Sr对Mg－5Sn－5Zn铸造镁合金组织的影响

邱克强，刘 彬，尤俊华，任英磊

(沈阳工业大学 材料科学与工程学院，沈阳 110870)

Sr对Mg－5Sn－5Zn铸造镁合金组织的影响

邱克强，刘 彬，尤俊华，任英磊

(沈阳工业大学 材料科学与工程学院，沈阳 110870)

通过光学显微镜、扫描电镜和X射线衍射仪研究了Mg－5Sn－5Zn－xSr(x=0，0.5，1，2)4种铸造镁合金的显微组织和相组成.结果表明:在Mg－5Sn－5Zn合金中加入质量分数为0.5%～2%的Sr元素后，不但能够缩小α－Mg枝晶间距，而且还能形成三元相MgSnSr.随着Sr含量的增加，在晶界析出的Mg2Sn相减少，晶内的MgSnSr相增加。合金中的MgZn相与Mg2Sn相依附在一起，大多数的MgZn相以α－Mg+MgZn相的共晶方式存在.

Mg合金;显微组织;Sr含量;MgSnSr相

由于镁合金具有低密度，高比强度和比刚度，较好的阻尼减震、切削加工与热成型性能，被誉为“21世纪绿色结构材料”［1］.目前，各国学者一直致力于提高镁合金强度的研究.高稀土含量镁合金的强度一般为300～400 MPa，但是昂贵的稀土价格使其大多用于军工类产品，所以需要开发一种廉价的高强度镁合金［2］.与目前常用的Mg－Al、Mg－Zn等镁合金相比，Mg－Sn合金析出相Mg2Sn具有较高的熔点(771.5℃)，明显高于Mg17Al12(462℃)和MgZn(347℃)相的熔点.Sn在Mg中的饱和固溶度随温度下降快速减少，适合时效处理，使第二相Mg2Sn弥散析出，从而增加合金的强度［3～4］.研究表明:铸态Mg－Sn二元合金的微观组织主要由枝晶α－Mg相和第二相Mg2Sn相组成;并且随着Sn含量的增加，α－Mg相的第二枝间距减小，强度增加.在Sn含量(质量分数)达到5%时合金的抗拉强度最大，可达123MPa［5］.Zn作为镁合金两大主要合金化元素之一，其本身强化作用十分显著.Zn的强化效果作用来自两方面，一是固溶强化，二是化合物强化.在Mg－Al合金中加入质量分数为1%的锌，合金的综合性能明显提高.在有Sn固溶条件下，锌的固溶强化作用得到加强［6］.Sr也是镁合金中重要的合金化元素，在镁合金中加入一定量的Sr能够显著细化晶粒，提高合金的室温性能［7～8］.在Mg－Sn合金中加入Sr可以形成稳定的MgSnSr相，它对提高镁合金的高温下的抗拉强度具有显著的作用［9～11］.因此研究Mg－Sn－Zn－Sr合金可获得3种元素的综合强化效果.在没有Zn的情况下，Mg－5Sn－0.3Sr，Mg－5Sn－1Sr和Mg－5Sn－2Sr合金的室温抗拉强度分别达到165，160和140 MPa.其中弥散、细小的MgSnSr相阻碍位错和晶界滑移是提高合金强度的重要原因［12］.本文主要考察Sr含量对Mg－5Sn－5Zn合金的组织的影响.

1 实验方法

采用纯度大于99.99%的Mg、Sn、Zn、Sr按照成分Mg－5Sn－5Zn－xSr(x=0，0.5，1，2)配置4种合金，采用石墨坩埚、真空炉氩气保护条件制备合金.实际合金成分如表1所示.

表1 铸态合金的化学元素组成(质量分数)Table 1 Chemical compositions of as－cast alloys (mass fraction) %

铸态试样经过粗磨、细磨、抛光后，采用3%的硝酸乙醇溶液腐蚀.采用Olympus－BH－22金相显微镜和S－3400N型扫描电镜(带EDS)进行显微组织观察.利用岛津 XRD－7000衍射仪(XRD)进行物相分析.

