Ca和Sn對提升機控制手柄用Mg-Al-Zn-Si合金性能的影響

趙瑞峰， 安 琴， 張清正， 張 永， 石桂林， 李 峰

（山西新富升機器制造有限公司，山西 太原 030032）

鎂及鎂合金是迄今為止在工業中應用最輕的金屬結構材料。和其他金屬相比，鎂及鎂合金有很多優越的工藝特點及性能特點。例如，其密度小，是所有結構金屬中密度最小的一種；熔點低，容易進行熱成形，而且能耗較低；用作結構件時，具有質量輕、比強度高、減震和抗沖擊性能好、易切削加工、不易老化等優點；有良好的導熱性，無磁性，電磁屏蔽能力強，在受到沖擊和摩擦時不會產生火花，陽極氧化著色能力強。鑒于這些特點，鎂及鎂合金廣泛應用于冶金工業、交通運輸領域、3C產品、電化學、醫藥等行業。鎂及鎂合金的特點可滿足于許多高科技領域對輕質材料吸噪、減震、防輻射的要求，明顯降低了產品的結構質量[1-3]。本文擬將鎂合金用于代替不銹鋼材料來制備提升機的電控手柄，以減輕零件的質量，提高手柄操作的靈活性。但用鎂合金制備手柄的要求是，材料須具有足夠的抗拉強度及良好的韌性，同時還要具有一定的耐環境腐蝕性能，即并不是所有鎂合金均可用于制造這種零件。目前不少新近開發的鎂合金，具有良好力學性能[4-6]，本文擬在此基礎上，研究合金元素Ca，Sn對提升機電控手柄用Mg-Al-Zn-Si合金（適用于電控手柄的新的合金體系）的抗拉強度、伸長率及腐蝕速率的影響。

1 試驗方法

本試驗選取Mg-Al-Zn-Si合金，其中Al的含量（質量分數，下同）為4%，Si的含量為0.5%，Zn的含量為1%，Ca的含量為0.5%～1.5%，Sn的含量為0.5 %～4.5%。此外還加入少量其他元素，如Pb。生產時將配好的純Mg塊、純Pb塊、純Zn塊、純Al塊及Al-Si中間合金塊置于電阻坩堝爐中，升溫至710～730 ℃熔化。在該溫度范圍保溫10 min之后，再根據配方加入Al-Ca中間合金及純Sn片。繼續保溫一段時間后，將熔融的合金液澆入金屬模具中，待冷卻后即得到合金樣件。熔煉在SF6氣體保護下進行。圖1為用于測試拉伸強度后的合金試樣。試驗合金的組織觀察采用光學顯微鏡及掃描電子顯微鏡（SEM）。鹽霧腐蝕試驗的鹽溶液采用化學純氯化鈉和蒸餾水配制，氯化鈉的體積分數為5%。鹽霧試驗溫度為35 ℃時，溶液的pH=7。鹽霧腐蝕試驗的時間為48 h。

圖1 拉伸試樣Fig.1 Tensile sample

2 結果和討論

圖2為含Ca及Sn的Mg-Al-Zn-Si合金的顯微組織。由圖2可以看出，含4.5%Sn，1.0%Ca的合金的晶粒相比含2.5%Sn，0.5%Ca的合金晶粒要細小得多，組織致密。圖3為鎂合金的能譜分析。從圖3中可以看出，在鎂合金中，除含有基體金屬Mg之外，元素組成還有 Sn，Zn，Ca，Al等。

圖2 鎂合金的顯微組織Fig.2 Microstructures of magnesium alloys

圖3 鎂合金的能譜圖Fig.3 EDS spectra of magnesium alloy

圖4 為SEM下試驗合金拉伸斷口照片。從圖4中可以看出，斷口組織由大量的韌窩構成，呈現明顯的韌窩特征，但是也有少量的解理平面。韌窩斷裂屬于一種高能吸收過程的延性斷裂，表明鎂合金在外力作用下變形時，位錯滑移機制起主導作用。在拉伸時，由于外力增大，使材料基體與分布在基體中的細小化合物產生微小的分離，即形成微孔。微孔構成裂紋萌生的核，在外力繼續作用下，多個空洞聚集，從而引發韌窩斷裂。但是，在斷口的部分區域，由于所受應力復雜，當位錯在此區域難以繼續滑移以適應整體材料的塑性變形時，便會在應力集中處形成裂紋，這種裂紋容易沿著一定的結晶面斷裂，呈現出準解理斷裂特征[4-5]。

