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1、不同铸造工艺下含Ca镁合金AT42的显微组织、拉伸性能和蠕变行为,Microstructure, tensileproperties and creepbehavior of Mg-4Al-2Sn containing Ca alloy produced by different casting technologies,不同铸造工艺下含Ca镁合金AT42的显微组织、拉伸性能和蠕变行为,内容摘要、关键词 1.引言 2.实验过程 3.实验结果与讨论 3.1显微组织 3.2拉伸性能 4.讨论与分析 5.结论 个人总结与体会,不同铸造工艺下含Ca镁合金AT42的显微组织、拉伸性能和蠕变行为,内容摘要
2、：分别对铸锭和压铸生产的AT42镁合金以及ATX421镁合金的显微组织、拉伸性能、蠕变行为进行研究，在室温或200条件下，压铸合金具有着较高的屈服和拉伸性能，其增强机制主要是由于晶粒细化以及金属间相的细化形态。研究表明，压铸ATX421镁合金具有最好的抗蠕变性能，即具有最低的最小蠕变速率和最长的蠕变断裂时间；而通过观察，发现锭铸AT42镁合金具有最差的抗蠕变性能。 关键词：镁合金 压铸 锭铸 蠕变性能,Microstructure, tensileproperties and creepbehavior of Mg-4Al-2Sn containing Ca alloy produced by
3、 different casting technologies,Abstract : The microstructure, tensileproperties and creepbehavior of Mg-4Al-2Sn (AT42) and Mg-4Al-2Sn-1Ca (ATX421) alloy produced by ingot and die-cast were investigated. The die-cast alloy exhibits superior yield and tensileproperties at room temperature and 200 C.
4、The strengthening mechanism of die-cast alloys was mainly attributed to the grain refinement and fine morphology of intermetallic phases. The die-cast ATX421 alloy exhibited the best creep resistance, i.e. the lowest minimum creep rate and the longest creep rupture time, while the poorest creep resi
5、stance was observed in the ingot cast AT42 alloy. Keywords: Magnesium alloys; Die-casting; Ingot-casting; Creepproperties,1.引言,在汽车动力传动部分的应用中，提高高温性能是已经镁合金潜在应用的决定性因素。为了降低成本，Sn、Ca等合金元素是相对廉价的，其中Sn元素通过固溶强化作用提高合金强度。另外，Sn元素在-Mg中的溶解性会随着温度的降低明显减小，因此可以进一步通过时效作用提高力学性能。为了进一步增强合金的力学性能，通过在Mg-3Sn-2Ca合金中添加Ce和Y元素，合金
