馮 赟，楊園園，滕新營＊

（濟(jì)南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022）

在節(jié)能減排的大背景下，鎂合金作為目前可應(yīng)用的最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，因其密度低(約為鋼的1/4，鋁的3/5)、比強(qiáng)度高、澆注性好、阻尼能力高等特點(diǎn)，在汽車、飛機(jī)和航空航天等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景[1，2]。迄今為止，由鎂合金制成的大多數(shù)結(jié)構(gòu)件都是通過高壓壓鑄生產(chǎn)的。然而，鑄造鎂合金存在鑄造缺陷等固有缺陷，限制了鑄造構(gòu)件的廣泛使用。近年來，人們越來越多地致力于研究和應(yīng)用具有優(yōu)于鑄態(tài)鎂合金力學(xué)性能的加工鎂合金。

近年來，研究開發(fā)的Mg-RE 合金具有顯著的時效硬化響應(yīng)和優(yōu)秀的力學(xué)性能。然而，自然資源的高成本和稀缺性使得大量使用稀土元素作為主要溶質(zhì)添加劑在商業(yè)生產(chǎn)中是不可現(xiàn)實的。在該領(lǐng)域內(nèi)，迫切的需要開發(fā)具有較好的可擠壓性和良好的機(jī)械性能的低成本稀土擠壓鎂合金。

本文在TX32 的基礎(chǔ)上分別添加0.1%的Mn，采用常規(guī)的熱擠壓工藝制備了Mg-3Sn-2Ca 和Mg-3Sn-2Ca-0.1Mn（分別標(biāo)記為TX32 和TXM3201）兩種合金，在400℃下對兩種合金正擠壓，對比分析Mn 對正擠壓Mg-3Sn-2Ca 合金的組織和拉伸性能的影響。

1 實驗

采用坩堝電阻爐熔煉，熔煉和澆鑄過程全程采用SF6和CO2氣體保護(hù)。爐溫升至680℃后，先加入純鎂(99.90 wt%)，待純鎂熔化后依次加入Sn(99.99 wt%)，Mg-Ca 中間合金(25wt%)和Mg-Mn 中間合金(10wt%)。爐溫升至720℃，穩(wěn)定后攪拌3 次。攪拌完，靜置20 分鐘，最后將熔體澆鑄到預(yù)熱到250℃的鑄鐵模具（Ф100mm）中制得鑄錠。

將鑄錠在500℃下均質(zhì)熱處理24h，水淬。擠壓前，在電阻爐中對直徑100mm、長度290mm 的坯料在400℃下預(yù)熱0.5h。在400℃下進(jìn)行正擠壓，擠壓比為25，沖壓速度為0.5mm/s。鑄態(tài)和擠壓態(tài)金相試樣直接從對應(yīng)棒材截取，研磨拋光后腐蝕。鑄態(tài)合金金相腐蝕液為4%硝酸酒精，擠壓態(tài)合金金相腐蝕采用電解腐蝕，腐蝕液組成為20%高氯酸和80%酒精，電解條件為電壓20V 和零下30 度。

采用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM,FEIQUANTA FEG250)觀察了試樣的微觀結(jié)構(gòu)。采用長度為70mm、寬度為5mm 的狗骨片試件進(jìn)行拉伸試驗。試樣在擠壓棒材沿擠壓方向進(jìn)行線切割取樣加工，在應(yīng)變速率為10-3 s-1 的條件下進(jìn)行了拉伸性能測試。采用透射電子顯微鏡(TEM,JEM-2100F)表征了納米析出相。

2 結(jié)果與分析

2.1 Mg-3Sn-2Ca-xMn（x=0,0.1）合金的力學(xué)性能

圖1 擠壓態(tài)TX32 和TXM3201 合金的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖1 為擠壓態(tài)TX32 和TXM3201 合金的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。兩種合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率也在圖中給出。TX32 合金的屈服強(qiáng)度、極限拉伸強(qiáng)度和延伸率分 別 為137Mpa、178Mpa 和10.24%。TXM3201 的 屈 服強(qiáng)度、極限拉伸強(qiáng)度和延伸率分別為219Mpa、218Mpa和8.44%。從圖1 還可以看出，TX32 合金雖然屈服強(qiáng)度較低，但表現(xiàn)出了較強(qiáng)的加工硬化能力和優(yōu)異的塑性。僅添加0.1 wt.%Mn 元素，TXM3201 合金的屈服強(qiáng)度就提高了82MPa，且只犧牲了較小的塑性。

2.2 微量Mn 元素對合金組織的影響

圖2 (a,c)鑄態(tài)TX32 合金的SEM 圖像；(b,e)鑄態(tài)TXM3201 合金的SEM 圖像；(e-g)與圖1(c,d)第二相對應(yīng)的SEM-EDS

