王慧玲+李堯+楊俊杰

摘 要：研究了稀土元素Y、Nd和Gd混合添加到AZ91D鎂合金中，壓鑄件鎂合金AZ91D的力學性能以及微觀組織的影響，試驗結果表明：隨著稀土元素加入量的增加，AZ91D鎂合金的抗拉強度和伸長率都有所提高，晶粒得到了明顯的細化，但是過量的稀土元素又會使合金的力學性能下降。當稀土元素的質量分數(shù)為3%時，稀土元素對鎂合金的力學性能強化效果最好。室溫下最好的抗拉強度為260.5MPa，而經過固溶（T4）和時效（T6）熱處理后，綜合性能也得到了明顯的提高，組織也得到了細化。T4態(tài)最佳抗拉強度為282.99MPa，T6態(tài)最佳抗拉強度為270.33MPa，硬度得到了明顯的提高，其中鑄態(tài)下的最大硬度值為98HV。由此可得知稀土元素可能提高AZ91D鎂合金的力學性能。

關鍵詞：鎂合金；稀土元素；力學性能；熱處理

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2016.32.097

鎂合金是目前實際應用中最輕的金屬結構材料，具有高比強度和比剛度、高減振性、電磁屏蔽和抗輻射能力強，并且有優(yōu)良的導熱性和導電性，良好的尺寸穩(wěn)定性等一系列優(yōu)點。因此在汽車、電子電器、航天航空和國防軍事工業(yè)領域有著極其重要的應用價值和廣闊的應用前景，是繼鋼鐵和鋁合金以后發(fā)展起來的金屬結構材料，并被稱之為“21世紀的綠色工程材料”。其中AZ91D就是一種應用及其廣泛的壓鑄鎂合金，該合金的A代表鋁，Z代表鋅，“9”表示Al的含量為9%，“1”表示Zn的含量為1%左右。D表示是第四種登記的具有標準組成的鎂合金。但目前的生產實際中還存在一些技術難點使得鎂合金不能更加廣泛的應用到汽車中，其中對于稀土鎂合金的研究還存在許多不確定因素，因此對于稀土鎂合金還需要相關技術人員通過不斷的試驗來完善相關領域。本文以Mg-Gd合金作為基體，研究稀土元素Gd對鎂合金微觀組織和力學性能的影響，探索稀土元素Gd對AZ91D鎂合金材料的性能影響，從而為鎂合金在汽車領域中的廣泛應用提高技術基礎。

1 實驗

在工廠借助流水線生產設備，采用工業(yè)牌號AZ91鎂合金。AZ91鎂合金的成分（質量分數(shù)）為：Al9.1%，Zn0.93%，Mn0.36%，Si≤0.02，F(xiàn)e≤0.12，余量為Mg。加入稀土含量的設計成分為AZ91D-x%Y-y%Nd-z%Gd，加入量如表1所示。在8GWU型電阻爐中熔煉，用混合制冷劑YH134a和氮氣作為保護氣體，待合金達到690℃～710℃時，添加不同配比的Mg-Y、Mg-Nd、Mg-Gd稀土中間合金，攪拌均勻后保溫10分鐘左右，然后在J1125B型壓鑄機中壓鑄成實驗所需的AZ91型稀土鎂合金。壓鑄試樣尺寸和壓鑄型工藝按照國家標準GB/T13822-92《壓鑄有色合金試樣》規(guī)定要求設計。將試樣用MgO粉覆蓋，放入SX-4-10型箱式電阻爐中固溶（370℃×16h）后，快速投入冷水中淬火。再用105℃×10h固溶時效（T6）處理后空冷。

室溫拉伸的試樣尺寸如圖1所示，將室溫態(tài)和固溶（T4）以及T6各十個試樣通過型號為WDW-150KN型拉伸機上進行拉伸試驗測試，拉伸速率為5mm/min。將室溫下的試樣拉斷后通過型號為SU8010掃描電鏡觀察拉斷后的微觀形貌；用MDS型光學顯微鏡對鎂合金試樣（試樣尺寸如圖2所示）進行光學顯微觀察；用HVS-1000A型維氏硬度儀對合金進行硬度測試，試樣的尺寸如圖2所示。

2 試驗結果及討論

2.1 稀土元素對AZ91鎂合金拉伸性能的影響

圖3為不同稀土含量Y、Nd和Gd的AZ91鎂合金抗拉強度及伸長率變化曲線?？梢钥闯觯S著稀土元素質量分數(shù)的增加，鎂合金的強度和伸長率出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當加入0.6%的Gd時，合金的抗拉強度為240Mpa，伸長率為5.6%；當加入0.6%Y+1.2%Nd+1.2%Gd的稀土元素時，合金的抗拉強度最大，為260.5MPa，伸長率最大，為δ=9%。而當混合稀土的含量繼續(xù)增加時，合金的拉伸性能反而降低。由此可知：適量的混合稀土能夠增加AZ91鎂合金的室溫拉伸性能。

