Ca含量对Mg－8Sn合金组织与力学性能的影响

李万东，刘雅聪，孙杨锋，刘荣伟

（承德石油高等专科学校，河北 承德067000）

Mg－Sn合金由于其具有较高的强度和较好的热稳定性，近年来逐渐被关注。Mg－Sn合金中具有形成稳定性较高的Mg2Sn相的特点［1］，但是Mg2Sn相偏析严重、尺寸粗大，限制了Mg－Sn合金强度的进一步提升。为了进一步改善Mg－Sn合金的组织与性能，不同Sn含量的铸态Mg－Sn合金及其合金化影响成为研究热点［1－3］，如典型的 Mg－3Sn和Mg－5Sn系列合金。

当Mg－Sn合金中Sn含量达到10%时，抗拉强度、特别是伸长率降低，主要是因为粗大的Mg2Sn相形成［4］。铸态Mg－Sn合金可以通过添加Sr、Ca、Zr等合金元素达到优化Mg－Sn合金性能的目的［5］。研究表明，Ca添加到 Mg－5Sn合金中，合金的室温拉伸强度和在200℃时的拉伸强度明显提高［6］。不同Ca含量的Mg－Sn－Ca合金相组成不同，当Ca含量较低时，相组成主要为Mg2Sn相及少量的CaMgSn相，Ca含量较高时合金相组成为Mg2Ca及 CaMgSn相［7－8］。

为了解决合金塑性降低及Mg2Sn相粗大的问题，得到细小均匀的CaMgSn和Mg2Sn第二相，充分发挥Sn、Ca元素在Mg合金中的强化作用。在Sn含量较高的Mg－8Sn合金中添加Ca元素，利用金相显微镜（OM）、扫描电镜（SEM），X射线衍射（XRD）、万能试验机等测试手段，分析Ca含量对Mg－8Sn合金组织和力学性能的影响。

1 试验材料及方法

以纯镁（99.99%），纯锡（99.9%）及 Mg－25Ca中间合金为原料，通过金属模铸造加工成不同组分的试验合金毛坯，其化学成分及原料配比见表1，其中Mg和Ca在熔炼过程中损耗严重，增加5%余量。首先将金属坩埚加热到200℃，通入99%SF6＋1%CO2混合气体作为保护气氛，然后将烘干的纯镁原料放入到坩埚中保温5分钟后进行升温，升温到680℃保温15分钟，纯镁熔化后先后加入Mg－25Ca中间合金及纯锡，保温10分钟，进行搅拌除渣，升温至720℃保温10分钟，进行第二次除渣。待降温至650℃进行浇铸，模具为直径60mm的圆柱低碳钢。

合金试样经磨平、抛光、4%硝酸酒精溶液腐蚀后，采用金相显微镜 （OM）和扫描电子显微镜 （SEM）观察样品显微组织，通过X射线衍射（XRD）及能谱（EDS）分析相组成。显微硬度在显微硬度计上使用1.98N力保持15s后获得，测量10个靠近试样中部点的显微硬度值，分别去掉一个最大值和最小值，剩下的取平均值为该试样的硬度值（HV）。压缩性能利用万能试验机测试，试样尺寸为直径4mm、高7.5mm的圆柱形试样，初始压缩速率为1×10－3／s，通过压缩曲线分析获得极限压缩强度（UCS）、压缩屈服强度（UYS）和压缩塑性（CEL）。

表1 合金化学成分及原料配比

2 试验结果与分析

2.1 Ca含量对Mg－8Sn合金组织的影响

图1显示了不同Ca含量的Mg－8Sn铸态合金的金相组织形貌。由图1a可以看出，Mg－8Sn合金主要由浅色的Mg基体和深色的网状晶界组织，在晶界上富集了第二相，结合XRD图谱（见图3）可以看出该合金中的第二相为Mg2Sn相。对比金相组织图1（b－d）可以看出，当合金中添加Ca以后，组织发生了明显的变化，主要表现在三个方面：

