DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.s2.022

钇及铈镧混合稀土对AZ91镁合金铸态组织的影响

张诗昌 魏伯康 林汉同 王立士

  华中科技大学模具技术国家重点实验室  

  华中科技大学模具技术国家重点实验室 武汉430074  

摘 要：

金相显微镜及电子探针分析结果表明 , 含La, Ce的混合稀土和金属Y均有促进AZ91镁合金铸态组织晶粒细化的作用。在AZ91+ (Ce , La) 合金中形成的杆状化合物被证实是 (Ce , La) Al4, 而在AZ91+Y合金中发现了呈块状结构的YAl2 化合物。4 2 0℃ / 2 0h固溶处理后 , 由于 (Ce, La) Al4及YAl2 具有良好的热稳定性 , 不溶入Mg基体 , AZ91+RE (La , Ce, Y) 合金的铸态组织为δ固溶体 + (Ce , La) Al4 (或YAl2 ) 化合物 +Mg17Al12 三相组成。

关键词：

AZ91镁合金;混合稀土;钇;电子探针;铸态组织;

中图分类号： TG146.22

收稿日期：2001-08-15

Effect of yttrium and mischmetal on as-cast structure of AZ91 alloy

Abstract：

The effect of yttrium and mischmetal composed of 50% Ce, 45% La (mass fraction) on the as cast structure of AZ91 alloy were investigated by optical microscope and electron microprober analysis. The experimental results show that the structure of AZ91 alloy is refined either by mischmetal or Y. The rod like typed compound is verified as (Ce, La) Al 4 in AZ91 alloy with additional mischmetal; but a polyhedral compound is found and identified as YAl 2 by EDX analysis in AZ91 alloy with additional Y. Both (Ce, La) Al 4 and YAl 2 have thermally stable property and do not dissolve into Mg matrix when solution treatment is carried out for 20?h at 420?℃ followed by air quenching. The as cast structure of AZ91+RE (La, Ce, Y) alloy consists of three phases including Mg matrix, (Ce, La) Al 4 (or YAl 2) and Mg 17 Al 12 . [

Keyword：

AZ91 magnesium alloy; mischmetal; yttrium; electron microprober; as cast structure;

Received： 2001-08-15

AZ91镁合金是工业上应用最为广泛的一类Mg-Al合金, 在所有压铸镁合金中, AZ91合金占90%以上 ^[1] 。 该合金主要应用于服役温度不超过120 ℃的壳体及箱盖等零件, 如飞机发动机上的机匣、 汽车仪表盘及手提电脑壳等。 要扩大AZ91镁合金的应用范围, 提高其耐高温性能是一项关键因素 ^[2,3] 。 RE能有效提高Mg-Al合金的高温性能, 特别是含La, Ce的混合稀土及Y ^[4,5] 。 有人研究过混合RE对Mg-Al合金铸造组织的影响 ^[6,7] , 但是Y对AZ91合金的影响少见报道。 作者通过在AZ91合金中加入混合稀土或金属Y, 比较它们对AZ91合金铸造组织的不同影响。

1 实验方法

原材料选用纯度为99.9%的Mg锭和Al锭, 含Ce50%, La45%的混合稀土及纯度为99.9%的金属Y。 合金在5 kg A3钢坩埚电阻炉中熔炼, CO₂气体保护。 金属Y以Mg-30%Y中间合金形式加入, 在710 ℃浇注金属模试样。 随后在420 ℃箱式电阻炉中保温20 h进行固溶处理, 出炉空冷后, 试样在日产JXA8800R型电子探针上进行SEM及相成分分析。 试样的化学成分如表1所示。

2 实验结果

AZ91, AZ91+ (Ce, La) 和AZ91+Y合金铸态下的金相组织如图1所示。

表1 试样的化学成分

Table 1 Chemical composition of specimens (mass fraction, %)

Specimens	Al	Zn	La, Ce	Y	Mn, Fe	Mg
AZ91	8.90	0.55			<0.2	Bal.
AZ91+Ce, La	8.70	0.52	1.25		<0.2	Bal.
AZ91+Y	8.75	0.54		1.22	<0.2	Bal.

