稀土元素Nd對鑄造鎂合金組織和性能的影響

張云霞，宮本奎，王 茜，崔培培

（山東理工大學(xué)，山東 淄博255049）

1 前言

鎂合金是目前實際應(yīng)用的質(zhì)量最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，其密度1.35～1.8 g/cm3，比強度與比模量高，阻尼、電磁屏蔽、鑄造及切削加工等性能優(yōu)異，是繼鋼鐵和鋁合金之后最有發(fā)展?jié)摿Φ男滦徒Y(jié)構(gòu)材料，被譽為“21世紀(jì)的超輕金屬材料和綠色結(jié)構(gòu)材料”。但鎂合金耐蝕性較差，高溫強度和蠕變性能較低，是制約其大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸問題［1］。由于鎂合金的的應(yīng)用日益廣泛，對鎂合金組織和性能的要求愈來愈高，各種元素對鎂合金性能影響的研究越來越深入。

2 稀土元素Nd的應(yīng)用現(xiàn)狀

稀土元素在自然界中主要以單礦物形式存在，其天然豐度小，又以氧化物或含氧酸鹽礦物共生形式存在。Nd在自然界中存量豐富，是當(dāng)今稀土元素家族中最為重要的成員。幾十年前，釹鐵硼永磁材料的誕生，使釹身價百倍。氧化釹和金屬釹已成為左右稀土市場、刺激稀土產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的動力。金屬Nd主要應(yīng)用于制備釹鐵硼永磁材料，以其優(yōu)異的性能廣泛用于電子、機械等行業(yè)。稀土元素能夠細(xì)化鎂合金晶粒，提高鎂合金的高溫性能、氣密性和耐腐蝕性［2］。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，Nd將被應(yīng)用于更廣闊的領(lǐng)域。

3 Nd對鎂合金鑄態(tài)組織和性能的影響

3.1 對AZ91鎂合金的影響

AZ91（Al 8.3%～9.7%、Zn 0.35%～1.0%、Mn 0.15%～0.5%、Mg余量）是應(yīng)用最廣的鑄造鎂合金之一，具有良好的綜合力學(xué)性能。經(jīng)T6處理，其抗拉強度可以達(dá)到275 MPa，但其塑性較差、熱處理強化效果與高溫性能低，且其中的Mg2Al2Zn相耐蝕性較差，具有應(yīng)力腐蝕開裂傾向，成為AZ91應(yīng)用推廣的制約因素。

李萍［3］研究了室溫和150℃下不同Nd含量的AZ91合金，加入適量的Nd能明顯細(xì)化其鑄態(tài)組織，樹枝晶向等軸晶轉(zhuǎn)化，其力學(xué)性能較好；加入量為1%時，AZ91合金的抗拉強度達(dá)到最大，延伸率隨著Nd的加入逐漸降低。劉生發(fā)等［4］研究發(fā)現(xiàn)，Nd對α-Mg有顯著的細(xì)化作用，使晶粒平均尺寸由未細(xì)化前的108 μm降至約31 μm，β相Mg17Al12由塊狀或網(wǎng)狀變成彌散分布的粒狀，組織中出現(xiàn)了粒狀和針狀A(yù)l3Nd化合物，Nd的最佳加入量為0.5%。

Nd對鎂合金的腐蝕性能有一定的影響。楊潔等發(fā)現(xiàn)［5］，適量Nd加入AZ91合金中，使Mg17Al12相變得斷續(xù)、彌散，生成了Al3Nd相及Mg2Al2Mn2Nd2Fe金屬間化合物；在3.5%NaCl溶液中自腐蝕電位升高，且與Al、O生成了不連續(xù)的致密的氧化膜，Al、Nd元素在表面膜中的富集提高了鎂合金的耐腐蝕性能；劉生發(fā)等認(rèn)為［6］，Nd提高了鎂合金的平衡電位和腐蝕電位，降低了腐蝕電流，從而提高了鎂合金的耐腐蝕性能。

