1、第 15 卷 第 9 期 精 密 成 形 工 程 2023 年 9 月 JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING 37 收稿日期：2023-04-27 Received：2023-04-27 引文格式：王富琳,李宇飞,李泽华,等.含 Sn 稀土镁合金成分的正交设计研究J.精密成形工程,2023,15(9):37-46.WANG Fu-lin,LI Yu-fei,LI Ze-hua,et al.Orthogonal Design on Composition of Rare-earth Magnesium Alloys Containing SnJ.Jour
2、nal of Netshape Forming Engineering,2023,15(9):37-46.含 Sn 稀土镁合金成分的正交设计研究 王富琳1,2，李宇飞1,2*，李泽华1,2，熊俊杰1,2，李笑1,2，常博文1,2，车昶3，徐时晶3（1.中国机械总院集团沈阳铸造研究所有限公司，沈阳 110022；2.高端装备铸造技术全国重点 实验室，沈阳 110022；3.空装驻辽阳地区军事代表室，辽宁 辽阳 111000）摘要：目的目的 为进一步扩大镁合金的应用范围，以 ZM2 为基础合金成分，引入 Sn 元素，设计一种性能优异且经济成本相对低廉的含 Sn 稀土镁合金。方法方法 采用正交试验设
3、计方法，选取正交表 L9，对 Mg-Zn-Ce-Zr-Sn合金成分配比进行研究，综合考虑抗拉强度、延伸率、硬度 3 项指标，得出最优成分配比；对 Sn 元素的含量进行调控，对比分析合金组织及力学性能，验证当 Sn 元素的质量分数为 0.2%0.4%时，Mg-4.5Zn-1.2Ce-0.6Zr-xSn 合金的组织与性能是否最佳。结果结果 Mg-Ce-Zn-Zr-Sn 合金的优选成分如下：Zn 的质量分数为 4.0%4.5%、Ce 的质量分数为 1.2%1.5%、Sn 的质量分数为 0.2%0.4%。优选合金成分为 Mg-(4.04.5)Zn-(1.21.5)Ce-0.6Zr-(0.20.4)Sn
4、。极差分析及影响因素主次分析结果表明，新引入的 Sn 元素对合金的综合力学性能有着重要的影响。组织及力学性能分析结果表明，当Sn的质量分数为0.2%时，Mg-4.5Zn-1.2Ce-0.6Zr-xSn合金具有最为优良的组织及力学性能，抗拉强度、延伸率、布氏硬度分别为 212 MPa、4.5%、69.8HBW5/250。结论结论 优选方案的试验数据表明，利用正交试验设计得到的新型合金综合性能较好，满足 ZM2 合金的国家标准。关键词：稀土镁合金；正交设计；合金成分优选；极差分析；力学性能 DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2023.09.005 中图分类号：TG146.2
5、2 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2023)09-0037-10 Orthogonal Design on Composition of Rare-earth Magnesium Alloys Containing Sn WANG Fu-lin1,2,LI Yu-fei1,2*,LI Ze-hua1,2,XIONG Jun-jie1,2,LI Xiao1,2,CHANG Bo-wen1,2,CHE Chang3,XU Shi-jing3 (1.Shenyang Research Institute of Foundry Co.,Ltd.,CAM,Shenyang 110022,
6、China;2.National Key Laboratory of Advanced Casting Technologies,Shenyang 110022,China;3.Military Representative Office of Air Force Equipment Department in Liaoyang District,Liaoning Liaoyang 111000,China)ABSTRACT:The work aims to use ZM2 as the basic alloy composition in the work,and introduce Sn
