Mg_xCa_5Zn_3Al_0_2Mn镁合金砂型铸造组织和力学性能研究

第35卷第2期稀有金属材料与工程Vol.35,No.22006年2月RAREMETALMATERIALSANDENGINEERINGFebruary2006收到初稿日期：2005-06-09；收到修改稿日期：2005-10-28基金项目：国家重大基础研究项目（“973”）（G2000067202）作者简介：杨光昱，男，1967年生，高级工程师，博士研究生，西北工业大学材料学院，电话：[phone]，E-mail:[e-mail]-xCa-5Zn-3Al-0.2Mn镁合金砂型铸造组织和力学性能研究杨光昱，介万奇，郝启堂(西北工业大学，陕西西安710071)摘要：研究发现，Mg-5Zn-3Al-0.2Mn合金的砂型铸造组织相组成为δ-Mg基体和τ(Mg32(Al,Zn)49)化合物。在343℃固溶17h后淬火，合金组织完全转变为固溶体，力学性能昀佳，σb=245MPa，δ=12%。合金中加入xCa后，组织发生变化。当x=0.43%(质量分数)时，相组成为δ-Mg+Mg-Zn-Al-Ca复杂化合物相。当x=0.95%和1.80%时，相组成为Mg-Zn-Al-Ca相+δ-Mg+Al2Ca。随着x增加，铸态合金室温力学性能呈下降趋势。加Ca合金在350℃固溶17h后淬火，室温力学性能有所提高，而o250bσ和o2502.0σ则随x增加而稳步提高。关键词：组织；力学性能；铸造镁合金；高温强度；固溶处理中图法分类号：TG146.4文献标识码：A文章编号：1002-185X(2006)02-0217-061前言镁合金结构件受到材料界和工业界的推崇,被誉为节能环保材料，在汽车、航空航天、电子等领域得到越来越广泛的应用[1~3]。然而，现有的镁合金品类非常有限，现在昀常用的铸造镁合金依然是AZ91和AZ81。虽然它们具有良好的综合性能，但工作温度超过120℃时，则不宜用作结构件[4,5]。因此，寻求具有良好耐热性能、铸造性能和低成本合金成为铸造镁合金研发的重点[6~8]。Mg-Zn-Al系合金被认为是一种非常有前景的镁合金系。但截至目前，人们在这方面进行的研究非常有限。近期看到的报道只有美国IMRA开发的适于压铸和半固态铸造的ZAC8506合金，该合金生产成本低、高温强度和抗蠕变性能良好[9]。在航空航天及汽车行业的重要结构件生产中，砂型铸件由于能够热处理强化，所以一直占有不可替代的地位。因此，本研究试图从Mg-Zn-Al三元相图中的高Zn低Al侧入手，探讨高Zn低Al侧合金的砂型铸造组织和力学性能。研究发现[3,6,8]，在Mg-Al基铸造镁合金中加入与Mg的亲和力比Mg，Al间亲和力更强的元素，如Ca，Sr，RE等，就能抑制Mg17Al12的形成（以获得新的热稳定性更高的晶间第二相如Al2Ca，AlxMgySrz等）来钉扎晶界，从而提高合金的耐热性。本试验试图在研究Mg-5Zn-3Al-0.2Mn砂型铸造合金组织和性能的基础上，通过添加Ca元素来进一步观察Ca对该合金组织和高温力学性能的影响。2实验本试验合金的熔炼在12kg电阻坩锅炉中进行。合金成分范围为：Zn(4.8%~5.5%)，Al(2.6%~3.5%)，Mn(0.15%~0.25%)，Fe(0.016%)，Mg余量。熔炼在RJ-3熔剂保护下进行。Zn，Al以纯金属（99.99%）的形式加入。合金完全熔化后，用铝箔将煤油擦净的预定量纯Ca（99.9%）包好，并用钟罩压入镁液。合金精炼完成后，静置8min，然后在745℃下分别浇铸成标称尺寸为φ10mm×50mm的金相试样，φ12mm×55mm的标准砂型拉伸试棒。各炉次试验合金的成分化验结果见表1。表1各炉次试验合金的成分化验结果(ω/%)Table1ChemicalcompositionofexperimentalalloysAlloyNo.CaZnAlMnFeMg1-5.323.270.180.013Bal.20.435.203.230.240.015Bal.30.955.033.180.210.012Bal.41.805.213.200.230.015Bal.