稀土元素对ZM5镁合金性能的影响.pdf

第5 9 卷第1 期 2 0 07 年2 月 有色金属 N o n [ c r r o u sM e t a l s V o I ．5 9 ．N o ．1 F e b r u a r y 2007 稀土元素对Z M 5 镁合金性能的影响 尹卓湘，卫广智，陈肖虎 贵州大学材料科学与冶金2 2 程学院，贵阳5 5 0 0 0 3 摘 要研究添加富铈混合稀土的Z M 5 合金在铸态和固溶处理后的显微组织与力学性能。结果表明，添加适量的混合稀土 能显著提高Z M 5 合金强度，合适的R E 添加量对铸态合金为1 ．5 ％，固溶处理合金合为0 ．7 5 ％。固溶处理使未添加稀土的Z M 5 合金偏析产生的晶界沉积相 p ．M g l 7 A ／1 2 和含M n 的中间相 ～6 M n ，A 上M n 溶解而改善合金的塑性。对添加稀土的Z M 5 合金，固 溶处理不仅使f l - M g ，，A I 。相溶解，还使粗大棒状的A I ．．R E ，熔断而细化、球化，从而显著提高合金的强度和塑性。 关键词金属材料；镁合金；富铈混合稀土；固溶；强度；塑性 中图分类号T G l 4 6 ．2 2 ；T G l l 3 ．2 5文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 7 0 1 0 0 2 7 0 5 镁合金具有比强度、比刚度高，减震性、电磁屏 蔽和抗辐射能力强，易切削加工，易回收等一系列优 点，在汽车、电子、电器、交通、航天、航空和国防等领 域得到广泛应用并且前景看好，是继钢铁和铝合金 之后发展起来的第三类金属材料，被称为2 1 世纪的 绿色工程材料uJ 。然而，由于目前镁合金的强韧性 等性能与其他金属材料的差距，约束了镁合金的应 用范围。要拓宽镁合金的应用领域就必须不断挖掘 镁合金材料的性能潜力，大力开展镁合金的应用基 础研究。在我国传统的铸镁合金Z M 5 Z M g A l 8 Z n 中加入富铈混合稀土元素并进行不同时间的固溶处 理，研究了稀土含量和固溶时间对合金组织及机械 性能的影响。 1实验方法 1 ．1 合金配制成分及原材料 试验合金为Z M 5 z R E 。G B l l 7 7 7 4 中Z M 5 合金基本成分如表1 所示，确定试验合金按表2 配 制，X 质量百分数 取值为0 ，0 ．2 5 ，0 ．5 0 ，0 ．7 5 ， 1 ．0 0 ，1 ．5 0 ，1 ．7 5 和2 ．0 0 。M g 为1 镁锭；A 1 为 A 0 0 铝锭；M n 为电解金属锰；Z n 为1 锌锭；稀土原 材料为2 0 ％R E 富铈 的镁中间合金。助剂为市售 2 覆盖剂和镁精炼剂。 表1Z M 5 合金基本成分 T a b l e1B a s ec o m p o s i t i o n so fZ M 5a l l o y 表2Z M 5 合金配制成分 T a b l e 2B u r d e nc o m p o s i t i o no fZ M 5a l l o y 1 ．2 熔炼设备及步骤 熔炼基本设备为1 8 石墨坩锅和井式电阻炉、 钢制金属铸模。 配制熔炼Z M 5 合金。 1 熔炼铝锰合金，按镁 收稿日期2 0 0 5 ～0 7 ～0 9 基金项目贵州省科技基金资助项目[ 黔科台J 字 2 0 0 5 2 1 1 9 ] 作者简介尹卓湘 1 9 5 5 一 ，男，湖南宁乡县人，副教授，主要从事 冶金与材料物理化学及轻金属制备等方面的研究。 块质量的9 ．4 ％称取纯铝量，人炉熔融；按镁块重量 的0 ．3 ％称取纯锰量，预热后加入熔融的铝液中，在 7 2 0 ℃下熔化，其间进行多次搅拌，直至锰完全溶解。 2 按镁块重量的0 ．5 5 ％称取纯锌量，与已称好的 镁块预热后一同加入熔融的铝液中，盖上覆盖剂，在 7 0 0 ℃下进行熔炼。 3 熔炼好后，进行精炼、除渣， 浇注1 样。 配制熔炼Z M 5 x R E 合金。按z 及R E 2 0 镁中 间合金的加入量改变比例重复配制熔炼Z M 5 合金 的 1 、 2 步骤；然后加入R E 2 0 镁中间合金，在 7 2 0 ℃下搅拌使R E 2 0 镁中间合金充分溶解后，精 炼、除渣，铸锭取样。 1 ．3 合金样品的化学成分 万方数据 2 8 有色金属第5 9 卷 配制的合金样品化学成分如表3 所示。 表3 合金样品的化学元素含量分析结果 T a b l e 3F i n a lc o m p o s i t i o n ’so fZ M 5a l l o y s 样本 A I Z n M n R E F e M g 1 ．