稀土镧和钙对镁锡合金性能的影响
第３８卷增刊１２００９年４月
稀有金属材料与工程
ＲＡＲＥＭＥＴＡＬＭＡＴＥＲｌＡＬＳＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｖ０１．３８，Ｓｕｐｐｌ．１
Ａｐｒｉｌ２００９稀土镧和钙对镁锡合金性／月－匕Ｂ的影响
赵浩峰，王玲，雷勇，颜开，李庆芳，吴红艳
（南京信息工程大学，江苏南京２１００４４）
摘要：研究了Ｌａ和Ｃａ元素对镁锡合金塑性的影响。通过拉伸性能测试和冲击性能试验，表明合适的Ｌａ和Ｃａ含量，合金的伸长率可以达到１８％，约是ＡＺ９１合金伸长率（６％）的３倍，冲击韧性可达２０Ｊ／ｃｍ２，是ＡＺ９１合金冲击韧性（９Ｊ／ｃｍ２）的２倍多．
关键词：镁合金：性能；锡；镧；钙
中图法分类号：ＴＧｌ４６．２＋２文献标识码：Ａ文章编号：１００２?１８５Ｘ（２００９）Ｓ１—００６—０３
镁合金具有许多优良的性质，因此成为世界各地应用增长最快的工程材料之一【１．２】。但是，镁为密排六方晶格，这就决定了镁的塑性较低。因此，镁及镁合金的压力加工都是在热状态下进行的，一般不宜进行塑性变形加工。单独使用锡来影响镁性能的研究已有报道，但是锡的加入并没有明显促进镁塑性的提高［３－６１。本实验通过在纯镁中同时添加Ｓｎ、Ｌａ和Ｃａ等元素的基础上，研究了Ｌａ和Ｃａ对镁锡合金性能特别是塑性的影响。
１实验方法
本实验是在工业纯镁中加入２．５％Ｓｎ、０．４％Ｐｂ、０．３，－４）．７％Ｃａ及０．３￣ｏ．９％Ｌａ（质量分数，下同），形成镁锡铅钙稀土系列合金。将按上述成分配好的纯Ｍｇ锭、纯Ｓｎ条、纯Ｐｂ块、Ｍｇ．Ｃａ中间合金块和Ｍｇ—Ｌａ中间合金块置于电阻坩埚炉中升温至７００－７１５℃熔化，在该温度范围保温１０ｍｉｎ之后，将熔融的合金液浇入金属模具中，待冷却后即得到合金试样。
用于检测拉伸强度的合金试样的标距为２５ｍｍ，垂直于拉伸力方向的截面尺寸为３．５ｍｍ×２ｍｍ。冲击试验按ＧＢ／Ｔ４３３８．１９９５规范进行，冲击试样尺寸为１０衄×１０ｍｍ×５５ｍｍ，无缺口，试样均不加工。合金组织先通过光学显微镜观察，然后采用￥４８００场发射扫描电镜观察和分析。
２结果和讨论
图ｌａ为含２．５％Ｓｎ、０．４％Ｐｂ、０．６％Ｃａ及０．９％Ｌａ的镁锡铅合金的组织照片。由图ｌ中的组织观察可以看出，合金的晶粒由白色的物相包围，白色的物相构成晶界。图ｌｂ为合金断裂的面。可以看出断口上下起伏，存在大量的韧窝。
图ｌ镁合金试样的扫描电镜组织
Ｆｉｇ．１ＳＥＭＰｈｏｔｏｇｒａｐｈｓｏｆｍａｇｎｅｓｉｕｍａｌｌｏｙｓａｍｐｌｅ：（ａ）ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｍａｇｎｅｓｉｕｍａｌｌｏｙａｎｄ（ｂ）ｆＴａｃｔｕｒｅｓｕｒｆａｃｅ
ｏｆｍａｇｎｅｓｉｕｍａｌｌｏｙ
图２ａ为晶界处白色的物相。图２ｂ为白色物相的能谱分析。可以看出，晶界处的物相为镁锡钙镧化合物。
图３为合金的力学性能随合金成分的变化曲线。可以看出，钙含量的提高，力学性能曲线置于高处，
收稿日期：２００８．０３．３０
作者简介：赵浩峰，男，１９５７年生，博士，教授，南京信息工程大学材料物理系，江苏南京２１００４４，电话：０２５．５８７３１０３１，Ｅ－ｍａｉｌ：
ｎｅｕｈｆｚ＠１６３．ＣＯＩｎ
万方数据
增刊１赵浩峰等：稀土镧和钙对镁锡合金性能的影响?７?
