稀土元素Nd对铸造镁合金组织和性能的影响

张云霞，宫本奎，王 茜，崔培培

（山东理工大学，山东 淄博255049）

1 前言

镁合金是目前实际应用的质量最轻的金属结构材料，其密度1.35～1.8 g/cm3，比强度与比模量高，阻尼、电磁屏蔽、铸造及切削加工等性能优异，是继钢铁和铝合金之后最有发展潜力的新型结构材料，被誉为“21世纪的超轻金属材料和绿色结构材料”。但镁合金耐蚀性较差，高温强度和蠕变性能较低，是制约其大规模应用的瓶颈问题［1］。由于镁合金的的应用日益广泛，对镁合金组织和性能的要求愈来愈高，各种元素对镁合金性能影响的研究越来越深入。

2 稀土元素Nd的应用现状

稀土元素在自然界中主要以单矿物形式存在，其天然丰度小，又以氧化物或含氧酸盐矿物共生形式存在。Nd在自然界中存量丰富，是当今稀土元素家族中最为重要的成员。几十年前，钕铁硼永磁材料的诞生，使钕身价百倍。氧化钕和金属钕已成为左右稀土市场、刺激稀土产业迅猛发展的动力。金属Nd主要应用于制备钕铁硼永磁材料，以其优异的性能广泛用于电子、机械等行业。稀土元素能够细化镁合金晶粒，提高镁合金的高温性能、气密性和耐腐蚀性［2］。随着科学技术的发展，Nd将被应用于更广阔的领域。

3 Nd对镁合金铸态组织和性能的影响

3.1 对AZ91镁合金的影响

AZ91（Al 8.3%～9.7%、Zn 0.35%～1.0%、Mn 0.15%～0.5%、Mg余量）是应用最广的铸造镁合金之一，具有良好的综合力学性能。经T6处理，其抗拉强度可以达到275 MPa，但其塑性较差、热处理强化效果与高温性能低，且其中的Mg2Al2Zn相耐蚀性较差，具有应力腐蚀开裂倾向，成为AZ91应用推广的制约因素。

李萍［3］研究了室温和150℃下不同Nd含量的AZ91合金，加入适量的Nd能明显细化其铸态组织，树枝晶向等轴晶转化，其力学性能较好；加入量为1%时，AZ91合金的抗拉强度达到最大，延伸率随着Nd的加入逐渐降低。刘生发等［4］研究发现，Nd对α-Mg有显著的细化作用，使晶粒平均尺寸由未细化前的108 μm降至约31 μm，β相Mg17Al12由块状或网状变成弥散分布的粒状，组织中出现了粒状和针状Al3Nd化合物，Nd的最佳加入量为0.5%。

Nd对镁合金的腐蚀性能有一定的影响。杨洁等发现［5］，适量Nd加入AZ91合金中，使Mg17Al12相变得断续、弥散，生成了Al3Nd相及Mg2Al2Mn2Nd2Fe金属间化合物；在3.5%NaCl溶液中自腐蚀电位升高，且与Al、O生成了不连续的致密的氧化膜，Al、Nd元素在表面膜中的富集提高了镁合金的耐腐蚀性能；刘生发等认为［6］，Nd提高了镁合金的平衡电位和腐蚀电位，降低了腐蚀电流，从而提高了镁合金的耐腐蚀性能。

加入单一适量稀土元素，能够大幅度地提高AZ91镁合金的强度，是因稀土元素与Al反应生成Al-RE化合物，起弥散强化作用；稀土元素能显著地细化合金组织，有细晶强化效果。如果复合加入多种稀土，镁合金基体中可以形成多种稀土化合物，起到弥散强化作用，同时多种成分的晶界强化、细晶强化和固溶作用，可使复合加入多种稀土成分的镁合金强度高于加入单一稀土成分的镁合金［7］。

张金山指出［8］：当La添加至1.4%时，随着针状Al11La3相的增加，割裂了基体，降低了La的强化作用。Nd、La复合添加时，形成的稀土相较单加时细小弥散，减轻了稀土相对基体的割裂作用；加入1.0%La与1.5%Nd的AZ91合金力学性能最好，其铸态合金的抗拉强度和断后伸长率分别为235 MPa和10%，复合添加更能有效地改善AZ91的性能。范艳、李秋书等认为［9］：将稀土元素Nd和Ce混合加入到AZ91D中明显细化合金组织，减少了热稳定性较低的β-Mg17Al12相数量，形成了高熔点热稳定的稀土相Al2Nd和Al4Ce，起到了良好的弥散强化效果；当加入1.0%Nd和0.6%Ce时，合金的室温强度和高温抗拉强度同时达到最大值，抗拉强度分别提高32.6%和29.4%，伸长率分别提高156%和191.1%。

3.2 对AZ31镁合金的影响

AZ31B镁合金（Al 3.1%、Si 0.03%、Ca 0.05%、Zn 0.82%、Mn 0.335%、Be 0.1%、Fe 0.005%、Mg余量）按制造工艺可分为变形镁合金和铸造镁合金。铸造镁合金在室温和高温下的机械性能良好，AZ31B主要用于机件壳罩、汽车零件等。

