Y含量对汽车变速箱AK30镁合金显微组织及力学性能的影响

程正翠

Y含量对汽车变速箱AK30镁合金显微组织及力学性能的影响

程正翠

（安徽工业经济职业技术学院，安徽，合肥 230051）

采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、维氏硬度和拉伸-压缩试验机等手段，评价Y含量对AK30镁合金微观组织和力学性能的影响。研究结果发现，Y含量能够显著影响AK30镁合金凝固组织和力学性能。当合金中没有添加Y元素时，AK30镁合金的晶粒粗大，晶界处有大量的Mg3Zn相分布，力学性能最差。当合金中添加1%的Y元素时，AK30镁合金的晶粒尺寸没有发生变化，依然较大；但晶界处的Mg3Zn相却在减少，而合金的晶内却出现了少量的Mg3Y相，合金的力学性能增加。当合金中的Y含量增加到2%时，晶粒细化，晶体内析出了大量的Mg3Zn相与α-Mg相组成的共晶组织，力学性能达到最大值。当合金的Y含量增加到4%时，晶粒粗化，且大量的Mg3Zn脆性相在晶界处析出，合金的力学性能下降。为了提高AK30镁合金的力学性能，应该向AK30镁合金中添加2%的Y元素。

AK30镁合金；Y含量；凝固组织；力学性能

0 引言

经济的快速发展使人类对化石能源的需求逐渐增加，这也带来了环境的恶化和能源储备的加速枯竭等一系列的严重后果，因此节能减排受到了世界各国的重视。特别是交通工具的能源消耗以及废气排放等问题更是社会各个阶层的关注焦点，而交通工具的轻量化却是解决这个焦点问题的关键[1-3]。要解决交通工具轻量化的问题就应该使用性价比更高的材料。镁合金由于具有许多优异的性能，例如其强度高、储量丰富等而吸引了大家的注意，特别是以AK30为代表的变形镁合金。由于以AK30为代表的变形镁合金具有轻质、高强、耐热等诸多优点，因此可用于汽车变速箱壳体以及底座等方面，被称为本世纪最有前景的绿色工程材料[4-5]。然而AK30镁合金像其他镁合金一样都存在着塑性较差的问题，该问题已经严重影响了AK30镁合金在工业中的大规模应用。

目前，第二相强化是提高变形镁合金力学性能的有效方法之一[6]。在变形镁合金中出现的第二相可以有效减少合金的表面偏析，降低合金的加工难度，提高加工速度，同时可以改善合金的组织，提高镁合金的塑性。目前，稀土Y的添加能够引起第二相强化，提高合金的力学性能的作用已经被大量的实验所证实[7-9]。例如，刘斌等[7]研究了稀土Y在镁合金的开发和应用情况，并重点讨论了Y对镁合金力学性能的影响。马钢等[8]详述了Y在镁合金中的应用情况，并讨论了Y改善镁合金的组织和力学性能的机理。张清等[9]研究了Y的添加对镁合金AZ91力学性能的影响作用。研究结果表明，随着Y的增加，合金的抗拉强度和延伸率都逐渐增加，合金的力学性能得到改善。

以往关于稀土元素影响合金组织和性能的工作都是集中在研究稀土元素细化晶粒的机理，然而稀土元素是如何影响凝固微观组织和力学性能的工作并没有引起人们的足够重视。本文以AK30-Y(=0, 0.5%, 1%, 1.5%)镁合金为研究对象，通过SEM、XRD，硬度以及压缩试验等测试手段，研究Y的添加量对AK30镁合金显微组织及力学性能的影响。

1 试验

1.1 原料制备

为了制备实验所需的合金，本实验选用AK30镁合金和Mg-Y中间合金，AK30镁合金化学成分(wt.%)为Zn:2.93%；Zr:0.46%；Mg余量，Mg-Y中间合金的化学成分(wt.%)为Mg:70%；Y:30%。在AK30合金熔炼的过程中逐渐加入Mg-Y中间合金以配制Y含量分别为0%，1%，2%，4% (wt.%)的四种合金。每次在合金制备之前都必须要用抛光机将原料的表面打磨干净并且要预热一段时间以除去原料当中可能存在的水分，然后将已经完全预热好的原料放入不锈钢坩埚中。为了防止出现原料与空气接触后的氧化现象，我们将装有原料的不锈钢坩埚置于通有保护气体的电阻炉内熔炼，其中保护气体为体积比为1:200的SF6和CO2。熔炼完成后，将熔液浇注到同一种模具中，制备成实验所需的样品。

