Ca的不同加入量對AZ63鎂合金組織性能的影響

焦何生

（濟鋼集團有限公司，山東 濟南250101）

1 前言

近年來的研究發(fā)現(xiàn)，堿土元素（如Ca、Sr等）加入鎂合金具有細化組織，提高抗氧化性能和抗蠕變性能、提升力學(xué)性能等作用。堿土元素Ca加入Mg-Al基合金會在基體中形成熔點很高的含Ca的中間相，高溫下中間相不易分解，可有效地阻止晶界運動，進而使合金高溫下的力學(xué)性能和抗蠕變性能得到顯著改善。本文以AZ63為基礎(chǔ)合金，分別加入1.0%、1.5%、2.0%和2.5%的Ca進行對比得出對其微觀組織、物相和力學(xué)性能的影響，以找到堿土元素Ca加入量和鎂合金AZ63之間的科學(xué)匹配，為研發(fā)符合工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)需求的低成本耐熱鎂合金提供試驗依據(jù)。

2 試驗設(shè)計與方法

2.1 試驗材料和試驗方法

本試驗是以AZ63鎂合金為基體，通過熔煉，對鎂合金進行合金化，在AZ63鎂合金中添加不同的金屬Ca。為了便于比較不同的含Ca量對AZ63鎂合金顯微組織和力學(xué)性能的影響，設(shè)計了5組對比試驗，添加的Ca含量為編號a，無Ca；編號b，1.0%Ca；編號c，1.5%Ca；編號d，2.0%Ca；編號e，2.5%Ca。

2.2 鎂合金熔煉各種工具及材料

鎂合金生產(chǎn)中必須在熔煉之前準備好各項工作，在熔煉之前必須檢查熔煉爐和儀表的電器部分是否正常，重點要做好坩堝、模具和涂料3個方面的準備。一是坩堝的準備，在熔煉前必須檢查坩堝，清除熔渣及氧化皮后再檢查坩堝是否完好，如發(fā)現(xiàn)下述情況應(yīng)予以報廢:坩堝外表有白色氧化皮或干燥劑；坩堝局部嚴重凹陷或壁厚減薄至原來的1/2；錘擊坩堝的聲音嘶啞。二是模具的準備，試驗采用的金屬型模具尺寸為:140 mm×120 mm×22 mm。三是涂料的準備，試驗采用鎂合金專用涂料，對防止鎂合金氧化、提高鑄件表面質(zhì)量和增加合金熔體在型腔內(nèi)的流動性具有顯著效果。

2.3 試樣的制備

本試驗用的坩堝電阻爐型號為SSG-12-16，電壓功率380 V/12 kW，額定溫度1 600℃，加熱室尺寸φ200×250。熔煉前先按成分設(shè)計進行配料，當(dāng)熔煉溫度達到710℃左右，鎂合金充分熔化后，適時加入稱好的金屬鈣。在試樣制備過程中，一旦發(fā)現(xiàn)熔液露出燃燒時，應(yīng)立即撒RJ-2熔劑，在此過程中應(yīng)充分攪拌，以使成分均勻。澆注前將表層熔渣除去，澆注到預(yù)熱好（200℃）的模具中進行澆注，模具上均勻撒上硫磺粉。澆注完畢后，倒出剩余金屬液，鏟除坩堝殘渣，冷卻后在內(nèi)外壁涂上涂料，試驗用TL-8涂料，烘干坩堝，以備用。

從鑄造好的AZ63合金切出大小合適的試樣，取樣位置是鑄錠試樣的表面和底部的中心位置（或靠近中心）。將切割的試樣在較粗的砂布上進行粗磨，將試樣磨出平面。試樣進行細磨主要是減少粗磨引起的表面形變層，分別用不同等級型號砂紙精細磨制試樣表面。將細拋好的試樣用水沖洗干凈，再用4%的硝酸酒精進行腐蝕，腐蝕好后迅速用水清洗，最后用酒精清洗。待吹風(fēng)機吹干試樣后，用顯微鏡觀察顯微組織。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 鈣對AZ63合金鑄態(tài)組織的影響

