Al-40Ce-5Sb-4.8Ti 中間合金對(duì)ZA105 鎂合金的影響

馬 濤，雷鵬飛，張西強(qiáng)

（1.太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司 特鑄分公司，山西 太原 030024；2.陜西東風(fēng)車橋傳動(dòng)系統(tǒng)股份有限公司，陜西 銅川 727000）

近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，Mg-Zn-Al系鎂合金由于具有較好的高溫力學(xué)性能以及較低的成本等優(yōu)點(diǎn)而具有良好的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用前景[1，2]。該合金將克服AZ和AM系鎂合金不能夠在120℃下長(zhǎng)期服役的缺陷而備受工業(yè)生產(chǎn)的重視，但是該系合金強(qiáng)度高而韌度比較低[3，4]。經(jīng)過(guò)課題組前期的研究發(fā)現(xiàn)[5]，在ZA105鎂合金中加入Sb元素可以有效地改善合金的沖擊韌度；還有一部分人的研究表明[6，7]在鎂合金中加入Ce，Ti元素可以細(xì)化晶粒，提高合金的拉伸強(qiáng)度和耐腐蝕性能等。本文將Al、Ce、Sb、Ti四種元素制備成一種中間合金，然后檢測(cè)該自制中間合金對(duì)ZA105鎂合金顯微組織和力學(xué)性能的影響，以期得到希望的效果。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及方法

ZA105鎂合金實(shí)驗(yàn)合金的制備原料為純Al，純Mg，純Zn，中間合金（其主要成分為40.0%w（Ce）、w（Sb）5.0%、w（Ti）4.8%、其余為Al）以及Al-10.0%Mn和Al-4.0%Be等中間合金作為原料。合金熔煉是在特制井式坩堝電阻爐中進(jìn)行，在780℃時(shí)分別將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%，2.0%，3.0%，4.0%的中間合金加入到合金液中并攪拌以促使Ce和Sb完全溶解在合金液中。再將溫度升至800℃用自配的RJ6進(jìn)行精煉，保溫20min以使金屬液中雜質(zhì)沉入坩堝底部，然后降溫到780℃后澆入預(yù)熱到180℃～220℃的金屬型模具中，獲得在試棒同一位置取得的鑄態(tài)的金相試樣、拉伸試樣和沖擊試樣。采用光學(xué)顯微鏡和配有EDS的掃描電鏡對(duì)合金的顯微組織的形貌進(jìn)行觀察，用X射線衍射儀對(duì)試樣進(jìn)行物相分析，并分別用HB-3000B型硬度計(jì)，JB-30B型沖擊試驗(yàn)機(jī)和DNS100電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量鑄態(tài)合金的硬度，沖擊韌度和常高溫拉伸強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 中間合金對(duì)ZA105 鎂合金顯微組織的影響

圖1是加入不同中間合金的ZA105鎂合金的顯微組織圖，從圖1可以看到，隨著中間合金加入量的增加，合金的基體在不斷的被細(xì)化，而合金中第二相也在不斷的被打斷成細(xì)小的塊狀均勻的分布在合金的基體中。特別是當(dāng)中間合金的加入量為2.0%時(shí)，全部被打斷成塊狀彌散的分布在合金中，同時(shí)合金的基體也變得最細(xì)?。ㄈ鐖D1c）所示）；隨著中間合金加入量的繼續(xù)增加，合金中的相發(fā)生了明顯的變化，合金中出現(xiàn)了少量的一些細(xì)長(zhǎng)的針狀相，如圖1d）中箭頭a所指，這種細(xì)長(zhǎng)的針狀相隨著中間合金加入量的增加逐漸的長(zhǎng)大，并逐漸的將第二相連接在一起，形成了網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，如圖1e）所示，合金的基體也變得很細(xì)小。