加入單一適量稀土元素，能夠大幅度地提高AZ91鎂合金的強度，是因稀土元素與Al反應(yīng)生成Al-RE化合物，起彌散強化作用；稀土元素能顯著地細(xì)化合金組織，有細(xì)晶強化效果。如果復(fù)合加入多種稀土，鎂合金基體中可以形成多種稀土化合物，起到彌散強化作用，同時多種成分的晶界強化、細(xì)晶強化和固溶作用，可使復(fù)合加入多種稀土成分的鎂合金強度高于加入單一稀土成分的鎂合金［7］。

張金山指出［8］：當(dāng)La添加至1.4%時，隨著針狀A(yù)l11La3相的增加，割裂了基體，降低了La的強化作用。Nd、La復(fù)合添加時，形成的稀土相較單加時細(xì)小彌散，減輕了稀土相對基體的割裂作用；加入1.0%La與1.5%Nd的AZ91合金力學(xué)性能最好，其鑄態(tài)合金的抗拉強度和斷后伸長率分別為235 MPa和10%，復(fù)合添加更能有效地改善AZ91的性能。范艷、李秋書等認(rèn)為［9］：將稀土元素Nd和Ce混合加入到AZ91D中明顯細(xì)化合金組織，減少了熱穩(wěn)定性較低的β-Mg17Al12相數(shù)量，形成了高熔點熱穩(wěn)定的稀土相Al2Nd和Al4Ce，起到了良好的彌散強化效果；當(dāng)加入1.0%Nd和0.6%Ce時，合金的室溫強度和高溫抗拉強度同時達(dá)到最大值，抗拉強度分別提高32.6%和29.4%，伸長率分別提高156%和191.1%。

3.2 對AZ31鎂合金的影響

AZ31B鎂合金（Al 3.1%、Si 0.03%、Ca 0.05%、Zn 0.82%、Mn 0.335%、Be 0.1%、Fe 0.005%、Mg余量）按制造工藝可分為變形鎂合金和鑄造鎂合金。鑄造鎂合金在室溫和高溫下的機械性能良好，AZ31B主要用于機件殼罩、汽車零件等。

李明照等［10-11］向AZ31B中添加0.6%的Nd，發(fā)現(xiàn)Nd不但可以細(xì)化AZ31合金的鑄態(tài)組織，而且顯著提高了合金的鑄態(tài)性能，使合金的鑄態(tài)抗拉強度由135 MPa增加到245 MPa，伸長率由3%增加到9%。劉敏娟等［11］指出，Nd的加入提高了AZ31的力學(xué)性能。余琨等［12］在AZ31中分別添加稀土Ce和Nd，形成含稀土的第二相，在α-Mg的晶界上使合金中的β（Mg17Al12）相均勻分布，具有很好的強化和耐腐蝕作用；試樣腐蝕表面形成了一層致密且附著力強的腐蝕產(chǎn)物，從而阻止腐蝕進(jìn)行。鄭偉超等［13］在研究混合稀土（主要有Ce、La、Nd）對AZ31B合金組織和力學(xué)性能影響時發(fā)現(xiàn)，稀土的添加導(dǎo)致了AZ31B性能的降低和組織的粗大。

3.3 對其他鎂合金的影響

在汽車鎂合金使用總量中，AZ91和AM60（Al 5.6%~6.4%、Zn 0.26%~0.5%、Mn 0.26%~0.5%、Mg余量）兩種鎂合金的使用量占90%。AM60合金韌性好于AZ91合金，但其強度不及AZ91合金，因此提高AM60合金的力學(xué)性能成為急需解決的問題［14］。毛祖莉等［15］在AM60合金中加入少量的Nd，其鑄態(tài)組織得到了細(xì)化，出現(xiàn)了針狀的新相。當(dāng)Nd含量為1.2%時，晶粒較細(xì)，彌散度較好，力學(xué)性能較高，但隨Nd元素含量的增加，其晶粒變得粗大，力學(xué)性能降低。張俊遠(yuǎn)等［16］的研究表明，添加0.9%Nd的AM60合金力學(xué)性能顯著提高，Rm達(dá)230 MPa，Rp0.2為127 MPa，A為14%。若繼續(xù)增加Nd含量，使晶粒粗大，影響了合金力學(xué)性能的提高。

