Ca的含量对Mg—5Al—2Al—Ti—B组织和力学性能的影响

赵鑫

[摘 要]通过添加变质剂Ca，探究对Mg-5Al-2Al-Ti-B型镁合金的组织和力学性能的影响。本实验使用永久模铸造的方式制备材料，采用光学显微镜、万能试验机。研究Ca的不同添加量对铸态组织晶粒尺寸的影響。研究表明：合金铸态组织由α-Mg，共晶组织与第二相构成，Ca的添加改变第二相的形貌，抑制Mg17Al12的生成，产生新的相Mg2Ca和 Al2Ca，Ca的添加显著的细化组织，当含量达到1%时细化效果最好。

[关键词]镁合金；晶粒细化；力学性能

能源节约已成为当代工业发展和科技研究的一个重要主题，新型工业的发展旨在其能源的利用率和材料的轻量化，传统工业的能源消耗之所以甚巨的主要原因之一为：结构材料的本身比重大。目前镁合金发展的主要瓶颈是其综合力学性能的改变。晶粒细化是提高镁合金力学性能的重要途径，王凌云在研究镁合金AZ31的晶粒细化时提出了材料的屈服强度与晶粒大小存在着函数关系，晶粒的尺寸对镁合金的影响非常的显著[1-2]。金属晶粒细化的主要方法有：（1）增加过冷度，加大冷却速度；（2）添加变质剂；（3）振动处理。本文所研究的是，在熔融状态下在Mg-5Al-2Al-Ti-B型镁合金中添加不同含量的Ca，研究不同含量的Ca对基体的晶粒细化效果以及力学性能的改变。

一、实验材料与过程

1.材料准备

镁合金在熔炼时极易氧化，因此在熔炼过程中要采用溶剂保护，溶剂由NaCl、KCl、CaCl2按照1：1：1的量混合制成。为避免镁合金溶剂与模具型腔发生氧化反应，同时为了方便脱模，本实验采用在模具型腔涂抹ZnO涂料，在熔炼的过程中镁合金有可能会燃烧，所以要准备一些硫磺，放置在干燥的玻璃器皿中。实验所需的工具和设备：金属模具、石墨坩埚、电阻炉。实验原料：工业镁锭（99.8%）、铝锭（99.7%）、锌锭（99.8%）、镁钙中间合金（Mg-30%Ca）。

2.试样的铸造过程

将坩埚预热至暗红色（400～500℃），将溶剂洒在坩埚的侧壁和底部；然后升温熔化预热的镁锭，在740℃时加入中间合金，将合金液充分搅拌，并升温至变质剂处理温度，之后在保温10～15min后，当熔体温度降到660℃左右时进行浇注。

试样依次采用600#、1000#、1500#的砂纸打磨，然后用酒精在绒布上抛光，用4%的硝酸酒精进行腐蚀，当试样变色时用酒精冲洗试样并吹干，金相分析采用Nikon-300型金相显微镜。

二、实验结果对于与分析

1.金相分析

（a）Mg-5Al-0.5Ca-2Al-Ti-B

（b）Mg-5Al-1Ca-2Al-Ti-B

（c）Mg-5Al-1.5Ca-2Al-Ti-B

（d）Mg-5Al-2Ca-2Al-Ti-B

图1 不同Ca含量对镁合金组织的形貌影响

图1为Ca的不同加入量的Mg-5Al-2Al-Ti-B镁合金铸的金相组织。镁铝合金的相图可知，共晶体的平衡比例为11%，而本实验的浇注过程并非平衡结晶，因此共晶组织有所增加。由图可以发现，合金化的铸态组织主要由初生的α-Mg固溶体和β相（Mg17Al12）组成，晶粒尺寸及形貌随Ca含量的不同呈现出不同的状态。

图1（a）可以发现主要由粗大的等轴晶及第二相构成，随着Ca含量的增加从图2（b）中可以看出晶间的共晶组织减少，晶界上存在少量的颗粒，大部分共晶相已溶解进入机体α-Mg当中，因此晶粒细化的效果显著。

2.力学实验

（1）拉伸试样。

拉伸试样制备执行标准金属材料室温拉伸试样，标距尺寸为30mmX6mm ，拉伸速率设为1x10-3S-1。使用长春机械院生产万向拉伸试验机WE-30进行试验，拉伸结果如表2。

2.细化机理

用金属学理论的观点来看，加入的变质剂只要能和Mg、Al元素形成高熔点的化合物就可以起到阻碍晶粒增长的效果，从而细化了晶粒。由图1（a）观察可知，由于少量的变质剂Ca的加入，固溶于β相中，但没有形成新的相，起到了一定的细化效果，但是效果并不明显。由图1（b）可知，随着Ca含量的增加，Mg17Al12相的数量越来越少，组织越细。向 Mg-Al系合金中加入Ca可以抑制Mg17Al12的生成，产生新的耐热相Mg2Ca和 Al2Ca，Al2Ca 大多以 α-Mg+Al2Ca不连续骨骼状共晶出现，这就是Mg-Al-Ca合金中存在的网络状分布粗大第二相。随着 Ca含量的增大，镁合金中的第二相由Mg17Al12向Mg2Ca、（Mg，Al）2Ca转变。合金中的第二相主要以Mg17Al12相的形式存在，Ca元素大部分固溶在 Mg17Al12相中。当Ca含量为0.5%时，第二相呈现球状或粗大不规则的形状，但是分布较为均匀，而Ca含量为1%和1.5%时，第二相则变为粗大的网络状树枝晶。在Ca含量为2%时，第二相则变为较细的树枝晶，Ca含量再升高至3%时，第二相再次变得粗大。

三、结语

1.通过添加不同含量的变质剂Ca研究其对基体的晶粒细化效果，相互对照发现，Ca的添加能够细化Mg-5Al-2Al-Ti-B型镁合金的晶粒，但是当Ca的含量为1%时细化效果最好。平均晶粒度能够达到6.6mm。

2.Ca的添加对抗拉强度有着较为显著的影响，当Ca的含量为0.5%时其抗拉强度200MPa，但是Ca的含量为1%时组织晶粒尺寸最小，这表明Ca的添加改变了组织的晶粒尺寸，从而影响到镁合金的力学强度。但是两者也不是一一对应的关系，这与基体中的Al-Ti-B还有一定的关系。

参考文献：

[1] 张晋涛，陈乐平.Er和Sr对ZM5镁合金组织及性能的影响[J].铸造技术，2015，36（1）：153-156.

[2] 朱守茹，付彭怀，胡小禹，等.Mg-Al合金晶粒细化研究进展[J].铸造技术，2015，36（1）：13-16.

[3] G.Wu，Y.Fan，H.Gao，C.Zhai，Y.P. Zhu. The effect of Ca and rare earth elements on the microstructure， mechanical properties and corrosion behavior of AZ91D [J]. Mater. Sci. Eng. A 408 （2005） 255-263.

[4] B. Kondori， R. Mahmudi. Effect of Ca additions on the microstructure， thermal stability and mechanical properties of a cast AM60 magnesium alloy [J]. Mater. Sci. Eng. A 527 （2010） 2014-2021.endprint