曹永亮

(東北輕合金有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150060)

目前，在改善AZ系和ZK系鎂合金組織、提高性能方面，研究已做了大量工作。由于AZ系和ZK系鎂合金合金元素含量較低，固溶強化和時效強化效果不明顯，因此研究工作主要通過微量元素合金化和復合合金化的手段來達到改善組織的目的。微量元素主要通過改善合金相的形態(tài)結構特征、形成新的高熔點、高熱穩(wěn)定性的第二相或細化組織晶粒來進一步提高 AZ系和ZK系鎂合金的常溫和高溫性能。大量研究表明，加入Ca、Sr、Y、Ce等微量元素中的一種或幾種可有效改善AZ系和ZK系鎂合金的內部組織。

鎂合金性能的優(yōu)化主要取決于合金組織的有效控制，而合金組織的有效控制又取決于材料的化學成分和制備工藝。細小的合金組織可以提高合金的力學性能，國內外有關鎂合金晶粒細化的報道很多，尤其是以AZ40M和ZK61M為代表，通過加入合金化元素來細化晶粒，提高合金性能是現(xiàn)在的研究重點。本項目以AZ40M、ZK61M鎂合金為基體，選擇Ca為合金化元素，Ca是堿土金屬元素，加入到含Al的鎂合金中，固溶到第二相Mg17Al12中會提高其熱穩(wěn)定性，有助于高溫性能的提高，與Al或Mg形成Al2Ca或Mg2Ca高熔點熱穩(wěn)定相同樣會提高合金的高溫力學性能。兩者同時作用，對高溫力學性能的提高更為顯著。通過合金成分設計、熔煉及各種組織和性能分析測試手段，研究了Ca對AZ40M、ZK61M鎂合金鑄態(tài)組織和力學性能的影響。

1 研制內容和技術關鍵

(1)研制內容。以AZ40M、ZK61M鎂合金為研究對象，Ca為合金化元素，進行合金成分設計、合金熔煉和鑄造，對切取的試樣進行力學性能測試和微觀組織分析，并在此基礎上分析Ca元素對鎂合金AZ40M和ZK61M鑄態(tài)組織和力學性能的作用及機理，從而確定最佳的Ca加入量;

(2)技術關鍵。開發(fā)性試驗不同量Ca對鎂合金AZ40M、ZK61M鑄態(tài)組織和力學性能的影響變化規(guī)律。

2 研制試驗結果與分析

2.1 Ca對AZ40M鑄態(tài)組織的影響

圖1為Ca加入量分別為0.2%、0.4%和0.8 %的AZ40M鎂合金的鑄態(tài)組織。其中Ca加入量為0.4%時，AZ40M鑄態(tài)組織晶粒分布均勻細小。

根據ASTM E112-G6標準測得晶粒尺寸隨著Ca含量增加逐漸變細，在Ca含量0.4%時，獲得最佳細化效果；繼續(xù)增加Ca含量，晶粒尺寸反而粗化。

圖2 是含Ca的AZ40M合金與AZ40M鑄態(tài)組織的微觀組織。隨著Ca含量的增加，沿晶界分布的第二相增多。當Ca加入量為0.4%，如圖2(b)所示，第二相呈板條片狀沿著晶界呈連續(xù)的網狀分布，有部分球狀相分布在晶界和枝晶間。當繼續(xù)增加Ca含量到0.8%時，合金中的第二相呈連續(xù)狀分布，第二相比0.4%Ca時有所粗化。而且在第二相中發(fā)現(xiàn)Ca元素存在。但是沒有觀察到Al-Ca或者Mg-Ca二元合金相，或者Al-Mg-Ca三元相存在。

(a) AZ40M；(b) AZ40M-0.2Ca；(c) AZ40M-0.4Ca；(d) AZ40M-0.8Ca

(a)AZ40M；(b)AZ40M-0.4Ca；(c)AZ40M-0.8Ca

2.2 Ca對AZ40M鑄態(tài)室溫力學性能的影響

圖3為AZ40M-xCa合金室溫力學性能隨Ca含量的變化。可以看出，隨著Ca含量增加，合金的抗拉強度、屈服強度和延伸率呈現(xiàn)先升后降的趨勢。Ca含量從0.2%變化至0.4%時，抗拉強度從188MPa提高至206MPa，屈服強度從103MPa提高至108MPa，延伸率從8.5 %提高至11.5 %。而當Ca含量從0.4%繼續(xù)增加至0.8%時，三者均急劇下降，分別變?yōu)?92MPa、77MPa和6.8%。對T4固溶態(tài)和T6固溶時效態(tài)合金力學性能的測試發(fā)現(xiàn)，力學性能隨Ca含量的變化存在相同的變化趨勢，在0.4%Ca時獲得最佳強度和塑性。

圖3 不同Ca含量時合金的室溫力學性能

從圖1Ca含量對鑄態(tài)組織的影響，以及鑄態(tài)晶粒尺寸隨Ca含量變化趨勢可以看出，晶粒尺寸逐漸減少，在0.4%Ca時達到最小值，繼續(xù)增加Ca，晶粒不再變小。并且第二相的數量也在增加，在0.8%Ca時，第二相出現(xiàn)偏聚，部分已經呈現(xiàn)網狀分布，所以力學性能隨著Ca含量的增加而增加，在0.4%Ca時達到最佳值，繼續(xù)增加Ca，由于網狀分布的第二相，力學性能出現(xiàn)下降趨勢。

