稀有金属 2004,(04),683-686 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.04.018
铈对铸造镁合金AZ91D显微组织与力学性能的影响
郭学锋 张忠明 徐春杰
摘 要:
利用光学金相显微镜OM和XRD分析了分别加入 0 .1%, 0 .3 %, 0 .5 %, 0 .7%和 1.0 %Ce的AZ91D合金显微组织和相组成 , 测试了室温力学性能和硬度。结果表明 , 加入一定量Ce后的AZ91D合金形成杆状化合物Al4 Ce , 被推移到生长界面 , 阻碍枝晶的自由生长 , 从而细化合金显微组织 ;Ce能提高AZ91D合金室温抗拉强度和硬度 , 而对其屈服强度和延伸率影响不大 ;加入 0 .7%Ce的AZ91D合金晶粒细化效果好 , 其综合力学性能比较理想
关键词:
金属材料 ;铸造镁合金 ;铈变质 ;显微组织 ;力学性能 ;
中图分类号: TG113
收稿日期: 2003-07-22
基金: 国家自然科学基金资助项目 ( 5 0 2 710 5 4);
Effects of Cerium on Microstructure and Mechanical Properties of As-Cast Magnesium Alloy AZ91D
Abstract:
Microstructures and phase compositions of AZ91D alloys after adding various Ce contents of 0 1%, 0.3%, 0.5%, 0.7% and 1.0% respectively were observed by using optical microscope and XRD, meanwhile their mechanical properties at ambient temperature and hardness were tested. 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 microstructures of alloys. Ce can improve tensile strength and hardness of 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 ideal whole mechanical properties.
Keyword:
metal materials; as cast magnesium alloy; cerium modification; microstructure; mechanical property;
Received: 2003-07-22
镁合金具有比重小、 比强度和比刚度高、 阻尼性能好、 切削加工性好、 导热性好、 尺寸稳定、 成本低、 无污染、 易回收等一系列优点, 在汽车工业、 通讯电子工业和航空航天工业等领域得到日益广泛的应用, 预计镁合金将成为21世纪重要的轻质高强度材料之一
[1 ,2 ,3 ]
。 但由于镁合金具有较差的高温性能, 其应用受到很大程度的限制
[4 ]
。 要扩大镁合金的使用范围, 必须提高其高温性能。 合金化是提高合金高温性能常采用的方法之一, 而合金化元素中RE能有效地提高铸造性、 高温性能和耐蚀性
[5 ,6 ,7 ]
。 AZ91D合金是目前工业上应用最广泛的Mg-Al合金, 有人研究过RE加入Mg-Al合金后金属间化合物的析出、 形貌、 组织、 热稳定性和强化机制
[8 ,9 ,10 ,11 ,12 ]
, 但没有系统地研究RE对Mg-Al合金铸态显微组织与力学性能的影响。 为此, 本文将系统地研究加入不同Ce含量后AZ91D合金的铸态显微组织和相组成, 测试室温力学性能和硬度, 从而为提高镁合金的高温性能和扩大镁合金的使用范围提供一定的参考。
1 实验方法
原材料选用工业用AZ91D合金, 其名义化学成分如表1所示。 Ce以富Ce混合稀土 (50%Ce) 形式加入。 AZ91D合金在SG2-5-10型坩埚电阻炉中熔炼。 在熔体温度达到760 ℃时分别加入0.1%, 0.3%, 0.5%, 0.7%和1.0%Ce的富Ce混合稀土, 搅拌8~10 min, 以保证混合稀土充分溶解。 保温5~10 min后出炉并除渣, 待温度冷却至700 ℃时浇入预热温度为400 ℃的金属模具中形成分析用试棒。 为防止镁合金的氧化与燃烧, 在整个熔炼和浇注过程中用CO2 +0.3% (体积分数) SF6 混合气体进行保护。
在试棒相同部位截取试样, 经打磨、 抛光, 用4%的硝酸酒精溶液腐蚀后, 制备成金相试样, 然后用Nikon Epiphot光学显微镜分析显微组织。 用Rigaku D/max-3C型X射线衍射仪分析相组成, 辐射源为Cu Kα, 步进扫描, 步长为0.02°, 扫描范围为10°~80°。 用HB-3000型布氏硬度计进行硬度测试, 在WE-10型万能材料试验机上进行拉伸试验, 拉伸速度为2 mm·min-1 。
2 实验结果
2.1 合金的铸态组织
图1为AZ91D合金加入不同Ce含量后的铸态组织。 AZ91D合金铸态显微组织为α-Mg基体和在晶界上呈不连续网状分布的β-Mg17 Al12 相组成 (图1 (a) ) 。 加入0.1% Ce后, 合金显微组织有所细化, 不连续网状分布的β相开始断网, 呈小块状弥散分布于晶界上 (图1 (b) ) 。 加入0.3% Ce后, 网状β相断网程度进一步加剧 (图1 (c) ) 。 加入0.5% Ce后, β相几乎全部断网成小块状, 同时晶粒得到很大程度的细化, 且有无方向性的杆状化合物出现, 如图1 (d) 中箭头所示。 加入0.7% Ce后, 组织中的杆状化合物数量进一步增多和尺寸进一步长大, 如图1 (e) 中箭头所示。 加入1.0% Ce 后, 杆状化合物数量几乎不变, 但大小比AZ91D-0.7% Ce合金组织中的杆状化合物有所粗化, 如图1 (f) 中箭头所示。
表1 工业用AZ91D合金名义化学成分
Table 1 Nominal chemical compositions of AZ91D alloy
Al
Zn
Mn
Si
Fe
Cu
Ni
Be
Bal.