2 结果与分析

图1(a)、(b)、(c)和(d)分别为Mg－5Sn－5Zn、Mg－5Sn－5Zn－0.5Sr、Mg－5Sn－5Zn－1Sr和Mg－5Sn－5Zn－2Sr合金XRD图谱.从图中可以看出，在Mg－5Sn－5Zn合金中，图谱中除α－Mg外，只有Mg2Sn、MgZn衍射峰，说明这种成分合金主要有α－Mg、Mg2Sn、MgZn相组成;在Mg－5Sn－5Zn合金中加入0.5% ～2%的Sr后，合金中形成了新相MgSnSr，Sr含量(质量分数)从0.5%增加到2%，MgSnSr的衍射峰强度增大，而Mg2Sn衍射峰强度却随着Sr含量增加而降低.这主要是由于Sr在Mg中的固溶度非常小，Sr元素加入合金中后主要以化合物MgSnSr的形式存在.因此加入Sr后形成MgSnSr相，消耗了合金中的一部分Sn，导致了Mg2Sn相的减少［12］.

图2为Mg－5Sn－5Zn－xSr(x=0，0.5，1，2)合金的铸态光学组织.图2(a)为Mg－5Sn－5Zn合金金相组织，从图中可以看出，合金中的相沿晶界析出，枝晶间距较宽，晶内无任何析出物.图2(b)为Mg－5Sn－5Zn－0.5Sr合金金相组织，与图2(a)合金组织形貌相比，枝晶间距变小，晶内开始析出少量点状的颗粒相.图2(c)为Mg－5Sn－5Zn－1Sr合金金相组织，合金中的枝晶间距也比图2(a)合金的要小，晶内的析出相增多并变大，有些开始变成短棒状.图2(d)为Mg－5Sn－5Zn－2Sr合金的组织，部分区域合金中枝晶间距变得很小，低于50 μm，沿晶界析出的相变得不连续，晶内的析出相一部分开始变成絮状.以上结果表明，加入Sr的作用有二:第一，合金的树枝晶间距减小，这说明Sr对树枝晶间距具有细化作用.第二，在晶粒内部析出点状、短棒状或絮状的新相，这将对合金的力学性能有重要影响.

图1 铸态Mg－5Sn－5Zn－xSr(x=0，0.5，1，2)合金的XRD图谱Fig.1 XRD patterns of Mg－5Sn－5Zn－xSr alloys (x=0(a)，x=0.5(b)，x=1(c) and x=2(d)respectively)

为了获得析出相的具体结构，采用SEM结合能谱分析对Mg－5Sn－5Zn－xSr(x=0，0.5，1，2)合金进行研究.图3为Mg－5Sn－5Zn－xSr (x=0，0.5，1，2)合金的SEM组织，表2为合金的EDS分析结果.图3(a)为Mg－5Sn－5Zn合金组织形貌，从图中可以看出，合金主要由两种相构成，根据XRD(图1)结合EDS能谱(表2)分析可知，在晶界处析出的白色的板状相为Mg2Sn.与Mg2Sn相依附在一起的组织为α－Mg+MgZn共晶相，在341℃时发生共晶反应:L→α－Mg+ MgZn.α－Mg+MgZn共晶相具体结构如图3(a)右上角插图所示，它具有类似珠光体的层片状组织.图3(b)为Mg－5Sn－5Zn－0.5Sr合金的形貌组织，从图3(b)中可以看出MgZn相结构与3(a)图不同，具有类似网状的结构，而非层片状，这是由于MgZn以单相而不是以共晶方式存在.晶内析出颗粒状的相，根据XRD(图1)结合EDS能谱(表2)分析可知为MgSnSr相.图3(c)为Mg－5Sn－5Zn－1Sr合金的形貌组织，与3(a)图和3 (b)图相比，图3(c)合金中晶界处的Mg2Sn相明显减少，晶内析出的颗粒状MgSnSr相增多并变大.图3(d)为Mg－5Sn－5Zn－2Sr合金的形貌组织，从图中可以看出，晶界处Mg2Sn相析出很少，晶内颗粒状MgSnSr继续增多，并且存在针状的MgSnSr相(图3(d)右上角).

