Sr對Mg－5Sn－5Zn鑄造鎂合金組織的影響

邱克強(qiáng)，劉 彬，尤俊華，任英磊

(沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110870)

Sr對Mg－5Sn－5Zn鑄造鎂合金組織的影響

邱克強(qiáng)，劉 彬，尤俊華，任英磊

(沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110870)

通過光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡和X射線衍射儀研究了Mg－5Sn－5Zn－xSr(x=0，0.5，1，2)4種鑄造鎂合金的顯微組織和相組成.結(jié)果表明:在Mg－5Sn－5Zn合金中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～2%的Sr元素后，不但能夠縮小α－Mg枝晶間距，而且還能形成三元相MgSnSr.隨著Sr含量的增加，在晶界析出的Mg2Sn相減少，晶內(nèi)的MgSnSr相增加。合金中的MgZn相與Mg2Sn相依附在一起，大多數(shù)的MgZn相以α－Mg+MgZn相的共晶方式存在.

Mg合金;顯微組織;Sr含量;MgSnSr相

由于鎂合金具有低密度，高比強(qiáng)度和比剛度，較好的阻尼減震、切削加工與熱成型性能，被譽(yù)為“21世紀(jì)綠色結(jié)構(gòu)材料”［1］.目前，各國學(xué)者一直致力于提高鎂合金強(qiáng)度的研究.高稀土含量鎂合金的強(qiáng)度一般為300～400 MPa，但是昂貴的稀土價格使其大多用于軍工類產(chǎn)品，所以需要開發(fā)一種廉價的高強(qiáng)度鎂合金［2］.與目前常用的Mg－Al、Mg－Zn等鎂合金相比，Mg－Sn合金析出相Mg2Sn具有較高的熔點(diǎn)(771.5℃)，明顯高于Mg17Al12(462℃)和MgZn(347℃)相的熔點(diǎn).Sn在Mg中的飽和固溶度隨溫度下降快速減少，適合時效處理，使第二相Mg2Sn彌散析出，從而增加合金的強(qiáng)度［3～4］.研究表明:鑄態(tài)Mg－Sn二元合金的微觀組織主要由枝晶α－Mg相和第二相Mg2Sn相組成;并且隨著Sn含量的增加，α－Mg相的第二枝間距減小，強(qiáng)度增加.在Sn含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))達(dá)到5%時合金的抗拉強(qiáng)度最大，可達(dá)123MPa［5］.Zn作為鎂合金兩大主要合金化元素之一，其本身強(qiáng)化作用十分顯著.Zn的強(qiáng)化效果作用來自兩方面，一是固溶強(qiáng)化，二是化合物強(qiáng)化.在Mg－Al合金中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的鋅，合金的綜合性能明顯提高.在有Sn固溶條件下，鋅的固溶強(qiáng)化作用得到加強(qiáng)［6］.Sr也是鎂合金中重要的合金化元素，在鎂合金中加入一定量的Sr能夠顯著細(xì)化晶粒，提高合金的室溫性能［7～8］.在Mg－Sn合金中加入Sr可以形成穩(wěn)定的MgSnSr相，它對提高鎂合金的高溫下的抗拉強(qiáng)度具有顯著的作用［9～11］.因此研究Mg－Sn－Zn－Sr合金可獲得3種元素的綜合強(qiáng)化效果.在沒有Zn的情況下，Mg－5Sn－0.3Sr，Mg－5Sn－1Sr和Mg－5Sn－2Sr合金的室溫抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到165，160和140 MPa.其中彌散、細(xì)小的MgSnSr相阻礙位錯和晶界滑移是提高合金強(qiáng)度的重要原因［12］.本文主要考察Sr含量對Mg－5Sn－5Zn合金的組織的影響.

1 實(shí)驗(yàn)方法

采用純度大于99.99%的Mg、Sn、Zn、Sr按照成分Mg－5Sn－5Zn－xSr(x=0，0.5，1，2)配置4種合金，采用石墨坩堝、真空爐氬氣保護(hù)條件制備合金.實(shí)際合金成分如表1所示.

表1 鑄態(tài)合金的化學(xué)元素組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical compositions of as－cast alloys (mass fraction) %

鑄態(tài)試樣經(jīng)過粗磨、細(xì)磨、拋光后，采用3%的硝酸乙醇溶液腐蝕.采用Olympus－BH－22金相顯微鏡和S－3400N型掃描電鏡(帶EDS)進(jìn)行顯微組織觀察.利用島津 XRD－7000衍射儀(XRD)進(jìn)行物相分析.

