張 炎，李秋書，郭 璐，吳瑞瑞，袁 錚，于鵬程

（太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

鎂合金由于低密度，高的比強(qiáng)度，優(yōu)良的導(dǎo)熱性、抗電磁干擾及優(yōu)良的屏蔽性能等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車等領(lǐng)域[1-4]。然而由于鎂合金較低的高溫強(qiáng)度及蠕變抗力限制了鎂合金的應(yīng)用及用量[5]。稀土元素不僅能夠凈化金屬液，提高合金的鑄造性能，還能夠細(xì)化晶粒，提高材料的力學(xué)性能，一些含稀土的鎂合金已經(jīng)商業(yè)化[6]。但是由于稀土元素資源匱乏，價(jià)格昂貴，過多的加入稀土元素會(huì)增加合金成本的投入。Ca是一個(gè)價(jià)格低廉的元素，同樣可以細(xì)化晶粒，提高鎂合金的室溫及高溫性能[7-8]。然而添加Ca易產(chǎn)生鑄造缺陷，例如熱裂等限制了Ca在鎂合金中的應(yīng)用和發(fā)展[9]。本文采用定向凝固工藝和技術(shù)，研究Ca對Mg-4Sm合金組織和性能的影響規(guī)律，為含Ca鎂合金的研究與應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

表1為合金的成分設(shè)計(jì)，主要研究Ca對定向凝固下Mg-4Sm合金組織和性能的影響。

表1 合金成分設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)材料為純鎂（99.9%）、Mg-30%Sm和Mg-20%Ca鎂合金。首先將一定量的純鎂放入不銹鋼坩堝，在中頻電爐中加熱熔化，同時(shí)用高純Ar氣保護(hù)，當(dāng)溫度達(dá)到700℃時(shí)加入一定量的Mg-30%Sm和Mg-20%Ca鎂合金，待其全部熔化后充分?jǐn)嚢?，保證成分的均一化，制備成表1所示的Mg-4Sm-xCa合金，然后升溫至720℃，加入RJ-5精煉劑進(jìn)行精煉處理。所有的原料都需要進(jìn)行烘烤去除水汽。再將溫度升高到750℃，靜置30min.當(dāng)金屬液溫度降到720℃時(shí)去除金屬液面的雜質(zhì)，澆注到不銹鋼金屬模具中（模具預(yù)先預(yù)熱到250℃），鑄造出規(guī)格為8mm×140mm的圓棒形定向凝固試樣。

合金的定向凝固實(shí)驗(yàn)在定向凝固裝置上進(jìn)行，用30kW中頻感應(yīng)加熱爐進(jìn)行熔化。采用區(qū)域加熱熔化技術(shù)，冷卻方式采用液態(tài)金屬冷卻法以獲得更高的溫度梯度。實(shí)驗(yàn)裝置詳見圖1.實(shí)驗(yàn)時(shí)，試樣溫度保持在730℃，溫度梯度維持在70K/cm.晶體生長速度100μm/s.

圖1 定向凝固系統(tǒng)示意圖

將鑄態(tài)試樣及定向凝固試樣沿著縱向和橫向剖開，經(jīng)過打磨和拋光，用4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀察其微觀組織。采用XRD衍射儀對不同成分的合金進(jìn)行物相分析。采用掃描電鏡并結(jié)合EDS用來分析合金析出相的組成及分布。合金的室溫拉伸試驗(yàn)在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率為0.5mm/min.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 合金的相組成

圖2為不同Ca質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Mg-4Sm合金的XRD衍射圖譜，由圖2可知，Mg-4Sm合金主要由α-Mg相與Mg41Sm5相，而Mg-4Sm-0.5Ca和Mg-4Sm-1.0Ca合金主要由α-Mg相與Mg41Sm5相和Mg2Ca相組成。由于Ca原子在固液界面前方擴(kuò)散層擁有較強(qiáng)的成分過冷，富集在固液界面前阻礙其他原子的擴(kuò)散，起到異質(zhì)形核的作用，能夠以細(xì)晶強(qiáng)化的作用增強(qiáng)α-Mg基體，表現(xiàn)在XRD圖上為各個(gè)相的衍射峰加強(qiáng)。

