稀土元素Nd對鑄造鎂合金組織和性能的影響

張云霞，宮本奎，王 茜，崔培培

（山東理工大學，山東 淄博255049）

1 前言

鎂合金是目前實際應用的質量最輕的金屬結構材料，其密度1.35～1.8 g/cm3，比強度與比模量高，阻尼、電磁屏蔽、鑄造及切削加工等性能優異，是繼鋼鐵和鋁合金之后最有發展潛力的新型結構材料，被譽為“21世紀的超輕金屬材料和綠色結構材料”。但鎂合金耐蝕性較差，高溫強度和蠕變性能較低，是制約其大規模應用的瓶頸問題［1］。由于鎂合金的的應用日益廣泛，對鎂合金組織和性能的要求愈來愈高，各種元素對鎂合金性能影響的研究越來越深入。

2 稀土元素Nd的應用現狀

稀土元素在自然界中主要以單礦物形式存在，其天然豐度小，又以氧化物或含氧酸鹽礦物共生形式存在。Nd在自然界中存量豐富，是當今稀土元素家族中最為重要的成員。幾十年前，釹鐵硼永磁材料的誕生，使釹身價百倍。氧化釹和金屬釹已成為左右稀土市場、刺激稀土產業迅猛發展的動力。金屬Nd主要應用于制備釹鐵硼永磁材料，以其優異的性能廣泛用于電子、機械等行業。稀土元素能夠細化鎂合金晶粒，提高鎂合金的高溫性能、氣密性和耐腐蝕性［2］。隨著科學技術的發展，Nd將被應用于更廣闊的領域。

3 Nd對鎂合金鑄態組織和性能的影響

3.1 對AZ91鎂合金的影響

AZ91（Al 8.3%～9.7%、Zn 0.35%～1.0%、Mn 0.15%～0.5%、Mg余量）是應用最廣的鑄造鎂合金之一，具有良好的綜合力學性能。經T6處理，其抗拉強度可以達到275 MPa，但其塑性較差、熱處理強化效果與高溫性能低，且其中的Mg2Al2Zn相耐蝕性較差，具有應力腐蝕開裂傾向，成為AZ91應用推廣的制約因素。

李萍［3］研究了室溫和150℃下不同Nd含量的AZ91合金，加入適量的Nd能明顯細化其鑄態組織，樹枝晶向等軸晶轉化，其力學性能較好；加入量為1%時，AZ91合金的抗拉強度達到最大，延伸率隨著Nd的加入逐漸降低。劉生發等［4］研究發現，Nd對α-Mg有顯著的細化作用，使晶粒平均尺寸由未細化前的108 μm降至約31 μm，β相Mg17Al12由塊狀或網狀變成彌散分布的粒狀，組織中出現了粒狀和針狀Al3Nd化合物，Nd的最佳加入量為0.5%。

Nd對鎂合金的腐蝕性能有一定的影響。楊潔等發現［5］，適量Nd加入AZ91合金中，使Mg17Al12相變得斷續、彌散，生成了Al3Nd相及Mg2Al2Mn2Nd2Fe金屬間化合物；在3.5%NaCl溶液中自腐蝕電位升高，且與Al、O生成了不連續的致密的氧化膜，Al、Nd元素在表面膜中的富集提高了鎂合金的耐腐蝕性能；劉生發等認為［6］，Nd提高了鎂合金的平衡電位和腐蝕電位，降低了腐蝕電流，從而提高了鎂合金的耐腐蝕性能。

加入單一適量稀土元素，能夠大幅度地提高AZ91鎂合金的強度，是因稀土元素與Al反應生成Al-RE化合物，起彌散強化作用；稀土元素能顯著地細化合金組織，有細晶強化效果。如果復合加入多種稀土，鎂合金基體中可以形成多種稀土化合物，起到彌散強化作用，同時多種成分的晶界強化、細晶強化和固溶作用，可使復合加入多種稀土成分的鎂合金強度高于加入單一稀土成分的鎂合金［7］。

張金山指出［8］：當La添加至1.4%時，隨著針狀Al11La3相的增加，割裂了基體，降低了La的強化作用。Nd、La復合添加時，形成的稀土相較單加時細小彌散，減輕了稀土相對基體的割裂作用；加入1.0%La與1.5%Nd的AZ91合金力學性能最好，其鑄態合金的抗拉強度和斷后伸長率分別為235 MPa和10%，復合添加更能有效地改善AZ91的性能。范艷、李秋書等認為［9］：將稀土元素Nd和Ce混合加入到AZ91D中明顯細化合金組織，減少了熱穩定性較低的β-Mg17Al12相數量，形成了高熔點熱穩定的稀土相Al2Nd和Al4Ce，起到了良好的彌散強化效果；當加入1.0%Nd和0.6%Ce時，合金的室溫強度和高溫抗拉強度同時達到最大值，抗拉強度分別提高32.6%和29.4%，伸長率分別提高156%和191.1%。