（1）晶界中粗大的Mg2Sn相随着Ca含量的增加明显减少，晶界细化。

（2）金相组织中出现了明显的棒状和针状第二相，并且随着Ca含量的增加，棒状第二相尺寸增加。为了确定该棒状第二相的组成，对其进行了EDS及XRD分析，结果见图2和图3，可以确定该第二相为富集Ca、Sn元素的CaMgSn相。与Mg2Sn相分布不同的是CaMgSn相均匀分布在晶界与晶内。

（3）随着Ca含量的增加，晶粒尺寸明显减小。

研究表明，Mg－Sn合金中CaMgSn相是在金属熔炼的凝固过程中形成的，凝固过程中先穿过L1＋CaMgSn区，然后发生L2＋CaMgSn→ɑ－Mg＋CaMgSn反应，最后在L3→ɑ－Mg＋CaMgSn＋Mg2Ca／Mg2Sn相 变 下 完 成 凝 固 过 程［9］，可 见，CaMgSn先于或者与晶界同时形成，所以使其分布在晶界和晶粒内部。由于在CaMgSn相形成的过程中需要消耗Sn元素，所以随着Ca的添加导致Mg2Sn相减少，由XRD结果（见图3）也可以看出，随着Ca含量的增加，Mg2Sn峰逐渐降低，而CaMgSn峰逐渐升高。另外，Ca元素是镁合金优良的孕育剂，孕育效果仅次于Zr元素，所以Ca的添加可以明显细化晶粒尺寸，当Ca含量超过2%时，继续增加Ca含量晶粒细化效果不再发生显著变化。

2.2 Ca含量对Mg－8Sn合金力学性能的影响

表2和图4为不同Ca含量的Mg－8Sn合金的力学性能结果及对比。随着Ca元素的添加，合金的显微硬度及极限压缩强度均呈现增加的趋势，压缩塑性呈下降趋势。合金的强化原因是：（1）Ca元素的添加形成了分布在晶界和晶内的棒状和针状CaMgSn相，第二相的增加在变形的过程中可以有效阻碍位错滑移，从而提高合金强度［3］；（2）由图2可以看出，Ca元素除了用于形成CaMgSn中间相，还有一部分固溶于基体中，这部分Ca原子可以通过固溶强化效果提高合金强度［10］；（3）Ca元素的添加可明显细化晶粒，根据 Hall－Petch公式（σy＝σo＋Kd－1／2）可以得出，晶粒直径减小，晶粒的强度明显提高［11］。

图1 不同Ca含量Mg－8Sn合金的金相组织

图2 Mg－8Sn－1Ca合金的合金元素面分布组织

图3 不同Ca含量Mg－8Sn合金的X射线衍射图谱

表2 不同Ca含量合金的力学性能参数

图4 Mg－8Sn－xCa（x＝0，1，2，3）合金的力学性能对比

进一步分析可以得出，1%Ca元素添加后合金的强度明显提高，极限压缩强度由213MPa提高到249MPa，增比16.9%。当Ca含量超过1%继续增加时，合金的压缩强度增幅较小，Ca含量由1%增加到2%时，合金屈服强度由249MPa提高到256 MPa，增加2.8%，Ca含量由2%增加到3%时，合金屈服强度由256MPa提高到262MPa，只增加2.3%，所以可以看出，当Ca含量较高时，合金强化效果较小，同时Ca的继续添加使得Mg－8Sn合金的塑性显著下降，原因可能是粗大的CaMgSn相对于合金的塑性是不利的［7］。综上，当Mg－8Sn合金中Ca含量为1%时，合金的强度明显提高，同时保证了较好的塑性。

3 结论

（1）Ca添加到Mg－8Sn合金中，形成了棒状和针状的CaMgSn相，并且随着Ca含量的增加，CaMgSn相尺寸增加。

（2）Ca添加到Mg－8Sn合金中，使得合金的晶粒得到了明显的细化。

（3）Mg－8Sn合金的强度随着Ca元素的添加得到了显著的提高。当Ca含量为1%时，合金在强度明显提高的情况下，仍保持较好的塑性。