圖2是不含有和含有中間合金的XRD圖譜。

圖1 加入不同含量中間合金的ZA105 鎂合金的顯微組織圖

圖2 不含和含有中間合金的ZA105 鎂合金的XRD 圖譜

在圖中可以發(fā)現(xiàn)，不加入中間合金的ZA105鎂合金主要由三種相組成，它們分別是α-Mg基體相、φ-Al2Mg5Zn2相和τ-Mg32（Al，Zn）49相，這與楊明波等人[8]的研究相一致。但是加入一定量的中間合金之后，ZA105鎂合金多出一些比較低的峰，通過(guò)對(duì)這些峰的研究以及PDF卡比對(duì)，發(fā)現(xiàn)這種多出來(lái)的峰與Al4Ce化合物的峰比較相近。另外一些人研究發(fā)現(xiàn)[9]，在Ce元素在含有Al的鎂合金中優(yōu)先與合金中的Al元素反應(yīng)，生成比較穩(wěn)定的Al4Ce化合物相。因而可以肯定這多出來(lái)的峰就是Al4Ce化合物相的峰。但是在該合金中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)含有Ti和Sb元素的相，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的最主要的原因就是這兩種化合物在ZA105鎂合金中的含量比較少（質(zhì)量分?jǐn)?shù)大約為1/1000-2/1000），同時(shí)還有可能與檢測(cè)的機(jī)器有點(diǎn)關(guān)系，因而不能夠檢測(cè)出這兩種相來(lái)。

2.2 中間合金對(duì)ZA105 鎂合金的力學(xué)性能的影響

圖3是中間合金加入量不同的ZA105鎂合金的常高溫抗拉強(qiáng)度。從圖3可以看出，合金的常高溫抗拉強(qiáng)度隨著中間合金的加入量的增加上升，在中間合金的加入量為2.0%的時(shí)候達(dá)到最大值，分別為195MPa，177MPa和152MPa，比不加入中間合金的分別增加了8.33%，18%和16.92%。但是隨著中間合金的加入量的增加，合金的抗拉強(qiáng)度則出現(xiàn)了明顯的降低，特別是當(dāng)合金的加入量為4%的時(shí)候，合金的常溫抗拉強(qiáng)度要比沒(méi)有加入中間合金的抗拉強(qiáng)度還要低。

圖3 加入不同中間合金的ZA105 高鋅鎂合金的常高溫抗拉強(qiáng)度

圖4分別是加入中間合金的沖擊韌度和硬度力學(xué)曲線。從圖4可以看出，合金的沖擊韌度則是隨著中間合金加入量的增加而呈不斷上升的趨勢(shì)，在中間合金的加入量為1.0%時(shí)，達(dá)到了最大值，為8.45J/cm2，比沒(méi)有加入中間合金的鎂合金高出16.23%，但是隨著中間合金的加入量的增加，ZA105鎂合金的沖擊韌度則是逐漸降低，當(dāng)中間合金的加入量為4.0%時(shí)，鎂合金的沖擊韌度已經(jīng)接近5J/cm2，比不加中間合金的鎂合金降低了接近30%。而該鎂合金的硬度始終隨著中間合金加入量的增加而呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，在中間合金的加入量為4.0%時(shí)，合金的硬度就達(dá)到了最大值，比基體合金要高出33.90%.

圖4 加入不同含量中間合金的ZA105 高鋅鎂合金的沖擊韌性和硬度

2.3 機(jī)理分析

加入適量的中間合金的ZA105鎂合金都含有大量的細(xì)小的Al3Ti、Al4Ce、CeSb和Al6Mn等顆粒，因此在合金凝固的過(guò)程中，首先析出的是具有高熔點(diǎn)的Al3Ti、Al4Ce、CeSb和Al6Mn等顆粒，這些高熔點(diǎn)的顆粒質(zhì)點(diǎn)一部分可以作為鎂合金基體的形核質(zhì)點(diǎn)彌散的分布在合金的基體中，細(xì)化鎂合金的基體組織，進(jìn)而提高合金的常高溫抗拉強(qiáng)度和沖擊韌度；另一部分則在合金的凝固過(guò)程中聚集在液相的前沿，阻止Al、Zn原子的擴(kuò)散，使得合金中的Al、Zn原子的固溶度增加，進(jìn)而增加Al、Zn原子的固溶強(qiáng)化效果，使合金的常高溫抗拉強(qiáng)度和超級(jí)韌度提高。然而隨著中間合金的加入量的增加，這些高熔點(diǎn)的顆粒相就會(huì)富集在固液界面的前沿，形成細(xì)長(zhǎng)的針狀相。這種細(xì)長(zhǎng)的針狀不僅改變了合金中第二相的形貌，使得合金中的第二相逐漸連接在一起形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，降低合金的強(qiáng)度和韌度，同時(shí)這種細(xì)長(zhǎng)的針狀結(jié)構(gòu)在其尖部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，并嚴(yán)重的割裂基體，降低合金的強(qiáng)度，尤其是其沖擊韌度。而合金硬度的提升主要是由兩方面的原因造成的，其一，中間合金中的化合物相都是硬脆相，他們的存在本身就能提高合金的硬度；其二，這些硬脆相的存在可以有效的抑制其周圍晶粒的滑移和運(yùn)動(dòng)，提高該合金的硬度。