图2铸态Mg－5Sn－5Zn－xSr(x=0，0.5，1，2)合金的铸态光学金相组织Fig.2 Microstructures of the as－cast Mg－5Sn－5Zn－xSr alloys(x=0(a)，x=0.5(b)，x=1(c)and x=2(d))

图3 铸态Mg－5Sn－5Zn－xSr(x=0，0.5，1，2)合金的铸态SEM组织Fig.3 SEM Microstructures of the as－cast Mg－Sn－Zn－Sr alloys(x=0(a)，x=0.5(b)，x=1(c)and x=2(d))

根据Mg－Sn二元相图［13］，在516℃时，Sn在Mg中的固溶度最大为14.85%，随着温度的降低，固溶度大幅度下降，室温时几乎为0.这种固溶度随温度下降而降低的规律，会使Sn原子以Mg2Sn的形式从过饱和α－Mg中析出.由Mg－Sr二元平衡相图可知［14］，Sr添加进 Mg中，形成Mg17Sr2和Mg38Sr9相，但是Sr添加进Mg－5Sn－5Zn合金中却没有形成这些相，这说明Sr不会在固液界面前沿大量富集，最后以Mg－Sr二元化合物的形式析出.由于Sr在Mg基体中的固溶度很低，所以Sr参与合金的凝固过程，起到限制晶粒生长的作用［9］，当Sr的质量分数超过1%后，MgSnSr以领先相的析出.有关Sr细化Mg－5Sn－ 5Zn合金枝晶间距的机制有待详细研究.

以上研究结果表明，在Mg－5Sn－5Zn－xSr (x=0，0.5，1，2)合金中，随着Sr含量的增加，在晶界析出的Mg2Sn相减少，晶内的MgSnSr相增加并增大，在含Sr的质量分数达到1%时，一部分MgSnSr相呈短棒状.在Mg－5Sn－5Zn－2Sr合金中一部分 MgSnSr相变成针状.合金中的MgZn相与Mg2Sn相依附在一起，大多数的MgZn相以α－Mg+MgZn相的共晶方式存在.在Mg－5Sn－5Zn－0.5Sr合金中的MgZn相不以共晶方式存在的原因还不清楚.是否是离异共晶组织，有待于进一步的研究.

表2 铸态合金元素EDS分析结果(摩尔分数)Table 2 EDS results of the as－cast alloys(mole fraction) %

3 结论

(1)在Mg－5Sn－5Zn合金中加入0.5%～2%的Sr后，能够缩小α－Mg枝晶间距.在Sr的质量分数由1%增加到2%过程中，所形成的MgSnSr由细小块状向棒状发展，当Sr质量分数达到2%时，MgSnSr发展成为絮状组织，同时Mg2Sn相数量减少.

(2)合金中的MgZn相与Mg2Sn相依附在一起，大多数的MgZn相以α－Mg+MgZn相的共晶方式存在.

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Effect of strontium on the microstructure of as－cast Mg－5Sn－5Zn alloy

QIU Ke-qiang，LIU Bin，YOU Jun-hua，REN Ying-lei
(School of Materials Science and Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)

The microstructures and phase constituent of as－cast Mg－5Sn－5Zn－xSr(x=0，0.5，1，2)alloys were analyzed by the optical microscopy(OM)，the scanning electron microscope(SEM)and the X－ray diffraction (XRD).The results indicate that an addition of 0.5%～2%(mass fraction)Sr to the Mg－5Zn－5Sn alloy not only refines the dendrite arm spacing of α－Mg but also results in the formation of MgSnSr phases.Furthermore，it was found that the Sr increment results in the Mg2Sn phase decreases and MgSnSr phase increases.While the MgZn phase attached to the Mg2Sn phase exists in the form of α－Mg+MgZn eutectic structure.

magnesium alloy;microstructure;Sr addition;MgSnSr phase

TG 146.2

A

1671-6620(2012)01-0054-04

2011-09-21.

沈阳市科技攻关计划 (F10－063－2－00)，辽宁省科技攻关计划 (2010221005).

邱克强(1962—)，男，沈阳工业大学教授，博士生导师，E－mail:kqqiu@yahoo.com.cn;任英磊(1964—)，男，沈阳工业大学教授，E－mail:ghe@sut.esu.cn.