狀CaMgSn相可以較好地阻礙位錯運動，并且較多的Al2Ca相可以提高基體的強度并抑制裂紋產生。AX55-1.5Sn合金經蠕變100 h后雖存在少量因析出相應力集中而形成的微孔，進而影響蠕變性能，但可以通過后續的熱處理等手段調節析出相的形態和分布[14]，從而改善AX55-1.5Sn合金的抗高溫蠕變性能。

圖6 單級固溶+時效態AZ55-xSn合金蠕變100 h后的SEM組織

3 結論

(1)未添加Sn的AX55合金的物相組成主要為α-Mg、Al2Ca和(Mg,Al)2Ca相，添加0.5%～1.5%Sn后，AX55-xSn合金中除含α-Mg、Al2Ca和(Mg,Al)2Ca相外，還出現了CaMgSn相。

(2)隨著AX55-xSn合金中Sn含量的增加，雙級固溶+時效和單級固溶+時效態AX55-xSn合金的硬度均呈現逐漸升高的趨勢，且在相同Sn含量下，單級固溶+時效態AX55-xSn合金的顯微硬度高于雙級固溶+時效態AX55-xSn合金。

(3)隨著Sn含量的增加，AX55-xSn合金的總蠕變量和最小蠕變速率都逐漸減小；雙級固溶+時效和單級固溶+時效態AX55-1.5Sn合金的總蠕變量分別為0.075 52%和0.065 47%，最小蠕變速率分別為5.63和5.22×10-8s-1。AX55-1.5Sn合金的蠕變性能略低于高壓壓鑄成型MRI230D合金，而明顯高于Mg-4Al-2RE-2Ca合金，適用于制造汽車動力系統的零件。