急冷鑄造Mg—3wt%Nd系列合金顯微組織研究

摘 要：對Mg-3wt%Nd采用急冷處理，并與常規(guī)鑄造相應(yīng)合金進(jìn)行比較，分析顯微組織，探討了急冷后鑄造Mg-3wt%Nd系列合金中的Nd、Gd、Zn、Zr等元素不同存在形式和分布狀態(tài)下的合金的性能。

關(guān)鍵詞：急冷；顯微組織；Mg-3wt%Nd

我國具有豐富的稀土資源。稀土鎂合金的高強(qiáng)、耐熱、耐蝕性能不但能進(jìn)一步增加鎂合金材料在汽車、通訊、電子等行業(yè)中的應(yīng)用，也可促進(jìn)鎂合金材料在新領(lǐng)域中的進(jìn)一步開發(fā)，同時還為稀土材料的應(yīng)用開辟出一個十分廣闊的領(lǐng)域， 對鎂合金材料和稀土材料的發(fā)展都具有極大的推動作用。采用先進(jìn)工藝生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)價(jià)廉的鎂稀土中間合金，開發(fā)稀土鎂應(yīng)用合金以提高傳統(tǒng)鎂合金的諸多性能，用作鎂合金的成分開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的一系列先進(jìn)鎂合金材料，新產(chǎn)品，用來代替原材料日益減少的鋁及鋁合金產(chǎn)品，促進(jìn)我國國防向現(xiàn)代化，交通工具和信息產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品向新型工業(yè)化方向發(fā)展，具有重要意義。

1 試驗(yàn)材料及方法

將純鎂，純釹（>99.8wt%）進(jìn)行混合，在純氬氣保護(hù)下進(jìn)行熔融，制備出Mg-3wt%Nd鑄態(tài)合金。將鑄態(tài)合金采用熔體旋鑄法，制備出橫截面積為（0.02-0.03）×（0.8-1.0）mm2的帶狀合金，銅輥的速度40m/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 光學(xué)顯微鏡下顯微組織檢測結(jié)果和透射電子顯微分析檢測結(jié)果

Mg-3wt%Nd急冷顯微組織可觀察到顯微組織單一，晶粒細(xì)小，主要為過飽和α-Mg固溶體相。鑄造Mg-3wt%Nd合金，經(jīng)過X-射線衍射物相分析，被認(rèn)定為Mg41Nd5相。因此鑄態(tài)樣品的組織由α-Mg固溶體和分布于晶界不連續(xù)的化合物Mg41Nd5組成。稀土元素Nd 在鎂中是表面活性元素，集聚在相界，降低了晶界能和相界能，提高了界面的結(jié)合力，降低了拉伸過程中裂紋的擴(kuò)展速率。經(jīng)過比較可知，急冷的方法可以大幅度減小晶粒尺度，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。

采用透射電鏡（TEM）對Mg-3wt%Nd急冷合金進(jìn)行觀察，可觀察到晶粒尺寸均勻細(xì)小，由單一的物相α-Mg固溶體組成，與光學(xué)顯微鏡下觀察的結(jié)果一致，電子衍射分析結(jié)果α-Mg為密排六方結(jié)構(gòu)晶體。對鑄態(tài)Mg-3wt%Nd合金進(jìn)行TEM觀察表明基體中存在著大量的孿晶，且形成了大量的位錯，表明孿生是該合金變形的重要模式，并且由此產(chǎn)生了應(yīng)變強(qiáng)化。

鑄造Mg-3wt%Nd系列合金的顯微組織Mg-Nd-Gd合金的顯微組織觀察到，在Mg基體中添加稀土元素Nd、Gd之后，在α-Mg的周圍滋生出許多的枝節(jié)狀的物相，這些枝節(jié)狀的物相存在于晶界上，也有一些滲入到α-Mg中去了。從Mg-Nd-Gd合金物相分析結(jié)果可知，在這種合金中Mg和稀土元素Nd能化合形成化合物Mg41Nd5。