7、to design a Sn-containing rare-earth magnesium alloy with excellent performance and relatively low economic cost to further expand the application range of magnesium alloys.The orthogonal test design method was adopted.The orthogonal table L9 was selected to study the com-position of the Mg-Zn-Ce-Zr
8、-Sn alloy and get the optimal composition ratio with consideration of the three indicators of tensile strength,elongation and hardness.The content of Sn element was adjusted,and the microstructure and mechanical properties of the alloy were compared and analyzed,to verify whether the microstructure
9、and properties of the Mg-4.5Zn-1.2Ce-0.6Zr-xSn alloy were the best when the content of Sn was 0.2wt.%0.4wt.%.The optimal combination of alloying elements for Mg-Ce-Zn-Zr-Sn alloy was:4.0wt.%4.5wt.%Zn,1.2wt.%1.5wt.%Ce,0.2wt.%0.4wt.%Sn.The preferred alloy composition 38 精 密 成 形 工 程 2023 年 9 月 was:Mg-(
10、4.0-4.5)Zn-(1.2-1.5)Ce-0.6Zr-(0.2-0.4)Sn.Combined with the results of range analysis and primary and secondary analysis of influencing factors,it could be concluded that the newly introduced Sn element had an important impact on the com-prehensive mechanical properties of the alloy.In addition,when
11、the content of Sn was 0.2wt.%,the Mg-4.5Zn-1.2Ce-0.6Zr-xSn alloy had the best microstructure and mechanical properties.Its tensile strength,elongation and Brinell hardness reached 212 MPa,4.5%,69.8HBW5/250 respectively.The test data of the optimal scheme shows that the new alloy obtained by the or-t
12、hogonal test design has better comprehensive performance,which meets the national standard of ZM2 alloy.KEY WORDS:rare-earth magnesium alloy;orthogonal design;alloy composition optimization;range analysis;mechanical properties 目前，世界铁、铝等矿产资源趋于贫化，难以支撑工业的持续飞速发展。镁合金是目前工程应用中最轻的结构材料，利用价值极高。由于具有低密度、高比强度、高减
13、震性、良好的电磁屏蔽性以及可循环利用性等优点，镁合金被称为“21 世纪绿色工程金属”，在交通运输、通信电子、医疗等领域有广泛的应用1-7。传统镁合金仍然存在着一些不足，比如高温力学性能差、室温塑性低、抗蠕变性差、耐蚀性差、易燃易氧化等。稀土元素在改善镁合金性能方面具有显著优势，能够起到细化晶粒、固溶强化、提升塑变能力、弱化织构、提高阻燃性能等作用，从而改善其综合性能8-17。为了优化镁合金性能以适应更苛刻的服役条件，诸多学者展开了对稀土镁合金的研究。由于稀土元素价格昂贵，有学者提出可掺杂价格相对低廉的Sn 元素来代替部分稀土元素，相关研究已经取得了一定成果18-19。ZM2 合金是铸造镁合金中