6、中粗大的CaMgSn相得到细化并因此提高了力学性能。而在Mg-5Sn-1Ca合金中，通过较快的冷却速度可以有效地抑制其初生CaMgSn相的生长并提高力学性能。为了进一步证实不同铸造工艺过程对合金的影响，现对以AT42(Mg-4Al-2Sn)为基体的压铸合金和铸锭合金的微观结构以及力学性能进行对比。,2.实验过程,实验中采用纯镁（99.9%），铝（99.9%），锡（99.9%）和镁铝合金（铝的质量百分比为40%）样品。锭铸合金在CO2和SF6保护气氛下，选择在750高温下在低碳钢熔炉内熔融；而浇注时，选择在200下向已经预热的永久模内浇注。压铸合金在CO2和SF6保护气氛下，使用锁模力为320吨
7、的冷室压铸机，并将熔化金属手工浇注到压铸机内进行生产。 表1 材料名称与其合金的化学成分（%） 材料名称 Al Sn Ca Cu Fe Ni Mg AT42 4.1 1.9 - 0.003 0.004 0.001 Bal ATX421 3.9 2.1 1.2 0.002 0.005 0.001 Bal,2.实验过程,为了观察合金显微组织，采用2000#砂纸及氧化铝粉对试样进行机械抛光。对相应位置的试样进行固溶处理（5204h）以描绘颗粒形貌。 在腐蚀之后，使用光学显微镜（OM）和带有X射线分光仪（EDS）的扫描电子显微镜（SEM)进行显微组织分析。 选用配制好的3%的硝酸酒精溶液腐蚀试样。 物
8、相鉴定分析采用X射线衍射仪（XRD）以及SEM-EDS，在铸态时采用单色铜靶放射线。 拉伸试验在25和200下进行，初始应变率为3.3310-2s-1。通过10次试验的平均值得到其极限抗拉强度、0.2%屈服强度和断裂伸长率。 在150-70MPa条件下，对铸态合金进行定载荷拉伸蠕变试验，时间为250h。通过每一次试验的伸长率-时间曲线，取其三次试验的平均值，从而测量出总蠕变应变和最小蠕变速率。,3.实验结果与讨论,3.1 显微组织 图1表示铸锭合金和压铸合金的XRD图，其中AT42镁合金的显微组织（见图1（a）主要由-Mg，-Mg17Al12和Mg2Sn相组成，并由于Ca元素的添加，发现了Ca
9、MgSn三元相。,图1 XRD图 （a）锭铸合金AT42（b）压铸合金AT42 （c）锭铸合金ATX421（d）压铸合金ATX421,3.1 显微组织,图2表示通过不同铸造工艺生产的含Ca与不含Ca的AT42镁合金的光学显微照片，其显微组织基本上由初生-Mg及在枝晶间区域的第二相组成。,图2 光学显微照片 （a）锭铸合金AT42 （b）压铸合金AT42 （c）锭铸合金ATX421 （d）压铸合金ATX421,3.1 显微组织,两种铸造方法下的不同之处： 1.锭铸合金的晶粒尺寸较大（AT42约为110m，ATX421约为105m），而压铸合金表现出最细的晶粒尺寸（AT42约为15m，ATX421
10、约为8m） 2.锭铸合金的第二相体积分数较低，而压铸合金的第二相体积分数较高 3.两种铸造方法使得各自第二相的形态也不相同,3.1 显微组织,原因解释： 1.压铸过程中凝固速率较高 2.冷却速度越快，固相线偏移越大，固溶体中含有大量的第二相和少量的溶质（主要是Al） 3.压铸试样中，第二相细化的多，锭铸合金中的第二相较为粗大，从而导致力学性能的不同,3.1 显微组织,图3 SEM扫描电镜 （a）锭铸合金AT42 （b）压铸合金AT42 （c）锭铸合金ATX421 （d）压铸合金ATX421,3.1 显微组织,根据SEM扫描电镜、EDS谱与XRD谱的结果分析，沿着枝晶界，发现羽毛状的组织相为Ca
11、MgSn，而球状相为Mg17Al12和Mg2Sn。 另外，在图2和图3中发现，在两种不同的铸造方法下，ATX421镁合金的显微组织有着重大的变化。即压铸ATX421合金中CaMgSn相要比锭铸ATX421合金中的CaMgSn相的尺寸小，这表明提高冷却速度可以有效地细化ATX421铸态实验合金中的CaMgSn相。,3.1 显微组织,图4 在ATX421镁合金中不同元素的X射线映像结果,图4表示在ATX421镁合金中不同元素的X射线映像结果。从图4中可以观察到，Sn元素与Ca元素主要分布在枝晶间的区域。另外，从图4中还可以发现，Sn元素的分布与Ca元素相对比较相似，而又不同于Al元素。,3.2 拉