·218·稀有金属材料与工程第35卷试验合金室温力学性能的测试在CSS1220型电子万能拉力试验机上进行，每组测试3根试样，结果采用其平均值。高温瞬时力学性能的测试在Instron1195高温性能试验机上进行，试样在250℃下保温时间20min后进行拉伸试验，每组测两根，结果取其平均值。金相试样用3%（质量分数，下同）的硝酸酒精溶液腐蚀。显微组织观察采用XJL-02型光学显微镜和LEO1455VP型扫描电子显微镜（SEM）。微区成分分析采用OxfordInca型能量色散谱仪（EDS）。合金组成相分析采用X射线衍射（XRD，CuKα）和微区成分分析相结合的方法进行。X射线衍射仪型号为D/MAX2400。合金相变点测定采用DSC方法在DSC-2910示差量热分析仪上进行。合金成分分析采用电感耦合等离子体发射光谱（ICP）分析方法。试验合金热处理在箱式炉中进行，温区均匀性为±5℃。3结果与讨论3.1Mg-xCa-5Zn-3Al-0.2Mn合金的微观组织变化和分析图1是砂型铸造试验合金的微观组织照片。由图1可以清楚地看出，随着Ca含量的增加，其组织中第二相数量递增。表2是试验合金的平均晶粒尺寸。从图2可以看出，随着Ca含量的增加，合金晶粒明显趋于细化。图1试验合金的典型微观组织照片Fig1Microstructuresofexperimentalalloys(a)No.1,(b)No.2,(c)No.3,and(d)No.4表2试验合金的平均晶粒尺寸（割线法测定）Table2MeangrainsizesofexperimentalalloysAlloyNo.1234Grainsize/µm161153123106分别对1号至4号合金进行了DSC分析，结果见图2。可以看出，1号和2号合金由两相组成，而3号和4号合金由三相组成。对1号合金的XRD分析见图3。表明，该合金的主要相组成为：δ-Mg基体和τ(Mg32(Al,Zn)49)相。τ相分布在δ-Mg晶界上，呈相边界极不规则的半连续网状。对2号合金进行了EDS分析，结果见图4。可以看到，基体相不含Ca。a,b,c处的第二相成分相近，图21号至4号合金的DSC曲线Fig.2DSCcurvesofsampleNo.1,No.2,No.3andNo.4abcd50150250350450Temperature/℃HeatFolw/W·g-1No.1No.2No.3No.4356.8400.3491.56407.8423.6409.3498.57第2期杨光昱等：Mg-xCa-5Zn-3Al-0.2Mn镁合金砂型铸造组织和力学性能研究·219·图31号合金的XRD图谱Fig.3XRDpatternofsampleNo.1含3.71at%~5.33at%的Ca和37at.%左右的Zn。结合文献[9]分析认为，合金组织中a，b，c处的第二相应为Mg-Zn-Al-Ca复杂金属间化合物相。由图2可知其熔点约为400.3℃。EDSanalysisresultsofsampleNo.2Composition/at%TestpointsMgZnAlCaPrimaryphase97.171.171.760.00Pointa26.2337.9431.514.23Pointb24.6238.3733.303.71Pointc26.5236.3631.795.33图42号合金的SEM照片及EDS分析结果Fig.4SEMphotoandEDSanalysisresultsofsampleNo.24号合金的EDS和XRD分析结果见图5和图6。3号合金的分析结果与4号相近，予以省略。由图5可以看出，4号合金组织中的第二相有3种形态：粒状，棒状和层状。EDS分析发现，粒状和棒状的成分大致相同，含Ca量范围在8at.%左右。