14、重要的一种，其工程应用也十分广泛。但是，ZM2 合金在力学性能等方面的局限性使铸件无法在恶劣条件下使用。高端装备对高性能镁合金材料提出了迫切需求，急需对现有合金牌号材料进行强化，开发新型镁合金材料，提高其综合力学性能并优化熔炼净化工艺，为高端装备用镁合金铸件设计提供材料支撑。Sn 元素被认为是一种典型的具有沉淀强化效果的合金元素。相关研究表明，在 Mg-Sn 系合金凝固过程中，过饱和的 Sn 会从基体中析出，在组织中形成 Mg2Sn 相，呈球状弥散分布于晶粒内或晶界上，另外一些则以颗粒状、块状弥散分布于基体中。Mg2Sn 的熔点为 778，它在 300 左右时的热稳定性较好，在高温拉伸时，分布
15、于晶界的 Mg2Sn 相能有效抑制晶界的滑移。Sn 元素还可以作为较理想的强化元素来改善合金的耐蚀性及耐热性20。此外，相比于其他价格昂贵的稀土元素，Sn 价格低廉，可以大大降低生产成本。本文在Mg-Ce-Zn-Zr成分的基础上加入Sn元素，通过正交试验的方法对合金的成分范围进行探究，同时兼顾经济成本，以期获得力学性能良好的含 Sn 稀土镁合金。1 正交试验 目前，正交试验设计方法发展成熟且应用广泛，可用于解决多水平多因素试验问题。该方法通常以概率论、统计学及生产实践经验为理论依据，利用标准化正交表安排试验方案，并对结果进行计算分析，可以简化开发过程、提高试验设计效率以及降低合金开发成本21。
16、1.1 正交试验设计 为了提高镁合金的强度、延伸率、硬度等力学性能，需要在成分设计时充分考虑合金中各主要合金元素的作用以及各元素之间的相互作用。因此，正交试验设计方法十分适用。Zr 元素在镁合金中的主要作用有细化晶粒、提高熔体纯度、提高合金强韧性及耐蚀性能等，有研究 表 明，当 镁 合 金 中 Zr 元 素 的 质 量 分 数 为0.5%0.8%时，晶粒细化效果最好22-23。结合相关研究及生产经验，将合金中 Zr 元素的添加量确定为0.6%（质量分数）。Zn 元素在镁合金中能够起到固溶强化、时效硬化等作用，同时对合金的耐蚀性能有一定改善效果，但是，过量添加 Zn 元素会使合金的缩松倾向显著增
17、大24-25。Ce 元素在镁合金中的主要作用包括细化晶粒以及提高耐蚀性能、铸造性能、力学性能等26-28。在镁合金中添加 Sn 元素主要是为了细化晶粒、改善耐热性能以及提高室温和高温力学性能等20,29-30。综合研究后，针对 Zn、Ce、Sn 元素成分，分别设定 3 个水平控制段。Zn 在 3 个水平段（A1、A2、A3）的质量分数分别为 3.5%4.0%、4.0%4.5%、4.5%5.0%；Ce 在 3 个水平段（B1、B2、B3）的质量分数分别为 0.6%0.9%、0.9%1.2%、1.2%1.5%；Sn 在3 个水平段（C1、C2、C3）的质量分数分别为 0%0.2%、0.2%0.4%
18、、0.4%0.6%。正交试验因素水平表如表 1所示。采取正交试验方法，选用正交表 L9，设计正交试验方案，具体方案如表 2 所示。第 15 卷 第 9 期 王富琳，等：含 Sn 稀土镁合金成分的正交设计研究 39 表 1 正交试验因素水平表 Tab.1 Level of orthogonal test factors Factor Level Zn Ce Sn 1 A1 B1 C1 2 A2 B2 C2 3 A3 B3 C3 表 2 镁合金正交试验方案 Tab.2 Orthogonal test scheme of magnesium alloy Factor Test No.Zn Ce Sn
19、 1 A1 B1 C1 2 A1 B2 C2 3 A1 B3 C3 4 A2 B1 C3 5 A2 B2 C1 6 A2 B3 C2 7 A3 B1 C2 8 A3 B2 C3 9 A3 B3 C1 1.2 试验方法 1.2.1 熔炼工艺 本次试验选择的原材料包括工业纯镁（99.9%，质量分数）、纯锌、纯锡、Mg-25%（质量分数）Ce中间合金以及 Mg-30%（质量分数）Zr 中间合金。由于在熔炼过程中各元素都存在烧损等现象，因此在原料称取时要对物料进行衡算，将元素的损耗考虑进去。采用 XL-21 自动控温电阻熔炼炉对合金进行熔炼。在熔炼开始前，要将铸铁坩埚及砂型内浇道清理干净，并在内壁均匀
20、涂刷 ZnO 涂料，以防止铁等杂质元素在熔炼过程中进入镁合金熔体中。此外，将铸铁坩埚、砂型、扒渣勺等工具在 250 下预热 2 h。制备前，所有原材料必须经过预热干燥并且需要打磨掉表层氧化皮。在熔炼过程中，要持续通入 CO2和SF6混合气体作为保护气体，一旦熔体表面发生燃烧，应及时在熔体表面撒上一层覆盖剂以阻止其氧化燃烧，防止发生危险。Mg、Mg-Ce 中间合金、Zn、Mg-Zr 中间合金、Sn 的加料温度分别为 680、750、750、790、790。每次加料后均需要充分搅拌 23 min 至原料完全熔化。Sn 元素最后加入，加入后需要搅拌较长时间，以 6 min 左右为宜。随后用扒渣勺撇去