4 分析样本制作 1 ．4 ．1 机械性能分析样本。采用线切割把熔炼得 到的合金样品铸锭加工成厚度为2 r a m ，宽度为6 r a m 即符合国标G B 2 2 8 8 7 的3 倍板状比例 拉伸试 样。将拉伸式样进行固溶处理。固溶处理制度如 下 1 固溶温度4 1 0 ℃； 2 保护气体，预抽真空，高 纯氩气保护； 3 固溶时间分别为1 5 ，2 0 ，2 5 ，3 0 h ； 4 出炉处理方式为水淬。 1 ．4 ．2 金相组织观查分析样本。 1 拉伸断口用超 声波清洁后，用扫描电镜分析断面。 2 取拉伸后样 镶嵌、金刚石研磨膏粗抛光，用市售分析纯M g O 粉 精抛，再用2 ％的硝酸酒精溶液腐蚀后，在金相显微 镜下观察金相组织。 3 取拉伸后样制成宽6 r a m ， 长1 5 r a m ，厚1 m m 的样，经超声波清洁后进行X 射 线衍射分析。 山 羔 、 趟 趟 监i 嗵 2 试验结果与讨论 2 ．1 力学性能测试 ．R E 添加量对固溶态Z M 5 合金力学性能的影响 如图1 所示，试验条件为I n s t r o n 材料实验机，加载 速率为2 m m ／m i n 。从图1 看到，R E 的加入对z M 5 合金的力学性能影响是显著的，无论是铸态或各种 固溶合金，加入少量的R E 会对合金起到强化作用， 其R E 的最佳加入量对于铸态合金是1 ．5 ％左右，而 固溶合金应在0 ．7 5 ％左右。在这个含量下Z M 5 合 金的抗拉强度％和屈服强度d 。．2 达到最大值，随着 R E 加入量的进一步增加，固溶合金的％和盯o ．2 均有 较大的下降。同样R E 对该合金塑性 伸长率 的影 响亦有类似的规律。 术 ～ 舱 业 童 合金中的R E 含量，％ 图1R E 添加量对各固溶态Z M 5 合金力学性能的影响 F i g ．1 E f f e c t so fR Ea d d i t i o no nt e n s i l ep r o p e r t i e so fZ M 5a l l o y sb yd i f f e r e n ts o l i ds o l u t i o n s 固溶时间对添加R E 的Z M 5 合金力学性能的从图3 可见，随着R E 的加入，原来的黑色主要 影响如图2 所示。从图2 a 可知，固溶时间对提高强化相明显减少，而形成一些网状或岛状的相物质 Z M 5 合金及其加入R E 的系列合金的抗拉强度锄， 见图3 a 和 b 。当R E 含量进一步增加达到一定 效果非常明显，O “ b 先随着固溶时间的延长而急剧升量以后，杆状相物质大量增加，并长大为骨骼状的粗 高，在2 5 h 时达到最高。然而Z M 5 及其加入R E 后的大相，见图3 C ，这将对合金力学性能产生严重的 Z M 5 x R E 系列合金的屈服强度盯0 2 则是先随着不利影响。 固溶时间的延长而下降，在1 5 ～2 0 h 之间达到最低图4 表明，在4 1 0 ℃固溶处理2 0 h 后，网状或岛 值，见图2 b 。延长固溶时间能大幅度提高Z M 5状的相物质几乎完全消失，如图4 a 和 b 所示，延 及其加入R E 后的系列合金的伸长率，见图2 c 。长固溶时间，杆状相物质将断裂变小趋向球化，见图 2 ．2 显微组织分析4 c ，故而改善合金的力学性能。 巧酊扒％Ⅲ扎 麓黑尝m∞∞他嗍山篇篇尝 ■记的诣咧止 揣篡 卫∞砣鸵嘲止赫麓o鹑2卯Ⅲ止 麓瓣 j弱“鸺吼小慧篇p船均钙咙小嚣篇誉_％坞“啦止麓篙o招加。聊小赫蚴。訾 星≤赵暖勰辖 万方数据 第1 期尹卓湘等稀土元素对Z M 5 镁合金性能的影响2 9 山 、h 乎 魁 氆 t 睦 题 图2固溶时间对R E 含量不同的Z M 5 合金力学性能的影响 F i g ．2 E f f e c t so fs o l i d s o l u t i o nt i m eo nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fZ M 5 一x R Ea l l o y s a 一未加R E ； b 一含o ．7 8 ％R E ； c 一含1 ．4 8 ％R E 图3 含R E 不同的Z M 5 合金铸态显微组织 5 0 0 x F i g ．3 M i c r o s t r u e t u r eo fa s - c a s t i n gZ M 5a N o y s a 一合金未固溶； b 一合金固溶2 0 h ； c 一合金固溶3 0 h 图4固溶时间对含0 ．