車用Mg-Zn-Zr-Er 合金組織、變形行為與力學性能

鄧劍鋒

（廣西生態工程職業技術學院，柳州 545004）

我國汽車工業使用鎂合金比較晚，如今依然停留在開發階段。隨著人們環境保護理念的提升，鎂合金成為新環境下炙手可熱的綠色材料，是工業研究的重點。當前我國在新能源汽車結構研究過程中逐漸明確了今后行業發展的主要方向，即低排放、低污染，實現節能環保。鎂合金具有高的比強度和比剛度，良好的導電性和電磁屏蔽性能，是優秀的輕量化結構材料，廣泛應用于汽車制造、航空航天以及3C 通信等領 域[1-4]。為了進一步闡明Er 元素在Mg-Zn 系合金中的組織成分特征，揭示合金在擠壓變形過程中的變形行為，本文研究不同Zn、Er 元素含量合金在鑄造和擠壓過程中的微觀組織形貌和力學性能，分析Zn/Er 元素比值與Mg-Zn-Er 三元化合物構成與組織形貌特點的關系，以揭示Er 元素在擠壓變形過程中的晶粒細化 機理。

1 實驗方法

實驗合金為Mg-Zn-Zr-Er 系，在電阻爐中進行熔煉。實驗選用純度大于99.95%的工業純Mg 錠和Zn 錠為原料，微量元素Zr 和Er 以中間合金的方式加入。熔煉過程中使用RJ-2 溶劑保護，澆注過程中采用SO2和CO2混合氣體進行在線保護[5]。先用半連續鑄造方式，在720 ℃溫度下澆注成直徑為90 mm的圓柱形坯錠。鑄錠經鋸切車皮后進行400 ～410 ℃、12 h 的均勻化處理，在臥式擠壓機上進行熱擠壓，空冷至室溫。

對鑄造和擠壓后合金分別在不同部位取金相樣品，研磨、拋光后采用混合酸腐蝕處理，利用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡進行顯微組織觀察。力學性能試驗在CTM5106 電子萬能試驗機上進行，為避免取樣和偶然誤差，所有試樣取3 次測量的平均值[6]。

2 結果與討論

2.1 熱擠壓組織與再結晶

為研究合金在擠壓變形過程中的組織演變特征和再結晶規律，分析不同Er 含量的Mg-1.5Zn-0.6Zr 合金均勻化組織，如圖1 所示。結果表明，Er 元素并未明顯降低合金的平均晶粒尺寸，但顯著影響合金的晶界形態。對于不含稀土Er 的合金晶界較平直，厚度均勻，晶界處化合物較少。隨著Er 含量的增加，晶界處化合物呈逐漸增多趨勢。同時，在含Er 量較高的圖1（c）和圖1（d）中，可以清晰看到晶界處化合物的溶解，且部分溶解物擴散到基體中。隨著溶解擴散的進行，晶界開始變得不連續，并有部分難溶的化合物殘留。隨著稀土含量的增加，晶界未溶化合物數量亦增多。

分別進行不同Er 含量的Mg-1.5Zn-0.6Zr 合金在350 ℃和400 ℃兩種溫度下擠壓比為16 ∶1 的熱擠壓實驗，擠壓后金相顯微組織分別如圖2 和圖3 所示。比較圖2 和圖3 可知，350 ℃和400 ℃擠壓后合金的晶粒均隨著Er 含量的增加逐漸細化和均勻化，且 350 ℃擠壓的合金更細小。同時發現，在350 ℃擠壓時，不同Er 含量的合金中均存在部分未發生再結晶的變形晶粒，已發生再結晶的晶粒細小均勻。在 400 ℃擠壓時，合金中未發生再結晶的晶粒體積分數明顯減少，說明高溫擠壓時合金更傾向于發生再結晶[7]。當擠壓溫度較高時，不含稀土的合金中部分晶粒發生了明顯長大，晶粒大小很不均勻，而含稀土合金的晶粒大小分布則相對均勻。此外，稀土含量低于1.0%時，局部區域仍有少量未再結晶的變形晶粒。隨著稀土含量增加至2%～4%，合金組織變得更加均勻，合金晶粒全部轉變為等軸再結晶。再結晶晶粒均勻細小，沒有晶粒的明顯長大情況。

整個熱擠壓變形過程實際上是加工硬化和再結晶軟化同時進行的過程，再結晶核心先在變形程度大的變形能聚集區域優先形成[8]。當擠壓溫度較低時，硬化作用大于軟化作用，故合金為未完全再結晶組織；擠壓溫度較高時，恢復和再結晶較充分，合金中未發生再結晶的體積分數明顯減少。當合金中沒有稀土元素時，變形區的不均勻導致再結晶核心形成和隨后長大的不均勻，形成不均勻的晶粒分布。添加稀土元素后，變形趨于均勻化。當變形量增大到一定程度時，再結晶核心在多處同時形成，即形核率增加，從而形成較為均勻的細化晶粒。此外，添加稀土Er 的合金再結晶晶粒均明顯小于未添加稀土的合金，表明稀土的加入還起到了抑制再結晶晶粒長大的作用。這是因為稀土作為異形核核心不僅能夠提高形核率，還可以抑制異形核質點的擴散速率，因此400 ℃擠壓的稀土合金仍然獲得了較細小的晶粒組織。概而言之，稀土Er 促進了合金的均勻變形和均勻再結晶，有效抑制了再結晶晶粒長大。