21、表面浮渣，降温至 750 左右进行精炼，上下充分搅动，精炼时间要达到 5 min 以上，直至溶体表面呈光亮镜面。最后需要在 780 左右保温，静置 30 min 后方可浇铸砂型试棒。根据目标成分添加各种原材料，进行多次熔炼以完成试验。1.2.2 分析测试方法 本试验主要对力学性能进行考察，涉及的分析测试方法主要包括拉伸性能测试和布氏硬度测定。采用国产 DDL-300 型万能试验机进行合金拉伸试验，在1 mm/min 的拉伸速度下对试棒进行拉伸试验。采用DHB-3000 布氏硬度计测定合金硬度，使用 5 mm碳化钨压头，在 2 452 N（250 kgf）试验载荷作用下保持 15 s。1.3 正
22、交试验结果与分析 方案中的每一次试验均需要进行 3 项指标检验，正交试验的检验结果见表 3，表格中的每一个数据均为 3 次结果的平均值。表 3 不同合金成分镁合金力学性能试验结果 Tab.3 Testing results of mechanical properties of magne-sium alloys with different alloy composition Factor Test No.ZnCeSnRm/MPa A/%Hardness(HBW)1 A1B1C1179 3.0 60.6 2 A1B2C2200 4.0 69 3 A1B3C3171 7.0 55.3 4 A2
23、B1C3167 8.5 53.5 5 A2B2C1181 3.0 62.1 6 A2B3C2210 4.5 68.5 7 A3B1C2186 3.5 63.8 8 A3B2C3173 7.0 53.8 9 A3B3C1184 2.5 68.5 Note:Rm means tensile strength;A means elongation.由相关数学及统计学知识可知，极差的大小可用来检验指标与水平对应的影响关系。极差越大，说明该因素的影响越大。因此，通过极差分析，可得出各个因素对指标的影响程度。不同合金成分镁合金抗拉强度的极差分析表如表4 所示，结合图 1，可以更直观地看到因子水平的变化 表
24、 4 不同合金成分镁合金抗拉强度极差分析表 Tab.4 Tensile strength range analysis of magnesium alloys with different alloy composition Factor Average of levels Zn Ce Sn k1 183.33 177.33 181.33 k2 186 184.67 198.67 k3 181 188.33 170.33 R 5 11 28.34 Ranking of R 3 2 1 Note:k1,k2,k3 are the average values of the correspond-
25、ing performance indices;R is the abbreviation for range.40 精 密 成 形 工 程 2023 年 9 月 图 1 因子水平的变化对抗拉强度的影响 Fig.1 Effect of factor level change on tensile strength 对合金抗拉强度的影响。可以看出，Sn 元素对抗拉强度指标影响最大，其次是 Ce 元素。3 种元素按对抗拉强度影响由大到小的顺序依次为 SnCeZn。不同合金成分镁合金延伸率极差分析表如表 5所示，结合图 2，可以更直观地看到因子水平的变化对合金延伸率的影响。可以看出，Sn 元素对延伸
26、率指标影响最大，其次是 Zn 元素。3 种元素按对延伸率影响由大到小的顺序依次为 SnZnCe。表 5 不同合金成分镁合金延伸率极差分析表 Tab.5 Elongation range analysis of magnesium alloys with different alloy composition Factor Average of levels Zn Ce Sn k1 4.67 5 2.83 k2 5.33 4.67 4 k3 4.33 4.67 7.5 R 1 0.33 4.67 Ranking of R 2 3 1 图 2 因子水平的变化对延伸率的影响 Fig.2 Effect
