Ca的不同加入量對AZ63鎂合金組織性能的影響

焦何生

（濟鋼集團有限公司，山東 濟南250101）

1 前言

近年來的研究發現，堿土元素（如Ca、Sr等）加入鎂合金具有細化組織，提高抗氧化性能和抗蠕變性能、提升力學性能等作用。堿土元素Ca加入Mg-Al基合金會在基體中形成熔點很高的含Ca的中間相，高溫下中間相不易分解，可有效地阻止晶界運動，進而使合金高溫下的力學性能和抗蠕變性能得到顯著改善。本文以AZ63為基礎合金，分別加入1.0%、1.5%、2.0%和2.5%的Ca進行對比得出對其微觀組織、物相和力學性能的影響，以找到堿土元素Ca加入量和鎂合金AZ63之間的科學匹配，為研發符合工業化規模生產需求的低成本耐熱鎂合金提供試驗依據。

2 試驗設計與方法

2.1 試驗材料和試驗方法

本試驗是以AZ63鎂合金為基體，通過熔煉，對鎂合金進行合金化，在AZ63鎂合金中添加不同的金屬Ca。為了便于比較不同的含Ca量對AZ63鎂合金顯微組織和力學性能的影響，設計了5組對比試驗，添加的Ca含量為編號a，無Ca；編號b，1.0%Ca；編號c，1.5%Ca；編號d，2.0%Ca；編號e，2.5%Ca。

2.2 鎂合金熔煉各種工具及材料

鎂合金生產中必須在熔煉之前準備好各項工作，在熔煉之前必須檢查熔煉爐和儀表的電器部分是否正常，重點要做好坩堝、模具和涂料3個方面的準備。一是坩堝的準備，在熔煉前必須檢查坩堝，清除熔渣及氧化皮后再檢查坩堝是否完好，如發現下述情況應予以報廢:坩堝外表有白色氧化皮或干燥劑；坩堝局部嚴重凹陷或壁厚減薄至原來的1/2；錘擊坩堝的聲音嘶啞。二是模具的準備，試驗采用的金屬型模具尺寸為:140 mm×120 mm×22 mm。三是涂料的準備，試驗采用鎂合金專用涂料，對防止鎂合金氧化、提高鑄件表面質量和增加合金熔體在型腔內的流動性具有顯著效果。

2.3 試樣的制備

本試驗用的坩堝電阻爐型號為SSG-12-16，電壓功率380 V/12 kW，額定溫度1 600℃，加熱室尺寸φ200×250。熔煉前先按成分設計進行配料，當熔煉溫度達到710℃左右，鎂合金充分熔化后，適時加入稱好的金屬鈣。在試樣制備過程中，一旦發現熔液露出燃燒時，應立即撒RJ-2熔劑，在此過程中應充分攪拌，以使成分均勻。澆注前將表層熔渣除去，澆注到預熱好（200℃）的模具中進行澆注，模具上均勻撒上硫磺粉。澆注完畢后，倒出剩余金屬液，鏟除坩堝殘渣，冷卻后在內外壁涂上涂料，試驗用TL-8涂料，烘干坩堝，以備用。

從鑄造好的AZ63合金切出大小合適的試樣，取樣位置是鑄錠試樣的表面和底部的中心位置（或靠近中心）。將切割的試樣在較粗的砂布上進行粗磨，將試樣磨出平面。試樣進行細磨主要是減少粗磨引起的表面形變層，分別用不同等級型號砂紙精細磨制試樣表面。將細拋好的試樣用水沖洗干凈，再用4%的硝酸酒精進行腐蝕，腐蝕好后迅速用水清洗，最后用酒精清洗。待吹風機吹干試樣后，用顯微鏡觀察顯微組織。