由图1 (a) 可知, AZ91合金由δ固溶体 (Al在Mg中的固溶体) 和网状分布的共晶组织 (α+Mg₁₇Al₁₂) 组成。 黑色部分为α初生相, 白色网状部分为Mg₁₇Al₁₂相。 其中Mg₁₇Al₁₂相的SEM照片如图2所示, 其网状形态十分明显。

由图1 (b) 可知, AZ91合金加入混合稀土后晶粒明显细化, 共晶组织大部分断网, 并在晶内和晶界上产生了杆状形态的化合物。 将图1 (b) 局部区域做EDX及线扫描分析, 结果如图3所示。 从图3可知, AZ91+ (Ce, La) 合金中出现的杆状化合物由Al和La, Ce及少量的Zn组成, 而不含Mg。 用电子探针分析其成分为: x (La, Ce) =19.80%, x (Al) =78.53%, x (Zn) =1.67%。 由于Zn含量很低, Zn在Mg-Al合金中仅起固溶强化作用, 故不考虑Zn对新相组成的影响, 则该相的化学结构式可表述为 (Ce, La) Al₄。 有研究结果表明该杆状相为Al₁₁ (La, Ce) ₃ ^[8] 。 图中断续网状组织不含Ce, La, 而由Mg, Al和Zn组成, 电子探针分析其成分为: 57.61%Mg, 40.82%Al, 1.57%Zn (摩尔分数) , 在不考虑Zn对新相组成的影响时, 则该相的化学结构式可以表达为Mg₁₇Al₁₂。 AZ91+ (Ce, La) 合金固溶处理后的组织如图4所示, 可见合金由δ固溶体+ (Ce, La) Al₄相组成, Mg₁₇Al₁₂相则固溶于基体。

图1 铸态组织的显微组织

Fig.1 Microstructure of as-cast alloys

(a) —AZ91; (b) —AZ91+ (La, Ce) ; (c) —AZ91+Y

图2 AZ91合金中的Mg17Al12的扫描电镜像

Fig.2 SEM image of Mg₁₇Al₁₂ in AZ91 alloy

由图1 (c) 可见, AZ91合金中加入Y后, 与原始组织相比, 晶粒同样有了较明显的细化, 并产生了块状形态的化合物。 该试样固溶处理后的SEM组织如图5所示, 主要由块状的化合物组成, 而没有Mg₁₇Al₁₂相存在, 表明该相已全部固溶, 说明块状化合物比Mg₁₇Al₁₂相具有更高的熔点和热稳定性。 固溶处理试样局部区域的EDX分析和面扫描结果如图6所示。 由图6可知, 该化合物中只含Al及Y, 而不含Mg。 电子探针分析其成分为: 65.11%Al, 33.24%Y, 1.65%Zn (摩尔分数) , 忽略Zn对新相组成的影响, 该化合物的化学结构表达式为YAl₂。

图3 AZ91+ (Ce, La) 合金扫描电镜EDX分析及线扫描图

Fig.3 EDX analysis and line scanning result of AZ91+ (Ce, La) alloy

图4 AZ91+ (Ce, La) 合金固溶后的显微组织

Fig.4 SEM image of AZ91+ (Ce, La) alloy after solution treatment

图5 AZ91+Y合金固溶后的显微组织

Fig.5 SEM image of AZ91+Y alloy after solution treatment

图6 AZ91+Y合金固溶处理后局部区域的扫描电镜EDX分析及面扫描图

Fig.6 EDX analysis and surface scanning result of local zone in AZ91+Y alloy after solution treatment

3 讨论

由于稀土具有活泼的化学性质, AZ91合金中加入La, Ce, Y等RE元素, 将有可能形成Al-RE或Mg-RE化合物。 元素间形成化合物的难易程度, 可以从它们的电负性差值来判断。 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 ^[9] 。 La, Ce, Y与Mg和Al间的电负性及电负性差值 ^[10] 如表2所示。 由于La, Ce与Al的电负性差值大于与Mg的电负性差值, 所以AZ91合金中加入La, Ce混合稀土后, La, Ce将优先与Al结合形成La-Al和Ce-Al化合物。 根据Al-La, Al-Ce二元相图 ^[11] , 当w (Ce, La) <60%时, 将形成LaAl₄ (或CeAl₄) 化合物, 对AZ91+ (La, Ce) 合金的电子探针分析结果也证实合金中出现的杆状化合物为 (Ce, La) Al₄。 同样, 根据Al-Y二元相图 ^[11] , Al与Y结合会形成YAl₂及YAl₃化合物, 从电子探针对相成分的分析结果看, AZ91合金中加入Y后形成的是YAl₂化合物。

