稀土及熱處理對AZ91D鎂合金組織與性能影響

王慧玲+李堯+楊俊杰

摘 要：研究了稀土元素Y、Nd和Gd混合添加到AZ91D鎂合金中，壓鑄件鎂合金AZ91D的力學(xué)性能以及微觀組織的影響，試驗結(jié)果表明：隨著稀土元素加入量的增加，AZ91D鎂合金的抗拉強度和伸長率都有所提高，晶粒得到了明顯的細(xì)化，但是過量的稀土元素又會使合金的力學(xué)性能下降。當(dāng)稀土元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時，稀土元素對鎂合金的力學(xué)性能強化效果最好。室溫下最好的抗拉強度為260.5MPa，而經(jīng)過固溶（T4）和時效（T6）熱處理后，綜合性能也得到了明顯的提高，組織也得到了細(xì)化。T4態(tài)最佳抗拉強度為282.99MPa，T6態(tài)最佳抗拉強度為270.33MPa，硬度得到了明顯的提高，其中鑄態(tài)下的最大硬度值為98HV。由此可得知稀土元素可能提高AZ91D鎂合金的力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：鎂合金；稀土元素；力學(xué)性能；熱處理

中圖分類號：TB

文獻標(biāo)識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2016.32.097

鎂合金是目前實際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有高比強度和比剛度、高減振性、電磁屏蔽和抗輻射能力強，并且有優(yōu)良的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，良好的尺寸穩(wěn)定性等一系列優(yōu)點。因此在汽車、電子電器、航天航空和國防軍事工業(yè)領(lǐng)域有著極其重要的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景，是繼鋼鐵和鋁合金以后發(fā)展起來的金屬結(jié)構(gòu)材料，并被稱之為“21世紀(jì)的綠色工程材料”。其中AZ91D就是一種應(yīng)用及其廣泛的壓鑄鎂合金，該合金的A代表鋁，Z代表鋅，“9”表示Al的含量為9%，“1”表示Zn的含量為1%左右。D表示是第四種登記的具有標(biāo)準(zhǔn)組成的鎂合金。但目前的生產(chǎn)實際中還存在一些技術(shù)難點使得鎂合金不能更加廣泛的應(yīng)用到汽車中，其中對于稀土鎂合金的研究還存在許多不確定因素，因此對于稀土鎂合金還需要相關(guān)技術(shù)人員通過不斷的試驗來完善相關(guān)領(lǐng)域。本文以Mg-Gd合金作為基體，研究稀土元素Gd對鎂合金微觀組織和力學(xué)性能的影響，探索稀土元素Gd對AZ91D鎂合金材料的性能影響，從而為鎂合金在汽車領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用提高技術(shù)基礎(chǔ)。

1 實驗

在工廠借助流水線生產(chǎn)設(shè)備，采用工業(yè)牌號AZ91鎂合金。AZ91鎂合金的成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：Al9.1%，Zn0.93%，Mn0.36%，Si≤0.02，F(xiàn)e≤0.12，余量為Mg。加入稀土含量的設(shè)計成分為AZ91D-x%Y-y%Nd-z%Gd，加入量如表1所示。在8GWU型電阻爐中熔煉，用混合制冷劑YH134a和氮氣作為保護氣體，待合金達到690℃～710℃時，添加不同配比的Mg-Y、Mg-Nd、Mg-Gd稀土中間合金，攪拌均勻后保溫10分鐘左右，然后在J1125B型壓鑄機中壓鑄成實驗所需的AZ91型稀土鎂合金。壓鑄試樣尺寸和壓鑄型工藝按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T13822-92《壓鑄有色合金試樣》規(guī)定要求設(shè)計。將試樣用MgO粉覆蓋，放入SX-4-10型箱式電阻爐中固溶（370℃×16h）后，快速投入冷水中淬火。再用105℃×10h固溶時效（T6）處理后空冷。

