文章编号: 1004-0609(2006)03-0464-06

钕对AZ91镁合金铸态组织的影响

刘生发¹, 王慧源², 康柳根¹, 黄尚宇¹, 徐 萍¹

(1. 武汉理工大学 材料科学与工程学院, 武汉 430070; 2. 武汉理工大学 机械工程学院, 武汉 430070)

摘 要: 利用光学显微镜、 电子探针和X射线衍射仪研究Nd对AZ91镁合金铸态显微组织的影响, 并利用Imagetool软件测量晶粒尺寸和面积。 结果表明: 少量Nd对α-Mg晶粒有显著的细化作用, 平均晶粒尺寸由108μm降至约31μm, 晶粒面积也明显减小, Nd的最佳加入量为0.5%。 此外, Nd的加入致使β-Mg₁₇Al₁₂相弥散细小, 组织中出现了粒状或针状Al₃Nd化合物。

关键词: AZ91镁合金; 钕; 显微组织 中图分类号: TG146

文献标识码: A

Effect of neodymium on as-cast microstructure ofAZ91 magnesium alloy

LIU Sheng-fa¹, WANG Hui-yuan², KANG Liu-gen¹, HUANG Shang-yu¹, XU Ping¹

(1. School of Materials Science and Engineering, Wuhan University of Technology,

Wuhan 430070, China;

2. School of Mechanical Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

Abstract: Effect of neodymium addition on as-cast microstructure of AZ91 magnesium alloy was studied by optical microscope, electron probe microanalyzer and X-ray diffraction analyzer, the diameter and area of α-Mg grains were measured by image tool. The results show that a small amount of neodymium addition to AZ91 magnesium alloy fines the α-Mg grains, the average grain size becomes 31μm from 108μm and the area of grain decreases obviously, the optimum content of Nd is 0.5%. With the addition of Nd, the amount of β-Mg₁₇Al₁₂ phases decrease, and their size becomes dispersed and fine. In addition, the granular and needle-like Al₃Nd phases mainly distributed at grain boundaries are observed in the AZ91 alloys containing neodymium.

Key words: AZ91 magnesium alloy; neodymium; microstructure

随着世界性的能源危机和环境污染问题的日益严重, 采用镁合金代替汽车用铝合金甚至钢铁材料以降低汽车的自身质量已成为一种必然趋势。 要扩大镁合金在汽车上的应用范围, 提高镁合金的力学性能是一项关键因素^[1-4]。

众所周知, 实现金属材料组织微细化是提高力学性能的重要措施。 根据Hall-Petch公式(σ_y=σ₀+kd^-1/2, 式中σ_y为材料的屈服强度; σ₀为单晶体的屈服强度; k为常数; d为晶粒尺寸)可知, 晶粒越细, 枝晶间距越小, 材料强度就越高。 由于密排六方镁合金的k值约为铝合金的4倍, 因此, 晶粒尺寸的大小对镁合金(HCP)强度的影响很大。 目前, 对镁合金晶粒细化技术的研究远落后于铝合金, 且迄今为止没有商业化的晶粒细化剂^[5-10]。

基于以上认识, 针对目前汽车工业中应用最广的AZ91合金, 本文作者研究了稀土Nd的加入对其铸态显微组织的影响。

1 实验

AZ91 (Mg-9Al-0.8Zn, 质量分数, %)合金在5kg的井式坩锅电阻炉中熔制。 原材料采用Mg锭(纯度为99.8%)、 Al锭(纯度为99.7%)、 Zn锭(纯度为99.8%)和Al-30%Nd中间合金。 为防止合金的氧化燃烧, 熔炼时采用RJ2熔剂保护。 Nd的加入量分别为0.2%, 0.5%, 0.8%(质量分数)时的实验合金(AZ91-x%Nd)成分如表1所列。 720℃时, 将块状Al-30%Nd中间合金加入到合金熔体中保温一段时间搅拌后进行浇注。 组织分析采用尺寸为d30mm×60mm的金属型试样。

