稀土對鎂合金液態(tài)鍛造鑄態(tài)組織的影響

文／趙華·廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院

稀土對鎂合金液態(tài)鍛造鑄態(tài)組織的影響

文／趙華·廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院

趙華，副教授，工學(xué)學(xué)士，從事工程材料及模具專業(yè)教學(xué)，發(fā)表論文20余篇。

本文研究了加入適量的稀土元素對液態(tài)鍛造鎂合金組織的影響。結(jié)果表明，加入0.3%～0.6%稀土元素，使得鎂合金組織細(xì)化，大大縮短了二次枝晶間距，改善了稀土化合物相顆粒狀形態(tài)；有效地阻礙成形過程中位錯的移動，使得鎂合金性能得到了提高，改善了鎂合金成形工藝難的弊端，促進(jìn)了稀土鎂合金的廣泛應(yīng)用。

前言

鎂合金是典型的輕金屬，具有“強(qiáng)度高、重量輕”、較佳的機(jī)械強(qiáng)度、抗沖擊性及耐磨性特性。符合節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的要求，是取代鐵合金及鋁材的最佳選擇。但鎂合金的成形工藝從本質(zhì)上還未得到根本完善。如壓力鑄造壓鑄件內(nèi)部氣孔嚴(yán)重，液態(tài)鍛造合金燒損、氧化嚴(yán)重，而且在液態(tài)模鍛過程因成形周期長導(dǎo)致晶粒過大使零件性能惡化等。稀土元素原子的電子層具有獨(dú)特的特性，能起到強(qiáng)化合金及凈化金屬液，增加原子間的結(jié)合力的作用，從而改善合金性能。

液態(tài)鍛造指在成形過程中，未凝固的金屬自始至終都承受到等向靜壓力，還伴隨有塑性變形，是在壓力作用下進(jìn)行凝固結(jié)晶，可以避免縮孔、縮松的產(chǎn)生。而且晶粒細(xì)小，組織致密，不發(fā)生重熔、再結(jié)晶等過程。采用半固態(tài)鍛造鎂合金的方法，既最大程度地保存了鎂合金原料的優(yōu)異性能，又能以簡單、快速、低成本的方式，生產(chǎn)出符合強(qiáng)度要求的鎂合金制件。但液態(tài)鍛造的金屬液態(tài)溫度過高，金屬液燒損，氧化嚴(yán)重。所以利用稀土改善液態(tài)鍛造組織，完善液態(tài)鍛造技術(shù)，提高成形質(zhì)量是促進(jìn)液態(tài)鍛造技術(shù)廣泛應(yīng)用的根本。

實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用材料為AZ91D。其化學(xué)成分見表1。

表1 AZ91D化學(xué)成分表

實(shí)驗(yàn)所用儀器設(shè)備

采用電阻加熱坩堝爐熔化金屬，澆鑄鎂錠，制作標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣及拉伸試樣，磨制試樣進(jìn)行金相組織觀察。采用YT32-200型液壓機(jī)鍛造成形，光學(xué)顯微鏡觀察組織。實(shí)驗(yàn)設(shè)備還包括：萬能試驗(yàn)機(jī)，擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)等。

結(jié)果分析

稀土細(xì)化了鎂合金的鑄態(tài)組織

通過觀察鑄態(tài)組織發(fā)現(xiàn)，加入0.3%稀土后，在30倍顯微鏡下觀察，鑄態(tài)組織明顯細(xì)化，如圖1所示。由于稀土元素具有縮小鎂合金結(jié)晶溫度區(qū)間，降低合金結(jié)晶的表面張力的作用，且稀土又是表面活性元素，能強(qiáng)烈地吸氫，因而大大降低了鋼中氫氣量，減少了形成柱狀晶的引領(lǐng)相。再者，稀土能在液—固兩相界面上富集，阻礙原子的擴(kuò)散，降低晶粒長大的線速度，使相界面前繼續(xù)形核、長大，結(jié)果晶粒得到細(xì)化。

圖1 稀土的加入對鎂合金二次枝晶的影響

稀土縮短了鎂合金結(jié)晶的枝晶間距

鎂與稀土形成的化合物在金屬液結(jié)晶時作為外來的結(jié)晶晶核，因晶核的數(shù)量增加而使合金的組織細(xì)化。當(dāng)稀土含量較低時(低于0.1%)，起到了有限固溶強(qiáng)化的作用，聚集在晶界增加了變形阻力，促進(jìn)位錯增殖，使強(qiáng)度提高。加入稀土后合金的鑄態(tài)組織中合金晶粒明顯減少，二次枝晶間距有所細(xì)化（表2）。

表2 鎂合金二次枝晶間距表

由表2可知，加入稀土可以明顯降低枝晶間距的大小，同時其標(biāo)準(zhǔn)方差值也在減小，說明各枝晶間距更趨均勻，晶粒更細(xì)小更均勻化，性能提高。

從圖1a可以看出，未加稀土的鎂合金組織中一次枝晶粗大，二次枝晶并不發(fā)達(dá)。從圖2b可以看出，加入 0.6%的混合稀土后，一次枝晶幾乎消失，二次枝晶發(fā)達(dá)，且枝晶間距明顯小于未加稀土合金的枝晶間距。說明加入稀土后，合金的組織得到了細(xì)化，組織更加緊密。

稀土改善了鎂合金第二相的形態(tài)和分布

稀土與Mg、Al和Si等合金元素形成的金屬間化合物呈球狀和短棒狀分布在晶界或界內(nèi)，當(dāng)稀土含量大于0.3%時，稀土化合物主要存在晶內(nèi)。稀土使第二相的形狀、尺寸發(fā)生變化，第二相從長條狀轉(zhuǎn)變成短棒狀或顆粒狀，粒子的尺寸也變得比較細(xì)小，且呈彌散分布。在液態(tài)鍛造成形時，稀土相的存在阻礙球狀固相粒子的合并長大。這種變化在一定程度上都強(qiáng)化了鎂合金。

結(jié)論

稀土元素在固液界面前沿富集引起成分過冷，過冷區(qū)形成新的形核帶而形成細(xì)等軸晶，此外稀土的富集使其起到阻礙α-Mg晶粒長大的作用，細(xì)化了鑄態(tài)組織；稀土元素的加入，縮短了枝晶間距，組織緊密；稀土改善了第二相的形態(tài)，減小了第二相的割裂作用，提高了性能；稀土鎂化合物相，具有高熔點(diǎn)、高熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)，呈細(xì)小粒子彌散分布于晶界和晶內(nèi)，起到對晶界的釘扎作用，抑制晶界滑移，從而提高鎂合金的強(qiáng)度和韌性。

同時稀土的加入避免了液態(tài)鍛造金屬液燒損和氧化。對改善液態(tài)鍛造工藝過程，開發(fā)鎂合金的應(yīng)用，節(jié)能減排，綠色制造，促使液態(tài)鍛造技術(shù)的應(yīng)用起著重大的推進(jìn)作用。