Ca的不同加入量对AZ63镁合金组织性能的影响

焦何生

（济钢集团有限公司，山东 济南250101）

1 前言

近年来的研究发现，碱土元素（如Ca、Sr等）加入镁合金具有细化组织，提高抗氧化性能和抗蠕变性能、提升力学性能等作用。碱土元素Ca加入Mg-Al基合金会在基体中形成熔点很高的含Ca的中间相，高温下中间相不易分解，可有效地阻止晶界运动，进而使合金高温下的力学性能和抗蠕变性能得到显著改善。本文以AZ63为基础合金，分别加入1.0%、1.5%、2.0%和2.5%的Ca进行对比得出对其微观组织、物相和力学性能的影响，以找到碱土元素Ca加入量和镁合金AZ63之间的科学匹配，为研发符合工业化规模生产需求的低成本耐热镁合金提供试验依据。

2 试验设计与方法

2.1 试验材料和试验方法

本试验是以AZ63镁合金为基体，通过熔炼，对镁合金进行合金化，在AZ63镁合金中添加不同的金属Ca。为了便于比较不同的含Ca量对AZ63镁合金显微组织和力学性能的影响，设计了5组对比试验，添加的Ca含量为编号a，无Ca；编号b，1.0%Ca；编号c，1.5%Ca；编号d，2.0%Ca；编号e，2.5%Ca。

2.2 镁合金熔炼各种工具及材料

镁合金生产中必须在熔炼之前准备好各项工作，在熔炼之前必须检查熔炼炉和仪表的电器部分是否正常，重点要做好坩埚、模具和涂料3个方面的准备。一是坩埚的准备，在熔炼前必须检查坩埚，清除熔渣及氧化皮后再检查坩埚是否完好，如发现下述情况应予以报废:坩埚外表有白色氧化皮或干燥剂；坩埚局部严重凹陷或壁厚减薄至原来的1/2；锤击坩埚的声音嘶哑。二是模具的准备，试验采用的金属型模具尺寸为:140 mm×120 mm×22 mm。三是涂料的准备，试验采用镁合金专用涂料，对防止镁合金氧化、提高铸件表面质量和增加合金熔体在型腔内的流动性具有显著效果。

2.3 试样的制备

本试验用的坩埚电阻炉型号为SSG-12-16，电压功率380 V/12 kW，额定温度1 600℃，加热室尺寸φ200×250。熔炼前先按成分设计进行配料，当熔炼温度达到710℃左右，镁合金充分熔化后，适时加入称好的金属钙。在试样制备过程中，一旦发现熔液露出燃烧时，应立即撒RJ-2熔剂，在此过程中应充分搅拌，以使成分均匀。浇注前将表层熔渣除去，浇注到预热好（200℃）的模具中进行浇注，模具上均匀撒上硫磺粉。浇注完毕后，倒出剩余金属液，铲除坩埚残渣，冷却后在内外壁涂上涂料，试验用TL-8涂料，烘干坩埚，以备用。

从铸造好的AZ63合金切出大小合适的试样，取样位置是铸锭试样的表面和底部的中心位置（或靠近中心）。将切割的试样在较粗的砂布上进行粗磨，将试样磨出平面。试样进行细磨主要是减少粗磨引起的表面形变层，分别用不同等级型号砂纸精细磨制试样表面。将细抛好的试样用水冲洗干净，再用4%的硝酸酒精进行腐蚀，腐蚀好后迅速用水清洗，最后用酒精清洗。待吹风机吹干试样后，用显微镜观察显微组织。

