Ca的含量對Mg—5Al—2Al—Ti—B組織和力學性能的影響

趙鑫

[摘 要]通過添加變質劑Ca，探究對Mg-5Al-2Al-Ti-B型鎂合金的組織和力學性能的影響。本實驗使用永久模鑄造的方式制備材料，采用光學顯微鏡、萬能試驗機。研究Ca的不同添加量對鑄態組織晶粒尺寸的影響。研究表明：合金鑄態組織由α-Mg，共晶組織與第二相構成，Ca的添加改變第二相的形貌，抑制Mg17Al12的生成，產生新的相Mg2Ca和 Al2Ca，Ca的添加顯著的細化組織，當含量達到1%時細化效果最好。

[關鍵詞]鎂合金；晶粒細化；力學性能

能源節約已成為當代工業發展和科技研究的一個重要主題，新型工業的發展旨在其能源的利用率和材料的輕量化，傳統工業的能源消耗之所以甚巨的主要原因之一為：結構材料的本身比重大。目前鎂合金發展的主要瓶頸是其綜合力學性能的改變。晶粒細化是提高鎂合金力學性能的重要途徑，王凌云在研究鎂合金AZ31的晶粒細化時提出了材料的屈服強度與晶粒大小存在著函數關系，晶粒的尺寸對鎂合金的影響非常的顯著[1-2]。金屬晶粒細化的主要方法有：（1）增加過冷度，加大冷卻速度；（2）添加變質劑；（3）振動處理。本文所研究的是，在熔融狀態下在Mg-5Al-2Al-Ti-B型鎂合金中添加不同含量的Ca，研究不同含量的Ca對基體的晶粒細化效果以及力學性能的改變。

一、實驗材料與過程

1.材料準備

鎂合金在熔煉時極易氧化，因此在熔煉過程中要采用溶劑保護，溶劑由NaCl、KCl、CaCl2按照1：1：1的量混合制成。為避免鎂合金溶劑與模具型腔發生氧化反應，同時為了方便脫模，本實驗采用在模具型腔涂抹ZnO涂料，在熔煉的過程中鎂合金有可能會燃燒，所以要準備一些硫磺，放置在干燥的玻璃器皿中。實驗所需的工具和設備：金屬模具、石墨坩堝、電阻爐。實驗原料：工業鎂錠（99.8%）、鋁錠（99.7%）、鋅錠（99.8%）、鎂鈣中間合金（Mg-30%Ca）。

2.試樣的鑄造過程

將坩堝預熱至暗紅色（400～500℃），將溶劑灑在坩堝的側壁和底部；然后升溫熔化預熱的鎂錠，在740℃時加入中間合金，將合金液充分攪拌，并升溫至變質劑處理溫度，之后在保溫10～15min后，當熔體溫度降到660℃左右時進行澆注。

試樣依次采用600#、1000#、1500#的砂紙打磨，然后用酒精在絨布上拋光，用4%的硝酸酒精進行腐蝕，當試樣變色時用酒精沖洗試樣并吹干，金相分析采用Nikon-300型金相顯微鏡。

二、實驗結果對于與分析

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

圖1 不同Ca含量對鎂合金組織的形貌影響

圖1為Ca的不同加入量的Mg-5Al-2Al-Ti-B鎂合金鑄的金相組織。鎂鋁合金的相圖可知，共晶體的平衡比例為11%，而本實驗的澆注過程并非平衡結晶，因此共晶組織有所增加。由圖可以發現，合金化的鑄態組織主要由初生的α-Mg固溶體和β相（Mg17Al12）組成，晶粒尺寸及形貌隨Ca含量的不同呈現出不同的狀態。

圖1（a）可以發現主要由粗大的等軸晶及第二相構成，隨著Ca含量的增加從圖2（b）中可以看出晶間的共晶組織減少，晶界上存在少量的顆粒，大部分共晶相已溶解進入機體α-Mg當中，因此晶粒細化的效果顯著。

2.力學實驗

（1）拉伸試樣。

拉伸試樣制備執行標準金屬材料室溫拉伸試樣，標距尺寸為30mmX6mm ，拉伸速率設為1x10-3S-1。使用長春機械院生產萬向拉伸試驗機WE-30進行試驗，拉伸結果如表2。

2.細化機理

用金屬學理論的觀點來看，加入的變質劑只要能和Mg、Al元素形成高熔點的化合物就可以起到阻礙晶粒增長的效果，從而細化了晶粒。由圖1（a）觀察可知，由于少量的變質劑Ca的加入，固溶于β相中，但沒有形成新的相，起到了一定的細化效果，但是效果并不明顯。由圖1（b）可知，隨著Ca含量的增加，Mg17Al12相的數量越來越少，組織越細。向 Mg-Al系合金中加入Ca可以抑制Mg17Al12的生成，產生新的耐熱相Mg2Ca和 Al2Ca，Al2Ca 大多以 α-Mg+Al2Ca不連續骨骼狀共晶出現，這就是Mg-Al-Ca合金中存在的網絡狀分布粗大第二相。隨著 Ca含量的增大，鎂合金中的第二相由Mg17Al12向Mg2Ca、（Mg，Al）2Ca轉變。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。當Ca含量為0.5%時，第二相呈現球狀或粗大不規則的形狀，但是分布較為均勻，而Ca含量為1%和1.5%時，第二相則變為粗大的網絡狀樹枝晶。在Ca含量為2%時，第二相則變為較細的樹枝晶，Ca含量再升高至3%時，第二相再次變得粗大。

三、結語

1.通過添加不同含量的變質劑Ca研究其對基體的晶粒細化效果，相互對照發現，Ca的添加能夠細化Mg-5Al-2Al-Ti-B型鎂合金的晶粒，但是當Ca的含量為1%時細化效果最好。平均晶粒度能夠達到6.6mm。

2.Ca的添加對抗拉強度有著較為顯著的影響，當Ca的含量為0.5%時其抗拉強度200MPa，但是Ca的含量為1%時組織晶粒尺寸最小，這表明Ca的添加改變了組織的晶粒尺寸，從而影響到鎂合金的力學強度。但是兩者也不是一一對應的關系，這與基體中的Al-Ti-B還有一定的關系。

參考文獻：

[1] 張晉濤，陳樂平.Er和Sr對ZM5鎂合金組織及性能的影響[J].鑄造技術，2015，36（1）：153-156.

[2] 朱守茹，付彭懷，胡小禹，等.Mg-Al合金晶粒細化研究進展[J].鑄造技術，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