采用型号为PLASMA300D的感耦等离子光谱仪(ICP) 测定合金的化学成分。 使用Olympus-BHM363U型光学金相显微镜观察并拍摄组织照片。 利用JCXA-733型EPMA进行显微组织观察及元素分布分析。 采用D/MAX-RB转靶X射线衍射仪(XRD)进行物相鉴别。 利用Imagetool软件测定晶粒尺寸和晶粒面积。

2 结果与分析

2.1 铸态组织

由Mg-Al二元合金相图可知^[11], AZ91镁合金的铸态组织由Al和Zn在镁中的固溶体α-Mg 及沿晶界呈不连续网状或块状分布的β-Mg₁₇Al₁₂化合物组成(见图1(a))。 图1(b)~(d)所示为Nd对AZ91显微组织的影响。 可看出, Nd的加入导致合金中的α-Mg变成了典型的枝晶组织, 且随Nd加入量的增加, 枝晶组织明显细化, 二次枝晶间距变小; 当Nd含量为0.5%时, 枝晶组织最细; 当Nd含量增至0.8%时, 枝晶组织有粗化趋势。

表1   合金的化学成分

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

图1   不同Nd含量AZ91合金的铸态显微组织

Fig.1   As-cast microstructures of AZ91 alloy with different Nd contents

 图2所示为不同Nd含量AZ91合金的铸态显微组织。 由图2可知, AZ91-0.5%Nd合金的α-Mg晶粒尺寸明显变小, 且β-Mg₁₇Al₁₂相变得弥散细小。 由此可见, 稀土元素Nd对AZ91基体合金的显微组织具有明显的细化作用。 此外, 在含Nd AZ91合金中发现了粒状和针状化合物。

图3和4所示分别为AZ91-0.5%Nd合金中的粒状化合物、 针状化合物的二次电子像和各元素的面扫描分析结果。 由图3和4可知, 两种化合物中均富含Al元素和Nd元素, 结合AZ91-0.5%Nd合金的X射线衍射谱的分析结果 (图5), 该合金组织中存在α-Mg、 β-Mg₁₇Al₁₂和Al₃Nd相。 因此, 可以确定在含Nd AZ91合金组织中出现的粒状或针状相为Al₃Nd化合物。 这两种化合物都分布在晶界附近。 此外, 还发现组织中粒状化合物的数量多于针状化合物的。

图2   不同Nd含量AZ91合金的铸态显微组织

Fig.2   As-cast microstructures of AZ91 alloy with different Nd contents

图3   AZ91-0.5%Nd合金中的粒状化合物的二次电子像及元素的面分布

Fig.3   Area distribution of elements from granular compounds in as-cast AZ91-0.5%Nd alloy

图4   AZ91-0.5%Nd合金中的针状化合物二次电子像及元素的面分布

Fig.4   Area distribution of elements from needle-like

compounds in as-cast AZ91-0.5%Nd alloy

图5   AZ91-0.5%Nd合金的X射线衍射谱

Fig.5   XRD pattern of as-cast AZ91-0.5%Nd alloy

稀土元素Nd具有活泼的化学性质, 在AZ91合金中加入Nd后, 有可能形成Al-Nd, Mg-Nd或Mg-Al-Nd化合物。 元素间形成化合物的难易程度可依据电负性差值来判断, 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。 Nd与Al的电负性差值为0.4, 大于Nd与Mg的电负性差值(为0.1), 因此, 从热力学角度来看, 在AZ91合金中加入Nd将优先形成Al-Nd化合物^[12-14]。

