李萬東,劉雅聰,孫楊鋒,劉榮偉
(承德石油高等??茖W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(wěn)定性,近年來逐漸被關注。Mg-Sn合金中具有形成穩(wěn)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(tài)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(tài)Mg-Sn合金可以通過添加Sr、Ca、Zr等合金元素達到優(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(fā)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。
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(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
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(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,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(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的添加可以明顯細化晶粒尺寸,當Ca含量超過2%時,繼續(xù)增加Ca含量晶粒細化效果不再發(fā)生顯著變化。
表2和圖4為不同Ca含量的Mg-8Sn合金的力學性能結(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度均呈現(xiàn)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(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(jù) 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(shù)
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(xù)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(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。
(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。