27、 of factor level change on elongation 不同合金成分镁合金硬度的极差分析表如表 6所示，结合图 3，可以更直观地看到因子水平的变化对合金硬度的影响。可以看出，Sn 元素对硬度指标 表 6 不同合金成分镁合金硬度极差分析表 Tab.6 Hardness range analysis of magnesium alloys with different alloy composition Factor Average of levels Zn Ce Sn k1 61.63 59.3 63.73 k2 61.37 61.63 67.1 k3 62.03 64.1
28、54.2 R 0.66 4.8 12.9 Ranking of R 3 2 1 图 3 因子水平的变化对硬度的影响 Fig.3 Effect of factor level change on hardness 影响最大，其次是 Ce 元素。3 种元素按对硬度影响由大到小的顺序依次为 SnCeZn。由以上 3 项性能指标的极差分析结果可知，3 种元素的影响顺序均不相同，需要综合比较各元素在排序中的先后频次，进而分析 3 种元素对各指标的影响情况。为了更直观地描述数据，现将 3 项指标的极差最大值排序汇总，如表 7 所示。可以看出，元素 Sn极差最大值排序 1 的次数最多，为 3 次。综合分析可
29、知，合金的极限抗拉强度、延伸率及布氏硬度 3 项性能指标对 Sn 元素含量的变化表现得最为敏感，引入的 Sn 元素对合金综合力学性能有十分重要的影响。表 7 各项指标极差最大值排序表 Tab.7 Ranking of range maximum of each index Ranking of range maximum Element Rm A Hardness Zn 3 2 3 Ce 2 3 2 Sn 1 1 1 1.4 成分优选 1）Zn 的成分优选。对于元素 Zn，各指标水平综合平均值对照表如表 8 所示。可以看出，k2组的抗拉强度、延伸率数值更优，各组硬度数值相差不大。综合考虑各组数
30、值，选择k2组作为Zn的水平综合平均值。第 15 卷 第 9 期 王富琳，等：含 Sn 稀土镁合金成分的正交设计研究 41 表 8 Zn 各指标水平综合平均值对照表 Tab.8 Comprehensive average value for each index level of Zn Average of levels Rm/MPa A/%Hardness(HBW)k1 183.33 4.67 61.63 k2 186 5.33 61.37 k3 181 4.33 62.03 2）Ce 的成分优选。对于元素 Ce，各指标水平综合平均值对照表如表 9 所示。可以看到，k3组的抗拉强度、硬度数值
31、更优，各组延伸率数值相差不大。综合考虑后，选择 k3组作为 Ce 的水平综合平均值。表 9 Ce 各指标水平综合平均值对照表 Tab.9 Comprehensive average value for each index level of Ce Average of levels Rm/MPa A/%Hardness(HBW)k1 177.33 5 59.3 k2 184.67 4.67 61.63 k3 188.33 4.67 64.1 3）Sn 的成分优选。对于元素 Sn，各指标水平综合平均值对照表如表 10 所示。可以看出，k2组的抗拉强度、硬度数值相对最优；虽然 k3组延伸率最高，但
32、其强度有所下降。综合考虑后，选择 k2组作为 Sn的水平综合平均值。4）最优成分确定。Zn、Ce、Sn 的最优方案分别为 k2、k3、k2。根据对应正交试验方案的成分控制范围，确定合金最优成分为 Mg-(4.04.5)Zn-(1.21.5)Ce-0.6Zr-(0.20.4)Sn。表 10 Sn 各指标水平综合平均值对照表 Tab.10 Comprehensive average value for each index level of Sn Average of levels Rm/MPa A/%Hardness(HBW)k1 181.33 2.83 63.73 k2 198.67 4 67
33、.1 k3 170.33 7.5 54.2 2 优选成分合金组织与力学性能的验证 2.1 Mg-4.5Zn-1.2Ce-0.6Zr-xSn 的金相组织 由正交试验结果可知，合金中 Zn 元素的最优含量（质量分数）为 4.0%4.5%、Ce 元素的最优含量（质量分数）为 1.2%1.5%。本节将单独对 Sn 元素的含量进行调控，探究合金中新引入的 Sn 元素对合金组织及性能的影响，同时验证正交试验结果是否符合实际规律。试验目标成分分别设定为 Mg-4.5Zn-1.2Ce-0.6Zr、Mg-4.5Zn-1.2Ce-0.6Zr-0.2Sn 以及 Mg-4.5Zn-1.2Ce-0.6Zr-0.6Sn。