3.2 對AZ31鎂合金的影響

AZ31B鎂合金（Al 3.1%、Si 0.03%、Ca 0.05%、Zn 0.82%、Mn 0.335%、Be 0.1%、Fe 0.005%、Mg余量）按制造工藝可分為變形鎂合金和鑄造鎂合金。鑄造鎂合金在室溫和高溫下的機械性能良好，AZ31B主要用于機件殼罩、汽車零件等。

李明照等［10-11］向AZ31B中添加0.6%的Nd，發現Nd不但可以細化AZ31合金的鑄態組織，而且顯著提高了合金的鑄態性能，使合金的鑄態抗拉強度由135 MPa增加到245 MPa，伸長率由3%增加到9%。劉敏娟等［11］指出，Nd的加入提高了AZ31的力學性能。余琨等［12］在AZ31中分別添加稀土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）相均勻分布，具有很好的強化和耐腐蝕作用；試樣腐蝕表面形成了一層致密且附著力強的腐蝕產物，從而阻止腐蝕進行。鄭偉超等［13］在研究混合稀土（主要有Ce、La、Nd）對AZ31B合金組織和力學性能影響時發現，稀土的添加導致了AZ31B性能的降低和組織的粗大。

3.3 對其他鎂合金的影響

在汽車鎂合金使用總量中，AZ91和AM60（Al 5.6%~6.4%、Zn 0.26%~0.5%、Mn 0.26%~0.5%、Mg余量）兩種鎂合金的使用量占90%。AM60合金韌性好于AZ91合金，但其強度不及AZ91合金，因此提高AM60合金的力學性能成為急需解決的問題［14］。毛祖莉等［15］在AM60合金中加入少量的Nd，其鑄態組織得到了細化，出現了針狀的新相。當Nd含量為1.2%時，晶粒較細，彌散度較好，力學性能較高，但隨Nd元素含量的增加，其晶粒變得粗大，力學性能降低。張俊遠等［16］的研究表明，添加0.9%Nd的AM60合金力學性能顯著提高，Rm達230 MPa，Rp0.2為127 MPa，A為14%。若繼續增加Nd含量，使晶粒粗大，影響了合金力學性能的提高。

AM50鎂合金（Al 4.4%~4.5%、Zn 0.22%、Mn 0.26%~0.6%、Si 0.1%、Mg余量）綜合力學性能較好，應用廣泛。雖然其韌性較好，抗沖擊能力強，但抗拉強度偏低，抗蠕變能力和熱強性差，不能滿足一些使用要求［17］。王越等［18］研究了AM50鎂合金添加Nd后在不同溫度下的抗拉強度、屈服強度及伸長率。結果表明：添加Nd可生成彌散分布、高熔點、熱穩定的顆粒相Mg12Nd，明顯地改善了AM50合金的高溫拉伸性能。

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）也是一種汽車用鎂合金，鋁含量較AZ91D的低，其綜合力學性能非常接近AZ91D，鑄造性能良好［19］。王小強等［20］研究發現：稀土元素Nd主要是通過固溶強化、析出強化和細晶強化提高了合金的室溫和高溫強度，改善了合金的塑性；將Nd和Y復合加入（2%）到AZ81鎂合金中，合金的室溫強度最高達282.5 MPa，與未加稀土的AZ81相比強度提高了39%。

吳偉等［21］在AZ61鎂合金（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，結果表明：當Nd的含量為0.5%時，晶粒最細，此時力學性能最好。隨著Nd的進一步增加，熱擠壓時的強度有所降低，伸長率也呈現降低的趨勢。蘆笙等［22］將Nd加入到ZK60鎂合金（Al 0.05%、Zn 5.0%~6.0%、Mn 0.1%、Zr 0.3%~0.9%、Mg余量）中，合金具有較高的強度與良好的塑性，但耐腐蝕性能差；Nd的加入提高了ZK60鎂合金腐蝕電位，大大減小了腐蝕電流，減緩了在NaCl溶液中的腐蝕速率，提高了合金的耐腐蝕性能。

4 結語

我國是鎂、鎂合金和稀土的生產大國，稀土資源占世界稀土儲量的80%以上，為開發高質量的稀土鎂合金提供了優良的條件。我國在變形稀土鎂合金方面的研究與美國、日本等發達國家相比還有很大差距。由于加入稀土元素后合金成本較高，早前鎂合金主要應用于航空航天、導彈等軍工領域［23］。美軍將鎂合金應用于2l世紀士兵武器和先進的水陸兩棲突擊車，采用了鎂合金表面防護技術；法國將鎂合金材料應用于制備MK50式反坦克槍榴彈部分零件，其全彈質量僅為800 g。在民品領域，應用于汽車發動機箱體、變速箱殼、舵桿件、氣缸蓋、支撐、賽車及航空飛行器的變速箱殼體等。我國已將鎂合金應用于軍事和民品領域，但其應用面較窄。

稀土對鎂合金具有凈化、細化、合金化作用，可產生細晶強化、固溶強化、時效沉淀強化和彌散強化。目前，稀土在鎂合金中的作用機制存在著爭論，輕稀土與重稀土元素產生交互作用、GP區的形成以及凈化與變質作用等都有待進一步研究［24］，還有許多需要解決的工藝技術問題。為此，稀土應用科技人員須做出更大的努力，應不斷改進完善現有的稀土鎂合金，同時開發低成本、較高性能的新的稀土鎂合金，開發與之相對應的先進工藝技術，使稀土鎂合金得到廣泛合理的應用。

［1］ Zhou.T，Chen.D，Chen.Z.H，et al.Investigation on microstructures and proper ties of rapidly solidified Mg 26wt.%Zn 25wt.%Ca 23wt.%Ce alloy［J］.Journal of Alloys and Compounds，2009（475）：124.

