中国有色金属学报 2003,(03),616-621 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2003.03.016
RE对Mg-8Zn-4Al-0.3Mn合金组织的影响
王迎新 关绍康 王建强
郑州大学材料工程学院,郑州大学材料工程学院,郑州大学材料工程学院 郑州450002 ,郑州450002 ,郑州450002
摘 要：
研究了RE对Mg 8Zn 4Al 0 .3Mn铸造镁合金显微组织的影响。结果表明 :Mg 8Zn 4Al 0 .3Mn xRE铸造镁合金的显微组织主要由α(Mg)基体、φ(Al2 Mg5Zn2 )相、τ(Mg3 2 (Al,Zn) 49)相和Mg3 Al4 Zn2 RE相组成。随RE加入量的增加 ,合金晶界上三元相的形态由半连续网状改变为颗粒状 ,三元相的分布逐渐变得弥散而均匀。晶界上针状或棒状Mg3 Al4 Zn2 RE相的量也随着RE加入量的增加而增加。加入 1.5 %的RE可显著细化合金的铸态组织 ,晶粒大小由 12 0～ 130 μm减小到 40～ 5 0 μm。合金的显微硬度值随着RE加入量的增加而增加。
关键词：
Mg-8Zn-4Al-0.3Mn镁合金 ;RE ;显微组织 ;
中图分类号： TG146.22
作者简介： 王迎新(1977),男,硕士研究生.电话:03713887508;Email:wyx119@163.com;
收稿日期： 2002-08-07
Effects of RE on microstructures of Mg-8Zn-4Al-0.3Mn magnesium alloys
Abstract：
The effects of RE on microstructure of Mg-8Zn-4Al-0.3Mn casting magnesium alloys were studied. The results show that casting microstructures of Mg-8Zn-4Al-0.3Mn magnesium alloys mainly contain α(Mg) matrix, eutectic α(Mg), φ(Al 2Mg 5Zn 2)phase and τ(Mg 32(Al, Zn) 49) phase. The morphology of ternary phases on the grain boundaries changes from quasi-continuous net to particle and the distribution of ternary phases gradually changes to be dispersive and homogeneous and the quantities of needle-shaped or rod-shaped Mg 3Al 4Zn 2RE phase on the grain boundaries increase with the increases of RE addition. As-cast microstructures of Mg-8Zn-4Al-0.3Mn magnesium alloys can be refined by addition of 1.5% RE obviously. The size of grains decreases from 120～130 μm to 40～50 μm. The microhardness values of Mg-8Zn-4Al-0.3Mn magnesium alloys increase with the increases of RE addition.
Keyword：
Mg-8Zn-4Al-0.3Mn magnesium alloys; RE; microstructure;
Received： 2002-08-07
镁合金密度一般小于2 g/cm3 , 是目前最轻的金属结构材料, 机械加工能量仅为铝合金的70%
[1 ]
, 减振性能、 磁屏蔽性能远优于铝合金, 被人们誉为“21世纪最具发展潜力和前途的绿色工程材料”。 AZ91合金具有较高的室温强度, 优良的铸造工艺性能以及低成本等优点, 成为目前应用最广的铸造镁合金, 但这种合金的高温力学性能差, 长期使用温度不能超过120 ℃。 国内的研究主要是通过向AZ91合金中加入微量元素, 如钙、 硅、 锑、 锡、 铋、 稀土
[2 ,3 ,4 ,5 ,6 ,7 ]
等来提高其抗高温性能。 IMRA(美国)开发出的ZAC8506
[8 ,9 ]
是具有低成本、 良好的高温强度和蠕变抗力的新型合金。 但是Mg-Zn二元系合金的结晶温度间隔较大(特别是不平衡状态下), 其最大不平衡结晶温度间隔达290 ℃。 对如此大结晶温度间隔的合金, 通过变质既可以改变铸造性能, 同时还可以提高其力学性能。 稀土元素能净化合金液、 改善合金的铸造性能、 细化和变质组织、 提高力学性能、 提高合金的抗氧化和蠕变性能。 本文作者在Mg-8Zn-4Al-0.3Mn合金的基础上, 研究了微量的稀土对合金显微组织的影响。
1 实验
4种合金成分见表1。 配料时考虑了合金元素的实收率, 因此所得合金的实际成分与设计成分基本相符。
1.1 材料制备
以工业纯镁、 铝、 锌、 Al-10%Mn中间合金和混合稀土(成分见表2)作为原材料。 在井式坩埚炉中用JDRJ覆盖保护熔炼。 合金于730 ℃熔化后, 升温至780 ℃加入混合稀土, 精炼, 在760 ℃静置20 min, 浇铸到金属型模具中, 试样尺寸为d 25 mm×100 mm。
表1 合金的化学成分 Table 1 Chemical compositions of alloys(mass fraction, %)
Alloy No.
