隋 美, 劉喜明

(長春工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,吉林長春 130012)

0 引 言

鎂合金是目前最輕的結(jié)構(gòu)金屬材料,具有比重小、比強(qiáng)度和比剛度高、阻尼性能好、切削加工性好、導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)。但是鎂合金的強(qiáng)度不高,特別是高溫性能較差,所以提高鎂合金的室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度是鎂合金研究中要解決的首要問題[1-4]。為此,研究了能使鎂合金性能有所提高的新型鎂合金,尤其近年來較廣泛深入研究的稀土鎂合金,以少量多元為基本合金化原則,新合金的基本屬性在諸多方面不被人們認(rèn)知,目前可能提供的基本信息也很不全面[5]。在眾多稀土元素中,Y和Ce備受人們關(guān)注。稀土元素 Y在Mg中的固溶極限可達(dá)12.4%,隨著溫度下降,溶解度降低,析出高熔點(diǎn)的析出相,抑制擴(kuò)散,對基體起到析出強(qiáng)化的作用,提高高溫性能。此外,Ce單獨(dú)加入到鎂合金中可以提高力學(xué)性能,同時(shí)Ce在鎂合金中溶解度很小,凝固時(shí)Ce原子被排擠到固液界面,可以阻止已有晶體生長、形成較大的成分過冷,以促進(jìn)形核,并使晶體分枝形成細(xì)的縮頸,易于熔斷脫落,從而細(xì)化鎂合金晶粒[6]。因此,文中以Mg-Mn二元合金作為基合金,采用微合金化(加入Y,Ce,Gd,Er等)熔煉設(shè)計(jì)了幾種合金,對加入不同含量的Y,Ce的Mg-Mn-RE系合金進(jìn)行比較,對比分析了幾種合金的鑄態(tài)顯微組織、微區(qū)成分、物相構(gòu)成及力學(xué)性能,為Mg-Mn-RE系列合金的工程應(yīng)用和高性能新合金的研制提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)用原料為Mg(99.5wt%),Mg-10wt%Mn,Mg-20wt%Y,Mg-20wt%Ce中間合金,其中Gd,Dy,Ho和Er等稀土元素包含在中間合金中。首先將鎂加熱到720℃,保溫30 min;當(dāng)鎂全部熔化后,加入Mg-Mn中間合金,然后繼續(xù)升溫至780℃,保溫30 min,最后在鑄型為80 mm的鋼模中以720℃的澆鑄溫度進(jìn)行澆鑄;用同樣的方法,在加入4種不同含量的Mg-Mn中間合金后,緩慢加入4種不同含量的Mg-Y和Mg-Ce中間合金,保溫 30 min后,攪拌5 min,以保證 Y和Ce的充分均勻分布,然后靜置處理,最后同樣在鑄型為80 mm的鋼模中以720℃的澆鑄溫度進(jìn)行澆鑄。為防止鎂合金的氧化與燃燒,在整個(gè)熔煉和澆注過程中用CO2-0.05%SF6混合氣體進(jìn)行保護(hù)。

對5種實(shí)驗(yàn)合金進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表1。

表1 Mg-Mn-RE合金的化學(xué)成分 wt%

分別在5個(gè)鑄錠中間部位取樣,然后用Ni-KON EPIPHOT 300型金相顯微鏡對顯微組織進(jìn)行分析。用D/Max 2000/PC型X射線衍射儀(X-ray Diffraction,XRD)分析相組成,實(shí)驗(yàn)條件為Cu靶Kα,Ni濾波片,掃描速度1°/min,掃描范圍 20°～80°。

用FM-700型顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度測試,測試條件為:載荷為25 g,加載時(shí)間為15 s,每個(gè)數(shù)據(jù)為同一個(gè)試樣同一表面的不同3點(diǎn)的平均值。用有效尺寸為15 mm×4 mm×2 mm拉伸樣品在CM T5205型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)(拉伸實(shí)驗(yàn)體系)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 合金的鑄態(tài)組織