12、伸性能,铸锭和压铸合金的拉伸性能包括极限抗拉强度（UTS），0.2%屈服强度（YS），伸长率（Elong）以及蠕变性（见表2）。 通过观察，发现压铸合金的拉伸性能要高于锭铸合金的拉伸性能，这表明ATX421镁合金可以显著提高其屈服强度和拉伸强度。,3.2 拉伸性能,表2 铸态实验合金的拉伸性能与蠕变性能,3.2 拉伸性能,这种情况与在压铸ATX421合金中CaMgSn相的变形及晶粒尺寸的细化有关。众所周知，第二相的存在与性质可以很大的影响微裂纹的产生，而在变形中普遍会产生颗粒破裂。若颗粒能够很好的与基体相结合，那么就能提高抗破裂性能。由于位错的原因，第二相颗粒的弥散很容易被中断，那么由此将会产
13、生平面滑移及相对较大的位错堆积现象，这将导致出现高应力与脆性行为，并且容易产生微裂纹17。尺寸较小（1m）的球状颗粒更容易抵抗破裂，而增加冷却速度可以减小第二相的尺寸。在实验中，在压铸中发生的晶粒细化会导致强度和韧性的共同提高。,3.2 拉伸性能,在高温下，相对于锭铸合金，压铸AT42合金与ATX421合金在屈服强度和极限抗拉强度方面有着显著的提高，而在屈服强度和极限抗拉强度方面，添加了Ca元素的AT42合金要比没有添加Ca元素的AT42合金提高得更多。另外，这四种合金的伸长率一直没有变化。,3.2 拉伸性能,图5表示在室温下经过拉伸试验的铸锭和压铸合金的拉伸断口SEM照片,图5 在室温下经过
14、拉伸试验的铸锭和压铸合金的拉伸断口SEM照片 （a）锭铸合金AT42 （b）压铸合金AT42 （c）锭铸合金ATX421 （d）压铸合金ATX421,3.2 拉伸性能,如图5（c）所示，锭铸ATX421合金的拉伸断口显示出很大的解理面（如图5（c）中箭头A所示）。显然，在ATX421合金中，因为沿着CaMgSn相与Mg基体之间的界面，裂纹很容易导致形成晶核，所以粗大的CaMgSn相对于室温下的力学性能是不利的。而另一方面，在压铸ATX421合金中，只是观察到很小的解理面（如图5（d）中箭头B所示）。因此压铸ATX421合金在拉伸性能方面，尤其是伸长率的不同，对于力学性能有着很大的影响。 锭铸合
15、金和压铸合金在拉伸性能方面的不同可以通过表2进一步被证实。如锭铸ATX421合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为150MPa、85MPa和5.5%，而压铸ATX421合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为209MPa、150MPa和6.9%。,3.2 拉伸性能,蠕变性能: 此外，从表2中可以看到，在150-70MPa下进行250h蠕变试验，铸锭和压铸ATX421合金表现出比较高的蠕变性能。由于镁合金的蠕变性能主要与其在高温下的组织稳定性有关，所以对实验合金固溶处理后的显微组织进行了仔细观察（见图6）。,图6 固溶处理（5204h）后的合金显微组织 （a）锭铸合金AT42 （b）压铸合金AT4
16、2 （c）锭铸合金ATX421 （d）压铸合金ATX421,3.2 拉伸性能,对比图2和图6，发现固溶处理后实验合金的显微组织相对于其铸态显微组织发生了改变。在固溶处理后的合金中，可以很清晰地观察到CaMgSn相，这表明，CaMgSn相并没有向基体中溶解。然而，从图6中可以发现，在进行5204h的固溶处理后紧接着进行水淬，实验合金中的Mg17Al12和Mg2Sn相向基体内溶解。显然，实验合金的高蠕变性能主要是由于CaMgSn相较高的热稳定性。 另外，从表2中可以进一步看到，含Ca镁合金的蠕变性能要高于不含Ca镁合金的蠕变性能，这表明压铸ATX421镁合金显示出最好的蠕变性能。,3.2 拉伸性能,图7表示铸态实验合金在150-7h下蠕变断裂后的SEM扫描照片。,图7 铸态实验合金在150-7h下蠕变断裂后的SEM扫描照片 （a）锭铸合金AT42 （b）压铸合金AT42 （c）锭铸合金ATX421 （d）压铸合金ATX421,3.2 拉伸性能,从图7中可以观察到，变形是从粗大的CaMgSn相处开始的。
