Mg-xSn合金的显微组织、热导率及力学性能研究

李建文，李秋书，郭会玲，胡延昆，吴瑞瑞

(太原科技大学 材料科学与工程学院，太原 030024)

镁合金的密度比较小，只有铝的2/3，钢铁的1/4；比强度及比刚度高，其比强度高于铝合金和钢铁，比刚度与铝合金相比几乎相等[1-2]；纯镁还有较高的热导率，其热导率在常用的金属结构材料中仅次于Cu和Al；同时，镁合金还有优异的减震、环保等诸多性能，可以广泛用于汽车制造、电子电器产品、航空航天等领域[3-6]。近年来，由于Sn元素具有较强的细化晶粒，提高镁合金耐热性能的作用，因而得到了众多研究者们的关注。李正祥等人[7]在研究Sn对Mg合金的影响时发现，当Sn含量为4 wt%时，晶粒得到明显细化，力学性能明显提高；刘红梅等人[8]在研究铸态Mg-Sn合金时发现，加入5 wt%Sn时晶粒尺寸最小，加入Sn为10 wt%时晶粒粗化。黄正华等人[9]研究了铸态和固溶态Mg-Sn二元合金，认为随Sn含量增加，Mg2Sn相逐渐增多，拉伸力学性能先提高后下降。本文通过在镁中加入不同含量的Sn元素，研究了Mg-xSn合金的显微组织、热导率及力学性能。

1 实验方法

本实验选用纯镁(99.95%)和纯锡(99.95%)作为原材料，在石墨坩埚中将按比例配好的纯镁和纯锡进行熔炼(Sn含量分别为1 wt%、3 wt%、5 wt%、7 wt%、9 wt%)，并浇注于提前预热好的金属模中。浇铸出的试样是规格为φ12 mm×300 mm的圆柱形试样。

将浇铸出的圆柱试样加工成规格为φ10 ×200 mm的试棒，进行热导率测量实验。热导率测量实验测量得出的是电阻，通过魏德曼-弗兰兹定律[10]计算出热导率数值，从而反映出热导率的变化规律。魏德曼-弗兰兹定律数学表达式如下：

其中，λ是金属的热导率，σ是金属的电导率，T是绝对温度，L0是洛伦兹数，L0=2.45×10-8W·Ω/K2.

之后再将试棒按一定规格加工成圆柱形拉伸试样进行拉伸实验，拉伸试验在WDW-E100D微机控制电子式万能试验机上进行，在室温下采用的拉伸速率为0.5 mm/min.同时在余下的试样相同部位取样制成金相试样进行显微组织观察。

其中，实验所用拉伸试样采用GB/T16865-1997标准，具体尺寸如图1所示。

图1 拉伸试样尺寸

Fig.1 The size of tensile sample

2 结果与讨论

2.1 铸态Mg-xSn合金的显微组织分析

图2 铸态Mg-xSn合金的金相显微组织

Fig.2 Optical microstructure of as-cast Mg-xSn alloys

图2是铸态Mg-xSn(x=1、3、5、7、9)合金的金相显微组织。由图可知，合金的晶粒主要由等轴晶组成，并有产生树枝晶的倾向。当Sn含量小于5 wt%时，随着Sn含量的增加，晶粒逐渐得到细化，当Sn含量为9 wt%时，晶粒发生粗化。

图3所示为铸态Mg-xSn合金的X射线衍射结果。实验采用Cu靶X射线衍射仪进行物相分析，入射线波长为0.154 06 nm，扫描步长0.02°，扫描速度为0.3 s/步，扫描3 000步，扫描范围20°～90°，发散狭缝3.03 mm.结果表明，铸态Mg-xSn合金中的第二相为Mg2Sn相，当Sn含量越高的时候，Mg2Sn相的衍射峰越明显，且没有出现新的第二相。

图3 铸态Mg-xSn (x=3,5,7,9)合金的XRD图谱

Fig.3 XRD patterns of as-cast Mg-xSn (x=3,5,7,9) alloys

图4是铸态Mg-xSn合金的SEM图片及Mg-5Sn合金的能谱结果，SEM图片放大倍数均为1 000倍。图中，白亮的物质是析出的第二相。EDS结果显示，第二相由Mg和Sn两种元素构成，结合图3所示XRD的结果进一步证实，铸态Mg-xSn合金中的第二相是Mg2Sn相。观察SEM图片可以发现，第二相主要沿晶界分布，随Sn含量升高，Mg2Sn的含量逐渐升高。图4(a)所示Sn含量是1 wt%时，晶界上分布的第二相主要以球状为主。当合金中Sn含量增加时，如图4(b)和4(c)所示，杆状Mg2Sn相明显增多。杆状Mg2Sn相的形成机理是合金中的Sn含量相对比较低，远离共晶点，Mg2Sn相在凝固过程连续析出时，没有足够的Sn原子使其继续长大，从而发生了离异共晶反应，形成了杆状的离异共晶Mg2Sn相。当合金中Sn继续增多时，Mg2Sn相的析出过程获得了足够多的Sn原子，Mg2Sn相与α-Mg形成鱼骨状的共晶组织[11]，如图4(d)和(e)所示，此时第二相逐渐沿晶界以网状形式存在。