Mg-Mn-RE系合金鑄態(tài)顯微組織如圖1所示。

圖1 加入不同Y和Ce含量的Mg-Mn-RE合金的顯微組織

可以看出,1#Mg-Mn合金的晶粒粗大,顆粒較少。對比2#,3#和5#合金,其Ce含量相同,顯微組織的改變是由Y含量的不同決定的,隨著Y含量的增加,組織變得不均勻,析出的合金化顆粒增多,達(dá)到了第二相強(qiáng)化的效果(見圖1(b),(c),(e));對比3#和4#合金,其 Y 含量相同,顯微組織的改變是由Ce含量的不同決定的,隨著Ce含量的增加,可以在某些晶粒內(nèi)部應(yīng)力高度集中的地方觀察到帶狀細(xì)小的孿晶(見圖1(d))。

2.2 合金的化學(xué)成分

為了確定加入稀土前后Mg-Mn-RE系合金微區(qū)成分的變化,對1#Mg-Mn合金和2#Mg-Mn-RE合金進(jìn)行能譜分析。Mg-Mn-RE系合金的能譜分析如圖2所示。

結(jié)果表明,在兩種合金中,基體都是Mg元素,在1#Mg-Mn合金晶粒內(nèi)部主要是由Mg單質(zhì)和Mn單質(zhì)組成;在2#Mg-Mn-RE合金晶粒內(nèi)部的合金相顆粒主要是由Mg-Y和Mg-Ce組成。

2.3 合金的物相檢測結(jié)果

Mg-Mn-RE合金XRD圖譜如圖3所示。

為了確定含有稀土元素合金中新生成化合物的成分,對比了1#Mg-Mn和4#Mg-Mn-RE合金的XRD譜,結(jié)果見圖3(a);為了確定含有不同量稀土的Mg-Mn-RE合金新生化合物是否有相同,對比了2#,3#,4#和5#Mg-Mn-RE合金的XRD譜,結(jié)果見圖3(b)。

結(jié)果表明,1#Mg-Mn合金是由2-Mg相構(gòu)成;2#,3#,4#和5#Mg-Mn-RE合金是由2-Mg相、Mg12Ce相和Mg24Y5相構(gòu)成。

圖2 Mg-Mn-RE合金EDS分析

圖3 Mg-Mn-RE合金XRD圖譜

2.4 合金的力學(xué)性能測試結(jié)果

對Mg-Mn-RE系合金進(jìn)行顯微硬度測定,結(jié)果見表2。

表2 Mg-Mn-RE合金的顯微硬度

由于4#合金的Y和Ce的含量均為2#合金的2倍,為了對比Y和Ce對合金的共同作用的結(jié)果,對兩種合金進(jìn)行室溫拉伸性能測定,拉伸速度為0.5 mm·min-1,結(jié)果見表3。

表3 Mg-Mn-RE合金的拉伸性能

3 分析與討論

3.1 Y,Ce對合金顯微組織的影響

Y和Mg均為密排六方晶格,晶格常數(shù)很接近,原子半徑也相差不大[7]。通過金屬結(jié)晶原理中晶粒形核核心的原則,可以得出:Y成為α-Mg的異質(zhì)結(jié)晶核心,進(jìn)而阻礙晶粒的長大,起到對鎂合金細(xì)晶強(qiáng)化的作用。Ce在鎂合金中溶解度很小,凝固時(shí)Ce原子被排擠到固液界面,可以阻止已有晶體生長,形成較大的成分過冷以促進(jìn)形核,并使晶體分枝形成細(xì)的縮頸,易于熔斷脫落,從而細(xì)化鎂合金晶粒。合金中形成化合物Mg12Ce,Mg24Y5,在結(jié)晶過程中會首先析出,阻止鎂合金晶粒的長大和晶界的滑移,細(xì)化了晶粒。Y和Ce同時(shí)添加時(shí),它們的細(xì)化作用疊加,從而促進(jìn)了鑄態(tài)合金組織的細(xì)化。