7 8 ％R E 的Z M 5 合金显微组织的影响 5 0 0 F i g ．4 E f f e c t so fs o l i ds o l u t i o nt r e a t m e n tt i m eo nm i c r o s t r u c t u r eo fZ M 5 2 ．3 相组成分析 铸态及固溶态含R E 不同的Z M 5 合金的x 射 线衍射图谱如图5 所示，测试参数为4 0 k V ／4 0 M A ， 2 0 6 ～9 0 。，步长0 ．0 2 。 未添加稀土的铸态Z M 5 合金由A l 和Z n 在M g 中的固溶体d 相 浅黄色 与灰褐色的M 9 1 7 A 1 1 2 p 相 及其黑色的共晶组织和少量颗粒状A 1 6 M n 相组 成旧J ，见图3 a 和图5 a 。添加混合稀土的Z M 5 合金铸态下则由固溶体a 相与以离异共晶方式析出 的M g l 7 A 1 1 2 p 相 、黑色团簇状共晶组织 a 和p 相 以及杆状稀土化合物相组成。离异的G 相或者沿晶 界以不规则的形状连续析出，杆状物则为合金中的 A l 与加入的稀土化合而成的稳定性较高的化合 物【3J 。从X 射线衍射图谱还能看到有一定量不稳 定M g R E 化合物 M 9 1 7 R E 2 沉淀强化颗粒和具有 正交晶体结构的中间相A 1 4 R E 存在心J 。 在经过长时间固溶处理的稀土Z M 5 合金组织主 要由固溶体a ．M g ，M 9 1 7 瓯，A l C e 2 M N 3 和仙C e M n 4 万方数据 3 0有色金属第5 9 卷 相及少量A 1 2 Z n ，A 1 M n ，Z n L a 颗粒相组成，原来存在于 铸态组织中的卢J C g M g ，7 A 1 1 2 组织完全消失。而其中 的杆状物相 普遍认为是A 1 R E 3 和A 1 2 R E [ 2 , 4 1 经固溶 处理变得细碎而分散，并随固溶时间的延长最终转变 为强化组织A I C e 2 M n 3 ，A 1 8 C e M n 4 ，Z n L a ，A 1 2 z n ，见图4 b 、图4 c 、图5 C 和图5 d 。 a 一铸态不含R E ； b 一不含R E 固溶2 5 h ； c 一铸态含0 ．7 8 ％R E ； d 一含O ．7 8 ％R E 固溶2 5 h 图5 铸态及固溶态含R E 不同的Z M 5 合金的X 射线衍射图谱 F i g ．5X r a yd i f f r a c t i o np a t t e r n so fZ M 5 2 ．4 讨论 从图1 可以看到，无论是铸态下还是经固溶处 理，在加入适量R E 以后Z M 5 合金的抗拉强度％、 屈服强度仃眦以及合金的塑性都有较大的提高。然 而当R E 含量超过一定量 铸态合金在1 ．5 ％，固溶 合金在0 ．7 5 ％ 以后，抗拉强度％、屈服强度盯o ．2 以 及合金的塑性都急剧下降。铸态合金中的这种现象 典型地反映了稀土在合金中形成杆状A 1 1 1 R E 3 相在 合金组织中所起作用的变化规律。适量的R E 形成 的少量、细小杆状A 1 1 1 R E ，相，可以起强化作用，能 阻止裂纹的形成，增大合金的塑性变形初始启发的 抗力。由于A 1 1 】R E 3 相为体心正交晶系结构引与镁 基体a 相为D O ，。晶体结构[ 7J ，随着R E 的过量加入， 杆状A 1 ，1 R E ，相长大成棒状或集聚成放射状的团块 将割裂合金基体。拉伸过程中就会在这些棒状相的 尖端产生应力集中，形成微裂纹，其破坏力超过了强 化效果，综合效应是使合金抵抗塑性变形和断裂的 能力降低。铸态Z M 5 合金中的R E 含量在0 ．5 ％～ 1 ．5 ％时，合金的伸长率变化并不大，为4 ．0 5 ％～ 4 ．9 5 ％ 图1 c ，说明这区问正是杆状A 1 】1 R E 3 相的 长大或集聚的过程。 通过固溶处理来改变合金的力学性能，对于加 与不加稀土的Z N 5 合金来说都是有益的，这是因为 镁合金时效过程有一个与镁点阵形成共格沉淀物 即具有D O ，。晶体结构沉淀物 的阶段【2 』。抗拉强 度“，伸长率占随固溶时间的延长而提高，到2 5 h 时达到最高。合金性能之所以随固溶时间变化，就 是因为热处理改变了合金的组织形态。在对Z M 5 合金进行热处理时，合金中p 相 M 9 1 7 A 1 1 2 固溶和 骨骼状的A 1 】1R E ，相变短并球化而使合金强化，提 高抗拉强度，减弱粗大的A 1 】】R E 。