2 結(jié)果與分析

圖1(a)、(b)、(c)和(d)分別為Mg－5Sn－5Zn、Mg－5Sn－5Zn－0.5Sr、Mg－5Sn－5Zn－1Sr和Mg－5Sn－5Zn－2Sr合金XRD圖譜.從圖中可以看出，在Mg－5Sn－5Zn合金中，圖譜中除α－Mg外，只有Mg2Sn、MgZn衍射峰，說明這種成分合金主要有α－Mg、Mg2Sn、MgZn相組成;在Mg－5Sn－5Zn合金中加入0.5% ～2%的Sr后，合金中形成了新相MgSnSr，Sr含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))從0.5%增加到2%，MgSnSr的衍射峰強(qiáng)度增大，而Mg2Sn衍射峰強(qiáng)度卻隨著Sr含量增加而降低.這主要是由于Sr在Mg中的固溶度非常小，Sr元素加入合金中后主要以化合物MgSnSr的形式存在.因此加入Sr后形成MgSnSr相，消耗了合金中的一部分Sn，導(dǎo)致了Mg2Sn相的減少［12］.

圖2為Mg－5Sn－5Zn－xSr(x=0，0.5，1，2)合金的鑄態(tài)光學(xué)組織.圖2(a)為Mg－5Sn－5Zn合金金相組織，從圖中可以看出，合金中的相沿晶界析出，枝晶間距較寬，晶內(nèi)無任何析出物.圖2(b)為Mg－5Sn－5Zn－0.5Sr合金金相組織，與圖2(a)合金組織形貌相比，枝晶間距變小，晶內(nèi)開始析出少量點(diǎn)狀的顆粒相.圖2(c)為Mg－5Sn－5Zn－1Sr合金金相組織，合金中的枝晶間距也比圖2(a)合金的要小，晶內(nèi)的析出相增多并變大，有些開始變成短棒狀.圖2(d)為Mg－5Sn－5Zn－2Sr合金的組織，部分區(qū)域合金中枝晶間距變得很小，低于50 μm，沿晶界析出的相變得不連續(xù)，晶內(nèi)的析出相一部分開始變成絮狀.以上結(jié)果表明，加入Sr的作用有二:第一，合金的樹枝晶間距減小，這說明Sr對樹枝晶間距具有細(xì)化作用.第二，在晶粒內(nèi)部析出點(diǎn)狀、短棒狀或絮狀的新相，這將對合金的力學(xué)性能有重要影響.

圖1 鑄態(tài)Mg－5Sn－5Zn－xSr(x=0，0.5，1，2)合金的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of Mg－5Sn－5Zn－xSr alloys (x=0(a)，x=0.5(b)，x=1(c) and x=2(d)respectively)

為了獲得析出相的具體結(jié)構(gòu)，采用SEM結(jié)合能譜分析對Mg－5Sn－5Zn－xSr(x=0，0.5，1，2)合金進(jìn)行研究.圖3為Mg－5Sn－5Zn－xSr (x=0，0.5，1，2)合金的SEM組織，表2為合金的EDS分析結(jié)果.圖3(a)為Mg－5Sn－5Zn合金組織形貌，從圖中可以看出，合金主要由兩種相構(gòu)成，根據(jù)XRD(圖1)結(jié)合EDS能譜(表2)分析可知，在晶界處析出的白色的板狀相為Mg2Sn.與Mg2Sn相依附在一起的組織為α－Mg+MgZn共晶相，在341℃時發(fā)生共晶反應(yīng):L→α－Mg+ MgZn.α－Mg+MgZn共晶相具體結(jié)構(gòu)如圖3(a)右上角插圖所示，它具有類似珠光體的層片狀組織.圖3(b)為Mg－5Sn－5Zn－0.5Sr合金的形貌組織，從圖3(b)中可以看出MgZn相結(jié)構(gòu)與3(a)圖不同，具有類似網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，而非層片狀，這是由于MgZn以單相而不是以共晶方式存在.晶內(nèi)析出顆粒狀的相，根據(jù)XRD(圖1)結(jié)合EDS能譜(表2)分析可知為MgSnSr相.圖3(c)為Mg－5Sn－5Zn－1Sr合金的形貌組織，與3(a)圖和3 (b)圖相比，圖3(c)合金中晶界處的Mg2Sn相明顯減少，晶內(nèi)析出的顆粒狀MgSnSr相增多并變大.圖3(d)為Mg－5Sn－5Zn－2Sr合金的形貌組織，從圖中可以看出，晶界處Mg2Sn相析出很少，晶內(nèi)顆粒狀MgSnSr繼續(xù)增多，并且存在針狀的MgSnSr相(圖3(d)右上角).