室溫拉伸的試樣尺寸如圖1所示，將室溫態(tài)和固溶（T4）以及T6各十個試樣通過型號為WDW-150KN型拉伸機上進行拉伸試驗測試，拉伸速率為5mm/min。將室溫下的試樣拉斷后通過型號為SU8010掃描電鏡觀察拉斷后的微觀形貌；用MDS型光學(xué)顯微鏡對鎂合金試樣（試樣尺寸如圖2所示）進行光學(xué)顯微觀察；用HVS-1000A型維氏硬度儀對合金進行硬度測試，試樣的尺寸如圖2所示。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 稀土元素對AZ91鎂合金拉伸性能的影響

圖3為不同稀土含量Y、Nd和Gd的AZ91鎂合金抗拉強度及伸長率變化曲線?？梢钥闯?，隨著稀土元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鎂合金的強度和伸長率出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)加入0.6%的Gd時，合金的抗拉強度為240Mpa，伸長率為5.6%；當(dāng)加入0.6%Y+1.2%Nd+1.2%Gd的稀土元素時，合金的抗拉強度最大，為260.5MPa，伸長率最大，為δ=9%。而當(dāng)混合稀土的含量繼續(xù)增加時，合金的拉伸性能反而降低。由此可知：適量的混合稀土能夠增加AZ91鎂合金的室溫拉伸性能。

2.2 熱處理對稀土鎂合金力學(xué)性能的影響

圖4、圖5為合金室溫下和固溶處理后的拉伸數(shù)據(jù)對比圖?？梢钥闯?，固溶處理后的合金在加入一定量的混合稀土后，合金的抗拉強度和伸長率相對于常溫下有所提高；并且當(dāng)稀土元素的含量為4.8%時，合金的伸長率最大，為12.2%，固溶狀態(tài)后加入稀土元素的含量為3.6%時，合金的抗拉強度最大，為282.99MPa。相對于鑄態(tài)稀土鎂合金提高了65%，相對于純AZ91D鎂合金提高了很多。因此，我們可以看出，熱處理能夠在一定程度上更大幅度的提升稀土對鎂合金的力學(xué)性能。

2.3 稀土元素對鎂合金微觀組織的影響

2.3.1 稀土元素對鑄態(tài)鎂合金金相組織的影響

圖6分別是不含稀土、含1.2%的稀土以及2.4%的稀土的鎂合金的微觀組織。

從圖中的金相組織我們可以看出，隨著稀土含量的增加，合金的微觀組織是得到了細(xì)化，β相由粗大的網(wǎng)狀到半連續(xù)的網(wǎng)狀最后慢慢溶解的分布在α內(nèi)，黑色顆粒物在減少。

2.3.2 熱處理對稀土鎂合金微觀組織的影響

圖7分別是1.2%的稀土的鎂合金在鑄態(tài)、370℃×16h固溶處理以及370℃×16h固溶+105℃×10小時時效處理的顯微組織。

從圖中我們可以看出，固溶處理能夠使合金的組織得到細(xì)化，粗大連續(xù)的網(wǎng)狀組織相對于固溶處理的重新析出，晶界中分布著細(xì)小顆粒狀組織物；

時效處理后，固溶時效后加入稀土元素，相對于固溶處理，晶界處又開始析出片層狀的物相，同時有呈現(xiàn)細(xì)小片層或者彌散顆粒狀的顆粒組織分布在晶界，數(shù)目增多。

通過相關(guān)文獻及分析可知：經(jīng)過固溶處理的鎂合金，由于β相溶解，Al以置換原子的形式進入到α相中，從而起到了細(xì)化組織的作用。但是經(jīng)固溶+時效處理后的鎂合金，β相再次析出，由晶界向晶內(nèi)生長。

2.4 稀土元素對鎂合金的硬度的影響

如圖8是鑄態(tài)、固溶態(tài)（T4）以及時效態(tài)（T6）三種狀態(tài)下的硬度測量數(shù)據(jù)整理柱狀圖。

由實驗數(shù)據(jù)可看出，鑄態(tài)下向合金中加入適量的混合稀土元素可使合金的硬度提高，超過一定量的稀土元素后，硬度會降低。

根據(jù)相關(guān)文獻我們可以分析大致的原因是：由于稀土的加入，形成了高熔點的化合物，使得合金的硬度有所提升，同時再經(jīng)過熱處理之后，合金由于固溶強化和時效硬化作用，從而在一定程度上提升了鎂合金的硬度。