圖2 不同鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Mg-4Sm 合金的XRD 衍射圖譜

2.2 Ca 對合金顯微組織的影響

圖3所示為未經(jīng)定向凝固下不同含Ca量的Mg-4Sm合金的金相顯微組織圖。從圖3可以看到，未經(jīng)定向凝固下的合金顯微組織皆為樹枝晶。Mg-4Sm合金的樹枝晶枝晶臂較為粗大，加入Ca后合金樹枝晶得到不同程度的細(xì)化。且隨著Ca質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，細(xì)化程度增加。這是因?yàn)镃a是一種偏析能力較強(qiáng)的元素，富集在固液界面前端，產(chǎn)生較強(qiáng)的成分過冷，抑制其他元素的擴(kuò)散，并且能夠起到異質(zhì)形核的作用，促進(jìn)形核，阻礙晶粒的長大，最終細(xì)化了晶粒[10]。

圖3 鑄態(tài)下不同Ca 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Mg-4Sm合金的光學(xué)顯微組織圖

圖4所示為定向凝固下不同Ca質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Mg-4Sm合金沿晶粒生長方向的顯微組織，從圖中可以看出，經(jīng)過定向凝固后合金的顯微組織發(fā)生明顯的變化，從未經(jīng)定向凝固下的樹枝晶轉(zhuǎn)變成柱狀晶。圖4a）與b）相比較，隨著Ca質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，柱狀晶的尺寸得到了細(xì)化，但是當(dāng)Ca質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)合金的柱狀晶組織呈現(xiàn)出不連續(xù)的結(jié)構(gòu)，而且組織不均勻。分析認(rèn)為，在定向凝固過程中，為了生成連續(xù)而穩(wěn)定的柱狀晶，需要阻礙新晶核的形成[11]。但Ca原子的存在在固液界面前方產(chǎn)生較強(qiáng)的成分過冷，這樣又促進(jìn)了新晶核的形成，而后者在定向凝固過程中起主要作用。因此兩者共同作用的結(jié)果，最終形成不連續(xù)的柱狀晶，而且Ca元素加入量越多，析出相越多，這種現(xiàn)象越明顯。

圖4 不同Ca 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Mg-4Sm 合金沿縱向的顯微組織圖（箭頭所示方向?yàn)橹鶢罹L方向）

2.3 Ca 對合金力學(xué)性能的影響

表2為Mg-4Sm-xCa合金不同狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度，圖5所示為不同狀態(tài)下試樣的室溫拉伸性能。從圖中可以看出定向凝固前后合金的抗拉強(qiáng)度有明顯的突變式提升，但隨著Ca質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，抗拉強(qiáng)度雖然也逐漸增加，提高速率卻有所減緩。

表2 Mg-4Sm-xCa 合金不同狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度/MPa

圖5 不同Ca 質(zhì)量分?jǐn)?shù)下Mg-4Sm 合金室溫力學(xué)性能

Ca質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.0%時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到165MPa，較鑄態(tài)合金提高了81.3%.這主要是因?yàn)殍T態(tài)下由于基體中存在連續(xù)的網(wǎng)狀粗大樹枝晶，增加了合金的脆性，經(jīng)過定向凝固后的合金，顯微組織從樹枝晶轉(zhuǎn)變成了柱狀晶，減小了晶界的影響，因而拉伸性能得到提高。另外，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，定向凝固組織晶粒尺寸逐漸變小，起到了細(xì)晶強(qiáng)化的作用。而且Ca原子在定向凝固過程中向柱狀晶生長的前方擴(kuò)散移動(dòng)，從而富集形成Mg2Ca相和Mg41Sm5相，能夠作為襯底促進(jìn)晶粒形核并產(chǎn)生新的晶界，阻礙原先柱狀晶晶粒的長大，使合金的拉伸性能受到一定程度的影響。

3 結(jié) 論

1）Mg-4Sm合金主要由α-Mg相和Mg41Sm5相組成，加入鈣后，組織中形成了高溫下不易分解的Mg2Ca相。

2）合金加入鈣后，柱狀晶組織出現(xiàn)了不連續(xù)結(jié)構(gòu)。隨著鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，定向凝固組織的不均勻性和不連續(xù)性越明顯。

3）在定向凝固條件下，Mg-4Sm-xCa合金的力學(xué)性能得到不同程度的提高，當(dāng)鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到165MPa，較鑄態(tài)合金提高了81.3%.

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