Zn
Al
Mn
RE
Mg
1#
8.0
4.0
0.3
0
Bal.
2#
8.0
4.0
0.3
0.5
Bal.
3#
8.0
4.0
0.3
1.0
Bal.
4#
8.0
4.0
0.3
1.5
Bal.
表2 混合稀土的化学成分 Table 2 Chemical composition of mischmetal(mass fraction, %)
Ce
La
Nd
Pr
Fe
Mg
Mn
Si
Ca
P
50.20
26.67
15.28
5.37
0.65
0.38
0.11
0.01
0.01
0.003
1.2 试验方法
试样腐蚀采用acetic-picral
[10 ]
腐蚀剂, 显微结构观察采用Olympus型光学显微镜和JSM-5801LV型扫描电镜(SEM), 微区成分分析采用Oxford型能量色散谱仪(EDS)。 合金相组成分析在Philips PW 1700型 X射线衍射仪(XRD)上进行。 显微硬度在HV-1000型显微硬度仪上测试, 载荷为1 N, 加载持续时间为20s, 取3个试样的平均值。 铸态试棒按GB6397—86加工成d 10 mm的常温拉伸试棒, 按GB4338—84加工成d 5 mm的高温(150 ℃)拉伸试棒, 在Instron拉伸机上进行力学性能测试。
2 结果与讨论
2.1 合金的组织特征
由图1可知, 合金的组成相为α (Mg)相、 φ (Al2 Mg5 Zn2 )相、 τ (Mg32 (Al, Zn)49 )相, 只是合金中各相的含量发生了变化。 从图2可以看出(结合X射线衍射分析), 无变质合金的组织为: 基体α (Mg)固溶体, 白色的三元相φ (Al2 Mg5 Zn2 )和τ (Mg32 (Al, Zn)49 ), 黑灰色的因不平衡凝固而形成的共晶α (Mg)相。 表3所列为图2中A, B, C, D区域的EDAX测定结果。 由图3可知: 在Mg-8Zn-4Al-0.3Mn中加入1.5%稀土, 其产生的针状或棒状相并不象在AZ91D中加入稀土而产生的针状或棒状Al11 RE3 相
[7 ]
, 而是稀土溶于三元相中形成的
图1 铸态合金的XRD谱 Fig.1 XRD patterns of as-cast alloys (a)—Alloy 1#; (b)—Alloy 4#
图2 1#合金的SEM形貌 Fig.2 SEM micrograph of alloy 1#
四元相Mg3 Al4 Zn2 RE(摩尔分数之比), 如图3(a)中A所示。 而图3(a)中B所示的为φ (Al2 Mg5 Zn2 )相, 其中的稀土含量较少, 并没有使其晶体结构发生根本的变化。 图3(a)中C所示的岛状相为τ (Mg32 (Al, Zn)49 )相。 加入1.5%稀土的合金共晶α (Mg)相由于SEM的特点而分辨不清。 与图2所示的显微组织相比, 加入1.5%稀土的镁合金中的φ (Al2 Mg5 Zn2 )相增多, τ (Mg32 (Al, Zn)49 )相相对较少, 这也可以从图1(b)看出, 可能是由于稀土改变了τ 相的结构而使其转变为φ 相。
表3 图2中各点的EDAX测定结果 Table 3 Chemical composition of positionsby EDAX in Fig.2 (mole fraction, %)
Position
Mg
Al
Zn
Phase
A
46.04
22.28
31.67
Mg32 (Al, Zn)49
B
96.80
1.71
1.49
Matrix
C
92.36
4.65
2.99
Eutectic α (Mg)
D
52.00
20.39
27.60
