稀土元素鈰對鎂合金AZ91D顯微組織和力學性能的影響

周坐東

(湖南有色金屬研究院,湖南長沙 410015)

稀土元素鈰對鎂合金AZ91D顯微組織和力學性能的影響

周坐東

(湖南有色金屬研究院,湖南長沙 410015)

利用光學顯微鏡、X射線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,并對其力學性能進行了測試,同時與不含鈰鎂合金AZ91D進行了比較。結果表明,加入一定量Ce后的鎂合金AZ91D形成桿狀化合物Al4Ce,被推移到生長界面,阻礙枝晶的自由生長,從而細化合金顯微組織;Ce能提高鎂合金AZ91D抗拉強度和硬度,而對其屈服強度和延伸率影響不大;加入0.7%Ce的AZ91D鎂合金晶粒細化效果和綜合力學性能比較理想。

鈰;AZ91D鎂合金;顯微組織;力學性能

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、比強度高等許多性能優(yōu)勢,很早就應用在航空航天工業(yè)上,其它的應用領域也相當廣泛,如鎂合金材料的良好震動吸收性、電磁屏蔽性能、散熱及耐蝕性好等,使其在計算機、通訊等電子產(chǎn)品中的應用得到不斷增長。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。據(jù)預測,汽車所用燃料的60%消耗于汽車自重。汽車若部分使用鎂合金,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減少,因此鎂合金材料在減重節(jié)能、減少廢氣的排放方面起到關鍵的作用。而當前鎂合金材料生產(chǎn)量很小,應用非常有限,與鎂合金的優(yōu)異性能極不相稱。

稀土作為主要的合金元素或微合金化元素,被廣泛應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、強化和耐蝕性能不斷被認識。在稀土鎂合金的應用與開發(fā)中,已取得了一定的技術突破和具有學術和應用價值的科研成果,其應用領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發(fā)和應用,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)技術還不成熟和完善,特別是鎂合金的成形技術有待進一步發(fā)展,耐熱性差也是阻礙鎂合金廣泛應用的主要原因之一。在高溫下,它的強度和抗蠕變性能大幅度下降,使它難以作為關鍵零件材料在汽車工業(yè)中得到廣泛的應用。稀土鎂合金的結構和性能具有廣泛的優(yōu)越性,是廣大科研工作者解決當前鎂合金結構與性能研究的一個主要方向。

本文基于工業(yè)上應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AZ91D鎂合金的力學性能的影響,為提高鎂合金的力學性能和擴大鎂合金的使用范圍提供一定的參考。

1 試驗方法

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℃。試驗用合金的實測成分如表1所示。

表1 鎂合金的化學成分 %

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光學顯微鏡分析顯微組織。用RigakuD/max-3C型X射線衍射儀分析相組成,輻射源為CuKa,步進掃描,步長為0.02°,掃描范圍為10°～80°。用HB-3000型布氏硬度計進行硬度測試,在WE-10型萬能材料試驗機上進行拉伸試驗,拉伸速度為2 mm/min。

2 實驗結果

2.1 鈰對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。當加入0.25%Ce時,α-Mg基體得到了明顯的細化,網(wǎng)狀的β相出現(xiàn)了斷網(wǎng)現(xiàn)象,并有少量的針狀Al4Ce相出現(xiàn);當加入0.7%Ce時,合金組織得到了進一步的細化,且網(wǎng)狀的β相呈彌散的粒狀分布于晶界上,同時有大量的針狀物Al4Ce相出現(xiàn);當加入0.95%Ce時合金的鑄態(tài)組織沒有細化現(xiàn)象,反而較AZ91D-0.7%Ce的組織有粗化的趨勢,且針狀化合物長大成桿狀。

2.2 鈰對AZ91D合金力學性能的影響

AZ91D-x%Ce鎂合金拉伸性能與Ce含量的關系曲線圖如圖3所示。由圖3可見,隨著Ce含量增加,鎂合金的抗拉強度(Rm)變化不大,當Ce含量達到0.7%時合金的抗拉強度達到最大值為213.6 MPa,與AZ91D合金相比提高了14.3%;當Ce含量達到0.7%時合金的屈服強度(Rel)達到最大值124.98 MPa,與AZ91D合金相比提高了8.6%。合金的伸長率隨Ce含量的增加迅速提高;當Ce含量達到0.7%時伸長率(A)達到最大值 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含量的關系

