稀土元素Gd、Ce对AZ31镁合金的硬化行为

李 娜， 韩利强

（1.太原理工大学材料工程学院， 山西 太原 030024；2.大同煤矿集团公司，山西 大同 037003）

试（实）验研究

稀土元素Gd、Ce对AZ31镁合金的硬化行为

李 娜1，2， 韩利强2

（1.太原理工大学材料工程学院， 山西 太原 030024；2.大同煤矿集团公司，山西 大同 037003）

将变形AZ31镁合金作为研究对象，研究了将不同含量的元素Gd和Ce加入该合金模型之后形成的AZ31-8Re镁合金的力学性能和铸态组织等特性以及镁合金的金相微观组织和力学性能，系统地比较了不同含量的稀土元素对镁合金力学性能的影响，探讨了稀土元素Gd和Ce对AZ31变形镁合金的金相组织的影响以及对其的时效硬化行为。

AZ3l镁合金 稀土元素Gd、Ce 显微组织 显微硬度

镁元素是地球上储藏量极为丰富的元素之一，也是在许多高科技工业领域中应用最为广泛、结构最轻的金属，镁合金有许多良好的特性，例如导电性能突出、电磁屏蔽性能好、阻尼减震、比强度和比刚度高、易加工成形、导热性能优良和易于回收等。基于上述众多优点，相关变形镁合金产品的加工与相关衍生产品的研发能力已被视为一项评价一个国家有色金属加工水平的重要标志［1-2］。变形镁合金具有更优良的综合性能，更适合制作大型结构件，满足多样化的要求。

镁没有磁性且具有良好的能量吸收特性，兼具优异的尺寸稳定性与良好的能量吸收特性，此外还具有良好的抗震性能。作为较容易加工成形的金属，加工镁的成本很低，用市面常见的廉价切削工具即可加工出精度较高的工件［3-8］。镁合金拥有良好的可焊接性能，镁合金压铸件的使用寿命要优于铝合金，正是由于压铸技术的发展才使得一些难以铸造的薄壁铸件得以问世。但是镁合金由于自身的六方晶体结构，导致其塑性差、变形加工难度系数大而无法被广泛使用［9-10］。

本研究通过运用合金化的方式来达到改善镁合金组织结构和提高其相关性能的目的，也就是说通过在镁合金中添加其他元素来细化合金的基体相，进而达到改善脆性化合物杂质等第二相的形貌以及分布，从而提高镁合金的使用性能。稀土元素（RE）由于具有较大的原子半径这种独特的原子结构，其原子半径与Mg相差15%以下，在室温条件下，呈密堆六方结构；且由于Mg-RE的亚稳定相为超点阵结构，与Mg基体能够形成共格/半共格关系。由于RE溶于Mg熔体后能够引起合金基体的电子云密度变化，这样就为减慢原子扩散速率和提高原子与原子之间的结合力而提供了相应的热力学基础。因此本论文通过添加适量的RE来改善提AZ31镁合金的加工成形性和力学性能。具体为添加不同含量的稀土元素Gd和Ce，制成五种不同含量的铸态合金，用金相显微镜（OM）和时效硬度等测试手段，对合金的显微组织演变进行表征，探讨不同Gd和Ce含量的AZ31镁合金的时效硬化行为。

1 实验方法

Mg-Al系变形镁合金属于中等强度塑性较高的变形材料，本实验采用代表性合金之一的AZ31镁合金。在熔炼合金过程中，使用的原料如Mg、Al、Zn等均采用镁锭（99.95%）、工业纯铝锭（99.90%）和工业锌锭（99.95%），稀土元素选择Gd和Ce元素，Gd以Mg-30%Gd中间合金为原料，Ce以纯Ce为添加合金。用托盘天平称量制备不同含量的合金，并注意防止杂质进入溶液中。制备后Mg、Mn、Al等常量元素的含量由火花原子放射光谱仪（SPARKLAB）测定，用等离子体光谱仪IRIS IntrepidⅡ（ICP）测定Re元素的含量，测定结果如下页表1所示。

使用OM观察和拍摄试样金相组织的微观结构；硬度检测过程在HVS-1000A型（载荷50 gf、加载时间30 s）硬度计上进行，测定规定时间后合金的显微硬度。

表1 测定结果 %

2 实验结果

2.1 显微组织结果（见图1）

图1 合金显微组织图

2.2 合金硬度的测量结果

硬度测试在HVS-1000A型（载荷50 gf、加载时间30 s）硬度计上检测，合金硬度的测量结果如图2所示。

图2 合金硬度的测量结果

3 分析与讨论

通过显微组织观察可知，稀土Gd和Ce的加入细化了AZ31镁合金的组织。这是由于加入了稀土元素Gd、Ce后，元素间形成化合物的难易程度发生了改变，更易形成化合物［11］。由稀土Ce与铝在晶界处析出的Ce-Al相能够阻止α-Mg基向外部生长，并会造成晶界处Al含量的减少，从而阻碍了β-Mg17Al12相的形成，因而减少了β相，同时减小了晶粒尺寸，最终起到了细化晶粒的作用。

