汽车发动机用AX55-xSn合金的热处理与蠕变性能

王 瑞 张丽凤 王社则 罗 峰

(1.山西交通职业技术学院，山西 太原 030031；2.太原理工大学，山西 太原 030024)

为汽车提供动力的汽车发动机的优劣直接决定着汽车的动力性、经济性、稳定性和环保性，无论是柴油发动机、汽油发动机还是电动汽车电动机等，轻量化都是其重要的发展方向[1]。镁合金是密度最小的结构材料，由于具有比强度高、散热性好以及良好的抗阻尼性能等，在汽车、航空航天和3C等领域应用广泛[2]。然而，应用于汽车动力系统中的耐热镁合金，除需要有良好的比强度和刚性等外，还需要有良好的抗高温蠕变性能，以满足其长期在高温下服役的特性[3]。虽然采用高压压铸等特殊工艺以及添加昂贵稀土微合金化的方法能够在一定程度上提高镁合金的抗高温蠕变性能，但也存在工艺复杂、生产成本较高等问题[4-5]。为了开发出成本低、抗高温蠕变性能优良的汽车动力系统用耐热镁合金，本文研究了添加Sn元素以及后续固溶和时效处理对AX55合金显微组织和蠕变性能的影响，以期为高性能耐热镁合金的开发与应用提供参考。

1 试验材料与方法

试验以纯Mg(99.98%，质量分数，下同)、纯Al(99.99%)、纯Sn(99.99%)和Mg-30%Ca中间合金为原料，在井式电阻炉中熔炼了4种不同成分的Mg-5Al-5Ca-xSn合金，经铁模浇铸成φ150 mm×200 mm的铸锭，采用电感耦合等离子发射光谱法测得合金的主要化学成分如表1所示。

表1 Mg-5Al-5Ca-xSn合金的主要化学成分(质量分数)

合金铸锭经过切头、铣面后在Nabertherm LV 15/11/P330型热处理炉中进行两种方式的固溶和时效处理：(1)双级固溶+时效(工艺A)，360 ℃×28 h固溶+490 ℃×15 h固溶+190 ℃×24 h时效；(2)单级固溶+时效(工艺B)，490 ℃×24 h固溶+190 ℃×72 h时效。合金固溶后水冷、时效后随炉冷却。

采用帕纳科Empyrean锐影智能X射线衍射仪对合金进行物相分析；从合金同一部位截取金相试样，经过机械打磨、抛光和4%(体积分数)硝酸酒精溶液腐蚀后，在日立S-4800型扫描电镜上进行观察，并用Epsilon-3XL能谱仪对微区成分进行分析；显微硬度采用wilson VH1150维氏硬度计测量，试验力为0.49 N、保载时间为15 s；采用线切割法从铸锭心部截取24 mm×6 mm×3 mm片状试样，在GWT1203·3型高温蠕变持久试验机上进行蠕变试验，蠕变条件设定为175 ℃/65 MPa，蠕变时间为100 h。

2 结果及讨论

2.1 XRD物相分析

图1为铸态AX55-xSn合金的X射线衍射分析结果。可见，未添加Sn的AZ55合金的物相主要为α-Mg、Al2Ca和(Mg,Al)2Ca相，其中后两种物相的高温热稳定性较好；添加0.5%～1.5%Sn后，AX55-xSn合金中除α-Mg、Al2Ca和(Mg,Al)2Ca相外，还出现了CaMgSn相，但未出现Mg2Sn相的衍射峰，这主要是因为当Sn/Ca质量比小于3时，合金中Mg2Sn相的析出会被抑制而形成含Sn的CaMgSn相，这种含Sn相的尺寸、大小和分布对合金的蠕变性能有重要影响[6]。

