稀土元素鈰對(duì)鎂合金AZ91D顯微組織和力學(xué)性能的影響

周坐東

(湖南有色金屬研究院,湖南長(zhǎng)沙 410015)

稀土元素鈰對(duì)鎂合金AZ91D顯微組織和力學(xué)性能的影響

周坐東

(湖南有色金屬研究院,湖南長(zhǎng)沙 410015)

利用光學(xué)顯微鏡、X射線(xiàn)衍射和掃描電鏡等分析研究含鈰鎂合金AZ91D(0.25%Ce、0.7% Ce、0.95%Ce)的顯微組織,并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試,同時(shí)與不含鈰鎂合金AZ91D進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,加入一定量Ce后的鎂合金AZ91D形成桿狀化合物Al4Ce,被推移到生長(zhǎng)界面,阻礙枝晶的自由生長(zhǎng),從而細(xì)化合金顯微組織;Ce能提高鎂合金AZ91D抗拉強(qiáng)度和硬度,而對(duì)其屈服強(qiáng)度和延伸率影響不大;加入0.7%Ce的AZ91D鎂合金晶粒細(xì)化效果和綜合力學(xué)性能比較理想。

鈰;AZ91D鎂合金;顯微組織;力學(xué)性能

鎂合金是一種非常重要的工程材料,與其它材料相比,有密度小、比強(qiáng)度高等許多性能優(yōu)勢(shì),很早就應(yīng)用在航空航天工業(yè)上,其它的應(yīng)用領(lǐng)域也相當(dāng)廣泛,如鎂合金材料的良好震動(dòng)吸收性、電磁屏蔽性能、散熱及耐蝕性好等,使其在計(jì)算機(jī)、通訊等電子產(chǎn)品中的應(yīng)用得到不斷增長(zhǎng)。鎂合金比鋁合金易于回收,可做到100%的回收利用,因此鎂合金材料有“綠色材料”的美稱(chēng)。據(jù)預(yù)測(cè),汽車(chē)所用燃料的60%消耗于汽車(chē)自重。汽車(chē)若部分使用鎂合金,其自重減少10%,耗油將減少8%～10%,其燃油效率也可提高5.5%,溫室氣體二氧化碳的排放量也相應(yīng)減少,因此鎂合金材料在減重節(jié)能、減少?gòu)U氣的排放方面起到關(guān)鍵的作用。而當(dāng)前鎂合金材料生產(chǎn)量很小,應(yīng)用非常有限,與鎂合金的優(yōu)異性能極不相稱(chēng)。

稀土作為主要的合金元素或微合金化元素,被廣泛應(yīng)用于鋼鐵及有色金屬合金中。在鎂合金中,稀土優(yōu)異的凈化、強(qiáng)化和耐蝕性能不斷被認(rèn)識(shí)。在稀土鎂合金的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)中,已取得了一定的技術(shù)突破和具有學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值的科研成果,其應(yīng)用領(lǐng)域也得到了不斷的推廣和深入。但目前仍有許多因素制約著鎂合金材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用,比如由于鎂是一種極為活潑的元素,鎂合金在熔煉和加工過(guò)程中極容易氧化燃燒,因此鎂合金的生產(chǎn)難度較大,鎂合金的生產(chǎn)技術(shù)還不成熟和完善,特別是鎂合金的成形技術(shù)有待進(jìn)一步發(fā)展,耐熱性差也是阻礙鎂合金廣泛應(yīng)用的主要原因之一。在高溫下,它的強(qiáng)度和抗蠕變性能大幅度下降,使它難以作為關(guān)鍵零件材料在汽車(chē)工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。稀土鎂合金的結(jié)構(gòu)和性能具有廣泛的優(yōu)越性,是廣大科研工作者解決當(dāng)前鎂合金結(jié)構(gòu)與性能研究的一個(gè)主要方向。

本文基于工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛的鎂合金AZ91D,添加不同含量的稀土鈰,分析研究鈰對(duì)AZ91D鎂合金的力學(xué)性能的影響,為提高鎂合金的力學(xué)性能和擴(kuò)大鎂合金的使用范圍提供一定的參考。

1 試驗(yàn)方法

采用DZG3-0.01型真空爐熔煉。所用爐料為工業(yè)用AZ91D鎂合金及鎂-鈰中間合金。金屬型鑄造,熔煉溫度820℃,澆注溫度800℃。試驗(yàn)用合金的實(shí)測(cè)成分如表1所示。

表1 鎂合金的化學(xué)成分 %

在試棒相同部位截取試樣,經(jīng)打磨、拋光,用4%的硝酸酒精溶液腐蝕后,制備成金相試樣,然后用Nikon Epiphot光學(xué)顯微鏡分析顯微組織。用RigakuD/max-3C型X射線(xiàn)衍射儀分析相組成,輻射源為CuKa,步進(jìn)掃描,步長(zhǎng)為0.02°,掃描范圍為10°～80°。用HB-3000型布氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試,在WE-10型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn),拉伸速度為2 mm/min。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 鈰對(duì)AZ91D鎂合金顯微組織的影響