相割裂基体的危 害。然而合金中的p 相 M g l 7 A 1 1 2 溶解及长时间的 固溶处理又会导致强化相和基体晶粒长大，晶界对 塑性变形的阻碍作用减小，必然使屈服强度下降，在 固溶2 0 h 左右达到最低 图2 b 。 铸态Z M 5 含0 ．7 8 ％R E 合金断口具有沿晶断 裂和理解断裂的混合特征，见图6 a ，这是因为| 3 相 是主要强化相，多位于晶界上，具有体心立方b c c 结 构[ 2 ] 的t 3 相与具有h c p 结构【4 ] 的镁基体不共格，导 致d ／B 相界面的易脆性，裂纹易从界面形成并扩展。 在经过4 1 0 ℃下固溶处理2 5 h 后，断口呈现丰富的 河流花样，并带有大量的圆形韧窝，具有准理解和局 部韧性断裂的特征，见图6 b 。表明固溶处理和稀 土的加入改变了Z M 5 合金的断裂形态，有利于 Z M 5 合金塑性的改善。 万方数据 第l 期尹卓湘等稀土元素对Z M 5 镁合金性能的影响 3 l 3结论 a 一未固溶； b 一4 1 0 ℃固溶2 5 h 图6Z M 5 十0 ．7 8 ％R E 合金拉伸断E l 的电镜扫描照片 F i g ．6 F r a c t u r es u r f a c e s S E Mp h o t o o fZ M 5 0 ．7 8 ％R E 未加稀士的Z M 5 合金铸态组织由M g 基体a 固溶体、在晶界沉淀析出的8 相及含M n 的中间相 A 1 6 M n ，A 1 4 M n 组成。p 相中除M g l 7 A 1 1 2 之外还有 A 1 5 M g l l Z n 4 ，A 1 M 9 2 Z n ，A 1 2 M 9 3 Z n 3 等三元金属问化 合物，呈不规则岛状。而中间相则呈有规则的几何 形状 如四方形，少量圆形、短棒形等 外形。加入富 铈混合稀土 最佳混合稀土加入量为0 ．7 5 ％ 后的 Z M 5 合金铸态组织除基体口一M g 相和在晶界附近呈 薄且平行的板条状p M g 】7 A 1 1 2 相外，还有一些强化 相颗粒M 9 1 7R F a ，A 1 4 L a ，A 1 1 1C e 3 ，A 1 2 M g ，A 1 2 C e ， 参考文献 Z n s L a ，M g C e ，A 1 1 1M n 4 及三元化合物A 1 6 L a M n 6 ， A I s M 9 1 l Z n 4 ，而不存在三元M g A 1 一R E 相。少量混 合稀土的加入对提高合金的力学性能和塑性改善都 是有利的。 固溶处理对加与不加稀土的Z M 5 合金改善力 学性能都是有利的，只不过在热处理过程中其组织 改变对性能的影响不同。对未加稀土的Z M 5 合金 热处理使偏析产生的晶界沉积相 』9 相 和含M n 的 中间相 A 1 。M n ，A 1 。M n 溶解而改善合金的塑性。固 溶处理加入富铈混合稀土的Z M 5 合金不仅使p 相 溶解，还使粗大棒状的A 1 】1 R E 3 相熔断而细化、球 化，从而使合金的强化和塑性显著提高。 [ 1 ] 陈震华，严红革，陈吉华，等．镁合金[ M ] ．北京化学工业出版社，2 0 0 4 1 2 0 ． [ 2 ] 张津，章综和．镁合金及应用[ M ] ．北京化学工业出版社，2 0 0 4 3 9 8 1 ． [ 3 ] P e t t e r s e nG ，W s e t e n g e nH ，H i e rR ，e ta 1 ．M i c r o s t r u c t u r eo fp r e s s u r ed i ec a s tm a g n e s i u m 一4 w t ％a l u m i n u ma l l o ym o d i f i e dw i t h r a r ee a r t ha d d i t i o n s [ J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n gA ，1 9 9 6 ，2 0 7 1 1 1 5 1 1 9 ． [ 4 ] 彭立明，曾小勤，朱燕萍，等．固溶处理对A M 6 0 B x R E 及A Z 9 1 D x R E 镁合金性能的影响[ J ] ．材料研究学报，2 0 0 3 ， 1 7 1 9 7 1 0 5 ． [ 5 ] W e iLY ，D u n l o pGL ，W s e t e n g e nH ，e ta 1 ．