圖2鑄態(tài)Mg－5Sn－5Zn－xSr(x=0，0.5，1，2)合金的鑄態(tài)光學(xué)金相組織Fig.2 Microstructures of the as－cast Mg－5Sn－5Zn－xSr alloys(x=0(a)，x=0.5(b)，x=1(c)and x=2(d))

圖3 鑄態(tài)Mg－5Sn－5Zn－xSr(x=0，0.5，1，2)合金的鑄態(tài)SEM組織Fig.3 SEM Microstructures of the as－cast Mg－Sn－Zn－Sr alloys(x=0(a)，x=0.5(b)，x=1(c)and x=2(d))

根據(jù)Mg－Sn二元相圖［13］，在516℃時，Sn在Mg中的固溶度最大為14.85%，隨著溫度的降低，固溶度大幅度下降，室溫時幾乎為0.這種固溶度隨溫度下降而降低的規(guī)律，會使Sn原子以Mg2Sn的形式從過飽和α－Mg中析出.由Mg－Sr二元平衡相圖可知［14］，Sr添加進(jìn) Mg中，形成Mg17Sr2和Mg38Sr9相，但是Sr添加進(jìn)Mg－5Sn－5Zn合金中卻沒有形成這些相，這說明Sr不會在固液界面前沿大量富集，最后以Mg－Sr二元化合物的形式析出.由于Sr在Mg基體中的固溶度很低，所以Sr參與合金的凝固過程，起到限制晶粒生長的作用［9］，當(dāng)Sr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1%后，MgSnSr以領(lǐng)先相的析出.有關(guān)Sr細(xì)化Mg－5Sn－ 5Zn合金枝晶間距的機(jī)制有待詳細(xì)研究.

以上研究結(jié)果表明，在Mg－5Sn－5Zn－xSr (x=0，0.5，1，2)合金中，隨著Sr含量的增加，在晶界析出的Mg2Sn相減少，晶內(nèi)的MgSnSr相增加并增大，在含Sr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1%時，一部分MgSnSr相呈短棒狀.在Mg－5Sn－5Zn－2Sr合金中一部分 MgSnSr相變成針狀.合金中的MgZn相與Mg2Sn相依附在一起，大多數(shù)的MgZn相以α－Mg+MgZn相的共晶方式存在.在Mg－5Sn－5Zn－0.5Sr合金中的MgZn相不以共晶方式存在的原因還不清楚.是否是離異共晶組織，有待于進(jìn)一步的研究.

表2 鑄態(tài)合金元素EDS分析結(jié)果(摩爾分?jǐn)?shù))Table 2 EDS results of the as－cast alloys(mole fraction) %

3 結(jié)論

(1)在Mg－5Sn－5Zn合金中加入0.5%～2%的Sr后，能夠縮小α－Mg枝晶間距.在Sr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由1%增加到2%過程中，所形成的MgSnSr由細(xì)小塊狀向棒狀發(fā)展，當(dāng)Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2%時，MgSnSr發(fā)展成為絮狀組織，同時Mg2Sn相數(shù)量減少.

(2)合金中的MgZn相與Mg2Sn相依附在一起，大多數(shù)的MgZn相以α－Mg+MgZn相的共晶方式存在.

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Effect of strontium on the microstructure of as－cast Mg－5Sn－5Zn alloy

QIU Ke-qiang，LIU Bin，YOU Jun-hua，REN Ying-lei
(School of Materials Science and Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)

The microstructures and phase constituent of as－cast Mg－5Sn－5Zn－xSr(x=0，0.5，1，2)alloys were analyzed by the optical microscopy(OM)，the scanning electron microscope(SEM)and the X－ray diffraction (XRD).The results indicate that an addition of 0.5%～2%(mass fraction)Sr to the Mg－5Zn－5Sn alloy not only refines the dendrite arm spacing of α－Mg but also results in the formation of MgSnSr phases.Furthermore，it was found that the Sr increment results in the Mg2Sn phase decreases and MgSnSr phase increases.While the MgZn phase attached to the Mg2Sn phase exists in the form of α－Mg+MgZn eutectic structure.

magnesium alloy;microstructure;Sr addition;MgSnSr phase

TG 146.2

A

1671-6620(2012)01-0054-04

2011-09-21.

沈陽市科技攻關(guān)計(jì)劃 (F10－063－2－00)，遼寧省科技攻關(guān)計(jì)劃 (2010221005).

邱克強(qiáng)(1962—)，男，沈陽工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，E－mail:kqqiu@yahoo.com.cn;任英磊(1964—)，男，沈陽工業(yè)大學(xué)教授，E－mail:ghe@sut.esu.cn.