從圖1所示的顯微組織可以看出，AZ63合金鑄態(tài)組織中除了α-Mg基體外，有少量的網(wǎng)狀β-Mg17Al12相。鈣加入到AZ63合金中后的微觀組織中能觀察到沿枝晶分布的層片狀Mg2Ca和細小的盤狀的Al2Ca，隨著Ca含量的增加，Mg2Ca體積分數(shù)增多，逐漸形成網(wǎng)狀分布。加入的Ca與Mg生成為Mg2Ca，β-Mg17Al12轉(zhuǎn)化為Al2Ca，β-Mg17Al12化合物逐漸減少，Mg2Ca和Al2Ca具有良好的熱穩(wěn)定性，對晶界有釘扎作用，阻滯了位錯的攀移和滑移，大幅提高了鎂合金的高溫蠕變性能。隨著加入Ca含量的增加，鎂合金中的析出相Al2Ca數(shù)量增多，尺寸變大，并有偏聚、粗化的趨勢，故當(dāng)加入2.0%Ca含量時，合金的鑄態(tài)組織較為理想。

圖1 不同含Ca量合金試樣的鑄態(tài)顯微組織

3.2 Ca對AZ63合金力學(xué)性能的影響分析

加入Ca后，合金元素主要通過細晶強化、固溶強化、彌散強化，提高了合金的強度和高溫蠕變性能，同時提高了合金的塑性。

3.2.1 Ca在AZ63鎂合金中的作用

往常規(guī)鎂合金系中添加Ca元素不僅可以提高鎂合金的氧化燃燒溫度，而且可細化鑄造組織，提高常溫力學(xué)性能，提升高溫蠕變性能。此外，適量的合金元素Ca能夠改善鎂合金的冶金質(zhì)量。添加Ca的目的主要有兩點:一是在鑄造合金澆注前加入，來減輕金屬熔體和鑄件熱處理過程中的氧化；二是加大合金晶粒細化，提高合金高溫蠕變抗力，提高薄板的可軋制性，主要是因為Ca的加入促使鑄態(tài)樹枝晶組織向等軸晶組織轉(zhuǎn)變，并且Ca的加入產(chǎn)生新的第二相組織，溶解進入了β-Mg17Al12相中，提高了β相的熱穩(wěn)定性。

3.2.2 析出相Al2Ca的彌散強化作用

在Mg-Al基鎂合金中加入Ca后形成與基體共格的高穩(wěn)定性Al2Ca相，在晶界處形成熱穩(wěn)定性很高的Mg2Ca、Al2Ca相，在高溫蠕變過程中，對晶界滑移起到有效的阻礙作用，阻止位錯滑移，同時抑制對高溫性能有害的Mg17Al12相的析出，從而顯著提高了合金的耐熱性能，有效提升了鎂合金的高溫抗蠕變性能。

3.2.3 加Ca對AZ63合金硬度的影響

對AZ63鎂合金以及在其中添加不同含鈣量的合金的鑄態(tài)組織的硬度進行測試，得到的硬度值如表1所示。從表1中可以看出，不加合金元素Ca的AZ63鎂合金和分別在AZ63鎂合金中添加1.0%Ca、1.5%Ca、2.0%Ca和2.5%Ca在鑄態(tài)的硬度值。隨著Ca含量的增加，合金的硬度值先增加，隨后減小，當(dāng)Ca含量在2.0%左右時，硬度值最高。

4 結(jié)論

4.1 AZ63合金中加入Ca之后，可以細化鑄造組織，且合金的硬度顯著增加。這是因為Ca的加入明顯細化了合金的鑄態(tài)和時效組織，并促使鑄態(tài)樹枝晶組織向等軸晶組織轉(zhuǎn)變，并且Ca的加入產(chǎn)生新的第二相Al2Ca和Mg2Ca，消耗了合金中大量的Al，低熔點的β-Mg17Al12相在基體上沒有析出，從而提高了β相的熱穩(wěn)定性。Al2Ca和Mg17Al12的熔點分別為1 079℃和437℃，在合金冷卻凝固過程中，Al2Ca先于Mg17Al12凝固，在凝固早期形成。首先形成的相一方面能夠阻止凝固和冷卻后期晶粒的長大，使AZ63合金細化，同時減少了Mg17Al12相的數(shù)量。另一方面，Ca是Mg的表面活性元素，在鎂合金凝固過程中易偏聚在凝固界面的前沿，阻礙了枝晶的長大，使合金的晶粒得到細化，同時促使沿晶界析出的共晶組織更趨彌散分布，這是析出相Al2Ca的彌散強化作用。

4.2 隨著AZ63合金中含Ca量的增加，其硬度值是先增加后減小，當(dāng)Ca的含量在2.0%左右時，硬度值最高。