焦何生
(濟(jì)鋼集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南250101)
近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn),堿土元素(如Ca、Sr等)加入鎂合金具有細(xì)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(huì)在基體中形成熔點(diǎn)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(yùn)動(dòng),進(jìn)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(jìn)行對(duì)比得出對(duì)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(yàn)依據(jù)。
2.1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法
本試驗(yàn)是以AZ63鎂合金為基體,通過(guò)熔煉,對(duì)鎂合金進(jìn)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(duì)AZ63鎂合金顯微組織和力學(xué)性能的影響,設(shè)計(jì)了5組對(duì)比試驗(yàn),添加的Ca含量為編號(hào)a,無(wú)Ca;編號(hào)b,1.0%Ca;編號(hào)c,1.5%Ca;編號(hào)d,2.0%Ca;編號(hào)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(zhǔn)備好各項(xiàng)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(diǎn)要做好坩堝、模具和涂料3個(gè)方面的準(zhǔn)備。一是坩堝的準(zhǔn)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(bào)廢:坩堝外表有白色氧化皮或干燥劑;坩堝局部嚴(yán)重凹陷或壁厚減薄至原來(lái)的1/2;錘擊坩堝的聲音嘶啞。二是模具的準(zhǔn)備,試驗(yàn)采用的金屬型模具尺寸為:140 mm×120 mm×22 mm。三是涂料的準(zhǔn)備,試驗(yàn)采用鎂合金專用涂料,對(duì)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(dòng)性具有顯著效果。
2.3 試樣的制備
本試驗(yàn)用的坩堝電阻爐型號(hào)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(jì)進(jìn)行配料,當(dāng)熔煉溫度達(dá)到710℃左右,鎂合金充分熔化后,適時(shí)加入稱好的金屬鈣。在試樣制備過(guò)程中,一旦發(fā)現(xiàn)熔液露出燃燒時(shí),應(yīng)立即撒RJ-2熔劑,在此過(guò)程中應(yīng)充分?jǐn)嚢?,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(jìn)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?jiān)?,冷卻后在內(nèi)外壁涂上涂料,試驗(yàn)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(jìn)行粗磨,將試樣磨出平面。試樣進(jìn)行細(xì)磨主要是減少粗磨引起的表面形變層,分別用不同等級(jí)型號(hào)砂紙精細(xì)磨制試樣表面。將細(xì)拋好的試樣用水沖洗干凈,再用4%的硝酸酒精進(jìn)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(jī)吹干試樣后,用顯微鏡觀察顯微組織。
3.1 鈣對(duì)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(xì)小的盤(pán)狀的Al2Ca,隨著Ca含量的增加,Mg2Ca體積分?jǐn)?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(duì)晶界有釘扎作用,阻滯了位錯(cuò)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(shì),故當(dāng)加入2.0%Ca含量時(shí),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(duì)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(guò)細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化,提高了合金的強(qiáng)度和高溫蠕變性能,同時(shí)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(xì)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(diǎn):一是在鑄造合金澆注前加入,來(lái)減輕金屬熔體和鑄件熱處理過(guò)程中的氧化;二是加大合金晶粒細(xì)化,提高合金高溫蠕變抗力,提高薄板的可軋制性,主要是因?yàn)镃a的加入促使鑄態(tài)樹(shù)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(jìn)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(qiáng)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(guò)程中,對(duì)晶界滑移起到有效的阻礙作用,阻止位錯(cuò)滑移,同時(shí)抑制對(duì)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(duì)AZ63合金硬度的影響
對(duì)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(jìn)行測(cè)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(shí),硬度值最高。
4.1 AZ63合金中加入Ca之后,可以細(xì)化鑄造組織,且合金的硬度顯著增加。這是因?yàn)镃a的加入明顯細(xì)化了合金的鑄態(tài)和時(shí)效組織,并促使鑄態(tài)樹(shù)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(diǎn)的β-Mg17Al12相在基體上沒(méi)有析出,從而提高了β相的熱穩(wěn)定性。Al2Ca和Mg17Al12的熔點(diǎn)分別為1 079℃和437℃,在合金冷卻凝固過(guò)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(zhǎng)大,使AZ63合金細(xì)化,同時(shí)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(guò)程中易偏聚在凝固界面的前沿,阻礙了枝晶的長(zhǎng)大,使合金的晶粒得到細(xì)化,同時(shí)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(qiáng)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(shí),硬度值最高。