Al、Zn含量对铸态Mg-5%(wt)Sn合金组织性能的影响

田树科，刘学军



Al、Zn含量对铸态Mg-5%(wt)Sn合金组织性能的影响

田树科，刘学军

（河南机电高等专科学校 汽车工程系，河南 新乡 453003）

通过金相观察、扫描电镜、XRD分析以及硬度测试，研究添加2%~3%(wt)Al、1%~2%(wt)Zn对铸态Mg-5%(wt)Sn组织与性能的影响。实验结果表明：在Mg-5%(wt)Sn合金中，凝固组织主要由α-Mg、Mg2Sn相组成，添加合金Al、Zn后，会形成少量β-Mg17Al12和t-Mg32(Al,Zn)49相。Al、Zn均对合金的性能有提高的作用，其中Al更为明显。

α-Mg；微观组织；Mg2Sn

镁合金具有很多优点，比如强度高、密度低等，在未来有着巨大的发展潜力[1]。稀土元素可以提高镁合金性能，但是，稀土元素价格昂贵，直接限制了Mg-RE系合金的发展[2-4]。近年来，研究发现，Sn元素具有可以在镁合金中替代RE元素的潜力。Mg与Sn可以形成金属间化合物Mg2Sn，Mg2Sn具有以下优点：形成能为24.46 kJ/mol[5]，熔点为770℃，G/B为0.78，泊松比n为0.19[6]。

1 试验方法

以纯镁和纯锡为原料，制备Mg-5%(wt)Sn中间合金；以Mg-5%(wt)Sn合金为基础合金，添加Al和Zn制备Mg-Sn-Al-Zn合金，其成分如表1所示，其中4种合金成分分别用TAZ521、TAZ522，TAZ531、TAZ532表示。

表1 Mg-Sn-Al-Zn合金成分

合金采用气体保护熔炼重力铸造方法制备，其中，熔炼炉采用电阻炉，坩埚采用低碳钢材质，铸型采用碳钢材质。浇注冷却后得到合金铸件为圆棒形状，其尺寸为30mm´10 mm，对4种成分的样品分别取样。

在金相制样过程中，金相腐蚀液采用硝酸酒精，浓度为2%；金相分析在MA500GBD型金相显微镜上进行；物相分析在D8ADVANCE-X型射线衍射仪上进行；电镜扫描在JSM-6700F型扫描电镜上进行；EDS分析在TN-5400I型能谱仪上进行；硬度测试在BBRVD-187.5型硬度计上进行。

2 实验结果及分析

2.1 合金的组织

在Mg-Sn合金中，Sn一方面会固溶于α-Mg中，另一方面会与镁元素形成Mg2Sn金属间化合物，其空间群为Fm-3m[5]。

图1是中间合金Mg-5Sn的铸态金相组织。可以观察到，合金的凝固组织主要为树枝状的α-Mg和沿枝晶晶间分布的Mg2Sn相。在实验过程中，合金溶液浇注到碳钢铸型中，由于碳钢的传热系数比较高，合金凝固快，凝固过程会产生溶质富集。因此，凝固组织中不会出现典型的共晶(α-Mg＋α-Mg固溶体和枝晶晶间颗粒状弥散分布的Mg2Sn相)组织。

图2是Mg-5Sn合金的X射线衍射图，通过对铸态Mg-5Sn合金进行物相分析，可以推断出Mg-Sn合金的基本组成相为α-Mg与Mg2Sn。

图1 铸态Mg-5Sn合金组织

图2 铸态Mg-5Sn合金的XRD图谱

图3是合金TAZ521、TAZ531和TAZ532的凝固组织。图中，α-Mg以树枝晶的形式存在，其他相以Mg2Sn为主，在树枝晶晶间以网状分布形式存在。与Mg-5Sn合金(图1)相比，树枝晶晶间的组织含量增加，树枝晶尺寸变小。在合金TAZ521和TAZ531中，Al含量由2 %提高至3 %，枝晶晶间共晶组织含量没有变化，而枝晶的尺寸略有变化，可见Al对合金组织形貌的影响并不大。在合金TAZ531和TAZ532中，Zn的含量由1%提高至2%，可以观察到树枝晶晶间的第二相的数目增加。可见，Zn对合金组织形貌的影响较大，有利于Mg2Sn相在晶间的析出。

图4是合金TAZ532的微观组织。图4(d)中，有三种不同颜色的金属间化合物，分别标记为I、II和III。分别对I、II和III区化合物进行EDS分析，其结果分别为； Mg含量为73.61 at.%，Sn含量为29.39 at.%；Mg、Al和Zn含量分别为66.20 at.%、26.47 at.%和7.33 at.%；Mg、Al和Zn含量分别为70.28 at.%、15.82 at.%和13.90 at.%。因此可以得出结论，I区化合物为Mg2Sn相，II区化合物为β-Mg17Al12相，III区化合物为t-Mg32(Al, Zn)49相。可以直接观察到，Mg2Sn多呈块状，在树枝晶晶间断续分布。在二次枝晶臂间会析出少量的Mg2Sn颗粒。因此，在Mg-5Sn合金中添加Al和Zn，会形成Mg2Sn、β-Mg17Al12和t-Mg32(Al, Zn)49，与α-Mg组成共晶组织，在树枝晶晶间呈网状分布，形成离异共晶。