Mg-Nd-Gd-Zn合金的顯微組織與Mg-Nd-Gd合金的顯微組織相比較發(fā)生了較大的變化，晶粒尺寸明顯變小，晶粒得到細(xì)化，并且在晶界處出現(xiàn)很多的黑色小顆粒，白色物相為α-Mg固溶體。通過物相分析結(jié)果知道，在這種合金中，不但Mg和稀土元素Nd能結(jié)合成化合物Mg41Nd5，新添加的元素Zn與Mg也形成化合物MgZn5.51，這些物相的形成，破壞了原來元素之間的結(jié)合方式，晶粒的尺寸變小。鋅在鎂中的最大固溶度為6.2wt%，是除鋁以外的另一種非常有效的合金化元素，具有固溶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化的雙重作用。

Mg-Nd-Gd-Zr合金即在Mg-Nd-Gd合金的基礎(chǔ)上加入Mg-Zr中間合金鑄造而成。晶粒尺寸與Mg-Nd-Gd合金相比，晶粒明顯細(xì)化。當(dāng)合金中Zr含量為（0.6-0.8）wt%時，具有最大的細(xì)化晶粒和提高力學(xué)性能的作用，Zr在液態(tài)中的溶解度很小，液態(tài)金屬結(jié)晶時，Zr首先以α-Zr的質(zhì)點(diǎn)析出，α-Zr與Mg均屬于密排六方晶體，而且晶格常數(shù)非常接近，因此液態(tài)金屬中的Zr就成為合金結(jié)晶的核心，從而促使晶粒細(xì)化。Zr還能減緩合金元素的原子擴(kuò)散速度，阻止晶粒長大。

Mg-Nd-Gd-Zn-Zr顯微組織顯示，這種合金合金化元素最多，晶粒尺寸也是最均勻的，晶粒細(xì)化程度是最大的，這是因?yàn)榧尤氲暮辖鹪囟啵纬傻亩喾N化合物破壞了原來兩種元素間的結(jié)合機(jī)制，使得整個合金的混亂度增加，結(jié)晶時分割、阻礙晶體生長的物相增多，使細(xì)化晶粒的效果更加顯著。在上面的分析中已經(jīng)說明元素Zr對鎂合金的晶粒細(xì)化作用很明顯，這里，Zr元素依然起到細(xì)化晶粒的作用，這是Mg-Nd-Gd-Zn-Zr合金晶粒細(xì)化的又一主要原因。二元Mg-RE合金的室溫拉伸性能都很差，不具有作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的意義，其主要原因是這些合金晶粒粗大而導(dǎo)致性能降低，自從發(fā)現(xiàn)Zr在鎂合金中具有顯著的晶粒細(xì)化作用之后，解決了這一問題，從而開發(fā)了一系列含稀土的鎂合金。盡管稀土對鑄態(tài)鎂合金的室溫拉伸性能影響很小，但是卻顯著提高鎂合金的高溫拉伸性能和蠕變強(qiáng)度，特別是對低鋁的Mg-Al合金，這一效果尤為突出。

因此就晶粒細(xì)化而言，Zn、Zr均有較強(qiáng)的細(xì)化晶粒的作用，相比之下，Zn的作用更強(qiáng)一些，可觀察到Zn、Zr都加入合金中，細(xì)化效果最佳。Mg-Nd-Gd-Zn、Mg-Nd-Gd-Zn-Zr顯微組織可觀察到共晶組織，即可發(fā)現(xiàn)加入Zn時，有共晶相變發(fā)生，產(chǎn)生的共晶組織分割晶體，有較強(qiáng)的細(xì)化晶粒效果。

3 結(jié)論

通過急冷的工藝方法可以大幅度減小晶粒尺度，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的，同時可以通過快速冷卻改變合金的物相構(gòu)成，鑄造狀態(tài)下的Mg-3wt%Nd合金由α-Mg和Mg41Nd5兩相構(gòu)成，且Nd元素偏聚于晶界處，急冷后形成單一的α-Mg相，兩種狀態(tài)下的材料性能差別很大。在Mg-Nd合金中加入Zn、Zr都能起到細(xì)化晶粒的作用，當(dāng)兩者同時加入時能獲得更強(qiáng)的細(xì)化晶粒效果。

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