稀土对镁合金液态锻造铸态组织的影响

文／赵华·广东松山职业技术学院

稀土对镁合金液态锻造铸态组织的影响

文／赵华·广东松山职业技术学院

赵华，副教授，工学学士，从事工程材料及模具专业教学，发表论文20余篇。

本文研究了加入适量的稀土元素对液态锻造镁合金组织的影响。结果表明，加入0.3%～0.6%稀土元素，使得镁合金组织细化，大大缩短了二次枝晶间距，改善了稀土化合物相颗粒状形态；有效地阻碍成形过程中位错的移动，使得镁合金性能得到了提高，改善了镁合金成形工艺难的弊端，促进了稀土镁合金的广泛应用。

前言

镁合金是典型的轻金属，具有“强度高、重量轻”、较佳的机械强度、抗冲击性及耐磨性特性。符合节能环保、可持续发展的要求，是取代铁合金及铝材的最佳选择。但镁合金的成形工艺从本质上还未得到根本完善。如压力铸造压铸件内部气孔严重，液态锻造合金烧损、氧化严重，而且在液态模锻过程因成形周期长导致晶粒过大使零件性能恶化等。稀土元素原子的电子层具有独特的特性，能起到强化合金及净化金属液，增加原子间的结合力的作用，从而改善合金性能。

液态锻造指在成形过程中，未凝固的金属自始至终都承受到等向静压力，还伴随有塑性变形，是在压力作用下进行凝固结晶，可以避免缩孔、缩松的产生。而且晶粒细小，组织致密，不发生重熔、再结晶等过程。采用半固态锻造镁合金的方法，既最大程度地保存了镁合金原料的优异性能，又能以简单、快速、低成本的方式，生产出符合强度要求的镁合金制件。但液态锻造的金属液态温度过高，金属液烧损，氧化严重。所以利用稀土改善液态锻造组织，完善液态锻造技术，提高成形质量是促进液态锻造技术广泛应用的根本。

实验方法

实验材料

实验所用材料为AZ91D。其化学成分见表1。

表1 AZ91D化学成分表

实验所用仪器设备

采用电阻加热坩埚炉熔化金属，浇铸镁锭，制作标准冲击试样及拉伸试样，磨制试样进行金相组织观察。采用YT32-200型液压机锻造成形，光学显微镜观察组织。实验设备还包括：万能试验机，摆锤式冲击试验机等。

结果分析

稀土细化了镁合金的铸态组织

通过观察铸态组织发现，加入0.3%稀土后，在30倍显微镜下观察，铸态组织明显细化，如图1所示。由于稀土元素具有缩小镁合金结晶温度区间，降低合金结晶的表面张力的作用，且稀土又是表面活性元素，能强烈地吸氢，因而大大降低了钢中氢气量，减少了形成柱状晶的引领相。再者，稀土能在液—固两相界面上富集，阻碍原子的扩散，降低晶粒长大的线速度，使相界面前继续形核、长大，结果晶粒得到细化。

图1 稀土的加入对镁合金二次枝晶的影响

稀土缩短了镁合金结晶的枝晶间距

镁与稀土形成的化合物在金属液结晶时作为外来的结晶晶核，因晶核的数量增加而使合金的组织细化。当稀土含量较低时(低于0.1%)，起到了有限固溶强化的作用，聚集在晶界增加了变形阻力，促进位错增殖，使强度提高。加入稀土后合金的铸态组织中合金晶粒明显减少，二次枝晶间距有所细化（表2）。

表2 镁合金二次枝晶间距表

由表2可知，加入稀土可以明显降低枝晶间距的大小，同时其标准方差值也在减小，说明各枝晶间距更趋均匀，晶粒更细小更均匀化，性能提高。

从图1a可以看出，未加稀土的镁合金组织中一次枝晶粗大，二次枝晶并不发达。从图2b可以看出，加入 0.6%的混合稀土后，一次枝晶几乎消失，二次枝晶发达，且枝晶间距明显小于未加稀土合金的枝晶间距。说明加入稀土后，合金的组织得到了细化，组织更加紧密。

稀土改善了镁合金第二相的形态和分布

稀土与Mg、Al和Si等合金元素形成的金属间化合物呈球状和短棒状分布在晶界或界内，当稀土含量大于0.3%时，稀土化合物主要存在晶内。稀土使第二相的形状、尺寸发生变化，第二相从长条状转变成短棒状或颗粒状，粒子的尺寸也变得比较细小，且呈弥散分布。在液态锻造成形时，稀土相的存在阻碍球状固相粒子的合并长大。这种变化在一定程度上都强化了镁合金。

结论

稀土元素在固液界面前沿富集引起成分过冷，过冷区形成新的形核带而形成细等轴晶，此外稀土的富集使其起到阻碍α-Mg晶粒长大的作用，细化了铸态组织；稀土元素的加入，缩短了枝晶间距，组织紧密；稀土改善了第二相的形态，减小了第二相的割裂作用，提高了性能；稀土镁化合物相，具有高熔点、高热稳定性等特点，呈细小粒子弥散分布于晶界和晶内，起到对晶界的钉扎作用，抑制晶界滑移，从而提高镁合金的强度和韧性。

同时稀土的加入避免了液态锻造金属液烧损和氧化。对改善液态锻造工艺过程，开发镁合金的应用，节能减排，绿色制造，促使液态锻造技术的应用起着重大的推进作用。