1.2 性能测试及组织观察

1）将四种已经熔炼好的合金铸锭用线切割切开，并经过一系列的粗磨、精磨进行抛光后，用4%的硝酸酒精溶液腐蚀这四种合金的表面。

2）采用LEICA MEF4M型光学显微镜观察这四种已经腐蚀好的合金表面微观形貌，每个试样的不同部位都应至少拍摄3次。

3）采用JSM-6480lv型扫描电镜对四种已经熔炼好的合金表面进行微观形貌观察。采用荷兰帕纳科公司的X-Pert Powder型X射线衍射分析仪和美国EDAX公司的能谱仪分别对合金的相结构和表面化学成分进行分析。

4）采用HVS-1000型显微维氏硬度计测量这四种合金的表面硬度。不同区域的硬度值取5个，试样的最终硬度值为这五个硬度值的平均值。其中，硬度计的负荷为500 g，持续时间为15 s。

5）采用WDW-200D拉伸-压缩实验机测试这四种合金的拉伸和压缩等力学性能。其中，每一种试样的最大测试力以及拉伸-压缩速度分别为10 kN和1 mm/min，拉伸或压缩实验直到试样断裂才能停止。

2 实验结果与讨论

2.1 Y含量对AK30镁合金组织的影响

图1显示了AK30镁合金在Y含量分别为0，1%，2%和4%时的铸态微观组织形貌。从图中可以看出，对于未添加Y元素的AK30镁合金(图1a)，其微观组织主要包括白色的基体相和黑色的析出物构成。当Y含量增加到1%时(见图1b)，合金的晶粒尺寸没有发生变化，依然较大；但晶界内的黑色析出物却在减少，而晶界内却出现了少量灰色的析出物。随着Y含量增加到2%时(见图1c)，AK30合金的晶粒明显得到了细化，在晶界内出现了黑色析出物和灰色析出物相间的组织，该组织是非常典型的共晶组织。AK30合金的晶粒细化可能与灰色的组织在晶界处的大量析出有关，因为该灰色组织在晶界处的大量析出将会增加合金溶体的液-固界面前沿液相区的过冷度，过冷度的增加会促使合金的凝固过程严重地偏离其凝固平衡曲线[10]，从而促进枝晶生长，晶粒细化；同时，在凝固过程当中析出的α-Mg初生相也会加速促进液-固界面前沿的成分过冷[10]。随着液-固界面前沿液相区的溶质原子含量的减少，过冷度也随之降低，晶粒却会逐渐得到细化。当Y含量为4%时(见图1d)，合金的晶粒尺寸却在增加，在晶界处析出的呈粒状和网状分布的灰色Mg3Y相和黑色Mg3Zn相，这主要是由于Y在合金当中的含量过高造成的。

(a) 0; (b) 1%; (c) 2%; (d) 4%

2.2 Y含量对AK30合金相的影响

从图1中可知，向AK30合金当中添加Y元素后会产生三种不同物相。为了鉴别白色的基体相、灰色的析出物和黑色的析出物这三种不同物相的成分，我们对Y含量为1%的AK30镁合金进行了SEM 形貌及EDS点分析与测试，结果如图2所示。通过分析图2的测试结果可知，该白色基体相主要由镁元素构成，灰色析出物主要由Mg和Y元素构成，而黑色析出物主要由Mg和Zn元素构成。为了进一步鉴别这三种物相的结构，我们分别对四种Y含量不同的合金进行了XRD测试，测试结果如图3所示。测试的分析结果表明，在没有添加Y元素的AK30合金中存在着两种物相，它们是α-Mg和Mg3Zn相；而只有向AK30合金添加Y元素后才出现的结构被证实是Mg3Y相。这说明了Y元素完全固溶到合金的基体当中，形成了一种新相。从Mg-Y二元相图中也可以知道，Y在Mg中的溶解度很低，Y在纯Mg中的溶解度只有约3.1%。因此向AK30合金当中添加少量的Y元素时，会在合金中形成大量的Mg3Y相，而Mg3Y相的大量析出将会促进合金溶体的液-固界面前沿液相区的过冷度的增加，促进晶粒形核，使晶粒显著细化。