图1 铸态AX55-xSn合金的XRD图谱

2.2 显微组织

图2为双级固溶+时效态AX55-xSn合金的SEM形貌。可见不同Sn含量AX55-xSn合金中都存在鱼骨状或长条状析出相，且在Sn的质量分数为0.5%～1.5%时，合金中还出现了短棒状析出相。能谱分析表明，鱼骨状初生相主要含有Mg、Al和Ca元素，晶内大致平行的长条状析出相主要含有Al和Ca元素，短棒状析出相主要含有Mg、Sn和Ca元素。结合上述XRD图谱和文献[7]可知，这种网状分布的鱼骨状析出相主要为(Mg,Al)2Ca，长条状析出相为Al2Ca，短棒状析出相为CaMgSn。此外，AX55-1.5Sn合金中CaMgSn相含量明显多于其他成分合金，这主要与合金中Sn含量有关。

图3为单级固溶+时效态AX55-xSn合金的SEM形貌。可见不同Sn含量AX55-xSn合金中鱼骨状相的形貌与双级固溶+时效态合金中的相似，短棒状CaMgSn相在Sn的质量分数为1.0%和1.5%的合金中较多，而在Sn的质量分数为0.5%的合金中较少。此外，通过对比图2和图3可知，单级固溶+时效态合金中长条状和短棒状析出相的数量要多于相同Sn含量双级固溶+时效态合金，且前者析出相的平均尺寸更小，更有利于提高合金的强度和抗高温蠕变性能[8]。

图2 双级固溶+时效态AX55-xSn合金的SEM组织

2.3 显微硬度

图4为双级固溶+时效和单级固溶+时效态AX55-xSn合金的维氏硬度测量结果。对比可见，随着Sn含量的增加，两种热处理态AX55-xSn合金的显微硬度均逐渐升高，且在相同Sn含量下，单级固溶+时效态AX55-xSn合金的显微硬度要高于双级固溶+时效态合金，最高可达124.62 HV0.05。这主要是因为Sn的加入除可以起固溶强化作用外，还会形成CaMgSn相而起第二相强化作用[9]，且单级固溶+时效态合金中强化相Al2Ca的数量更多，CaMgSn相的尺寸更小、分布更弥散，第二相强化作用更显著，这些热稳定性高的第二相在承受高温载荷作用时可以抑制裂纹萌生[10]，有利于提高合金的抗高温蠕变性能。

图4 固溶+时效态AX55-xSn合金的显微硬度

2.4 蠕变性能

图5为双级固溶+时效和单级固溶+时效态AX55-xSn合金在175 ℃/65 MPa条件下蠕变100 h的蠕变时间-应力曲线。两种热处理态AX55-xSn合金的蠕变曲线都较平滑，且在蠕变100 h范围内可见初始蠕变(随蠕变时间延长，应变逐渐增加且增加速度减缓)和稳态蠕变(随蠕变时间延长，应变匀速增加)特征[11]；随着Sn含量的增加，相同蠕变时间下AX55-xSn合金的应变减小。

图5 固溶+时效态AX55-xSn合金的蠕变时间-应力曲线

对蠕变100 h时的双级固溶+时效和单级固溶+时效态AX55-xSn合金的总蠕变量和最小蠕变速率进行统计，结果如表2所示。对于未添加Sn的AX55合金，双级固溶+时效和单级固溶+时效态合金的总蠕变量分别为0.090%和0.087%，最小蠕变速率分别为7.25×10-8和6.76×10-8s-1；添加0～1.5%Sn后，随着Sn含量的增加，AX55-xSn合金的总蠕变量和最小蠕变速率均逐渐减小；双级固溶+时效和单级固溶+时效态AX55-1.5Sn合金的总蠕变量分别为0.075 52%和0.065 47%，最小蠕变速率分别为5.63×10-8和5.22×10-8s-1。可见，在相同Sn含量下，单级固溶+时效态AX55-xSn合金的总蠕变量和最小蠕变速率都更小，说明其蠕变性能更好，且Sn的添加有助于提升AX55合金的抗高温蠕变性能。对比近年来应用性能较好的汽车发动机用耐热镁合金的蠕变性能可知，MRI230D和Mg-4Al-2RE-2Ca合金在175 ℃/65 MPa条件下蠕变100 h时的蠕变速率分别为4.92×10-8和2.77×10-7s-1[12]，可见，AX55-1.5Sn合金的蠕变性能略低于MRI230D合金，这可能是因为MRI230D合金采用了高压压铸成型获得了较细的组织。而AX55-1.5Sn合金的蠕变性能明显高于Mg-4Al-2RE-2Ca合金，更适宜于在汽车动力系统中应用。