［2］ 楊素媛，張麗娟，張堡壘.稀土鎂合金的研究現狀及應用［J］.稀土，2008，29（4）：81-86.

［3］ 李萍.Nd對鎂合金AZ91力學性能的影響［J］.有色金屬，2008，60（1）：22-24.

［4］ 劉生發，王慧源，康柳根，等.釹對AZ91鎂合金鑄態組織的影響［J］.中國有色金屬學報，2006，16（3）：464-469.

［5］ 楊潔，易丹青，鄧姝皓.微量Nd對AZ91微觀組織及腐蝕性能的影響［J］.材料科學與工程學報，2008，26（2）：251-255.

［6］ 劉生發，王慧源，徐萍.釹對AZ91鎂合金腐蝕性能的影響［J］.鑄造，2006，55（3）：296-299.

［7］ 梁艷，黃曉峰，王韜，等.高強鎂合金的研究狀況與發展趨勢［J］.中國鑄造裝備與技術，2008，12（2）：8-12.

［8］ 裴麗霞，張金山，高義斌，等.稀土元素鑭對AZ91鎂合金顯微組織及硬度的影響［J］.鑄造設備研究，2005（1）：20-22.

［9］ 范艷艷，李秋書，柴躍生，等.Nd和Ce對AZ91D鎂合金顯微組織和力學性能的影響［J］.鑄造，2009，58（7）：713-716.

［10］ Li Mingzhao,Fan Jinping,Zhang Junyuan.Effect of neodymium on as-cast microstructure and mechanical properties of AZ31 wrought alloy［J］.Journal of Rare Earths,2007，25：188-193.

［11］ 劉敏娟，李秋書，莫漓江，等.稀土元素對AZ31鎂合金組織和力學性能的影響［J］.鑄造設備與工藝，2010（2）：28-31.

［12］ Yu Kun,Li Wenxian,Wang Richu.Rolling deformation and strengthening mechanism of Mg-Al-Zn(RE)magnesium alloy［J］.Rare Metal Materials and Engineering,2006，35（11）：1 748-1 752.

［13］ Zhang Weichao,Li Shuangshou,Tang Bin.Effect of rare earth on microstructure and mechanical properties of AZ31B wrought magnesium alloy［J］.The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2006，16（2）：197-204.

［14］ Tian.T,Rabute.R,Wong VW,et al.柴油機活塞-活塞環動力學對環-環槽磨損和機油消耗的影響［J］.國外內燃機，1999，31（6）：41-57.

［15］ 毛祖莉，黃曉鋒，傳海軍，等.Nd元素對AM60鎂合金組織及力學性能的影響［J］.中國鑄造裝備與技術，2007，13（4）：15-17.

［16］ 張俊遠，王社斌，王帥，等.釹對AM60鎂合金顯微組織和力學性能的影響［J］.機械工程材料，2009，33（2）：28-31.

［17］ Polm.L J,et al.Magnesium alloys and applications［J］.Materials Science and Technology，1994，10：1-16.

［18］ 王越，林立，李鋒，等.釹對壓鑄AM50鎂合金力學性能的優化作用［J］.鑄造，2003，52（10）：732-736.

［19］ 鄧鋼，張京萍.壓鑄鎂合金的市場及應用［J］.特種鑄造及有色合金，2006（1）：46.

［20］ 王小強，李全安，張興淵，等.稀土元素Y、Nd對AZ81鎂合金組織和高溫性能的影響［J］.材料熱處理學報，2007，28：62-66.

［21］ 吳偉，盛曉方，鄒智厚，等.稀土元素Nd在熱擠壓AZ61鎂合金中的作用［J］.沈陽工業大學學報，2007，29（1）：24-27.

［22］ 蘆笙，侯志丹，徐榮遠，等.釹對鑄態ZK60鎂合金組織和耐腐蝕性能的影響［C］//第15屆全國腐蝕與表面保護技術研討會暨首屆全國腐蝕與表面保護技術青年論壇論文集，寧波：2007：42-48.

［23］ 馬鋼，郭勝利.稀土在鎂合金中的應用［J］.寧夏工程技術，2005（6）：268.

［24］ 辛明德，吉澤升.稀土元素在鑄造鎂合金中應用的研究現狀及其發展趨勢［J］.中國稀土學報，2010，28（6）：643-653.