加入不同Ce含量的鎂合金的顯微組織照片如圖1所示,從圖1a中看出,AZ91D鎂合金組織由兩相組成,即α相和β相,其中β相呈連續(xù)的網(wǎng)狀分布在晶界上。AZ91D和AZ91D-0.95%Ce鎂合金的XRD圖譜如圖2所示,發(fā)現(xiàn)其中的α相逐漸增多并長(zhǎng)大,由圖可知,AZ91D鎂合金的鑄態(tài)顯微組織是由α-Mg基體和β-Mg17Al12相組成。AZ91D-0.95%Ce鎂合金的XRD譜上除了有α-Mg基體和β-Mg17Al12相的峰,還出現(xiàn)了Al4Ce相的峰。由此可以推斷,加入一定量Ce后,組織中的桿狀化合物為Al4Ce相。

圖1 AZ91D-x%Ce鎂合金的顯微組織

圖2 AZ91D和AZ91D-0.95%Ce鎂合金的XRD譜

隨著Ce含量的增加,合金的鑄態(tài)組織發(fā)生了明顯的變化。當(dāng)加入0.25%Ce時(shí),α-Mg基體得到了明顯的細(xì)化,網(wǎng)狀的β相出現(xiàn)了斷網(wǎng)現(xiàn)象,并有少量的針狀A(yù)l4Ce相出現(xiàn);當(dāng)加入0.7%Ce時(shí),合金組織得到了進(jìn)一步的細(xì)化,且網(wǎng)狀的β相呈彌散的粒狀分布于晶界上,同時(shí)有大量的針狀物Al4Ce相出現(xiàn);當(dāng)加入0.95%Ce時(shí)合金的鑄態(tài)組織沒(méi)有細(xì)化現(xiàn)象,反而較AZ91D-0.7%Ce的組織有粗化的趨勢(shì),且針狀化合物長(zhǎng)大成桿狀。

2.2 鈰對(duì)AZ91D合金力學(xué)性能的影響

AZ91D-x%Ce鎂合金拉伸性能與Ce含量的關(guān)系曲線(xiàn)圖如圖3所示。由圖3可見(jiàn),隨著Ce含量增加,鎂合金的抗拉強(qiáng)度(Rm)變化不大,當(dāng)Ce含量達(dá)到0.7%時(shí)合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值為213.6 MPa,與AZ91D合金相比提高了14.3%;當(dāng)Ce含量達(dá)到0.7%時(shí)合金的屈服強(qiáng)度(Rel)達(dá)到最大值124.98 MPa,與AZ91D合金相比提高了8.6%。合金的伸長(zhǎng)率隨Ce含量的增加迅速提高;當(dāng)Ce含量達(dá)到0.7%時(shí)伸長(zhǎng)率(A)達(dá)到最大值 4.79%,與AZ91D合金相比提高了135%。

圖3 AZ91D-x%Ce鎂合金拉伸性能與Ce含量的關(guān)系

圖4 AZ91D-x%Ce鎂合金硬度與Ce含量的關(guān)系

AZ91D-x%Ce鎂合金硬度與Ce含量的關(guān)系曲線(xiàn)如圖4所示。從圖4中可以看出,Ce含量不同對(duì)合金硬度影響較大,隨Ce含量的增加,合金硬度也呈現(xiàn)出了先增加后減小的趨勢(shì)。當(dāng)Ce含量達(dá)到0.7%時(shí),合金硬度達(dá)到最大值69.90Hb,比不加稀土?xí)rAZ91D合金的硬度60.36Hb增加15.4%;當(dāng)加入0.95%Ce時(shí),合金硬度又迅速降低,但仍比AZ91D合金的硬度高。

由此可知,適量稀土Ce明顯改善合金的力學(xué)性能,當(dāng)Ce含量為0.7%時(shí),合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率及硬度分別比 AZ91D鎂合金提高14.3%、8.6%、135%及15.4%,其綜合力學(xué)性能達(dá)到最佳。

3 分析討論

3.1 Ce對(duì)AZ91D合金鑄態(tài)組織的影響

稀土具有活潑的化學(xué)性質(zhì),在AZ91D合金中加入Ce等稀土元素,有可能形成Al-Re,Mg-Re或Mg-Al-Re化合物。元素形成化合物的難易程度,可從其電負(fù)性差值來(lái)判斷,電負(fù)性差值越大,元素間的結(jié)合力越大,越容易形成金屬化合物。Ce與Mg和Al間的電負(fù)性及電負(fù)性差值如表2所示。由表2可知,Ce與Al的電負(fù)性差值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Ce與Mg的電負(fù)性差值。因此,在凝固過(guò)程中,Ce首先與Al形成Al-Ce化合物。但由于合金中加入的Ce的含量較少,在還未生成Mg-Ce或Mg-Al-Ce化合物時(shí),Ce已消耗完畢。根據(jù)Al-Ce二元相圖,加入一定量Ce后,組織中生成桿狀化合物Al4Ce。