AM50鎂合金（Al 4.4%~4.5%、Zn 0.22%、Mn 0.26%~0.6%、Si 0.1%、Mg余量）綜合力學(xué)性能較好，應(yīng)用廣泛。雖然其韌性較好，抗沖擊能力強，但抗拉強度偏低，抗蠕變能力和熱強性差，不能滿足一些使用要求［17］。王越等［18］研究了AM50鎂合金添加Nd后在不同溫度下的抗拉強度、屈服強度及伸長率。結(jié)果表明：添加Nd可生成彌散分布、高熔點、熱穩(wěn)定的顆粒相Mg12Nd，明顯地改善了AM50合金的高溫拉伸性能。

AZ81（Al 7.0%~8.5%、Zn 0.3%~1.0%、Mn 0.1%~0.3%、Si 0.5%、Cu 0.2%、Mg余量）也是一種汽車用鎂合金，鋁含量較AZ91D的低，其綜合力學(xué)性能非常接近AZ91D，鑄造性能良好［19］。王小強等［20］研究發(fā)現(xiàn)：稀土元素Nd主要是通過固溶強化、析出強化和細(xì)晶強化提高了合金的室溫和高溫強度，改善了合金的塑性；將Nd和Y復(fù)合加入（2%）到AZ81鎂合金中，合金的室溫強度最高達(dá)282.5 MPa，與未加稀土的AZ81相比強度提高了39%。

吳偉等［21］在AZ61鎂合金（Al 6.0%~7.0%、Zn 0.5%~1.5%、Mn 0.15%~0.5%、Mg余量）中加入不同含量的Nd，結(jié)果表明：當(dāng)Nd的含量為0.5%時，晶粒最細(xì)，此時力學(xué)性能最好。隨著Nd的進(jìn)一步增加，熱擠壓時的強度有所降低，伸長率也呈現(xiàn)降低的趨勢。蘆笙等［22］將Nd加入到ZK60鎂合金（Al 0.05%、Zn 5.0%~6.0%、Mn 0.1%、Zr 0.3%~0.9%、Mg余量）中，合金具有較高的強度與良好的塑性，但耐腐蝕性能差；Nd的加入提高了ZK60鎂合金腐蝕電位，大大減小了腐蝕電流，減緩了在NaCl溶液中的腐蝕速率，提高了合金的耐腐蝕性能。

4 結(jié)語

我國是鎂、鎂合金和稀土的生產(chǎn)大國，稀土資源占世界稀土儲量的80%以上，為開發(fā)高質(zhì)量的稀土鎂合金提供了優(yōu)良的條件。我國在變形稀土鎂合金方面的研究與美國、日本等發(fā)達(dá)國家相比還有很大差距。由于加入稀土元素后合金成本較高，早前鎂合金主要應(yīng)用于航空航天、導(dǎo)彈等軍工領(lǐng)域［23］。美軍將鎂合金應(yīng)用于2l世紀(jì)士兵武器和先進(jìn)的水陸兩棲突擊車，采用了鎂合金表面防護(hù)技術(shù)；法國將鎂合金材料應(yīng)用于制備MK50式反坦克槍榴彈部分零件，其全彈質(zhì)量僅為800 g。在民品領(lǐng)域，應(yīng)用于汽車發(fā)動機箱體、變速箱殼、舵桿件、氣缸蓋、支撐、賽車及航空飛行器的變速箱殼體等。我國已將鎂合金應(yīng)用于軍事和民品領(lǐng)域，但其應(yīng)用面較窄。

稀土對鎂合金具有凈化、細(xì)化、合金化作用，可產(chǎn)生細(xì)晶強化、固溶強化、時效沉淀強化和彌散強化。目前，稀土在鎂合金中的作用機制存在著爭論，輕稀土與重稀土元素產(chǎn)生交互作用、GP區(qū)的形成以及凈化與變質(zhì)作用等都有待進(jìn)一步研究［24］，還有許多需要解決的工藝技術(shù)問題。為此，稀土應(yīng)用科技人員須做出更大的努力，應(yīng)不斷改進(jìn)完善現(xiàn)有的稀土鎂合金，同時開發(fā)低成本、較高性能的新的稀土鎂合金，開發(fā)與之相對應(yīng)的先進(jìn)工藝技術(shù)，使稀土鎂合金得到廣泛合理的應(yīng)用。

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