说明合金的力学性能整体提高。但是当钙含量超过Ｏ．５％后，钙的作用不再明显。另外可以看出，在钙和其它元素含量不变的条件下，随着Ｌａ元素的增高，伸长率和抗拉强度均增高。稀土含量Ｏ．６％后。性能增加平缓。在实验成分范围内，合金的室温伸长率可达１８％，冲击韧性可达２０Ｊ／ｃｍ２。可以看出，由于锡、铅、钙和稀土等元素的共同作用，使镁的伸长率（７％）提高了约２倍。结合合金伸长率数值和断口的韧窝形貌，说明合金拉伸后的断裂属于韧型断裂。
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图２晶界处白色物相的能谱分析
Ｆｉｇ．２Ｅｎｅｒｇｙｓｐｅｃｔｒｕｍａｎａｌｙｓｉｓｏｆｗｈｉｔｅｐｈａｓｅｉｎｃｒｙｓｔａｌｉｎｔｅｒｆａｃｅ：（ａ）ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｗｈｉｔｅｐｈａｓｅｉｎｃｒｙｓｔａｌｉｎｔｅｒｆａｃｅａｎｄ（ｂ）
ｅｎｅｒｇｙｓｐｅ．涮ｌ－ｕｍａｎａｌｙｓｉｓ
造成合金塑性提高的主要原因应该是晶界的协调配合【７】。而晶界的协调配合和晶粒的形状及大小有关。晶粒越小，合金塑性越好。实践已表明，锡和铅可使组织变为等轴晶粒，而钙和稀土均能细化晶粒。钙在镁中的固溶度不高，多余的Ｃａ可形成Ｍ９２Ｃａ化合物，是有效的细化剂。稀土元素可细化晶粒、净化熔体、提高合金室温强度、提高合金力学性能的热稳定性。由图２ｂ界面处白色物相的能谱分析可以看出，晶界处的镁锡化合物含有元素Ｌａ和Ｃａ。说明，在镁合金凝固时存在元素的富集，这种富集进而造成成分过冷，从而阻碍了枝晶的生长。镧与镁生成的化合物在结晶时被排斥到液固界面前沿产生富集，从而阻止了合金中元素的扩散，这样可使作为溶剂的镁中的溶质元素的分配系数ｋ减小，偏析系数（１．句增大，结果使二次枝晶间距变小。因此可以看出，在含锡的镁合金中，
Ｌａ和Ｃａ细化镁合金晶粒的机理更主要是由于其在镁合金凝固时存在元素的富集从而抑制了晶粒生长的结果。元素的富集产生的作用可用生长抑制因子（∞
表示：
ＧＲＦ＝∑ｍ，％（ｔ—１）
●＿‘…’’
Ｉ
其中ｍ，表示第ｉ组元相图中液相线的斜率，ｃｏ，为第ｌ组元的初始浓度，岛是第ｉ组元中的溶质分配系数。
Ｇ足Ｆ值越大，表明其细化能力越强。但是，Ｌａ和Ｃａ过多，会形成大量的化合物。这些化合物往往是脆性的，因此化合物的增多，势必增加合金的脆性和降低合金的强度。
主
苇
图３镁合金的拉伸力学性能
Ｆｉｇ．３Ｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｍａｇｎｅｓｉｕｍａｌｌｏｙ：（ａ）ｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄ（ｂ）ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ
３结论
在镁中加入质量分数为２．５％Ｓｎ、０．４％Ｐｂ、０．３加．７％Ｃａ及０．３加．９％Ｌａ后，镁合金的塑性得到改善。在实验成分范围内，合金的室温伸长率可以达到１８％，冲击韧性可以达到２０Ｊ／ｃｍ２。造成合金塑性提高的原因来自晶界化合物的协调配合，而这种配合来自铅和锡可
使组织变为等轴晶粒，而钙和稀土则可使晶粒细化。万方数据
万方数据