Ca對AZ40M、ZK61M鎂合金鑄態(tài)組織和力學(xué)性能的影響

曹永亮

(東北輕合金有限責(zé)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(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)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(fù)合合金化的手段來達(dá)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(jié)構(gòu)特征、形成新的高熔點(diǎn)、高熱穩(wěn)定性的第二相或細(xì)化組織晶粒來進(jìn)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(nèi)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(xué)成分和制備工藝。細(xì)小的合金組織可以提高合金的力學(xué)性能，國內(nèi)外有關(guān)鎂合金晶粒細(xì)化的報(bào)道很多，尤其是以AZ40M和ZK61M為代表，通過加入合金化元素來細(xì)化晶粒，提高合金性能是現(xiàn)在的研究重點(diǎn)。本項(xiàng)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(huì)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(diǎn)熱穩(wěn)定相同樣會(huì)提高合金的高溫力學(xué)性能。兩者同時(shí)作用，對高溫力學(xué)性能的提高更為顯著。通過合金成分設(shè)計(jì)、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(xué)性能的影響。

1 研制內(nèi)容和技術(shù)關(guān)鍵

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

(2)技術(shù)關(guān)鍵。開發(fā)性試驗(yàn)不同量Ca對鎂合金AZ40M、ZK61M鑄態(tài)組織和力學(xué)性能的影響變化規(guī)律。

2 研制試驗(yàn)結(jié)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(shí)，AZ40M鑄態(tài)組織晶粒分布均勻細(xì)小。

根據(jù)ASTM E112-G6標(biāo)準(zhǔn)測得晶粒尺寸隨著Ca含量增加逐漸變細(xì)，在Ca含量0.4%時(shí)，獲得最佳細(xì)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(dāng)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(wǎng)狀分布，有部分球狀相分布在晶界和枝晶間。當(dāng)繼續(xù)增加Ca含量到0.8%時(shí)，合金中的第二相呈連續(xù)狀分布，第二相比0.4%Ca時(shí)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M(jìn)g-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(xué)性能的影響

圖3為AZ40M-xCa合金室溫力學(xué)性能隨Ca含量的變化?？梢钥闯?，隨著Ca含量增加，合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)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(shí)，抗拉強(qiáng)度從188MPa提高至206MPa，屈服強(qiáng)度從103MPa提高至108MPa，延伸率從8.5 %提高至11.5 %。而當(dāng)Ca含量從0.4%繼續(xù)增加至0.8%時(shí)，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(shí)效態(tài)合金力學(xué)性能的測試發(fā)現(xiàn)，力學(xué)性能隨Ca含量的變化存在相同的變化趨勢，在0.4%Ca時(shí)獲得最佳強(qiáng)度和塑性。

圖3 不同Ca含量時(shí)合金的室溫力學(xué)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(shí)達(dá)到最小值，繼續(xù)增加Ca，晶粒不再變小。并且第二相的數(shù)量也在增加，在0.8%Ca時(shí)，第二相出現(xiàn)偏聚，部分已經(jīng)呈現(xiàn)網(wǎng)狀分布，所以力學(xué)性能隨著Ca含量的增加而增加，在0.4%Ca時(shí)達(dá)到最佳值，繼續(xù)增加Ca，由于網(wǎng)狀分布的第二相，力學(xué)性能出現(xiàn)下降趨勢。

2.3 Ca對AZ40M鑄態(tài)高溫力學(xué)性能的影響

Ca同樣提高了AZ40M鎂合金的高溫(150℃)抗拉力學(xué)性能，如圖4所示。與室溫力學(xué)性能相比，Ca對AZ40M鎂合金高溫抗拉強(qiáng)度的提高幅度不大，而對高溫下合金的屈服強(qiáng)度和延伸率有顯著提高。Ca含量0.4%時(shí)，AZ40M鎂合金的高溫抗拉強(qiáng)度140.1MPa、屈服強(qiáng)度56.5MPa和延伸率15.5%，均達(dá)到最大值。由此可知加入Ca元素，不僅可提高合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)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(xué)性能。同樣的，在高Ca(如0.8%)時(shí)，由于第二相增多、偏聚，力學(xué)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(xì)化組織、提高高溫穩(wěn)定性。過量的Ca會(huì)惡化組織，降低力學(xué)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(shí)ZK61M鎂合金金相顯微組織。ZK61M鎂合金晶粒粗大，其共晶產(chǎn)物沿晶界或枝晶邊緣斷續(xù)析出，且枝晶內(nèi)存在不均勻分布的黑色質(zhì)點(diǎn)；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(shù)量與晶內(nèi)分布的黑色質(zhì)點(diǎn)數(shù)量開始增加；Ca含量達(dá)到0.2%時(shí)，晶粒尺寸進(jìn)一步減小，且等軸化趨勢更加明顯；Ca含量達(dá)到0.4%時(shí)，晶粒尺寸開始變大，但第二相數(shù)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(shí)，獲得最佳細(xì)化效果。

圖6為不同Ca含量時(shí)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(jié)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(jié)果結(jié)合Mg-Zn、Mg-Zr二元相圖可推出第二相為單質(zhì)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(xué)性能的影響

圖7是Ca含量與ZK61M合金鑄態(tài)室溫力學(xué)性能的關(guān)系。由圖可知，在試驗(yàn)Ca含量范圍內(nèi)，隨著Ca含量增加，合金晶粒逐漸細(xì)化。由于晶粒變細(xì)小，鑄態(tài)試樣抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及延伸率都增大，Ca含量在0.2%時(shí)均獲得最大值；Ca含量超過0.2%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)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(xué)性能的影響

Ca加入到ZK61M合金中可以細(xì)化合金，還形成一個(gè)Ca2Mg6Zn3脆性相。從鑄態(tài)組織可以看出，0.2%Ca時(shí)獲得最細(xì)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(wǎng)狀分布，這種網(wǎng)狀分布嚴(yán)重影響合金的力學(xué)性能。因此在力學(xué)性能測試中發(fā)現(xiàn)，0.2%Ca時(shí)獲得最佳力學(xué)性能，而0.4%Ca時(shí)力學(xué)性能嚴(yán)重下降。因此，Ca的作用既可細(xì)化組織、提高力學(xué)性能，又可形成脆性新相，且當(dāng)這種脆性相數(shù)量達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)降低合金的力學(xué)性能，表現(xiàn)出強(qiáng)度和塑性均下降。所以，選擇合適地Ca加入量是細(xì)化的關(guān)鍵。從本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果判斷，0.2%Ca左右可獲得最佳力學(xué)性能。

3 結(jié)論

(1)Ca可有效細(xì)化AZ40M和ZK61M鎂合金的鑄態(tài)組織并提高其高溫力學(xué)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(xué)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(shí)達(dá)到最佳拉伸力學(xué)性能。

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