李明照等［10-11］向AZ31B中添加0.6%的Nd，发现Nd不但可以细化AZ31合金的铸态组织，而且显著提高了合金的铸态性能，使合金的铸态抗拉强度由135 MPa增加到245 MPa，伸长率由3%增加到9%。刘敏娟等［11］指出，Nd的加入提高了AZ31的力学性能。余琨等［12］在AZ31中分别添加稀土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）相均匀分布，具有很好的强化和耐腐蚀作用；试样腐蚀表面形成了一层致密且附着力强的腐蚀产物，从而阻止腐蚀进行。郑伟超等［13］在研究混合稀土（主要有Ce、La、Nd）对AZ31B合金组织和力学性能影响时发现，稀土的添加导致了AZ31B性能的降低和组织的粗大。

3.3 对其他镁合金的影响

在汽车镁合金使用总量中，AZ91和AM60（Al 5.6%~6.4%、Zn 0.26%~0.5%、Mn 0.26%~0.5%、Mg余量）两种镁合金的使用量占90%。AM60合金韧性好于AZ91合金，但其强度不及AZ91合金，因此提高AM60合金的力学性能成为急需解决的问题［14］。毛祖莉等［15］在AM60合金中加入少量的Nd，其铸态组织得到了细化，出现了针状的新相。当Nd含量为1.2%时，晶粒较细，弥散度较好，力学性能较高，但随Nd元素含量的增加，其晶粒变得粗大，力学性能降低。张俊远等［16］的研究表明，添加0.9%Nd的AM60合金力学性能显著提高，Rm达230 MPa，Rp0.2为127 MPa，A为14%。若继续增加Nd含量，使晶粒粗大，影响了合金力学性能的提高。

AM50镁合金（Al 4.4%~4.5%、Zn 0.22%、Mn 0.26%~0.6%、Si 0.1%、Mg余量）综合力学性能较好，应用广泛。虽然其韧性较好，抗冲击能力强，但抗拉强度偏低，抗蠕变能力和热强性差，不能满足一些使用要求［17］。王越等［18］研究了AM50镁合金添加Nd后在不同温度下的抗拉强度、屈服强度及伸长率。结果表明：添加Nd可生成弥散分布、高熔点、热稳定的颗粒相Mg12Nd，明显地改善了AM50合金的高温拉伸性能。

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）也是一种汽车用镁合金，铝含量较AZ91D的低，其综合力学性能非常接近AZ91D，铸造性能良好［19］。王小强等［20］研究发现：稀土元素Nd主要是通过固溶强化、析出强化和细晶强化提高了合金的室温和高温强度，改善了合金的塑性；将Nd和Y复合加入（2%）到AZ81镁合金中，合金的室温强度最高达282.5 MPa，与未加稀土的AZ81相比强度提高了39%。

吴伟等［21］在AZ61镁合金（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，结果表明：当Nd的含量为0.5%时，晶粒最细，此时力学性能最好。随着Nd的进一步增加，热挤压时的强度有所降低，伸长率也呈现降低的趋势。芦笙等［22］将Nd加入到ZK60镁合金（Al 0.05%、Zn 5.0%~6.0%、Mn 0.1%、Zr 0.3%~0.9%、Mg余量）中，合金具有较高的强度与良好的塑性，但耐腐蚀性能差；Nd的加入提高了ZK60镁合金腐蚀电位，大大减小了腐蚀电流，减缓了在NaCl溶液中的腐蚀速率，提高了合金的耐腐蚀性能。

4 结语

我国是镁、镁合金和稀土的生产大国，稀土资源占世界稀土储量的80%以上，为开发高质量的稀土镁合金提供了优良的条件。我国在变形稀土镁合金方面的研究与美国、日本等发达国家相比还有很大差距。由于加入稀土元素后合金成本较高，早前镁合金主要应用于航空航天、导弹等军工领域［23］。美军将镁合金应用于2l世纪士兵武器和先进的水陆两栖突击车，采用了镁合金表面防护技术；法国将镁合金材料应用于制备MK50式反坦克枪榴弹部分零件，其全弹质量仅为800 g。在民品领域，应用于汽车发动机箱体、变速箱壳、舵杆件、气缸盖、支撑、赛车及航空飞行器的变速箱壳体等。我国已将镁合金应用于军事和民品领域，但其应用面较窄。

稀土对镁合金具有净化、细化、合金化作用，可产生细晶强化、固溶强化、时效沉淀强化和弥散强化。目前，稀土在镁合金中的作用机制存在着争论，轻稀土与重稀土元素产生交互作用、GP区的形成以及净化与变质作用等都有待进一步研究［24］，还有许多需要解决的工艺技术问题。为此，稀土应用科技人员须做出更大的努力，应不断改进完善现有的稀土镁合金，同时开发低成本、较高性能的新的稀土镁合金，开发与之相对应的先进工艺技术，使稀土镁合金得到广泛合理的应用。

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