8.95
0.632
0.261
0.022
0.0003
0.0018
0.0005
0.0003
Mg
图1 加入不同Ce含量的AZ91D合金显微组织 (a) 0% Ce; (b) 0.1% Ce; (c) 0.3% Ce; (d) 0.5% Ce; (e) 0.7% Ce; (f) 1.0% Ce
Fig.1 Microstructure of AZ91D with different Ce content
图2为AZ91D和AZ91D-0.7% Ce合金的XRD谱。 由图可知, AZ91D合金的铸态显微组织是由α-Mg基体和β-Mg17 Al12 相组成。 AZ91D-0.7% Ce合金的XRD谱上除了有α-Mg基体和β-Mg17 Al12 相的峰, 还出现了Al4 Ce相的峰。 由此可以推断, 加入一定量Ce后, 组织中的杆状化合物为Al4 Ce相。
2.2 合金的力学性能
在室温和其他实验条件相同情况下, 分析了不同Ce含量对AZ91D-x Ce合金力学性能的影响, 测试结果如图3所示。 结果表明, 随着Ce含量的增加, AZ91D合金的抗拉强度σ b 有显著的提高, 加入0.7% Ce的AZ91D合金抗拉强度σ b 达到最大值, 为201 MPa, 比AZ91D合金的152.9 MPa提高了31%。 进一步增加Ce含量, AZ91D-x Ce合金抗拉强度σ b 开始降低, 如加入1.0% Ce的AZ91D合金σ b 仅为196.3 MPa。 但随着加入Ce含量的增加, AZ91D合金屈服强度σ 0.2 提高不显著; 延伸率δ 没有明显的变化, 保持在1.8%左右。
图4为AZ91D合金的硬度与Ce含量的关系曲线。 由图可知, 随着加入Ce含量的增加, AZ91D-x Ce合金的硬度总体上是增加的。 当加入Ce含量小于0.7%时, 合金硬度增加相对较快, 如AZ91D合金硬度为69.7, 加入0.7% Ce后其硬度为71.5, 增加了3%; 当加入Ce含量大于0.7%时, 合金硬度变化很缓慢, 如加入1.0% Ce的AZ91D合金硬度仅为71.7, 几乎不增加。 综上所述, 加入0.7% Ce的AZ91D合金综合力学性能比较理想。
图2 AZ91D和AZ91D-0.7% Ce合金的XRD谱 (a) AZ91D; (b) AZ91D-0.7%Ce
Fig.2 XRD of AZ91D and AZ91D-0.7% Ce
图3 AZ91D合金力学性能与Ce含量的关系
Fig.3 Relation between mechanical properties of AZ91D and Ce content
图4 AZ91D合金硬度与Ce含量的关系
Fig.4 Relation between hardness of AZ91D and Ce content
3 分析与讨论
3.1 Ce对AZ91D合金铸态组织的影响
稀土具有活泼的化学性质, 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。 元素间形成化合物的难易程度, 可从其电负性差值来判断
[7 ]
。 电负性差值越大, 元素间的结合力越大, 越容易形成金属化合物。 Ce与Mg和Al间的电负性及电负性差值如表2所示。 由表可知, Ce与Al的电负性差值要大于Ce与Mg的电负性差值, 因此AZ91D合金加入一定含量的Ce后将生成Al-Ce化合物, 而不会生成Mg-Ce化合物或Mg-Al-Ce三元化合物。 结合文献
[
7 ]
的研究结果, 本文推断加入一定量Ce后, 组织中的杆状化合物为Al4 Ce。 也有研究结果表明
[4 ,5 ,6 ]
, 加入Ce的AZ91D合金中出现的杆状化合物为Al11 Ce3 。 但该两者化学分子式十分接近。
一方面, 杆状化合物Al4 Ce的生成将消耗合金中部分Al原子; 另一方面, Ce是表面活性元素, 在β相生长过程中可以吸附在生长尖端, 抑制β相的长大, 从而减少β相的数量, 增大其分散程度, 减小其尺寸。 综合加入Ce后的两方面影响结果, 原先呈不连续网状分布的β相开始断网, 并呈小块状弥散分布于晶界。 当Ce含量达到一定量后, 组织中几乎观察不到网状β相。
Ce在AZ91D合金中的溶解度小, 过量的Ce不会形成含Ce的Mg固溶体, 只能优先形成Al4 Ce相, 并促进其粗化。 在合金的凝固过程中, 析出的Al4 Ce相被推移到生长界面, 从而阻碍了枝晶的自由生长, 细化合金铸态组织。 晶界上高熔点 (1235 ℃) 的Al4 Ce相的出现对合金高温性能的改善源自两方面: 一是减少低熔点 (437 ℃) β相的含量; 二是高熔点Al4 Ce相能有效阻碍温度升高时晶界的滑动和裂纹的扩展。
表2 Ce与Mg, Al的电负性差值
Table 2 Electronegativity differences between element Ce and Mg or Al