圖4 AZ91D-x%Ce鎂合金硬度與Ce含量的關系

AZ91D-x%Ce鎂合金硬度與Ce含量的關系曲線如圖4所示。從圖4中可以看出,Ce含量不同對合金硬度影響較大,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。當Ce含量達到0.7%時,合金硬度達到最大值69.90Hb,比不加稀土時AZ91D合金的硬度60.36Hb增加15.4%;當加入0.95%Ce時,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性能,當Ce含量為0.7%時,合金的抗拉強度、屈服強度、伸長率及硬度分別比 AZ91D鎂合金提高14.3%、8.6%、135%及15.4%,其綜合力學性能達到最佳。

3 分析討論

3.1 Ce對AZ91D合金鑄態(tài)組織的影響

稀土具有活潑的化學性質,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,可從其電負性差值來判斷,電負性差值越大,元素間的結合力越大,越容易形成金屬化合物。Ce與Mg和Al間的電負性及電負性差值如表2所示。由表2可知,Ce與Al的電負性差值要遠遠大于Ce與Mg的電負性差值。因此,在凝固過程中,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,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相生長過程中可以吸附在生長尖端,抑制β相的長大,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后的兩方面影響結果,原先呈不連續(xù)網(wǎng)狀分布的β相開始斷網(wǎng),并呈小塊狀彌散分布于晶界。當Ce含量達到一定量后,組織中幾乎觀察不到網(wǎng)狀β相。

表2 Ce與Mg,Al的電負性差值

Ce在AZ91D合金中的溶解度小,過量的Ce不會形成含Ce的Mg固溶體,只能優(yōu)先形成Al4Ce相,并促進其粗化。在合金的凝固過程中,析出的Al4Ce相被推移到生長界面,從而阻礙了枝晶的自由生長,細化合金鑄態(tài)組織。晶界上高熔點(1 235℃)的Al4Ce相的出現(xiàn)對合金高溫性能的改善源自兩方面:一是減少低熔點(437℃)β相的含量;二是高熔點Al4Ce相能有效阻礙溫度升高時晶界的滑動和裂紋的擴展。

3.2 Ce對AZ91D合金力學性能的影響

加入Ce后,α-Mg枝晶的二次枝晶間距變小,鑄態(tài)組織細化,導致AZ91D合金的抗拉強度有很大程度的提高,但加入過量的Ce,晶粒進一步細化程度不明顯,反而會出現(xiàn)過多的桿狀化合物,降低合金的抗拉強度。室溫下 Ce在 Mg中的溶解度約為0.10%。Ce除了與Al結合生成桿狀化合物,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。但加入過量的Ce只會導致Al4Ce相的粗化,進一步降低Al在α-Mg基體中的固溶度,起不到固溶強化作用,從而AZ91D合金硬度變化不大。Al4Ce相的形成對阻止室溫晶界的滑動和裂紋的產(chǎn)生與擴展影響不大,同時AZ91D合金的斷裂屬于脆性斷裂,延伸率δ較低,因此Ce對AZ91D合金屈服強度和延伸率影響不大。

4 結 論

1.鈰能細化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相開始斷網(wǎng)成小塊狀,彌散分布于晶界,同時出現(xiàn)了桿狀化合物Al4Ce。

2.鈰能提高AZ91D鎂合金抗拉強度和硬度,但對屈服強度和延伸率影響不大。

3.當鈰的含量達到0.7%時,合金的晶粒細化效果最好,綜合力學性能達到最佳。

[1] 徐光憲.稀土[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1997.

[2] 楊忠,李高宏,李建平,等.銻和稀土對Mg-9%Al-0.4%Zn合金鑄態(tài)組織與力學性能的影響[J].鑄造,2002,51(11):690 -693.

[3] 周海濤,馬春江.稀土元素鈰對AZ91鎂合金組織和性能的影響[J].高技術通訊,2003,(1):53-55.

[4] 王立世,段漢橋,魏伯康,等.混合稀土對AZ91鎂合金組織和性能的影響[J].特種鑄造及有色合金,2002,(3):12-16.

[5]Mordike T.Applications potential[J].Materials Science and Engineering,2001,A302(1):37-45.

[6] Robert E,Bob Brown.Magnesium alloy and their applications international conference[J].Light Metal Age,1998,56(7-8):94 -99.

[7] Aghion E,Bronfin B.Magnesium alloy development towards the 21st century[J].Materials Science Forum,2000,350-351:19.

[8] Polmear I J.Magnesium alloys and applications[J].Materials Science and Technology,1994,10(1):1-2.

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