(a)x=1

(b)x=3

(c)x=5

(d)x=7

(e)x=9

(f)A点EDS

图4 铸态Mg-xSn合金的SEM图及EDS结果

Fig.4 The SEM images and EDS of the as-cast Mg-xSn alloys

2.2 铸态Mg-xSn合金的导热性能分析

图5所示为铸态Mg-xSn合金热导率变化规律。由图可知，Mg-xSn合金的热导率随Sn含量的升高逐渐降低，由Sn含量为1 wt%时的141.58 W/m·K下降到Sn含量为9 wt%时的65.94 W/m·K.铸态Mg-xSn合金热导率变化规律可从以下几个方面进行分析：

根据热传导的相关理论，合金材料的热导率主要与固溶原子、晶格缺陷(如点缺陷、位错、晶界)、沉淀析出相等因素有关[12-13]，它们通常会作为电子和声子的散射中心，阻碍电子和声子在金属中的自由运动，从而阻碍电子和声子对热量的传递，对热导率产生不利影响[14-15]，其中固溶原子和沉淀析出相对合金热导率的影响起重要作用。

对于Mg-xSn二元合金，当加入1 wt%的Sn的时候，固溶进α-Mg基体的Sn原子相对较少，析出的第二相也特别少(如图4(a))，此时合金成分比较接近纯镁，因此合金热导率比较高。随着Sn含量的增加，固溶原子造成了更多的晶格畸变，同时从图4可以看出，合金中的Mg2Sn相越来越多，最后形成了大量的α-Mg+Mg2Sn的共晶组织，并连成网状，这些第二相组织对电子和声子的作用同晶格畸变对电子和声子的作用是相同的，它们作为散射中心，阻止Mg-xSn合金中电子和声子对电和热的自由传输，使合金热导率降低。

图5 铸态Mg-xSn合金热导率

Fig.5 The thermal conductivity of as-cast Mg-xSn alloys

另外，前面已经分析过，随Sn原子增多，合金晶粒会明显细化，晶界数量就会增加。晶界是一种缺陷，它也会成为阻碍电子和声子传递热量的散射中心，使合金的热导率下降。

2.3 铸态Mg-xSn合金的拉伸性能分析

铸态Mg-xSn合金的极限抗拉强度(UTS)和伸长率如图6所示。实验结果表明，合金的UTS随Sn含量的升高先上升后下降。当Sn含量为1 wt%时，UTS最低，其值为110.21 MPa，当Sn含量为5 wt%时，UTS最大，其值为150.23 MPa.合金的伸长率也是随Sn含量升高先上升后下降，当Sn含量为1 wt%时伸长率最低，其值为5.6%，Sn含量为5 wt%时伸长率最高，其值为8.7%.

Sn对镁合金力学性能的改善跟其细晶强化和第二相强化有关。根据刘红梅等人[7]的研究，晶粒细化主要受两个方面影响，首先，溶质合金要有良好的偏析能力，其次，金属液凝固过程中要有比较多的形核质点。Sn的熔点是232 ℃，Mg的熔点是651 ℃，二者相差较大，使得Sn在Mg中具有良好的偏析作用。当Mg-Sn合金凝固的时候，加入的溶质元素Sn会有一个溶质再分配过程，由于Sn的偏析，使枝晶生长的固-液界面前沿出现成分过冷区，固液两侧Sn的含量有比较大的差别，溶质Sn原子在液相区富集。富集的Sn原子为晶粒生成提供了大量的形核质点，而晶核形成以后，Mg原子连续进入晶体内部才会使晶粒不断长大，液相中高含量的溶质Sn原子会抑制Mg原子进入晶体，从而抑制了晶粒长大，达到细晶强化的作用。但当添加过量的Sn的时候，晶粒会逐渐粗化，这是因为第二相的粗化速度受溶质原子浓度影响，当溶质的原子含量越多的时候，第二相的粗化速度就越大，第二相粗化会使其对位错的钉扎作用减弱，从而造成晶粒长大，晶粒细化的作用就减弱了[16]。