一方面,桿狀化合物Al4Ce的生成將消耗合金中部分Al原子;另一方面,Ce是表面活性元素,在β相生長(zhǎng)過(guò)程中可以吸附在生長(zhǎng)尖端,抑制β相的長(zhǎng)大,從而減少β相的數(shù)量,增大其分散程度,減小其尺寸。綜合加入Ce后的兩方面影響結(jié)果,原先呈不連續(xù)網(wǎng)狀分布的β相開(kāi)始斷網(wǎng),并呈小塊狀彌散分布于晶界。當(dāng)Ce含量達(dá)到一定量后,組織中幾乎觀察不到網(wǎng)狀β相。

表2 Ce與Mg,Al的電負(fù)性差值

Ce在AZ91D合金中的溶解度小,過(guò)量的Ce不會(huì)形成含Ce的Mg固溶體,只能優(yōu)先形成Al4Ce相,并促進(jìn)其粗化。在合金的凝固過(guò)程中,析出的Al4Ce相被推移到生長(zhǎng)界面,從而阻礙了枝晶的自由生長(zhǎng),細(xì)化合金鑄態(tài)組織。晶界上高熔點(diǎn)(1 235℃)的Al4Ce相的出現(xiàn)對(duì)合金高溫性能的改善源自?xún)煞矫?一是減少低熔點(diǎn)(437℃)β相的含量;二是高熔點(diǎn)Al4Ce相能有效阻礙溫度升高時(shí)晶界的滑動(dòng)和裂紋的擴(kuò)展。

3.2 Ce對(duì)AZ91D合金力學(xué)性能的影響

加入Ce后,α-Mg枝晶的二次枝晶間距變小,鑄態(tài)組織細(xì)化,導(dǎo)致AZ91D合金的抗拉強(qiáng)度有很大程度的提高,但加入過(guò)量的Ce,晶粒進(jìn)一步細(xì)化程度不明顯,反而會(huì)出現(xiàn)過(guò)多的桿狀化合物,降低合金的抗拉強(qiáng)度。室溫下 Ce在 Mg中的溶解度約為0.10%。Ce除了與Al結(jié)合生成桿狀化合物,少部分固溶于α-Mg基體,造成一定的晶格畸變,使基體纖維硬度略有提高。但加入過(guò)量的Ce只會(huì)導(dǎo)致Al4Ce相的粗化,進(jìn)一步降低Al在α-Mg基體中的固溶度,起不到固溶強(qiáng)化作用,從而AZ91D合金硬度變化不大。Al4Ce相的形成對(duì)阻止室溫晶界的滑動(dòng)和裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展影響不大,同時(shí)AZ91D合金的斷裂屬于脆性斷裂,延伸率δ較低,因此Ce對(duì)AZ91D合金屈服強(qiáng)度和延伸率影響不大。

4 結(jié) 論

1.鈰能細(xì)化AZ91D鎂合金的鑄態(tài)顯微組織,隨著加入鈰含量的增加,呈不連續(xù)網(wǎng)狀分布的β相開(kāi)始斷網(wǎng)成小塊狀,彌散分布于晶界,同時(shí)出現(xiàn)了桿狀化合物Al4Ce。

2.鈰能提高AZ91D鎂合金抗拉強(qiáng)度和硬度,但對(duì)屈服強(qiáng)度和延伸率影響不大。

3.當(dāng)鈰的含量達(dá)到0.7%時(shí),合金的晶粒細(xì)化效果最好,綜合力學(xué)性能達(dá)到最佳。

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Effects of Cerium on Microstructure and Mechanical Property of AZ91D Magnesium Alloy

ZHOU Zuo-dong
(Hunan Research Institute of Nonferrous Metals,Changsha410015,China)

The microstructure and phase composition of AZ91D magnesium alloys with the different additionsof Ce were studied by optical Microscope(OM),X-ray diffraction(XRD)and scanning electron microscope(SEM),the mechanical properties at room-temperature were tested,and the microstrucutre and mechanical properties were compared between the alloys with and without the addition of Ce.The results show that a rod-like compound Al4Ce is formed in AZ91D alloys after adding a certain quantity of Ce contents,which is pushed onto the growth interface and hinders the growth of the dendrite freely.Thus Ce can refine microstucturesof AZ91D alloy at ambient temperature,while it has little influences on their yield strength and elongation.AZ91D alloy containing 0.7% Ce has good refinement effect and relatively mechanical properties.

Cerium;AZ91D magnesium alloy;microstructure;mechanical property

TG146.4+5

A

1003-5540(2010)02-0034-03

周坐東(1982-),男,助理工程師,主要從事有色金屬材料加工研究工作。

2009-12-26