加入稀土元素Ce与Gd后，AZ31镁合金的组织发生了以下变化：其组织更加细化，生成了新相Al4Ce、Al2Gd，β相分布范围变大且β相的析出量相对减少。这种变化首先是由于新加入的稀土元素Ce与Gd产生了有效的异质形核质点，另外，也是Ce、 Gd与Al相互作用形成的新相与Gd、Ce本身的抑制晶粒长大作用的结果。

用HVS-1000A型（载荷50 gf、加载时间30 s）硬度计对每个样品进行测定，在每个样品上的不同地方进行3～5次打点测试，记录各点的数据，统计并处理数据，通过对每个样品的数据求平均值，算出各个样品的维氏硬度值，以m（Gd）/m（Ce）为横坐标，样品的硬度值为纵坐标，用origin软件作出AZ31-8Re合金的硬度与m（Gd）/m（Ce）的关系图，如图3所示。

图3 合金的硬度随m（Gd）/m（Ce）变化的关系图

由图3可知，随着m（Gd）/m（Ce）值的增大，AZ31合金的硬度都先增大后减小，其中当镁合金为AZ31-7.5Gd-0.5Ce时，合金硬度达到最大值91.35449，这比不加任何稀土元素的AZ31镁合金的硬度提高了很多。因此，7.5Gd-0.5Ce的稀土配比最大程度地改善了AZ31镁合金的硬度。

金属塑性是由硬度指标来衡量的，金属塑性变形抗力随硬度值的增大而增大，其塑性变形能力则会随之变差，合金的内部组织结构变化在一定程度上也取决于硬度，在添加了稀土元素Gd和Ce后，AZ31合金的第二相分布变得更加弥散，原本连续在一起的第二相被打散成断开的网状，这样更方便提高其硬度［12］。另一方面，加入Gd和Ce后会减少第二相的析出，生成的Al2Gd相是比第二相更硬的稀土化合物，它对合金的强化作用更强，进而使得合金的显微硬度得到提高。

4 结论

1）不同含量的Gd和Ce的添加可以提高α-Mg晶核形核率，并因在一定条件下随着对添加量的增多而阻碍了Mg、Al原子的扩散，枝晶不能充分地补充Mg原子而放慢长大速度，粗大的β-Mgl7A112相逐步断开成为细小的弥散颗粒状，使得晶界得以细化，进而细化了AZ31合金组织［13］。

2）Gd和Ce对AZ31镁合金硬度的影响：Gd和Ce添加后析出的硬而脆的稀土化合物A12Gd和Al4Ce，其数量随Gd含量的增加而增加，尺寸增大，而且由于其具有高稳定性，可以在合金组织中均匀分布，进而使合金硬度得到增强；Gd的固溶度在镁合金基体中较高，部分Gd固溶后溶于基体，产生了固溶强化，造成的晶格畸变硬化了合金基体，从而提高了合金的硬度。Gd和Ce对AZ31合金硬度的影响是通过“析出强化、细晶强化和固溶强化来”实现的。

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（编辑：胡玉香）

The Hardening Behavior of Gd、Ce and AZ31 Rare Earth Elements on Magnesium Alloy

LI Na，HAN Liqiang
（1.College of Material Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan Shanxi 037000；2.Datong Coal Mine Group Co.，Ltd.，Datong Shanxi 037003）

Taking AZ31 magnesium alloys for the study，in which the basis of added varying amounts of rare earth elements Gd and Ce，this paper studies cast structure and mechanical properties of AZ31-8Re magnesium alloy and the metallographic microstructure and mechanical properties of magnesium alloy，and compares the effect of different amounts of rare earth elements Gd and Ce on mechanical properties of magnesium alloy，and explores the effect of rare earth elements Gd and Ce on metallographic microstructure and age-hardening behavior of magnesium alloys AZ3l.

AZ31 magnesium alloy，rare earth elements Gd&Ce，microstructure，microhardness

TG142.33

A

1672-1152（2016）05-0001-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.05.01

2016-10-12

李娜（1987—），女，太原理工大学在职工程硕士研究生，现就职于同煤集团永煤公司干部科。