2.2 熱處理對稀土鎂合金力學性能的影響

圖4、圖5為合金室溫下和固溶處理后的拉伸數(shù)據對比圖?？梢钥闯觯倘芴幚砗蟮暮辖鹪诩尤胍欢康幕旌舷⊥梁?，合金的抗拉強度和伸長率相對于常溫下有所提高；并且當稀土元素的含量為4.8%時，合金的伸長率最大，為12.2%，固溶狀態(tài)后加入稀土元素的含量為3.6%時，合金的抗拉強度最大，為282.99MPa。相對于鑄態(tài)稀土鎂合金提高了65%，相對于純AZ91D鎂合金提高了很多。因此，我們可以看出，熱處理能夠在一定程度上更大幅度的提升稀土對鎂合金的力學性能。

2.3 稀土元素對鎂合金微觀組織的影響

2.3.1 稀土元素對鑄態(tài)鎂合金金相組織的影響

圖6分別是不含稀土、含1.2%的稀土以及2.4%的稀土的鎂合金的微觀組織。

從圖中的金相組織我們可以看出，隨著稀土含量的增加，合金的微觀組織是得到了細化，β相由粗大的網狀到半連續(xù)的網狀最后慢慢溶解的分布在α內，黑色顆粒物在減少。

2.3.2 熱處理對稀土鎂合金微觀組織的影響

圖7分別是1.2%的稀土的鎂合金在鑄態(tài)、370℃×16h固溶處理以及370℃×16h固溶+105℃×10小時時效處理的顯微組織。

從圖中我們可以看出，固溶處理能夠使合金的組織得到細化，粗大連續(xù)的網狀組織相對于固溶處理的重新析出，晶界中分布著細小顆粒狀組織物；

時效處理后，固溶時效后加入稀土元素，相對于固溶處理，晶界處又開始析出片層狀的物相，同時有呈現(xiàn)細小片層或者彌散顆粒狀的顆粒組織分布在晶界，數(shù)目增多。

通過相關文獻及分析可知：經過固溶處理的鎂合金，由于β相溶解，Al以置換原子的形式進入到α相中，從而起到了細化組織的作用。但是經固溶+時效處理后的鎂合金，β相再次析出，由晶界向晶內生長。

2.4 稀土元素對鎂合金的硬度的影響

如圖8是鑄態(tài)、固溶態(tài)（T4）以及時效態(tài)（T6）三種狀態(tài)下的硬度測量數(shù)據整理柱狀圖。

由實驗數(shù)據可看出，鑄態(tài)下向合金中加入適量的混合稀土元素可使合金的硬度提高，超過一定量的稀土元素后，硬度會降低。

根據相關文獻我們可以分析大致的原因是：由于稀土的加入，形成了高熔點的化合物，使得合金的硬度有所提升，同時再經過熱處理之后，合金由于固溶強化和時效硬化作用，從而在一定程度上提升了鎂合金的硬度。

3 結論

（1）在稀土元素的含量為3%（0.6%Y+1.2%Nd+1.2%Gd）時，鑄態(tài)合金的抗拉強度最大，為260.5MPa，伸長率最大，為δ=9%；固溶狀態(tài)后加入稀土元素的含量為3.6%時，合金的抗拉強度最大，為282.99MPa，伸長率為11.2%。固溶時效處理后加入的稀土含量序號為8號，即成分含量為1.2%Y+1.8%Nd+1.8%Gd，此時的抗拉強度最大，為270.33MPa，伸長率為10%。

（2）稀土元素的含量、成分以及熱處理方式的不同，對鑄態(tài)合金的抗拉強度、伸長率以及合金的組織的影響程度也不同；相對于鑄態(tài)合金，經過本實驗選擇的固溶時效處理后，向合金中加入混合稀土元素對合金的抗拉強度影響不大，有一點點的提高，伸長率有明顯的提高，而硬度降低；而相對于固溶態(tài)合金，固溶時效后向合金中加入混合稀土對合金會使合金的抗拉強度，伸長率及硬度均有明顯降低。

（3）向合金中加入適量的混合稀土元素Y，Nd和Gd后，鑄態(tài)合金的抗拉強度、伸長率及硬度都得到了提高，但是稀土元素超過了一定含量，反而會降低。

（4）鑄態(tài)下的最大硬度值為98HV，即含量為1.2Y+1.2Nd+1.2Gd的稀土鎂合金；固溶的最大硬度為104.72HV，合金含量1.2%Y+1.2%Nd+1.8%Gd，時效后的最大硬度為91.36HV，合金含量為0Y+0Nd+0.6%Gd。

（5）向合金中加入適量的混合稀土元素Y，Nd和Gd，能夠使合金的組織得到細化，均勻化。

經過本實驗選擇的固溶處理后，向合金中加入適量的混合稀土元素，相對于鑄態(tài)組織細化程度更明顯，同時網狀組織慢慢在溶解；經過本實驗選擇的固溶時效處理后，向合金中加入稀土元素同樣能夠使合金的組織得到細化，網狀組織同樣在溶解；但是，與鑄態(tài)和固溶態(tài)合金相比較而言，會有顆粒狀的彌散物析出。

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