2.3 Ca對AZ40M鑄態(tài)高溫力學性能的影響

Ca同樣提高了AZ40M鎂合金的高溫(150℃)抗拉力學性能，如圖4所示。與室溫力學性能相比，Ca對AZ40M鎂合金高溫抗拉強度的提高幅度不大，而對高溫下合金的屈服強度和延伸率有顯著提高。Ca含量0.4%時，AZ40M鎂合金的高溫抗拉強度140.1MPa、屈服強度56.5MPa和延伸率15.5%，均達到最大值。由此可知加入Ca元素，不僅可提高合金的抗拉強度和屈服強度，也有利于合金塑性的改善。

圖4 Ca對鑄態(tài)AZ40M合金高溫拉伸性能的影響

AZ40M鎂合金高溫性能的提高主要依賴于第二相組織穩(wěn)定性的提高。加入的Ca大部分固溶于第二相中，提高了其高溫穩(wěn)定性，因而提高了合金的整體高溫力學性能。同樣的，在高Ca(如0.8%)時，由于第二相增多、偏聚，力學性能沒有繼續(xù)提高，反而出現(xiàn)下降趨勢。因此，適量的Ca可以細化組織、提高高溫穩(wěn)定性。過量的Ca會惡化組織，降低力學性能。

2.4 Ca對鎂合金ZK61M鑄態(tài)組織的影響

圖5是不同Ca含量時ZK61M鎂合金金相顯微組織。ZK61M鎂合金晶粒粗大，其共晶產物沿晶界或枝晶邊緣斷續(xù)析出，且枝晶內存在不均勻分布的黑色質點；添加0.1%的Ca后，枝晶明顯減少，合金出現(xiàn)等軸化趨勢，沿晶界析出的第二相數量與晶內分布的黑色質點數量開始增加；Ca含量達到0.2%時，晶粒尺寸進一步減小，且等軸化趨勢更加明顯；Ca含量達到0.4%時，晶粒尺寸開始變大，但第二相數量卻持續(xù)增加。

(a)ZK61M；(b)ZK61M-0.1Ca；(c)ZK61M-0.2Ca；(d) ZK61M-0.4Ca

ZK61M合金中，隨著Ca含量增加，合金晶粒尺寸先減后增。在Ca含量0.2%時，獲得最佳細化效果。

圖6為不同Ca含量時ZK61M的第二相分布及形貌。隨著Ca含量增加，第二相逐漸增多。沿晶界生長的第二相主要為條狀，而在枝晶間析出的第二相呈圓形顆粒狀。能譜分析表明，沿晶界分布的第二相由Mg、Zn、Ca三種元素組成，ZK61M-0.2Ca中第二相Zn/Ca的原子比約為1.44，結合Mg-Zn-Ca三元相圖可推出第二相為Ca2Mg6Zn3三元相。在α-Mg基體中存在的圓形顆粒狀相主要由Mg、Zn、Zr組成。由能譜結果結合Mg-Zn、Mg-Zr二元相圖可推出第二相為單質Zr與MgZn組成。

(a)ZK61M；(b) ZK61M-0.1Ca；(c) ZK61M-0.2Ca；(d) ZK61M-0.4Ca

2.5 Ca對ZK61M合金鑄態(tài)室溫力學性能的影響

圖7是Ca含量與ZK61M合金鑄態(tài)室溫力學性能的關系。由圖可知，在試驗Ca含量范圍內，隨著Ca含量增加，合金晶粒逐漸細化。由于晶粒變細小，鑄態(tài)試樣抗拉強度、屈服強度及延伸率都增大，Ca含量在0.2%時均獲得最大值；Ca含量超過0.2%時，合金的抗拉強度、屈服強度及延伸率都有不同程度的降低。

圖7 Ca含量對ZK61M合金拉伸力學性能的影響

Ca加入到ZK61M合金中可以細化合金，還形成一個Ca2Mg6Zn3脆性相。從鑄態(tài)組織可以看出，0.2%Ca時獲得最細小的鑄態(tài)組織，繼續(xù)增加Ca形成的Ca2Mg6Zn3相以及原來的MgZn相在晶界上形成網狀分布，這種網狀分布嚴重影響合金的力學性能。因此在力學性能測試中發(fā)現(xiàn)，0.2%Ca時獲得最佳力學性能，而0.4%Ca時力學性能嚴重下降。因此，Ca的作用既可細化組織、提高力學性能，又可形成脆性新相，且當這種脆性相數量達到一定程度時，就會降低合金的力學性能，表現(xiàn)出強度和塑性均下降。所以，選擇合適地Ca加入量是細化的關鍵。從本研究的實驗結果判斷，0.2%Ca左右可獲得最佳力學性能。

3 結論

(1)Ca可有效細化AZ40M和ZK61M鎂合金的鑄態(tài)組織并提高其高溫力學性能。AZ40M和ZK61M合金的最佳Ca加入量分別為0.4%和0.2%；

(2) AZ40M和ZK61M合金的拉伸力學性能隨Ca含量的增加先升后降，其中AZ40M合金在0.4%Ca、ZK61M合金在0.2%Ca時達到最佳拉伸力學性能。

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