Al2 Mg5 Zn2
2.2 稀土对合金显微组织的影响
图4所示为无变质和加入不同量稀土的合金显微组织。 无变质合金的晶粒粗大, 晶界上的三元相呈半连续网状分布, 并且在其周围分布着较少的共晶α (Mg)(箭头所指, 见图4(a))。 稀土的加入量发生变化时, 合金的形态及分布也发生了明显的变化, 但是稀土的加入对共晶α (Mg)的影响很小, 从显微组织中看不出共晶α (Mg)数量的变化, 如图4(b~d)所示。 加入0.5%稀土后, 合金晶界上的三元相呈断续状分布, 部分三元相已变为颗粒状, 但是没有出现针状或棒状相。 加入1.0%稀土后, 合金晶界上的三元相基本上转变为颗粒状且分布比较均匀, 并伴有一小部分的针状或棒状相出现。 加入
图3 4#合金的SEM形貌及其能谱成分分析结果 Fig.3 SEM micrograph and EDAX results of alloy 4# (a)—SEM micrograph; (b)—EDAX of phase A; (c)—EDAX of phase B; (d)—EDAX of phase C
图4 合金的铸态组织 Fig.4 Microstructures of as-cast alloys (a)—Alloy 1#; (b)—Alloy 2#; (c)—Alloy 3#; (d)—Alloy 4#
1.5%稀土后, 其颗粒相分布弥散且均匀, 针状或棒状相的数量增多。 可以认为稀土的加入对Mg-8Zn-4Al-0.3Mn合金起到了明显的变质作用。 稀土对Mg-8Zn-4Al-0.3Mn合金晶粒尺寸的影响如表4所示。 从表4可以看出, 合金中加入1.5%稀土时, 其晶粒尺寸最小。
表4 不同稀土含量合金的晶粒尺寸范围 Table 4 Grain size range of alloys withdifferent contents of RE
w (RE)/%Grain size range/μm
0
120~130
0.5
100~110
1.0
75~85
1.5
40~50
图5所示为4# 合金的面扫描结果, 从图中可以看出, 稀土大部分分布在晶界处, 只有很少一部分固溶于基体内部。 这也正是稀土起变质作用和细化作用的原因。 由于稀土是镁的表面活性元素, 在合金的凝固过程中, 稀土富集于α (Mg)晶粒的晶界, 三元相出现后, 由于稀土的富集而阻止了三元相的生长, 从而使半连续网状的三元相改变为断续状、 颗粒状。 随着稀土加入量的增加, 稀土直接与偏聚在晶界的铝、 锌及镁原子化合而形成针状或棒状的Mg3 Al4 Zn2 RE化合物相。 这些含稀土的化合物相通常具有较高的熔点, 因此在较高的温度形成且富集于α (Mg)晶粒的晶界上, 从而阻止晶粒的长大使晶粒细化, 同时稀土使三元相改变为颗粒状而均匀弥散分布于基体上。
2.3 稀土对合金显微硬度的影响
由图6可以看出, 不同含量稀土的加入均提高了Mg-8Zn-4Al-0.3Mn合金基体的显微硬度, 且显微硬度值随着稀土加入量的增加而增加。 当稀土的加入量为1.5%时, 显微硬度值提高最大, 为20.6%。 铝、 锌原子在镁合金中的固溶度分别为12.7%和6.2%, 因此铝、 锌原子对镁合金基体的强化起着重要的作用。 表5所列为4种合金基体的镁、 铝、 锌原子的成分。 从表中可以看出, 后3种合金基体的铝、 锌原子含量均比无变质的要高。 造成基体中铝、 锌原子浓度的不同可能是由于晶界分布的活性稀土元素, 它促使铝、 锌原子向基体α (Mg)中扩散。 同时, 还有一小部分的稀土原子固溶于α (Mg)基体中, 这也是导致α (Mg)基体显微硬度升高的原因。