3 結(jié)論

（1）在稀土元素的含量為3%（0.6%Y+1.2%Nd+1.2%Gd）時，鑄態(tài)合金的抗拉強度最大，為260.5MPa，伸長率最大，為δ=9%；固溶狀態(tài)后加入稀土元素的含量為3.6%時，合金的抗拉強度最大，為282.99MPa，伸長率為11.2%。固溶時效處理后加入的稀土含量序號為8號，即成分含量為1.2%Y+1.8%Nd+1.8%Gd，此時的抗拉強度最大，為270.33MPa，伸長率為10%。

（2）稀土元素的含量、成分以及熱處理方式的不同，對鑄態(tài)合金的抗拉強度、伸長率以及合金的組織的影響程度也不同；相對于鑄態(tài)合金，經(jīng)過本實驗選擇的固溶時效處理后，向合金中加入混合稀土元素對合金的抗拉強度影響不大，有一點點的提高，伸長率有明顯的提高，而硬度降低；而相對于固溶態(tài)合金，固溶時效后向合金中加入混合稀土對合金會使合金的抗拉強度，伸長率及硬度均有明顯降低。

（3）向合金中加入適量的混合稀土元素Y，Nd和Gd后，鑄態(tài)合金的抗拉強度、伸長率及硬度都得到了提高，但是稀土元素超過了一定含量，反而會降低。

（4）鑄態(tài)下的最大硬度值為98HV，即含量為1.2Y+1.2Nd+1.2Gd的稀土鎂合金；固溶的最大硬度為104.72HV，合金含量1.2%Y+1.2%Nd+1.8%Gd，時效后的最大硬度為91.36HV，合金含量為0Y+0Nd+0.6%Gd。

（5）向合金中加入適量的混合稀土元素Y，Nd和Gd，能夠使合金的組織得到細(xì)化，均勻化。

經(jīng)過本實驗選擇的固溶處理后，向合金中加入適量的混合稀土元素，相對于鑄態(tài)組織細(xì)化程度更明顯，同時網(wǎng)狀組織慢慢在溶解；經(jīng)過本實驗選擇的固溶時效處理后，向合金中加入稀土元素同樣能夠使合金的組織得到細(xì)化，網(wǎng)狀組織同樣在溶解；但是，與鑄態(tài)和固溶態(tài)合金相比較而言，會有顆粒狀的彌散物析出。

參考文獻

[1]楊少鋒，王再友.壓鑄鎂合金的研究進展及發(fā)展趨勢[J].材料工程，2013，（11）：81-88.

[2]范艷艷等.合金元素對AZ91鎂合金組織和性能影響的研究進展[J].中國鑄造裝備與技術(shù)，2008，（06）：5-9.

[3]黃志偉等.Mg-Y-Nd-Gd-Zn-Zr鎂合金鑄造組織性能研究[C].重慶：重慶市鑄造 年會論文集，2013.

[4]韓恩厚，潘復(fù)生.高性能變形鎂合金及加工技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[5]Zeng， X.， et al.Effect of strontium on the microstructure，mechanical properties，and fracture behavior of AZ31 magnesium alloy[J].Metallurgical & Materials Transactions A，2006，37（37）：1333-1341.

[6]張丁非等.稀土元素對鎂合金力學(xué)性能影響的研究進展[J].功能材料，2014，（05）：5001-5007.

[7]Boby， A.，et al.Effect of Antimony and Yttrium Addition on the High Temperature Properties of AZ91 Magnesium Alloy[J].Procedia Engineering，2013，55（12）：98-102.

[8]曾小勤，周娜，郭志剛等.稀土元素Nd，Y對鎂合金性能與組織的影響[D].上海：上海交通大學(xué)，2010.

[9]呂鐘，周建，孫志梅，陳榮石.稀土元素對鎂合金結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響[D].廈門：廈門大學(xué)，2013.

[10]曾麗，陳紀(jì)東.添加元素對鎂合金性能影響的現(xiàn)狀研究[D].紹興：浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，2013.