(a)TAZ521 (b)TAZ531 (c)TAZ532

在浇铸过程中，铸型的材质为碳钢，传热系数较大，铸件可以迅速冷却，这样会导致成分偏析，在铸件最后凝固区域出现溶质富集，这是t-Mg32(Al, Zn)49相和β-Mg17Al12形成的原因。在图4中，II区和III区就是铸件最后凝固区域，导致溶质Al和Zn富集，形成t-Mg32(Al, Zn)49和β-Mg17Al12。

本研究中Al含量为2%和3%，在合金中，Al的消耗有两方面：首先，在形成t-Mg32(Al, Zn)49相消耗了部分Al元素；然后，Al在Mg会形成少量β-Mg17Al12相，由于t-Mg32(Al, Zn)49相耗费部分Al元素，因此形成的少量β-Mg17Al12相在枝晶间断续分布。如果β-Mg17Al12相以断续的形式分布，可以提高合金的性能；如果β-Mg17Al12以网状分布的形式分布，不利于合金的高温性能。

(a) (b)合金TAZ532的金相组织 (c) (d) 合金TAZ532的能谱分析位置

2.2 合金的力学性能

Mg-Sn-Al-Zn合金的布氏硬度如表2所示。

表2 铸态Mg-Sn-Al-Zn合金硬度

Al的含量为2%，Zn的含量由1%提高至2%，合金的平均硬度由46.22提高至48，提高了3.8%；Al的含量为3%，Zn的含量由1%提高至2%，合金的平均硬度由49.30提高至52.74，硬度提高了6.9%。Zn的含量为1%，Al的含量由2%提高至3%，合金的平均硬度由46.22提高至49.30，提高了6.7%；Zn的含量为2%，Al的含量由2%提高至3%，合金的平均硬度由48提高至52.74，提高了9.9%；因此Mg-5Sn-3Al-2Zn合金的硬度最佳。Al的含量对于合金的硬度的作用更为明显。因此，考虑到要提高合金的力学性能，可以适当提高Al含量，但是不要出现网状β-Mg17Al12。

3 结论

铸态TAZ521、TAZ522、TAZ531和TAZ532合金主要由α-Mg、Mg2Sn相组成，在枝晶晶间存在β-Mg17Al12和t-Mg32(Al, Zn)49相，呈断续分布。分别将Al含量由2%提高至3%、Zn含量有1%提高至2%，合金的硬度均得到提高，其中Al较为明显。

（责任编辑吕春红）

[1] 张磊.Mg-6Al-3Sn镁合金变形行为及衬板轧制组织与力学性能[D].吉林大学,2015.

[2] 徐永东,稀土镁合金组织和性能研究[D].天津大学,2012.

[3] 关明,郝维新,樊建锋.Mg-Y-Ce稀土阻燃镁合金的高温氧化行为研究[J].材料科学与工艺,2010,39(8).

[4] Ming LI, Hai HAO, Aimin ZHANG, Yingde SONG, Xingguo ZHANG. Effects of Nd on microstructure and mechanical properties of as-cast Mg-8Li-3Al alloy[J].Journal of Rare Earths,2012(5).

[5] 周惦武,徐少华,张福全,等.Sn合金化MgZn2相及Mg2Sn相结构稳定性的第一原理研究[J].中国有色金属学报,2010,20(5).

[6] 柯江灵.Mg2X(X=Si,Ge,Sn,Pb)理想强度的第一性研究[D].长沙:湘潭大学,2011.

Effects of Al、Zn Addition on the Microstructure and Mechanical Properties of Cast Mg-5%(wt)Sn Alloy

TIAN Shu-ke，et al

(Department of Automotive Engineering, Henan Mechanical and Electrical Engineering College, Xinxiang 453003, China)

A cast Mg-Sn-Al-Zn alloys were developed by adding 2~3 %(wt) Al、1~2 %(wt) Zn into a Mg-5Sn base alloy. The microstructures and mechanical properties of the prepared as cast Mg-Sn-Al-Zn alloys were studied through compositional adjustments of Al and Zn. The microstructural observation was on an optical microscopy and SEM with EDS which was used to check the composition of phase.X-ray diffraction (XRD) was used to identify the phase consisting. Hardness was analyzed on a BBRVD-187.5 hardness tester. The results shown that a Mg-5Sn alloy was composed of α-Mg and Mg2Sn. After adding Al and Zn, there was small part of β-Mg17Al12andt-Mg32(Al, Zn)49phases dispersed at grain boundaries and in between dendritic arms. The isolated β-Mg17Al12 andt-Mg32(Al, Zn)49phases were not in network form due to the limited quantities. Increasing Al and Zn can also increase the hardness of the alloy, and the increase is more effective with Al alloying.

α-Mg; microstructure; Mg2Sn

TG146.2

A

1008–2093(2016)02–0006–03

2016-02-10

田树科（1986―），男，河南安阳人，助教，硕士，主要从事凝固技术、理论及新材料研究。