图2 Y含量为1%的AK30镁合金的 SEM 形貌及EDS点分析

图3 AK30合金在不同Y含量下的X射线衍射谱

2.3 Y含量对AK30合金力学性能的影响

图4为AK30合金在Y含量分别为0，1%，2%和4%时所对应的合金压缩率和维氏硬度变化图。通过观察它们的变化可知，合金的维氏硬度和压缩率都与Y的含量密切相关。随着合金当中的Y含量增加，其所对应的压缩率和维氏硬度都是经历先增加后降低的过程。当合金中Y元素的含量为0时，合金所对应的压缩率和维氏硬度都是很低，其值分别只有12%和87 HV；而当合金中Y元素的含量增加到2%时，合金所对应的压缩率和维氏硬度已达到最高值，其值分别为18%和113 HV；但当合金中Y元素的含量增加到4%时，合金所对应的压缩率和维氏硬度都出现下降的趋势，其值分别为11.2%和93 HV。

图4 不同Y含量的AK30合金的力学性能图

图5为AK30镁合金在Y含量分别为0，1%，2%和4%时所对应的压缩屈服强度和极限拉伸强度变化图。通过观察它们的变化可知，合金的压缩屈服强度和极限拉伸强度也都与Y的含量密切相关。随着合金当中的Y含量增加，其所对应的压缩屈服强度和极限拉伸强度都是经历先增加后降低的过程。当合金中Y元素的含量为0时，合金所对应的压缩屈服强度和极限拉伸强度都是很低，其值分别只有171 MPa和275 Mpa；而当合金中Y元素的含量增加到2%时，合金所对应的压缩屈服强度和极限拉伸强度已达到最高值，其值分别为201 MPa和418 MPa，但当合金中Y元素的含量增加到4%时，合金所对应的压缩率和维氏硬度都下降，其值分别为165 MPa和320 MPa。由此可以得出，Y元素的含量能显著影响AK30镁合金的力学性能。

图5 不同Y含量下的AK30合金的力学性能图

随着合金中的Y元素含量从0增加到2%时，其力学性能都显著地提高，这可能是受第二相强化和细晶强化共同影响。通过观察合金的微观组织可知，合金中Y元素的含量从0逐渐增加到2%时，合金的晶粒也随之细化。当合金的晶粒在逐渐细化时，根据霍尔-佩奇公式[11-12]可知，其所对应的力学性能也将逐渐提高。随着合金中的Y元素含量增加到2%时，合金中析出了大量的Mg3Y相，并且这些Mg3Y相在合金中起到了很好的第二相强化的作用。但当合金中的Y元素含量继续增加时，晶界处的Mg3Zn相也将大量析出。由于Mg3Zn相是脆性相，因此当这些Mg3Zn相在晶界大量析出时，将会严重影响合金的力学性能，这与我们所观察的结果完全一致。

4 结论

本文主要研究了Y含量对AK30镁合金组织和力学性能的影响。得出如下结论：

(1) Y的含量在0~2%的范围内，随着Y含量增加，AK30镁合金晶粒逐渐细化；

(2) 当Y的含量为2%时，合金的力学性能最好；

(3) Y元素的添加会使合金中形成Mg3Y相；

(4) 第二相强化和细晶强化共同影响了AK30镁合金的力学性能。

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Effect of Y Content on Solidification Microstructure and Mechanical Properties of Automobile Gearbox AK30 Magnesium Alloy

CHENG Zheng-cui

(Anhui college of Industrial Economy Vocational Technology, Hefei, Anhui 230051, China)

In this paper, the effect of Y content on the solidification microstructureand the mechanical properties of AK30 alloy was preliminarily investigated by optical microscope (OM), scanning electron microscope (SEM), X-ray diffraction (XRD), Vickers hardness, and tensile-compressive testing machine. Y content could effect on solidification microstructure and the mechanical properties of AK30 alloy. It was found that the increase of Y content could refine thesolidification microstructure obviously. At(Y)=0, the morphology of primary phases was coarse and a number of Mg3Zn phase existed ingrain boundary. At(Y)=1%, size of grain did not change and there were a small number of Mg3Zn phase ingrain boundary. However, there existed a small number of Mg3Y phase ingrain. At(Y)=2%, size of grain was refined, and there were many eutectic structures ingrain. At(Y)=4%, the morphology of primary phases was coarse again, and there were many brittle phases ingrain boundary. However, with the increase of Y content, the mechanical properties of AK30 alloy increased at first, then decreased. in order to improve the mechanical properties of AK30 alloy, it should add 2% of Y content to AK30 alloy.

AK30 magnesium alloy, Y content, solidification microstructure, mechanical properties

TG 147

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2019.05.014

1674-8085(2019)05-0072-05

2019-02-19；

2019-03-21

安徽省自然科学研究项目(2018zk01)

程正翠(1965-)，女，安徽合肥人，副教授，高级工程师，主要从事金属材料、热处理质量检测及分析等研究(E-mail: chengzc19@sina.com).