Y,Ce对Mg-Mn-RE系合金显微组织和力学性能的影响

2011-08-16刘喜明

长春工业大学学报 2011年4期

隋美, 刘喜明

(长春工业大学材料科学与工程学院,吉林长春 130012)

0 引言

镁合金是目前最轻的结构金属材料,具有比重小、比强度和比刚度高、阻尼性能好、切削加工性好、导热性好等优点。但是镁合金的强度不高,特别是高温性能较差,所以提高镁合金的室温强度和高温强度是镁合金研究中要解决的首要问题[1-4]。为此,研究了能使镁合金性能有所提高的新型镁合金,尤其近年来较广泛深入研究的稀土镁合金,以少量多元为基本合金化原则,新合金的基本属性在诸多方面不被人们认知,目前可能提供的基本信息也很不全面[5]。在众多稀土元素中,Y和Ce备受人们关注。稀土元素 Y在Mg中的固溶极限可达12.4%,随着温度下降,溶解度降低,析出高熔点的析出相,抑制扩散,对基体起到析出强化的作用,提高高温性能。此外,Ce单独加入到镁合金中可以提高力学性能,同时Ce在镁合金中溶解度很小,凝固时Ce原子被排挤到固液界面,可以阻止已有晶体生长、形成较大的成分过冷,以促进形核,并使晶体分枝形成细的缩颈,易于熔断脱落,从而细化镁合金晶粒[6]。因此,文中以Mg-Mn二元合金作为基合金,采用微合金化(加入Y,Ce,Gd,Er等)熔炼设计了几种合金,对加入不同含量的Y,Ce的Mg-Mn-RE系合金进行比较,对比分析了几种合金的铸态显微组织、微区成分、物相构成及力学性能,为Mg-Mn-RE系列合金的工程应用和高性能新合金的研制提供了实验依据。

1 实验材料及方法

实验用原料为Mg(99.5wt%),Mg-10wt%Mn,Mg-20wt%Y,Mg-20wt%Ce中间合金,其中Gd,Dy,Ho和Er等稀土元素包含在中间合金中。首先将镁加热到720℃,保温30 min;当镁全部熔化后,加入Mg-Mn中间合金,然后继续升温至780℃,保温30 min,最后在铸型为80 mm的钢模中以720℃的浇铸温度进行浇铸;用同样的方法,在加入4种不同含量的Mg-Mn中间合金后,缓慢加入4种不同含量的Mg-Y和Mg-Ce中间合金,保温 30 min后,搅拌5 min,以保证 Y和Ce的充分均匀分布,然后静置处理,最后同样在铸型为80 mm的钢模中以720℃的浇铸温度进行浇铸。为防止镁合金的氧化与燃烧,在整个熔炼和浇注过程中用CO2-0.05%SF6混合气体进行保护。

对5种实验合金进行化学成分分析,结果见表1。

表1 Mg-Mn-RE合金的化学成分 wt%

分别在5个铸锭中间部位取样,然后用Ni-KON EPIPHOT 300型金相显微镜对显微组织进行分析。用D/Max 2000/PC型X射线衍射仪(X-ray Diffraction,XRD)分析相组成,实验条件为Cu靶Kα,Ni滤波片,扫描速度1°/min,扫描范围 20°～80°。

用FM-700型显微硬度计进行硬度测试,测试条件为:载荷为25 g,加载时间为15 s,每个数据为同一个试样同一表面的不同3点的平均值。用有效尺寸为15 mm×4 mm×2 mm拉伸样品在CM T5205型电子万能材料试验机(拉伸实验体系)上进行拉伸试验。

2 实验结果

2.1 合金的铸态组织

Mg-Mn-RE系合金铸态显微组织如图1所示。

图1 加入不同Y和Ce含量的Mg-Mn-RE合金的显微组织

可以看出,1#Mg-Mn合金的晶粒粗大,颗粒较少。对比2#,3#和5#合金,其Ce含量相同,显微组织的改变是由Y含量的不同决定的,随着Y含量的增加,组织变得不均匀,析出的合金化颗粒增多,达到了第二相强化的效果(见图1(b),(c),(e));对比3#和4#合金,其 Y 含量相同,显微组织的改变是由Ce含量的不同决定的,随着Ce含量的增加,可以在某些晶粒内部应力高度集中的地方观察到带状细小的孪晶(见图1(d))。

