定向凝固下Mg-4Sm-xCa 合金組織和力學性能研究

張 炎，李秋書，郭 璐，吳瑞瑞，袁 錚，于鵬程

（太原科技大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030024）

鎂合金由于低密度，高的比強度，優(yōu)良的導熱性、抗電磁干擾及優(yōu)良的屏蔽性能等優(yōu)點，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，還能夠細化晶粒，提高材料的力學性能，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，價格昂貴，過多的加入稀土元素會增加合金成本的投入。Ca是一個價格低廉的元素，同樣可以細化晶粒，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 實驗材料及方法

表1為合金的成分設(shè)計，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

實驗材料為純鎂（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，同時用高純Ar氣保護，當溫度達到700℃時加入一定量的Mg-30%Sm和Mg-20%Ca鎂合金，待其全部熔化后充分攪拌，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精煉劑進行精煉處理。所有的原料都需要進行烘烤去除水汽。再將溫度升高到750℃，靜置30min.當金屬液溫度降到720℃時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。

合金的定向凝固實驗在定向凝固裝置上進行，用30kW中頻感應(yīng)加熱爐進行熔化。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。實驗裝置詳見圖1.實驗時，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%的硝酸酒精溶液進行腐蝕，在光學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在萬能試驗機上進行，拉伸速率為0.5mm/min.

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 合金的相組成

圖2為不同Ca質(zhì)量分數(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散層擁有較強的成分過冷，富集在固液界面前阻礙其他原子的擴散，起到異質(zhì)形核的作用，能夠以細晶強化的作用增強α-Mg基體，表現(xiàn)在XRD圖上為各個相的衍射峰加強。

圖2 不同鈣質(zhì)量分數(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化。且隨著Ca質(zhì)量分數(shù)的增加，細化程度增加。這是因為Ca是一種偏析能力較強的元素，富集在固液界面前端，產(chǎn)生較強的成分過冷，抑制其他元素的擴散，并且能夠起到異質(zhì)形核的作用，促進形核，阻礙晶粒的長大，最終細化了晶粒[10]。

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

圖4所示為定向凝固下不同Ca質(zhì)量分數(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)量分數(shù)的增加，柱狀晶的尺寸得到了細化，但是當Ca質(zhì)量分數(shù)為1.0%時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)生較強的成分過冷，這樣又促進了新晶核的形成，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)量分數(shù)的Mg-4Sm 合金沿縱向的顯微組織圖（箭頭所示方向為柱狀晶生長方向）

2.3 Ca 對合金力學性能的影響

表2為Mg-4Sm-xCa合金不同狀態(tài)下的抗拉強度，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度有明顯的突變式提升，但隨著Ca質(zhì)量分數(shù)的增加，抗拉強度雖然也逐漸增加，提高速率卻有所減緩。

表2 Mg-4Sm-xCa 合金不同狀態(tài)下的抗拉強度/MPa

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

Ca質(zhì)量分數(shù)達到1.0%時，抗拉強度達到165MPa，較鑄態(tài)合金提高了81.3%.這主要是因為鑄態(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)量分數(shù)的增加，定向凝固組織晶粒尺寸逐漸變小，起到了細晶強化的作用。而且Ca原子在定向凝固過程中向柱狀晶生長的前方擴散移動，從而富集形成Mg2Ca相和Mg41Sm5相，能夠作為襯底促進晶粒形核并產(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)量分數(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合金的力學性能得到不同程度的提高，當鈣質(zhì)量分數(shù)為1%時，室溫抗拉強度達到165MPa，較鑄態(tài)合金提高了81.3%.

[1]黎文獻.鎂及鎂合金[M］.長沙：中南大學出版社，2005：85-92.

[2]朱蓓蓓，孫揚善，賈迪，薛峰.Mg-Sm系合金的顯微組織及力學性能[J].東南大學學報，2009,39（3）:610-614.

[3]張金山，姬國強，王星，等.Sm對AM60合金顯微組織和力學性能的影響[J］.稀有金屬材料與工程，2012，41（4）:617-622.

[4]劉生發(fā)，范曉明，王仲范.鈣在鑄造鎂合金中的作用[J］.鑄造，2003，52（4）:246-248.

[5]曹林鋒，杜文博，蘇學寬，等.Ca合金化在鎂合金中的作用[J］.鑄造技術(shù)，2006，27（2）：182-184.

[6]張清，李全安，井曉天，等.稀土Sm在耐熱鎂合金中的應(yīng)用[J］.鑄造，2010，59（3）：260-262.

[7］Luo A，Pekguleryuz M O.Cast magnesium alloys for elevated temperature applications[J］.Journal of material science，1994，20:5259-5271.

[8]Wang Q D，Chen W Z，et al.Effects of Ca addition on the microstructure and mechanical properties of AZ91magnesium alloy[J］.Journal of materialscience，2000，36:3035-304.

[9]Tong L B，Zheng M Yetal.Effect of Mn addition on microstruc ture，texture and mechanical properties of Mg-Zn-Ca alloy[J］.Materials Science and Engineering:A，2001，528:3741-3747.

[10]tanford N S.The effect of calcium on the texture，microstructure and mechanical properties of extruded Mg-Mn-Ca[J］.Materials Science and Engineering:A，2010，528:314-322.

[11]傅恒志.郭景杰.劉林，等.先進材料定向凝固[M］.北京：科學出版社，2008:305-308.