3 試驗結果及分析

3.1 鈣對AZ63合金鑄態組織的影響

從圖1所示的顯微組織可以看出，AZ63合金鑄態組織中除了α-Mg基體外，有少量的網狀β-Mg17Al12相。鈣加入到AZ63合金中后的微觀組織中能觀察到沿枝晶分布的層片狀Mg2Ca和細小的盤狀的Al2Ca，隨著Ca含量的增加，Mg2Ca體積分數增多，逐漸形成網狀分布。加入的Ca與Mg生成為Mg2Ca，β-Mg17Al12轉化為Al2Ca，β-Mg17Al12化合物逐漸減少，Mg2Ca和Al2Ca具有良好的熱穩定性，對晶界有釘扎作用，阻滯了位錯的攀移和滑移，大幅提高了鎂合金的高溫蠕變性能。隨著加入Ca含量的增加，鎂合金中的析出相Al2Ca數量增多，尺寸變大，并有偏聚、粗化的趨勢，故當加入2.0%Ca含量時，合金的鑄態組織較為理想。

圖1 不同含Ca量合金試樣的鑄態顯微組織

3.2 Ca對AZ63合金力學性能的影響分析

加入Ca后，合金元素主要通過細晶強化、固溶強化、彌散強化，提高了合金的強度和高溫蠕變性能，同時提高了合金的塑性。

3.2.1 Ca在AZ63鎂合金中的作用

往常規鎂合金系中添加Ca元素不僅可以提高鎂合金的氧化燃燒溫度，而且可細化鑄造組織，提高常溫力學性能，提升高溫蠕變性能。此外，適量的合金元素Ca能夠改善鎂合金的冶金質量。添加Ca的目的主要有兩點:一是在鑄造合金澆注前加入，來減輕金屬熔體和鑄件熱處理過程中的氧化；二是加大合金晶粒細化，提高合金高溫蠕變抗力，提高薄板的可軋制性，主要是因為Ca的加入促使鑄態樹枝晶組織向等軸晶組織轉變，并且Ca的加入產生新的第二相組織，溶解進入了β-Mg17Al12相中，提高了β相的熱穩定性。

3.2.2 析出相Al2Ca的彌散強化作用

在Mg-Al基鎂合金中加入Ca后形成與基體共格的高穩定性Al2Ca相，在晶界處形成熱穩定性很高的Mg2Ca、Al2Ca相，在高溫蠕變過程中，對晶界滑移起到有效的阻礙作用，阻止位錯滑移，同時抑制對高溫性能有害的Mg17Al12相的析出，從而顯著提高了合金的耐熱性能，有效提升了鎂合金的高溫抗蠕變性能。

3.2.3 加Ca對AZ63合金硬度的影響

對AZ63鎂合金以及在其中添加不同含鈣量的合金的鑄態組織的硬度進行測試，得到的硬度值如表1所示。從表1中可以看出，不加合金元素Ca的AZ63鎂合金和分別在AZ63鎂合金中添加1.0%Ca、1.5%Ca、2.0%Ca和2.5%Ca在鑄態的硬度值。隨著Ca含量的增加，合金的硬度值先增加，隨后減小，當Ca含量在2.0%左右時，硬度值最高。

4 結論

4.1 AZ63合金中加入Ca之后，可以細化鑄造組織，且合金的硬度顯著增加。這是因為Ca的加入明顯細化了合金的鑄態和時效組織，并促使鑄態樹枝晶組織向等軸晶組織轉變，并且Ca的加入產生新的第二相Al2Ca和Mg2Ca，消耗了合金中大量的Al，低熔點的β-Mg17Al12相在基體上沒有析出，從而提高了β相的熱穩定性。Al2Ca和Mg17Al12的熔點分別為1 079℃和437℃，在合金冷卻凝固過程中，Al2Ca先于Mg17Al12凝固，在凝固早期形成。首先形成的相一方面能夠阻止凝固和冷卻后期晶粒的長大，使AZ63合金細化，同時減少了Mg17Al12相的數量。另一方面，Ca是Mg的表面活性元素，在鎂合金凝固過程中易偏聚在凝固界面的前沿，阻礙了枝晶的長大，使合金的晶粒得到細化，同時促使沿晶界析出的共晶組織更趨彌散分布，這是析出相Al2Ca的彌散強化作用。

4.2 隨著AZ63合金中含Ca量的增加，其硬度值是先增加后減小，當Ca的含量在2.0%左右時，硬度值最高。