34、试验中利用砂型浇注 18 根（每个成分 6 根）试样，以备后续性能检测使用。Mg-4.5Zn-1.2Ce-0.6Zr-xSn（x=0、0.2、0.6，质量分数，下同）合金的微观组织如图 4 所示。可以看出，当 Sn 的质量分数由 0%增至 0.2%时，合金晶粒尺寸减小，当 Sn 的质量分数由 0.2%增至 0.6%时，合金晶粒尺寸增大；当 Sn 的质量分数为 0.2%时，合金晶粒最细小，第二相分布最均匀，组织最优。Sn 图 4 Mg-4.5Zn-1.2Ce-0.6Zr-xSn 合金金相组织 Fig.4 Metallographic photos of Mg-4.5Zn-1.2Ce-0.6Zr-
35、xSn alloy 42 精 密 成 形 工 程 2023 年 9 月 的质量分数为 0.2%属于 Sn 元素的优选成分范围，这与正交试验的结果相符。为了进一步观察合金组织，对 Mg-4.5Zn-1.2Ce-0.6Zr-xSn（x=0、0.2、0.6）合金进行了 SEM 检测，结果如图 5 所示。可以看出，当合金中不含 Sn 元素时，晶界处的骨骼状析出相较为连续；当 Sn 元素的质量分数为 0.2%时，晶界处的骨骼状析出相由连续状逐渐变为断续状特征，并且在合金中的晶界及周围区域出现了越来越多的点状、杆状相；当 Sn 的质量分数进一步增大到 0.6%时，合金晶粒反而出现长大现象，晶界处的骨骼状相
36、变得极为细长，呈现出断续状，晶界不再明显，越来越多的第二相弥散分布在基体中，并且出现了团簇状的颗粒相。当 Sn 的质量分数为 0%、0.2%和 0.6%时，合金的面扫描结果分别如图 6、图 7 和图 8 所示。Mg-4.5Zn-1.2Ce-0.6Zr-xSn合金的 SEM图像如图 图 5 Mg-4.5Zn-1.2Ce-0.6Zr-xSn 合金 SEM 图像 Fig.5 SEM images of Mg-4.5Zn-1.2Ce-0.6Zr-xSn alloy 图 6 Mg-4.5Zn-1.2Ce-0.6Zr 合金面扫描结果 Fig.6 Surface scanning of Mg-4.5Zn-1
37、.2Ce-0.6Zr alloy:a)SEM image;b)Mg;c)Zn;d)Ce;e)Zr 第 15 卷 第 9 期 王富琳，等：含 Sn 稀土镁合金成分的正交设计研究 43 图 7 Mg-4.5Zn-1.2Ce-0.6Zr-0.2Sn 合金面扫描结果 Fig.7 Surface scanning of Mg-4.5Zn-1.2Ce-0.6Zr-0.2Sn alloy:a)SEM image;b)Mg;c)Zn;d)Ce;e)Zr;f)Sn 图 8 Mg-4.5Zn-1.2Ce-0.6Zr-0.6Sn 合金面扫描结果 Fig.8 Surface scanning of Mg-4.5Zn-
38、1.2Ce-0.6Zr-0.6Sn alloy:a)SEM image;b)Mg;c)Zn;d)Ce;e)Zr;f)Sn 9 所示，图 9 中各点 EDS 成分分析结果如表 11 所示。可知，点 A、D、H 主要包含 Mg 元素。图 9a 中的白亮色骨骼状第二相（B 点）主要包含 Mg、Zn、Ce、Zr 元素，该处为由 Mg、Zn、Ce 组成的金属化合物；C 点处的元素组成与 B 点相似，为第二相断开后形成的块状相。图 9b 中的第二相（E 点）主要包含 Mg、Zn、Ce、Zr 元素，该处同样为由 Mg、Zn、Ce 组成的金属化合物；F 点处同样为第二相断开后形成的块 44 精 密 成 形 工
39、 程 2023 年 9 月 图 9 Mg-4.5Zn-1.2Ce-0.6Zr-xSn 合金 SEM 图像 Fig.9 SEM images of Mg-4.5Zn-1.2Ce-0.6Zr-xSn alloy 表 11 图 9 中各点 EDS 成分分析 Tab.11 EDS component analysis at each point in Fig.9 wt.%Point Mg Zn Ce Zr Sn A 92.91 4.23 0.02 2.84 0 B 67.14 22.58 10.24 0.04 0 C 59.26 28.36 12.31 0.07 0 D 96.26 3.08 0.04
40、 0.59 0.03 E 61.17 25.65 12.98 0.01 0.19 F 51.02 32.47 16.13 0.11 0.27 G 54.96 2.16 0.86 0.37 41.65 H 95.30 4.52 0.15 0.01 0.02 I 68.36 19.22 6.28 0.11 6.03 J 49.74 1.98 0.74 0.23 47.31 K 52.38 3.76 1.33 0.49 42.04 L 38.96 15.20 11.18 18.78 15.88 状相；G 点处主要包含 Mg、Sn 元素。由 Mg-Sn 相图可知，Mg 和 Sn 会形成单一金属间化合物