图6 铸态Mg-xSn合金的极限抗拉强度和伸长率

Fig.6 The UTS and elongation of as-cast Mg-xSn alloy

其次，合金中析出的第二相组织对拉伸性能也有重要的作用。根据Mg-Sn二元相图，Sn在Mg中的固溶度随温度的下降逐渐降低，最大固溶度是当温度为561 ℃时的14.85 wt%，温度降至室温后，其固溶度接近于0，此时Sn元素主要以Mg2Sn相的形式存在。前面已经分析过，Mg2Sn相随Sn含量升高而增加。Mg2Sn相属于脆硬相，它的显微硬度可达HV119，当合金发生塑性变形，位错经过Mg2Sn相时，由于这些Mg2Sn相比较坚硬且较为粗大，位错会受到这些第二相的阻挡，当外力继续增大时，位错最终会绕过这些第二相粒子，留下一个个位错环。这些位错环会对合金产生明显的强化效果，使合金的强度提高。但若添加过量的Sn元素，会产生过量的Mg2Sn相，在晶界上连成网状，如图4所示。因为Mg2Sn相是脆硬相，网状的Mg2Sn相把塑性相在空间上分割开，使合金变形能力大大下降，从而造成合金极易脆性开裂，强度和塑性都大大降低。

3 结论

(1)铸态Mg-xSn(x=1、3、5、7、9)合金的显微组织主要由等轴晶组成。当Sn含量低于5 wt%时，晶粒逐渐细化，Sn含量高于5 wt%时晶粒粗化。合金中的第二相为Mg2Sn相，随Sn含量增加Mg2Sn相主要沿晶界析出，含量越来越多，并逐渐连成网状。

(2)铸态Mg-xSn合金的热导率随Sn含量升高而下降，由Sn含量1 wt%时的141.58 W/m·K下降到Sn含量9 wt%时的65.94 W/m·K.

(3)铸态Mg-xSn合金的抗拉强度和伸长率随Sn含量的增多先升高后降低，且均在Sn含量为5 wt%时达到最大值，其值分别为150.23 MPa和8.7%.

参考文献：

[1] 王春明, 陈云贵, 肖素芬. 导热镁合金的研究与开发现状[J].稀有金属材料与工程, 2015(10):2596-2600.

[2] 赵怿，董刚，赵博.镁合金在航空领域应用的研究进展[J].有色金属工程, 2015, 5(2):23-27.

[3] 潘虎成，潘复生，张磊，等.高电导率Mg-Al-Sr耐热镁合金的研究[J].稀有金属材料与工程, 2015(3):727-732.

[4] 张丁非，徐杏杏，齐福刚，等.Sn对ZM61合金组织与性能的影响[J].稀有金属材料与工程, 2013, 42(5): 931-936.

[5] 张亚琴，席亚娟，李远发，等.稀土镁合金的散热性能研究[J].特种铸造及有色合金, 2015(5):463-465.

[6] 陈鹏，黄庆学，马立峰，等.镁合金板带厚度对开轧温度场影响研究[J].太原科技大学学报, 2015, (6): 455-459.

[7] 李正祥，王金辉，金培鹏，等.Sn对镁合金显微组织和力学性能的影响[J]. 铸造技术，2015,36(10):2406-2410.

[8] 刘红梅，陈云桂，唐永柏，等.热处理对Mg-5 wt%Sn合金组织与显微硬度的影响[J].材料热处理学报,2007,28(1):92-95.

[9] 黄正华，戚文军，徐静，等.铸态和固溶态Mg-Sn二元合金的组织与力学性能[J].材料研究与应用，2014(4):221-227.

[10] 袁家伟. 高导热Mg-Zn-Mn合金及其性能研究[D]. 北京：北京有色金属研究总院，2013.

[11] TANG Y Q, CHEN Y G, XIAO S F, et al. Microstructure,Mechanical Properties and Compressive Creep Behavior of as-Cast Mg-5Sn-(0-2)Cu Alloys[J].Rare Metal Materials and Engineering, 2014, 43(6) : 1291-1295.

[12] PENG J, ZHONG L P, WANG Y J, et al.Effect of Ce addition on thermal conductivity of Mg-2Zn-1Mn alloy[J].Journal of Alloys and Compounds,2015,639(5):556-562.

[13] 游国强，白世磊，明玥，等.镁合金导热性能研究进展[J]. 功能材料, 2016, 47(5):30-35.

[14] YING T, ZHENG M Y, LI Z T, et al. Thermal conductivity of as-cast and as-extruded binary Mg-Al alloys[J].Journal of Alloys and Compounds, 2014,608(38):19-24.

[15] YING T, ZHENG M Y, LI Z T, et al. Thermal conductivity of as-cast and as-extruded binary Mg-Zn alloys[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2015,621(38):421-432

[16] 胡赓祥，钱苗根. 金属学[M].上海:上海科学技术出版社, 1980.