圖2（a，c）為鑄態(tài)TX32 合金的微觀組織形貌圖。觀察圖2（a）和（c），可以發(fā)現(xiàn)鑄態(tài)TX32 合金的晶界上存在大量且連續(xù)的共晶相，同時分布著少量的亮白色且不規(guī)則的塊狀析出相。如圖2（e，f）所示，分別對共晶相和塊狀相進(jìn)行EDS 分析。結(jié)果表明共晶相主要含有Mg、Ca 兩種元素，因此確定其為Mg2Ca 相。而塊狀相主要含有Mg、Ca、Sn 三種元素，可以確定塊狀相為CaMgSn 三元相。圖2（b，d）為鑄態(tài)TXM3205 合金的微觀組織形貌圖。對比TX32和TXM3201 合金的微觀組織形貌圖，可以發(fā)現(xiàn)僅添加0.1 wt.%Mn 元素，TXM3201 合金中Mg2Ca 相基本消失，主要析出相形貌為灰色羽毛狀。觀察圖2（b）和（d），可以發(fā)現(xiàn)鑄態(tài)TXM3201 合金同樣存在少量的亮白色且不規(guī)則的塊狀CaMgSn 相。如圖1（g）所示，對TXM3201 合金中的灰色析出相進(jìn)行EDS 分析。結(jié)果表明，灰色析出相同樣主要含有Mg、Sn、Ca 三種元素，因此推斷其同樣為CaMgSn三元相。這可能是因為Mn 元素添加，提供了更多的形核位點(diǎn)，促進(jìn)了CaMgSn 相的析出。CaMgSn 相的凝固形成過程消耗了大量Ca 元素，抑制了Mg2Ca 相的析出。

圖3（a，b）為擠壓態(tài)TX32 合金和擠壓態(tài)TXM3201合金的金相圖。觀察圖3（a）和（b），擠壓態(tài)合金動態(tài)再結(jié)晶比較充分，合金的晶粒尺寸分布十分均勻。采用Nano Measurer 軟件和截線法測量了擠壓態(tài)TX32 合金和擠壓態(tài)態(tài)TXM3201 合金的晶粒尺寸。擠壓態(tài)TX32 合金和擠壓態(tài)TXM3201 合金的平均晶粒尺寸分別為13.15μm 和10.56μm。這應(yīng)該是因為微量Mn 元素的添加，促進(jìn)了大量CaMgSn 相的析出，抑制了動態(tài)再結(jié)晶晶粒的長大。圖3（c，d）為擠壓態(tài)TX32 合金和擠壓態(tài)態(tài)TXM3201 合金的沿擠壓方向的SEM 圖。從圖中可以看到，鑄態(tài)合金中存在的CaMgSn 相在熱擠壓過程中均發(fā)生了破碎，從而造成了CaMgSn 相的細(xì)化和均勻分布，沿擠壓方向呈現(xiàn)流線型分布的規(guī)律。由于較小的晶粒尺寸和更多的第二相顆粒，擠壓態(tài)TXM3201 合金表現(xiàn)出了更高的屈服強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度。但由于第二相顆粒大量析出，使得擠壓態(tài)TXM3201 合金的延伸率略有下降。

圖3 (a,c)鑄態(tài)TX32 合金的OM 像和SEM 像；(b,e)鑄態(tài)TXM3201 合金的OM 像和SEM 像；ED 和RD 分別表示擠壓方向和徑向方向

為了進(jìn)一步研究合金中存在的CaMgSn 相，進(jìn)行了TEM 測試。觀察發(fā)現(xiàn)，這種合金相內(nèi)部表現(xiàn)出顆粒狀的微觀結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出灰色相包裹黑色顆粒的結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步的研究該相的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，采用了選區(qū)電子衍射（SAED）的測試手段。結(jié)合圖2 分析，由于CaMgSn 三元相由眾多的納米相顆粒組成，微量的元素添加就可以改變CaMgSn 三元相中的元素分布，調(diào)整Sn 和Ca 元素在第二相中的比例，進(jìn)而改變CaMgSn 三元相的組織形貌。

3 結(jié)論

（1）鑄態(tài)TX32合金組織由α-Mg基體、共晶Mg2Ca相和CaMgSn相組成。鑄態(tài)TXM3101合金組織由α-Mg基體和CaMgSn 相組成。0.1wt.%的Mn 元素就可以極大的促進(jìn)CaMgSn相的析出，并改變CaMgSn三元相的組織形貌。

（2）微量Mn 元素的添加，細(xì)化了擠壓態(tài)合金的晶粒并促進(jìn)了第二相的析出。相比較于TX32 合金，TXM3201 合金的屈服強(qiáng)度提高了82MPa。TXM3201 合金的屈服強(qiáng)度、極限拉伸強(qiáng)度和延伸率分別為219Mpa、218Mpa 和8.44%。

（3）通過TEM 和SAED 分析可知，CaMgSn 三元相內(nèi)部由眾多的納米相組成。