D e v e l o p m e n to fm i c r o s t r c t u r ei ne a s tM g - A 1 一R a r ee a r t ha l l o y s [ J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，1 9 9 6 ，1 2 9 7 4 1 ～7 4 8 ． E f f e c t so fR E - e l e m e n t so nM i c r o s t r u c t u r ea n dM e c h a n i c a lP r o p e r t i e so fZ M 5M gA l l o y Y I NZ h u o - x i a n g ，W E IG u a n g - z h i ，C H E NX i a o - h u I n s t i t u t eo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dM e t a l l u r g yE n g i n e e r i n g ，G u i z h o uU n i v e r s i t y ，G u i y a n g5 5 0 0 0 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h em i c r o s t r u c t u r ea n dt h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e so fZ M 5m a g n e s i u ma l l o y sw i t hR E C ea d d i t i o ni na s c a s ta n ds o l i d s o l u t i o nt r e a t m e n ts t a t ea r ei n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt i l es t r e n g t ho ft h eZ M 5m a g n e s i u ma l l o yi Sr e m a r k a b l ye n h a n c e db yR E C ea d d i t i o n ，t h eo p t i m a ld o s a g eo fR E C ei S1 ．5 ％a n d0 ．7 5 ％f o rt h e a s c a s tZ M 5a n ds o l i d s o l u t i o nt r e a t e dZ M 5 ．r e s p e c t i v e l y ．T h ep l a s t i c i t yo ft h eZ M 5w i t hn oR Ec o n t e n ti Si m p r o v e db ys o l i d s o l u t i o nt r e a t m e n ts i n c et h e 卢一M g l 7 A I l 2p h a s ea n dA 1 6 M n ，A 1 4 M np e l l e t si nt h em i c r o s t r u c t u r eo f a l l o ya r es o l v e d ．I ns o l i d s o l u t i o nt r e a t m e n to ft h eZ M 5m a g n e s i u ma l l o y sw i t hR E C ea d d i t i o n ，n o to n l y8 一p h a s e i ss o l v e db u tl a r g eA 1 1 】R E 3 - p h s ei ns t i c kf o r mi sa l s ob r o k e na n db e c o m e ss m a l l e ra n ds p h e r e ，S Ot h es t r e n g t ha n d p l a s t i c i t yo ft h ea l l o y sa r ee v i d e n t l ye n h a n c e d ． K e y w o r d s n l e t a lm a t e r i a l ；m a g n e s i u ma l l o y ；R E C e ；s o l i d s o l u t i o n ；s t r e n g t h ；p l a s t i c i t y 万方数据