表2 固溶+时效态AZ55-xSn合金蠕变100 h的结果

图6为单级固溶+时效态AX55-xSn合金蠕变100 h后的SEM形貌。可见AX55-xSn合金基体中都存在长条状Al2Ca相，且随着Sn含量的增加，基体中Al2Ca相的数量逐渐增加。此外，AX55-1.5Sn合金基体中还可见明显的短棒状CaMgSn相，而AX55-0.5Sn合金中由于Sn含量较低，仅出现了少量CaMgSn相。经175 ℃/65 MPa蠕变100 h后，未添加Sn的AX55合金中可见少量主要沿骨架相扩展并穿过基体的长裂纹，裂纹附近部分鱼骨状析出相脱落，此时的高温蠕变断裂失效机制为沿晶断裂；添加0.5%Sn合金中的裂纹长度明显小于AX55合金，且裂纹主要沿鱼骨状析出相扩展，基体中未发现裂纹贯穿现象，表明基体的强度较高；当Sn的质量分数增加至1.0%和1.5%时，合金中均未发现裂纹，只在局部可见由于析出相脱落而形成的微孔，说明合金的抗高温蠕变性能增强。此外，基体中长条状Al2Ca相的数量明显增多，且在鱼骨状析出相附近可见明显的短棒状CaMgSn相，并在CaMgSn相与鱼骨状析出相结合处出现了脱落现象，这主要是由于高温蠕变过程中析出相结合处存在应力集中所致[13]。以上结果表明，AX55-1.5Sn合金的抗高温蠕变性能最佳，这主要是因为在高温下合金中鱼骨状(Mg,Al)2Ca相和短棒状CaMgSn相可以较好地阻碍位错运动，并且较多的Al2Ca相可以提高基体的强度并抑制裂纹产生。AX55-1.5Sn合金经蠕变100 h后虽存在少量因析出相应力集中而形成的微孔，进而影响蠕变性能，但可以通过后续的热处理等手段调节析出相的形态和分布[14]，从而改善AX55-1.5Sn合金的抗高温蠕变性能。

图6 单级固溶+时效态AZ55-xSn合金蠕变100 h后的SEM组织

3 结论

(1)未添加Sn的AX55合金的物相组成主要为α-Mg、Al2Ca和(Mg,Al)2Ca相，添加0.5%～1.5%Sn后，AX55-xSn合金中除含α-Mg、Al2Ca和(Mg,Al)2Ca相外，还出现了CaMgSn相。

(2)随着AX55-xSn合金中Sn含量的增加，双级固溶+时效和单级固溶+时效态AX55-xSn合金的硬度均呈现逐渐升高的趋势，且在相同Sn含量下，单级固溶+时效态AX55-xSn合金的显微硬度高于双级固溶+时效态AX55-xSn合金。

(3)随着Sn含量的增加，AX55-xSn合金的总蠕变量和最小蠕变速率都逐渐减小；双级固溶+时效和单级固溶+时效态AX55-1.5Sn合金的总蠕变量分别为0.075 52%和0.065 47%，最小蠕变速率分别为5.63和5.22×10-8s-1。AX55-1.5Sn合金的蠕变性能略低于高压压铸成型MRI230D合金，而明显高于Mg-4Al-2RE-2Ca合金，适用于制造汽车动力系统的零件。