表2 AZ91+RE合金中各元素的电负性及与Mg, Al电负性差值

Table 2 Electronegativity and electronegativity differences with Mg and Al of elements in AZ91+RE alloys

Element	Electronegativity	Electronegativity difference with Mg	Electronegativity difference with Al
La	1.1	0.1	0.4
Ce	1.1	0.1	0.4
Y	1.2	0	0.3
Mg	1.2	0	0.3
Al	1.5	0.3	0

AZ91合金中所含的Al有3种分配去向: 一部分与RE形成了Al-RE化合物; 一部分固溶于基体中 (根据Mg-Al相图, 200 ℃平衡结晶时, Al在Mg中的固溶度为2%) ; 另一部分则与Mg结合形成Mg₁₇Al₁₂化合物。 因此, 在AZ91+RE合金中出现了δ固溶体、 RE-Al化合物及Mg₁₇Al₁₂。

AZ91合金中加入Ce, La混合稀土及Y产生的 (Ce , La) Al₄及YAl₂化合物具有很高的熔点, 其熔点都大于1 400 ℃, 属热稳定相, 对提高合金的抗蠕变性能非常有利, 同时由于低温易熔相Mg₁₇Al₁₂的减少将进一步改善合金的高温性能。

(Ce, La) Al₄化合物具有与YAl₂化合物不同的形态, 前者为杆状, 后者为块状。 YAl₂粒度多数在5～10 μm之间, 这将有利于合金力学性能的改善。

4 结论

1) AZ91合金中加入La, Ce混合稀土后产生了杆状 (Ce, La) Al₄化合物, 该合金的组织由δ固溶体+ (Ce, La) Al₄+Mg₁₇Al₁₂相组成。

2) AZ91合金中加入Y后产生了块状YAl₂化合物, 该合金的组织由δ固溶体+YAl₂+Mg₁₇Al₁₂相组成。

3) YAl₂及 (Ce, La) Al₄是耐高温相, 420 ℃固溶处理不能使之溶入基体。

4) AZ91合金中加入La, Ce, Y均使合金的晶粒得到细化。

参考文献

[1]　PolmearIJ .Magnesiumalloysandapplications[J].Ma terialsscience&Technology, 1994 (1) :1-16.

[2]　BrownR .Magnesiumautomotivemeeting[J].LightMetalAge, 1992 (3) :18-20.

[3]　BrownRE .Proceedingsoftheinternationalsymposiumonmetalprocessingandapplications[C].Quebekcity:CanadianInstituteofMineral, Metal, Petrolum, 1993, 691-700.

[4]　LuoA , PekguieryuzMO .Reviewcastmagnesiumalloyforelevatedtemperatureapplications[J].JournalofMa terialsScience, 1994, 29:5259-5271.

[5]　LiY .EffectofREandsiliconadditionsonstructureandpropertiesofmeltspunMg9%Al1%Znalloy[J].Ma terialScienceandTechnology, 1996 (8) :651-658.

[6]　WeiLY .DevelopmentofmicrostructureincastMgAlREalloys[J].MaterialsScience&Technology, 1996 (9) :741-750.

[7]　WANGQu dong, ZHENLu yi.EffectsofREonmi crostructureandpropertiesofAZ91magnesiumalloy[J].TransNonferrousMetSocChina, 2000 (2) :235-238.

[8]　PettersenG , WestergenH .Microstructureofapressurediecastmagnesium4wt%aluminiumalloymodifiedwithrearearthadditions[J].MaterialsScienceandEngineer ing, 1996, A207:115-120.

[9] 　MetalDepartmentofZhongshangUniversity (中山大学金属系) .稀土物理化学常数[M ].Beijing:MetallurgyIndustryPress, 1978.36.

[10] 　XIAOJi mei (肖纪美) .合金能量学[M ].Shanghai:ShanghaiScienceandTechnologyPress, 1985.256.

[11]　AmericanSocietyforMetals.MetalsHandbook[M ].Ohio:MetalsPark, 1973.