2.2 晶粒尺寸

利用Imagetool软件测量了晶粒尺寸和面积。 图6所示为Nd含量对AZ91合金平均晶粒尺寸的影响。 由图6可知, 加入0.2%Nd后, 合金的晶粒尺寸陡降为46μm; 加入0.5%Nd后, 其细化效果更显著, 晶粒尺寸降为31μm; 当加入0.8%Nd时, 晶粒尺寸有粗化倾向, 略微上升至43μm。 在本研究条件下, 加入0.5%Nd的细化效果最好, 晶粒尺寸最小, 同AZ91相比, 其下降幅度达72%。

表2所列为Nd含量对AZ91合金中α晶粒平均面积的影响。 由表2可知, 当加入0.2%Nd时, α晶粒面积降为1509μm², 为AZ91合金中α晶粒面积的42%; 当Nd含量增至0.5%时, 晶粒细化效果更加显著, 其α晶粒面积下降为920μm², 为AZ91基体合金α晶粒面积的26%; 当Nd含量为0.8%时, α晶粒面积有增大趋势, 其面积为1015μm², 为AZ91合金中α晶粒面积的28%。

图6   Nd含量对AZ91合金平均晶粒尺寸的影响

Fig.6   Effect of Nd content on  average grain size of AZ91 alloy

表2   含Nd AZ91合金中α晶粒的平均面积

Table 2   Average area of α grain in AZ91 alloys with Nd

图7所示为含Nd AZ91合金中α晶粒面积的统计分布图。 由图7(a)可知, AZ91基体合金的α晶粒面积远大于含Nd AZ91合金, 约有50%的α晶粒面积都集中于3000~4000μm²。 图7(b)所示为Nd含量对AZ91合金中α晶粒面积的影响。 由图7(b)可知, 加入0.5%Nd对AZ91合金中α晶粒细化作用最明显, 其中67% α晶粒面积都小于500μm², 其最大晶粒面积不超过1000μm²; 加入0.8%Nd的细化效果次之, 60% α晶粒面积都处于500~1000μm²范围内; 加入0.2%Nd细化效果最差, 其中58% α晶粒面积都为1000~2000μm², 但比AZ91合金中α晶粒面积小得多。 通过对晶粒尺寸和晶粒面积的测量与分析可知, 稀土元素Nd对AZ91合金中的α晶粒具有明显的细化作用。

图7   Nd对AZ91合金晶粒面积分布的影响

Fig.7   Effect of Nd on grain area distribution of AZ91 alloy

图8所示为AZ91-0.5%Nd铸态合金的显微组织。 由图8可知, 针状或粒状Al₃Nd化合物主要分布在晶界附近, 由此可见, 活性元素Nd在非平衡条件下存在正偏析, 凝固过程中易富集于固/液界面前沿造成成分过冷, 从而促进α晶粒均质形核的生成, 细化了晶粒。 利用差热分析法测量了AZ91和AZ91-0.5%Nd铸态合金的液相线温度表明, Nd的加入显著降低了合金的液相线温度, 进一步证明Nd是强成分过冷元素^[15]。 此外, 凝固过程中枝晶间析出的高熔点化合物Al₄Ce能机械阻碍α-Mg晶粒的长大, 有利于晶粒的进一步细化。

图8   AZ91-0.5%Nd合金的铸态显微组织

Fig.8   As-cast microstructure of AZ91-0.5%Nd alloy

3 结论

1) 在AZ91合金中加入0.2%~0.8%Nd可明显细化α晶粒, 晶粒平均尺寸由未细化前的108μm降至约31μm, 晶粒面积由3575μm²减少为920μm²。 当Nd含量为0.5%时, 其晶粒尺寸最小, 同时发现, 枝晶组织明显细化, 二次枝晶间距变小。 此外, β-Mg₁₇Al₁₂相由块状或网状变成弥散分布的粒状。 在结晶过程中, Nd富集在固/液界面的前沿引起成分过冷, 并增加了均质形核的数量。

2) 加入Nd后合金组织中形成了粒状和针状Al₃Nd化合物, 且粒状化合物比针状化合物多。

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(编辑李艳红)