利用X射線衍射儀分析試樣的相組成,結(jié)果表明,由Mg-Mn二元合金相圖[8]可知,在Mn含量低于2.0%時(shí),Mg與Mn不發(fā)生任何反應(yīng),只是以一種含Mn量高的方式從基體組織中析出,而實(shí)驗(yàn)所用的Mg-Mn-RE系合金中,Mn含量均低于2.0%,所以Mg與 Mn不能形成化合物,加入的Mn原子是以純Mn的形式從基體α-Mg中析出(在能譜中體現(xiàn)了Mn的存在)。但由于Mn元素含量少,在XRD中無法檢測到它們以何種形式存在。因此,1#Mg-Mn合金主要是由基體組織α-Mg組成。與1#Mg-Mn合金XRD譜相同,Mg-Mn-RE合金的XRD譜存在著α-Mg基體的峰,但是同時(shí)出現(xiàn)了Mg-Mn合金XRD譜中不存在的Mg12Ce和 Mg24Y5相的峰。對比 4種Mg-Mn-RE合金,可以發(fā)現(xiàn)加入Y,Ce量的不同,只改變了衍射線的強(qiáng)度,并沒有改變新生成化合物的成分。由此可以推斷,合金組織中出現(xiàn)的化合物應(yīng)為Mg12Ce和Mg24Y5。由于Gd,Dy,Ho和Er等稀土元素含量比Mn的含量還小,更加無法檢測到。

3.2 Y,Ce對合金力學(xué)性能的影響

從表2可以看出,在5種合金中,4#和5#合金的硬度最高,均超過60,1#Mg-Mn合金的硬度最低,這是由于在5種合金中5#合金Y含量最多,4#合金中Ce含量最多,1#合金中未加入稀土元素?？梢娂尤隮和Ce的合金硬度顯著增強(qiáng)。由于2#,3#和5#合金的Ce含量相同,其硬度的變化取決于Y的含量,Y對Mg-Mn-RE合金硬度的影響如圖4所示。

圖4 Y對Mg-M n-RE合金硬度的影響

從圖4中可以直觀地看出,Mg-Mn-RE合金硬度隨Y的變化,可見合金的硬度與Y的含量成正比;同樣,由于3#和 4#合金的 Y 含量相同,其硬度的變化取決于Ce的含量,合金的硬度與Ce的含量成正比。

對比2#和4#合金,從表3可以看出,4#合金的抗拉強(qiáng)度 σb為151 MPa,比 2#合金的99 MPa提高了52.52%:2#合金的延伸率δ為4.7%,4#合金的延伸率δ為7%。可見,當(dāng)Y和Ce的含量增大為原來的2倍時(shí),抗拉強(qiáng)度σb和延伸率δ均有明顯地提高,但合金屈服強(qiáng)度σ0.2沒有太大變化。

兩種合金拉伸斷口如圖5所示。

圖5 Mg-Mn-RE合金的SEM斷口

可以看出,兩種合金拉伸后斷口無明顯頸縮現(xiàn)象,斷口上可觀察到解理臺階與撕裂棱,具有典型的脆性解理斷裂的特征。當(dāng)Y和Ce的含量增大為原來的2倍時(shí),沒有改變其斷裂類型。

4 結(jié) 語

1)加入一定量Y和Ce后的Mg-Mn-RE系合金形成新的化合物,在結(jié)晶過程中會首先析出,阻止鎂合金晶粒的長大和晶界的滑移,從而細(xì)化合金顯微組織;加入不同量的 Y,Ce后的Mg-Mn-RE系合金的物相構(gòu)成沒有變化,形成的化合物均為Mg12Ce和Mg24Y5。

2)Y和Ce的加入顯著提高了合金力學(xué)性能,使合金的硬度、抗拉強(qiáng)度和延伸率都隨Y和Ce含量的增加而增強(qiáng),但屈服強(qiáng)度沒有太大變化,也沒有改變合金的斷裂形式。

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