结合文献[9]，认为该合金相为Mg-Zn-Al-Ca化合物相，其熔点约为423.6℃。根据XRD和DSC分析，可以确定合金组织中有Al2Ca相，其形态如图5中b点所示。EDSanalysisresultsofalloyNo.4Composition/at%TestpointsMgZnAlCaPrimaryphase96.881.171.950.00Pointa24.6437.1629.768.44Pointb52.173.4930.4813.86Pointc25.7638.5727.747.93图54号合金的SEM照片及EDS分析结果Fig.5SEMphotoandEDSanalysisresultsofalloyNo.4图64号合金的XRD图谱Fig.6XRDspectrumofsampleNo.43号合金的相标定结果见图7。主要相组成为：Al2Ca，Mg-Zn-Al-Ca和δ-Mg基体。其中，白亮的棒状形态为Al2Ca。而粒状和骨骼状的为Mg-Zn-Al-Ca相。EDS分析表明，其组织中Mg-Zn-Al-Ca相的含Ca量为6at%~7at.%，其熔点为407.8℃。综合分析发现，随着含Ca量增加，合金组织中Mg-Zn-Al-Ca相的含Ca量递增，而且相熔点在逐步提高。这说明Ca在MgxZnyAlz相中存在一个溶解度区间。当Ca量达到一个阀值后，合金组织中开始出现第3相Al2Ca。同时说明Ca的加入，抑制了τ相析出，代之形成了热稳定性更高的Mg-Zn-Al-Ca相或/和Al2Ca相。Johnson确立的溶质晶粒细化理论认为[10~12]，偏204060802θ/(°)Intensity/a.u.δ(Mg)Mg32(Al,Zn)49204060802θ/(°)Intensity/a.u.δ-MgMg-Zn-Al-CaphaseAl2Ca·220·稀有金属材料与工程第35卷析倾向大的溶质和有效的形核质点是晶粒细化不可少的两因素。溶质偏析使生长晶粒的液固表面前沿产生成分过冷区，从而阻碍了晶粒生长，并提供了激活成分过冷区内形核质点的驱动力。图73号合金的相形态照片Fig.7MorphologiesofdifferentphaseinalloyNo.3溶质元素的作用可以用生长抑制因子(GrowthRestrictionFactor,GRF)来表示[11]：∑−=IijikcmGRF)1(,0（2）式中，mi为二元相图中液相线斜率，c0,j为溶质元素原始含量，ki是溶质分凝因数。表3是根据二元相图确定的镁合金中Zr，Ca，Sr等溶质元素的生长抑制系数m(k–1)。由表3可以看到，与Sr，Ce，Y元素相比，Zr，Ca的GRF值较高，所以Ca的晶粒细化作用较强。这在其它镁合金如AZ91，AS21,AS41中都得到了验证[12]。表3镁合金中Zr，Ca，Sr，Ce，Y等溶质元素的m,k及生长抑制系数m(k–1)[10]Table3Growthrestrictionparameterm(k–1)foralloyingelementZr,Ca,Sr,Ce,Yinmagnesium[10]Elementsmikim(k–1)SystemZr6.96.5538.29PeritecticCa–12.670.0511.94EutecticSr–3.530.0063.51EutecticCe–2.860.042.74EutecticY–3.400.51.70Eutectic3.2试验合金的固溶处理和组织变化Mg-Zn-Al系合金具有较强的固溶强化效果，因此对1号至4号试验合金拉力试棒进行了固溶处理。根据图2的DSC分析曲线可知，1号合金的固相线温度约为356.8℃。由此制定了两种固溶温度，分别为343℃，350℃。而2号、3号和4号合金的固相线温度分别为400.3℃，407.8℃和423.6℃。考虑到实验的可比性，将这3种合金固溶温度都定为350℃。考虑到镁合金原子扩散能力弱，第二相的充分溶解需较长时间，则将保温时间定为