2.2 合金的化学成分

为了确定加入稀土前后Mg-Mn-RE系合金微区成分的变化,对1#Mg-Mn合金和2#Mg-Mn-RE合金进行能谱分析。Mg-Mn-RE系合金的能谱分析如图2所示。

结果表明,在两种合金中,基体都是Mg元素,在1#Mg-Mn合金晶粒内部主要是由Mg单质和Mn单质组成;在2#Mg-Mn-RE合金晶粒内部的合金相颗粒主要是由Mg-Y和Mg-Ce组成。

2.3 合金的物相检测结果

Mg-Mn-RE合金XRD图谱如图3所示。

为了确定含有稀土元素合金中新生成化合物的成分,对比了1#Mg-Mn和4#Mg-Mn-RE合金的XRD谱,结果见图3(a);为了确定含有不同量稀土的Mg-Mn-RE合金新生化合物是否有相同,对比了2#,3#,4#和5#Mg-Mn-RE合金的XRD谱,结果见图3(b)。

结果表明,1#Mg-Mn合金是由2-Mg相构成;2#,3#,4#和5#Mg-Mn-RE合金是由2-Mg相、Mg12Ce相和Mg24Y5相构成。

图2 Mg-Mn-RE合金EDS分析

图3 Mg-Mn-RE合金XRD图谱

2.4 合金的力学性能测试结果

对Mg-Mn-RE系合金进行显微硬度测定,结果见表2。

表2 Mg-Mn-RE合金的显微硬度

由于4#合金的Y和Ce的含量均为2#合金的2倍,为了对比Y和Ce对合金的共同作用的结果,对两种合金进行室温拉伸性能测定,拉伸速度为0.5 mm·min-1,结果见表3。

表3 Mg-Mn-RE合金的拉伸性能

3 分析与讨论

3.1 Y,Ce对合金显微组织的影响

Y和Mg均为密排六方晶格,晶格常数很接近,原子半径也相差不大[7]。通过金属结晶原理中晶粒形核核心的原则,可以得出:Y成为α-Mg的异质结晶核心,进而阻碍晶粒的长大,起到对镁合金细晶强化的作用。Ce在镁合金中溶解度很小,凝固时Ce原子被排挤到固液界面,可以阻止已有晶体生长,形成较大的成分过冷以促进形核,并使晶体分枝形成细的缩颈,易于熔断脱落,从而细化镁合金晶粒。合金中形成化合物Mg12Ce,Mg24Y5,在结晶过程中会首先析出,阻止镁合金晶粒的长大和晶界的滑移,细化了晶粒。Y和Ce同时添加时,它们的细化作用叠加,从而促进了铸态合金组织的细化。

利用X射线衍射仪分析试样的相组成,结果表明,由Mg-Mn二元合金相图[8]可知,在Mn含量低于2.0%时,Mg与Mn不发生任何反应,只是以一种含Mn量高的方式从基体组织中析出,而实验所用的Mg-Mn-RE系合金中,Mn含量均低于2.0%,所以Mg与 Mn不能形成化合物,加入的Mn原子是以纯Mn的形式从基体α-Mg中析出(在能谱中体现了Mn的存在)。但由于Mn元素含量少,在XRD中无法检测到它们以何种形式存在。因此,1#Mg-Mn合金主要是由基体组织α-Mg组成。与1#Mg-Mn合金XRD谱相同,Mg-Mn-RE合金的XRD谱存在着α-Mg基体的峰,但是同时出现了Mg-Mn合金XRD谱中不存在的Mg12Ce和 Mg24Y5相的峰。对比 4种Mg-Mn-RE合金,可以发现加入Y,Ce量的不同,只改变了衍射线的强度,并没有改变新生成化合物的成分。由此可以推断,合金组织中出现的化合物应为Mg12Ce和Mg24Y5。由于Gd,Dy,Ho和Er等稀土元素含量比Mn的含量还小,更加无法检测到。

3.2 Y,Ce对合金力学性能的影响

从表2可以看出,在5种合金中,4#和5#合金的硬度最高,均超过60,1#Mg-Mn合金的硬度最低,这是由于在5种合金中5#合金Y含量最多,4#合金中Ce含量最多,1#合金中未加入稀土元素。可见加入Y和Ce的合金硬度显著增强。由于2#,3#和5#合金的Ce含量相同,其硬度的变化取决于Y的含量,Y对Mg-Mn-RE合金硬度的影响如图4所示。