41、 Mg2Sn，它是一种颗粒状的有效弥散强化相。图 9c 中的 I 点是晶界上的第二相，也同样是由 Mg、Zn、Ce 组成的金属化合物；点 J、K 处主要包含 Mg、Sn 元素，也是强化相 Mg2Sn；L 点处含有 Mg、Zn、Ce 元素以及大量的 Zr 元素和 Sn 元素，除了包含由 Mg、Zn、Ce组成的相之外，还可能包含由 Zr 和 Sn 元素组成的Sn2Zr 高温难熔化合物。2.2 Mg-4.5Zn-1.2Ce-0.6Zr-xSn 的力学性能 Mg-4.5Zn-1.2Ce-0.6Zr-xSn 合金的室温力学性能如表 12 所示。可以看出，当 Sn 的质量分数为 0.2%时，合金表现出更好
42、的综合力学性能，其抗拉强度、延伸率、布氏硬度分别为 212 MPa、4.5%、69.8HBW5/250。相比于未添加 Sn 元素的合金，当 Sn 元素的质量分数为 0.2%时，合金的抗拉强度、延伸率、硬度均有所提高，分别提高了 15%、80%、7%；随着 Sn含量的进一步增加，合金的抗拉强度、硬度均逐渐下 降，无法满足工程需要。这是由于在合金的晶界和晶粒内弥散分布着球状颗粒相，由相关文献及 Mg-Sn二元相图可知，这种颗粒相是 Mg2Sn 相，Mg2Sn 是一种高熔点高硬度的颗粒相，在合金中能够起到沉淀强化的作用，从而提高合金的力学性能。晶界上分布的颗粒相能阻止晶界滑移，提高合金的抗拉强度和延
43、伸率；而晶粒内的颗粒相则会阻碍位错运动，提高合金的强度和韧性。但是，如果合金中 Sn 元素含量过高，Mg2Sn 颗粒相则会加快粗化，粗大的 Mg2Sn相在晶界上聚集而成为裂纹源，这样反而会降低合金的抗拉强度，这也说明了为何当 Sn 的质量分数为0.6%时，合金的力学性能急速恶化。因此，合金的综合力学性能随 Sn 含量的增加而呈现出先上升后下降的趋势，当 Sn 的质量分数为 0.2%时，合金的力学性能最优，该结果与正交试验的结果相吻合。表 12 Mg-4.5Zn-1.2Ce-0.6Zr-xSn 合金室温力学性能 Tab.12 Mechanical properties of Mg-4.5Zn-1
44、.2Ce-0.6Zr-xSn alloy at room temperature x Rm/MPa A/%Hardness(HBW)0 184 2.5 65.3 0.2 212 4.5 69.8 0.6 171 6.0 55.3 3 结论 1）以 Mg-Zn-Ce-Zr-Sn 合金为研究对象，通过正交试验确定 Zn、Ce、Sn 的最优含量（质量分数）分别为 4.0%4.5%、1.2%1.5%、0.2%0.4%。优选合金 成 分 为Mg-(4.04.5)Zn-(1.21.5)Ce-0.6Zr-(0.2 0.4)Sn。极差分析及影响因素主次分析结果表明，新引入的 Sn 元素对合金的综合力学性能有着
45、重要的影响。2）当 Sn 元素的质量分数为 0.2%时，晶粒尺寸最小，这说明 Sn 元素的加入对合金有细化作用；此时合金的力学性能也优于 Sn 含量为 0%、0.6%（质量分数）时的，抗拉强度、延伸率、布氏硬度分别为212 MPa、4.5%、69.8HBW5/250，这是因为 Mg2Sn颗粒相起到了沉淀强化的作用。而当 Sn 的质量分数为 0.6%时，合金晶粒反而粗化并且力学性能有所下降，这是因为粗化的 Mg2Sn 颗粒相在晶界上聚集会第 15 卷 第 9 期 王富琳，等：含 Sn 稀土镁合金成分的正交设计研究 45 成为裂纹源，反而降低了合金的力学性能。以上结果也与正交试验得出的 Sn 元素
46、最优成分相符合。当 Sn 的质量分数为 0.2%时，合金性能已经满足ZM2 合金性能的国家标准，后续将在 0.2%0.4%（Sn的质量分数）最优成分范围内进行进一步调控，对热处理工艺进行探究和优化调整，并考虑耐蚀性能、焊接性能等其他性能，以获得综合性能优异的 Mg-Zn-Ce-Zr-Sn 合金，这将对高性能铸造镁合金的研发应用有重要意义。参考文献：1 张艺钟.高性能镁合金的研发与应用J.中国金属通报,2018(5):29-30.ZHANG Yi-zhong.Development and Application of High Performance Magnesium AlloyJ.Chin
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