圖4 拉伸斷口的SEM圖Fig.4 SEM image of tensile fracture

圖5 為試驗合金的力學性能隨合金成分的變化曲線。從圖5中可以看出，鎂合金中Sn含量的提高，有助于合金抗拉強度和伸長率的提高。但是，當Sn含量高于2.5%以后，含1.0%Ca的合金的伸長率出現緩慢增加的趨勢。在Sn含量高于4.5%以后，合金的抗拉強度和伸長率，都呈現出降低的趨勢。此外，由圖5還可以看出，Ca的加入，對合金的力學性能有大的提升作用。但是，相比含1.0%Ca的合金，含1.5%Ca的合金的力學性能有所降低。在本試驗合金體系的成分范圍內，鑄態合金的室溫伸長率可以達到 12%，抗拉強度可以達到225 MPa。可以看出，由于 Al，Zn，Sn，Ca 元素的共同作用，使本試驗中的鎂合金的伸長率比AZ91鎂合金（伸長率為6%～7%）增加了約1倍。

圖6為試驗用鎂合金中合金元素與腐蝕率的關系。從圖6中可以看出，Sn和Ca可以提高Mg-Al-Zn-Si合金的耐腐蝕能力。但是，當合金元素含量超過一定值，如Sn含量高于4.5%及Ca含量高于1.0%時，合金的耐腐蝕能力都會降低。由Mg-Ca及Mg-Sn二元合金相圖看，鎂合金中會出現Mg2Ca及Mg2Sn之類的化合物。再根據Mg-Zn-Ca，Mg-Si-Ca三元合金相圖可知，合金中會出現CaMgSi，CaMgZn等三元化合物。此外，Sn和Ca還可以形成高熔點的Ca2Sn化合物。Ca，Sn與Mg等其他元素形成的化合物，彌散分布在合金基體中。如圖2所示，并沒有看到在合金基體中有明顯的大塊狀化合物出現。但從圖2中可以看出，在本合金體系條件下，提高Ca的含量，合金的組織更加致密，晶粒更加細小。說明Ca有明顯的細化晶粒的作用，Ca的這種作用，與其生成的化合物在合金結晶時被排斥到液固界面前沿產生富集有關。這些化合物可以阻止合金中其他元素的擴散，使作為溶劑的Mg中的溶質元素Al，Zn的分配系數k減小，結果使二次枝晶間距變小，晶粒得到細化。Ca的這種細化作用，使合金組織更加致密、均勻，減少了由于組織不均勻造成的電極電位差而引起的電化學腐蝕傾向。

圖5 鎂合金的力學性能Fig.5 Mechanical properties of magnesium alloys

此外，由Ca及其他元素所形成的化合物可在 鎂合金中起增強增韌作用。根據Mg-Ca二元合金相圖可知，Ca幾乎不溶于Mg，因此Ca沒有固溶強化的作用。但是含Ca的化合物可以起到彌散強化合金的作用。在外力作用下試樣被拉伸時，由于合金中的含Ca化合物不能隨基體進行連續變形，引起位錯塞積，因此強化了合金。但是當外力超過材料與化合物的結合強度時，這些化合物會與基體在結合界面處形成微孔。隨著應力增加，微孔不斷長大，相互吞并，使微孔形成的裂紋進一步擴展，導致材料縮頸和斷裂[6]。這就是圖4中合金拉伸斷口呈現較多韌窩的原因。

圖6 鎂合金的腐蝕速率Fig.6 Corrosion rate of magnesium alloys

由圖5還可以看出，在本試驗合金體系中，提高Sn的含量，合金的力學性能有較大的提高。由Mg-Sn二元合金相圖可知，Sn有固溶強化的作用。文獻[7]研究了Sn在鎂合金中的作用：Sn能改變鎂合金的鑄態組織形貌，使粗大的網狀Mg17Al12相破碎為斷網狀，并且Sn在合金基體上均勻分布，有效地細化了晶粒。

由圖5中的力學性能曲線可以看出，試驗合金中加入4.5%Sn及1.0%Ca時，力學性能最優。繼續增加Sn，Ca，合金的力學性能不再明顯提高；當Sn，Ca含量達一定值后，試驗合金的力學性能反而降低。其原因是，Sn，Ca過多，所形成的 Sn，Ca化合物也增多。這些化合物多為脆性化合物，因此會嚴重降低合金的的塑性和強度。此外，過多的化合物會發生聚集，因而會破壞合金組織的均勻性。因此，也會造成合金的耐腐蝕性能的下降。所以，無論從合金的力學性能角度，還是從合金的耐腐蝕能力方面，限制第二相化合物的數量都是非常必要的。

3 結 論

（1）在 Mg-Al-Zn-Si合金體系中，加入 4.5%Sn和1.0%Ca，可以得到最好的抗拉強度、伸長率及腐蝕速率的組合。在本試驗成分范圍內，合金的室溫伸長率可達12%，抗拉強度可達225 MPa。完全滿足提升機電控手柄的力學性能及耐腐蝕性能的要求。

（2）合金綜合性能提高的主要原因來自Mg2Ca，Mg2Sn，Ca2Sn及一些多元化合物的彌散強化及晶粒細化作用。