3 试验结果及分析

3.1 钙对AZ63合金铸态组织的影响

从图1所示的显微组织可以看出，AZ63合金铸态组织中除了α-Mg基体外，有少量的网状β-Mg17Al12相。钙加入到AZ63合金中后的微观组织中能观察到沿枝晶分布的层片状Mg2Ca和细小的盘状的Al2Ca，随着Ca含量的增加，Mg2Ca体积分数增多，逐渐形成网状分布。加入的Ca与Mg生成为Mg2Ca，β-Mg17Al12转化为Al2Ca，β-Mg17Al12化合物逐渐减少，Mg2Ca和Al2Ca具有良好的热稳定性，对晶界有钉扎作用，阻滞了位错的攀移和滑移，大幅提高了镁合金的高温蠕变性能。随着加入Ca含量的增加，镁合金中的析出相Al2Ca数量增多，尺寸变大，并有偏聚、粗化的趋势，故当加入2.0%Ca含量时，合金的铸态组织较为理想。

图1 不同含Ca量合金试样的铸态显微组织

3.2 Ca对AZ63合金力学性能的影响分析

加入Ca后，合金元素主要通过细晶强化、固溶强化、弥散强化，提高了合金的强度和高温蠕变性能，同时提高了合金的塑性。

3.2.1 Ca在AZ63镁合金中的作用

往常规镁合金系中添加Ca元素不仅可以提高镁合金的氧化燃烧温度，而且可细化铸造组织，提高常温力学性能，提升高温蠕变性能。此外，适量的合金元素Ca能够改善镁合金的冶金质量。添加Ca的目的主要有两点:一是在铸造合金浇注前加入，来减轻金属熔体和铸件热处理过程中的氧化；二是加大合金晶粒细化，提高合金高温蠕变抗力，提高薄板的可轧制性，主要是因为Ca的加入促使铸态树枝晶组织向等轴晶组织转变，并且Ca的加入产生新的第二相组织，溶解进入了β-Mg17Al12相中，提高了β相的热稳定性。

3.2.2 析出相Al2Ca的弥散强化作用

在Mg-Al基镁合金中加入Ca后形成与基体共格的高稳定性Al2Ca相，在晶界处形成热稳定性很高的Mg2Ca、Al2Ca相，在高温蠕变过程中，对晶界滑移起到有效的阻碍作用，阻止位错滑移，同时抑制对高温性能有害的Mg17Al12相的析出，从而显著提高了合金的耐热性能，有效提升了镁合金的高温抗蠕变性能。

3.2.3 加Ca对AZ63合金硬度的影响

对AZ63镁合金以及在其中添加不同含钙量的合金的铸态组织的硬度进行测试，得到的硬度值如表1所示。从表1中可以看出，不加合金元素Ca的AZ63镁合金和分别在AZ63镁合金中添加1.0%Ca、1.5%Ca、2.0%Ca和2.5%Ca在铸态的硬度值。随着Ca含量的增加，合金的硬度值先增加，随后减小，当Ca含量在2.0%左右时，硬度值最高。

4 结论

4.1 AZ63合金中加入Ca之后，可以细化铸造组织，且合金的硬度显著增加。这是因为Ca的加入明显细化了合金的铸态和时效组织，并促使铸态树枝晶组织向等轴晶组织转变，并且Ca的加入产生新的第二相Al2Ca和Mg2Ca，消耗了合金中大量的Al，低熔点的β-Mg17Al12相在基体上没有析出，从而提高了β相的热稳定性。Al2Ca和Mg17Al12的熔点分别为1 079℃和437℃，在合金冷却凝固过程中，Al2Ca先于Mg17Al12凝固，在凝固早期形成。首先形成的相一方面能够阻止凝固和冷却后期晶粒的长大，使AZ63合金细化，同时减少了Mg17Al12相的数量。另一方面，Ca是Mg的表面活性元素，在镁合金凝固过程中易偏聚在凝固界面的前沿，阻碍了枝晶的长大，使合金的晶粒得到细化，同时促使沿晶界析出的共晶组织更趋弥散分布，这是析出相Al2Ca的弥散强化作用。

4.2 随着AZ63合金中含Ca量的增加，其硬度值是先增加后减小，当Ca的含量在2.0%左右时，硬度值最高。