2.4 稀土对合金力学性能的影响
图5 4#合金的面扫描像 Fig.5 Surface scaning of alloy 4# (a)—ESEM micrograph of alloy 4#; (b)—Mapping of RE element
图6 不同含量RE变质后 的合金基体的显微硬度值 Fig.6 Microhardness value of matrix of alloys with different contents of RE
表5 各合金基体的能谱分析结果 Table 5 EDAX results of matrixes of differentalloys(mole fraction, %)
Matrix
Mg
Al
Zn
Alloy 1#
96.80
1.71
1.49
Alloy 2#
96.11
1.82
2.07
Alloy 3#
94.94
2.11
2.95
Alloy 4#
93.79
2.43
3.78
从表6中可以看出, ZA系合金的室温性能与AZ91D合金基体相同, 但其高温力学性能比AZ91D合金的要高。 因为AZ91D合金的强化相为Mg17 Al12 , 它的熔点只有437 ℃, 从室温加热到200 ℃时, 其硬度减小50%~60%而失去强化作用, 因此AZ91D合金的高温力学性能较低。 ZAC8506合金的显微组织为Mg基体及分布于其上的τ (Mg32 (Al, Zn)49 )相
[11 ]
。 τ 相的熔点为535 ℃, 并且由于Ca的溶入而使其抗高温性能增加。 Mg-8Zn-4Al-0.3Mn-1.5RE镁合金的显微组织由α (Mg)相、 φ (Al2 Mg5 Zn2 )相、 τ (Mg32 (Al, Zn)49 )相和Mg3 Al4 Zn2 RE相组成。 φ 相的熔点为393 ℃
[11 ]
, 但是4# 合金的高温拉伸性能并没有因为φ 相的增加而降低, 这可能是由于RE元素溶入到φ 相中提高其熔点的缘故。
表6 ZAC8506合金[8]、 AZ91D合金和4#合金力学性能的对比 Table 6 Comparison of tensile properties ofZAC8506 alloy, AZ91D alloy and alloy 4# atambient temperature and 150 ℃
Alloy
Room temperature
150 ℃
σ b /MPaσ s /MPaε /%σ b /MPaσ s /MPaε /%
ZAC8506
219
146
5.0
159
117
10.5
AZ91D
220
151
3.0
150
104
6.7
Alloy 4#
220
161
5.0
168
124
10.0
3 结论
1) Mg-8Zn-4Al-0.3Mn-x RE铸造镁合金的显微组织主要由α (Mg)基体、 φ (Al2 Mg5 Zn2 )相、 τ (Mg32 (Al, Zn)49 )相和Mg3 Al4 Zn2 RE相组成。
2) 稀土的加入显著改变晶界上三元相的形态及分布, 使其由无变质的半连续网状改变为颗粒状, 三元相的分布变得弥散而均匀。 晶界上针状或棒状Mg3 Al4 Zn2 RE相的量随着稀土加入量的增加而增加。 加入1.5%稀土可显著细化Mg-8Zn-4Al-0.3Mn合金的铸态组织, 晶粒大小由120~130 μm减小到40~50 μm。
3) 合金的显微硬度值随着稀土加入量的增加而增加。 当稀土的加入量为1.5%时, 显微硬度值最大提高达20.6%。
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