急冷鑄造Mg—3wt%Nd系列合金顯微組織研究

摘 要：對Mg-3wt%Nd采用急冷處理，并與常規鑄造相應合金進行比較，分析顯微組織，探討了急冷后鑄造Mg-3wt%Nd系列合金中的Nd、Gd、Zn、Zr等元素不同存在形式和分布狀態下的合金的性能。

關鍵詞：急冷；顯微組織；Mg-3wt%Nd

我國具有豐富的稀土資源。稀土鎂合金的高強、耐熱、耐蝕性能不但能進一步增加鎂合金材料在汽車、通訊、電子等行業中的應用，也可促進鎂合金材料在新領域中的進一步開發，同時還為稀土材料的應用開辟出一個十分廣闊的領域， 對鎂合金材料和稀土材料的發展都具有極大的推動作用。采用先進工藝生產優質價廉的鎂稀土中間合金，開發稀土鎂應用合金以提高傳統鎂合金的諸多性能，用作鎂合金的成分開發出具有自主知識產權的一系列先進鎂合金材料，新產品，用來代替原材料日益減少的鋁及鋁合金產品，促進我國國防向現代化，交通工具和信息產業產品向新型工業化方向發展，具有重要意義。

1 試驗材料及方法

將純鎂，純釹（>99.8wt%）進行混合，在純氬氣保護下進行熔融，制備出Mg-3wt%Nd鑄態合金。將鑄態合金采用熔體旋鑄法，制備出橫截面積為（0.02-0.03）×（0.8-1.0）mm2的帶狀合金，銅輥的速度40m/s。

2 試驗結果與討論

2.1 光學顯微鏡下顯微組織檢測結果和透射電子顯微分析檢測結果

Mg-3wt%Nd急冷顯微組織可觀察到顯微組織單一，晶粒細小，主要為過飽和α-Mg固溶體相。鑄造Mg-3wt%Nd合金，經過X-射線衍射物相分析，被認定為Mg41Nd5相。因此鑄態樣品的組織由α-Mg固溶體和分布于晶界不連續的化合物Mg41Nd5組成。稀土元素Nd 在鎂中是表面活性元素，集聚在相界，降低了晶界能和相界能，提高了界面的結合力，降低了拉伸過程中裂紋的擴展速率。經過比較可知，急冷的方法可以大幅度減小晶粒尺度，達到細化晶粒的目的。

采用透射電鏡（TEM）對Mg-3wt%Nd急冷合金進行觀察，可觀察到晶粒尺寸均勻細小，由單一的物相α-Mg固溶體組成，與光學顯微鏡下觀察的結果一致，電子衍射分析結果α-Mg為密排六方結構晶體。對鑄態Mg-3wt%Nd合金進行TEM觀察表明基體中存在著大量的孿晶，且形成了大量的位錯，表明孿生是該合金變形的重要模式，并且由此產生了應變強化。

鑄造Mg-3wt%Nd系列合金的顯微組織Mg-Nd-Gd合金的顯微組織觀察到，在Mg基體中添加稀土元素Nd、Gd之后，在α-Mg的周圍滋生出許多的枝節狀的物相，這些枝節狀的物相存在于晶界上，也有一些滲入到α-Mg中去了。從Mg-Nd-Gd合金物相分析結果可知，在這種合金中Mg和稀土元素Nd能化合形成化合物Mg41Nd5。

Mg-Nd-Gd-Zn合金的顯微組織與Mg-Nd-Gd合金的顯微組織相比較發生了較大的變化，晶粒尺寸明顯變小，晶粒得到細化，并且在晶界處出現很多的黑色小顆粒，白色物相為α-Mg固溶體。通過物相分析結果知道，在這種合金中，不但Mg和稀土元素Nd能結合成化合物Mg41Nd5，新添加的元素Zn與Mg也形成化合物MgZn5.51，這些物相的形成，破壞了原來元素之間的結合方式，晶粒的尺寸變小。鋅在鎂中的最大固溶度為6.2wt%，是除鋁以外的另一種非常有效的合金化元素，具有固溶強化和第二相強化的雙重作用。

Mg-Nd-Gd-Zr合金即在Mg-Nd-Gd合金的基礎上加入Mg-Zr中間合金鑄造而成。晶粒尺寸與Mg-Nd-Gd合金相比，晶粒明顯細化。當合金中Zr含量為（0.6-0.8）wt%時，具有最大的細化晶粒和提高力學性能的作用，Zr在液態中的溶解度很小，液態金屬結晶時，Zr首先以α-Zr的質點析出，α-Zr與Mg均屬于密排六方晶體，而且晶格常數非常接近，因此液態金屬中的Zr就成為合金結晶的核心，從而促使晶粒細化。Zr還能減緩合金元素的原子擴散速度，阻止晶粒長大。

Mg-Nd-Gd-Zn-Zr顯微組織顯示，這種合金合金化元素最多，晶粒尺寸也是最均勻的，晶粒細化程度是最大的，這是因為加入的合金元素多，形成的多種化合物破壞了原來兩種元素間的結合機制，使得整個合金的混亂度增加，結晶時分割、阻礙晶體生長的物相增多，使細化晶粒的效果更加顯著。在上面的分析中已經說明元素Zr對鎂合金的晶粒細化作用很明顯，這里，Zr元素依然起到細化晶粒的作用，這是Mg-Nd-Gd-Zn-Zr合金晶粒細化的又一主要原因。二元Mg-RE合金的室溫拉伸性能都很差，不具有作為結構材料應用的意義，其主要原因是這些合金晶粒粗大而導致性能降低，自從發現Zr在鎂合金中具有顯著的晶粒細化作用之后，解決了這一問題，從而開發了一系列含稀土的鎂合金。盡管稀土對鑄態鎂合金的室溫拉伸性能影響很小，但是卻顯著提高鎂合金的高溫拉伸性能和蠕變強度，特別是對低鋁的Mg-Al合金，這一效果尤為突出。

因此就晶粒細化而言，Zn、Zr均有較強的細化晶粒的作用，相比之下，Zn的作用更強一些，可觀察到Zn、Zr都加入合金中，細化效果最佳。Mg-Nd-Gd-Zn、Mg-Nd-Gd-Zn-Zr顯微組織可觀察到共晶組織，即可發現加入Zn時，有共晶相變發生，產生的共晶組織分割晶體，有較強的細化晶粒效果。

3 結論

通過急冷的工藝方法可以大幅度減小晶粒尺度，達到細化晶粒的目的，同時可以通過快速冷卻改變合金的物相構成，鑄造狀態下的Mg-3wt%Nd合金由α-Mg和Mg41Nd5兩相構成，且Nd元素偏聚于晶界處，急冷后形成單一的α-Mg相，兩種狀態下的材料性能差別很大。在Mg-Nd合金中加入Zn、Zr都能起到細化晶粒的作用，當兩者同時加入時能獲得更強的細化晶粒效果。

[參考文獻]

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