元素
电负性
与Mg的电负性差值
与Al的电负性差值
Ce
1.1
0.1
0.4
Mg
1.2
0
0.3
Al
1.5
0.3
0
3.2 Ce对AZ91D合金力学性能的影响
加入Ce后, α-Mg枝晶的二次枝晶间距变小, 铸态组织细化, 导致AZ91D合金的抗拉强度有很大程度的提高。 但加入过量的Ce, 晶粒进一步细化程度不明显, 反而会出现过多的杆状化合物, 降低合金的抗拉强度。 室温下Ce在Mg中的溶解度约为0.10%
[11 ]
。 Ce除了与Al结合生成杆状化合物, 少部分固溶于α-Mg基体, 造成一定的晶格畸变, 使基体显维硬度略有提高。 但加入过量的Ce只会导致Al4 Ce相的粗化, 进一步降低Al在α-Mg基体中的固溶度, 起不到固溶强化作用, 从而AZ91D合金硬度变化不大。 Al4 Ce相的形成对阻止室温晶界的滑动和裂纹的产生与扩展影响不大, 同时AZ91D合金的断裂属于脆性断裂, 延伸率δ 较低, 因此Ce对AZ91D合金屈服强度和延伸率影响不大。
4 结 论
1. Ce能细化AZ91D合金的铸态显微组织, 随着加入Ce含量的增加, 呈不连续网状分布的β相开始断网成小块状, 弥散分布于晶界, 同时出现了杆状化合物Al4 Ce。
2. Ce能提高AZ91D合金室温抗拉强度和硬度, 而对其屈服强度和延伸率影响不大。
3. 加入0.7% Ce的AZ91D合金晶粒细化效果好, 其综合力学性能比较理想。
参考文献
[1] PolmearIJ. Magnesiumalloysandapplications[J].MaterialsSci enceandTechnology, 1994, 10 (1) :1.
[2] LuoA , PekguleryuzMO . Reviewcastmagnesiumalloysforelevat edtemperatureapplications[J].JournalofMaterialsScience, 1994, 29:5259.
[3] AghionE , BronfinB . Magnesiumalloysdevelopmenttowardsthe21stcentury[J].MaterialsScienceForum, 2000, 350-351:19.
[4] PettersenG , WestergenH , HoierR , etal. Microstructureofapressurediecastmagnesium4wt.%aluminiumalloymodifiedwithrearearthadditions[J].MaterialsScienceandEngineeringA , 1996, 207:115.
[5] LuYZ , WangQD , ZengXQ , etal. Effectsofrareearthsonthemicrostructure, propertiesandfracturebehaviorofMg-Alalloys[J].MaterialsScienceandEngineeringA , 2000, 278:66.
[6] WangQD , LuYZ , ZengXQ , etal. EffectsofREonmi crostructureandpropertiesofAZ91magnesiumalloy[J].Trans.NonferrousMet.Soc.China, 2000, 10 (2) :235.
[7] 张诗昌, 魏伯康, 林汉同, 等. 钇及铈镧混合稀土对AZ91镁合金铸态组织的影响[J].中国有色金属学报, 2001, 11 (S2) :99.
[8] LiY , JonesH . Effectofrareearthandsiliconadditionsonstruc tureandpropertiesofmeltspunMg9Al1Znalloy[J].MaterialsScienceandTechnology, 1996, 12:651.
[9] WeiLY , DunlopGL . ThesolidificationbehaviourofMgAl rareearthalloys[J].JournalofAlloysandCompounds, 1996, 232:264.
[10] 王立世, 段汉桥, 魏伯康, 等. 混合稀土对AZ91镁合金组织和性能的影响[J].特种铸造及有色合金, 2002, (3) :12.
[11] 周海涛, 马春江, 尉胤红, 等. 稀土元素铈对AZ61镁合金铸态显微组织及结构的影响[J].高技术通讯, 2003, (1) :53.
[12] 杨 忠, 李高宏, 李建平, 等. 锑和稀土对Mg9%Al0.4%Zn合金铸态组织与力学性能的影响[J].铸造, 2002, 51 (11) :690.