2.2 力學性能

不 同Er 含 量Mg-1.5Zn-0.6Zr 和Mg-3Zn-0.6Zr合金350 ℃和400 ℃擠壓后的室溫抗拉強度、屈服強度和延伸率如圖4 所示。可以看出，同種合金350 ℃ 擠壓比400 ℃擠壓的綜合力學性能好，其中屈服強度高約25%，抗拉強度高約15%，延伸率高8%～20%。對比兩種不同Zn 含量的合金可看出，當合金中不含Er 元素時，含Zn 量較低的Mg-1.5Zn-0.6Zr 的強度和延伸率均高于Mg-3Zn-0.6Zr，說明單純提高Zn 的含量并不利于合金性能的提高。但是，在Er 元素添加量超過1%之后，高Zn 含量的Mg-3Zn-0.6Zr 抗拉強度和屈服強度均顯著提高，最高值分別為379.24 MPa和360.52 MPa，超過Mg-1.5Zn-0.6Zr 合金的最高抗拉強度358.45 MPa 和屈服強度333.90 MPa。這是由于未添加Er 時，含Zn 量較高Mg-3Zn-0.6Zr 合金中所生成的粗大針狀Mg-Zn 二元化合物較多，割裂基體并造成應力集中，從而Zn 含量的提高降低了合金的力學性能。但是，添加Er 元素后，該二元化合物轉為晶粒較為細化且組織均勻的球狀、棒狀和塊狀Mg-Zn-Er 三元化合物，提高了合金的力學性能。特別是當Er 添加量超過1%～2%時，含Zn 量較低的Mg-1.5Zn-0.6Zr 合金強度達到峰值后開始逐步下降，但高Zn 含量的Mg-3Zn-0.6Zr 合金強度仍然整體呈緩升趨勢。主要原因為Er 元素的添加并不能直接提高合金的強度，而是通過消除粗大針狀Mg-Zn 二元化合物改善組織形態來提高合金的性能。對于含Zn量低的Mg-1.5Zn-0.6Zr 合金，Er 添加量為1%～2%是其適宜的添加量，此時剛好能夠消除粗大針狀Mg-Zn 二元化合物的不利影響。當Er 含量進一步提高時，多余的Er 元素不僅未提高合金強度，而且因為多余稀土質點在晶界處的聚集造成了更多的應力集中，導致合金強度下降。而對于含Zn 量較高的Mg-3Zn-0.6Zr 合金來說，由于消除Mg-Zn 二元化合物需要更多的稀土元素，因此在Er 添加至4%時，合金強度呈緩慢上升趨勢。但在Er 元素添加量從2%提高至4%時，強度的增加極其有限，其中350 ℃擠壓合金的抗拉強度還出現了一定程度的下降。因此，當Er 元素添加量超過2%后，繼續增加Er 含量并非提高合金強度的有益選擇。

兩種合金在延伸率上的表現，證明了Er 元素能夠消除粗大針狀Mg-Zn 二元化合物，改善了合金微觀組織，從而提高了合金的綜合力學性能。但是，需注意350 ℃擠壓的Mg-1.5Zn-0.6Zr 合金在不同Er 稀土添加量條件下都獲得了高的延伸率值，其中Er 添加量為1%時，最高延伸率為35.48%。當Zn 含量為3%的Mg-3Zn-0.6Zr 合金在Er 添加量為1%時，其延伸率為28.59%，比Mg-1.5Zn-0.6Zr 合金低了約24%。

3 結語

（1）在合金的均勻化熱處理過程中，Er 元素并未明顯影響合金晶粒大小和形態，而是對合金晶界成分及其形態有顯著影響。未添加稀土Er 的合金晶界處平直而均勻，幾乎未見晶界化合物存在。添加Er元素后的合金晶界處有較多的晶間化合物出現，且隨著Er 含量的增加而呈逐漸增多趨勢。當Er 元素含量較高時，這些晶界處化合物又逐步溶解，部分擴散至基體內部。這種晶界間化合物的出現、溶解和擴散導致了晶界的隔斷，并在晶界處出現部分難溶化合物 殘留。

（2）稀土Er 的添加對合金擠壓組織和力學性能均有顯著影響。未添加Er 元素時，合金變形和晶粒大小分布不均勻。隨稀土的添加，合金中未發生再結晶的變形晶粒的體積分數減少，晶粒大小均勻。高溫擠壓時，稀土元素加入量的影響顯著。隨著Er 含量的增加，晶粒逐漸細化和均勻化。

（3）擠壓溫度對合金組織和力學性能有顯著影響。低溫擠壓有利于降低晶粒的再結晶長大，從而提高合金力學性能。350 ℃擠壓態合金顯微組織要比400 ℃擠壓時晶粒明顯細化，力學性能好。當合金中Er 的加入量為1.0%時，350 ℃擠壓Mg-1.5Zn-0.6Zr合金的延伸率達35.5%，抗拉強度和屈服強度分別達到379.24 MPa 和332.84 MPa，擁有較好的綜合力學性能，可廣泛應用于汽車車身覆蓋件。