3 結(jié) 論

1）在ZA105鎂合金中加入中間合金之后，合金中除了在ZA105鎂合金中所必含的α-Mg基體，τ-Mg32（Al，Zn）49和φ-Al2Mg5Zn2外都出現(xiàn)了Al4Ce化合物相。

2）在ZA105鎂合金中加入適量的中間合金可以細(xì)化合金的基體組織以及改善第二相的形貌以及分布；但是，加入過(guò)量的中間合金會(huì)在合金中出現(xiàn)了大量的針狀相，同時(shí)合金中的第二相也因針狀相的增加而逐漸的連接在一起，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

3）該中間合金能夠有效的改善ZA105鎂合金的常高溫抗拉強(qiáng)度，特別是中間合金的加入量為2.0%時(shí)，該鎂合金的常高溫抗拉強(qiáng)度都達(dá)到了最大值，分別為195MPa，177MPa和152MPa，比基體合金的抗拉強(qiáng)度分別增加了8.33%，18%和16.92%，然而隨著中間合金加入量的增加，合金的常高溫抗拉強(qiáng)度則是都呈降低的趨勢(shì)；而合金的沖擊韌度則在中間合金加入量達(dá)到1%時(shí)達(dá)到最大值8.45 J/cm2，比基體合金高出16.23%，隨著中間合金進(jìn)一步的增加，其沖擊韌度嚴(yán)重的下降；合金的硬度則是始終隨著中間合金加入量的增加而上升。

［1］ ZHANG Z，Tremblay R，Luo A.solidification Microstructure of ZA102，ZA104 and ZA106 magnesium alloy and it effect on creep deformation［J］.Canadian Metallurgial Quarterly，2000，39：503-512.

［2］ XIAOWenlong，JIA Shusheng，WANG Jun，WU Yaoming，WANG Limin.Effect of cerium on microstructure and mechanical properties of Mg-20Zn-8Al alloy［J］.Matreials Science and Engineering，A2008，474：317-322.

［3］ LI Jiqiang，DONG Xuanpu，F(xiàn)AN Zitian，WANG Yuanqing.Effect of Ce and Sb on the microstructure and properties of AZ91D magnesium alloy prepared by the EPC process［J］.Rare Metals，2008，27（1）：41-45.

［4］ LIAO Huimin，LONG Siyuan，GUO Cunbao，ZHU Zhibing.Effect of Ce-rich misch metal addition on squeeze cast microstructure and mechanical properties of AZ81 alloy［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2008，18：44-49.

［5］ ZHANG Jinshan，ZHANG Zhaoguang，ZHANG Yuhua，LI Shanhu，LIU Yali.Effect of Sb on microstructure and mechanical properties in Mg-10Zn-5Al high zinc magnesium alloys［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China.2010，（3）：377-382.

［6］ LI Jiqiang，DONG Xuanpu，F(xiàn)AN Zitian，WANG Yuanqing.Effect of Ce and Sb on the microstructure and properties of AZ91D magnesium alloy prepared by the EPC process［J］.Rare Metals，2008，27（1）：41-45.

[7]楊明波，潘復(fù)生，白亮，等.TiC對(duì)金屬型鑄造ZA104合金鑄態(tài)組織，力學(xué)性能及凝固行為的影響[J］.稀有金屬材料與工程，2008（5）：766-770.

[8]楊明波，潘復(fù)生，湯愛(ài)濤，等.Mg-Zn-Al（ZA）系耐熱鎂合金的研究現(xiàn)狀[J］.熱加工工藝，2007，36（8）：73-77.

[9]陳樂(lè)平，周全.稀土（Ce，Nd）鎂合金的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J］.鑄造技術(shù)，2009，30（10）：1316-1319.