等溫處理對(duì)Mg—3Al—2Ca—2Nd組織和性能的影響

王凱鋒　馮義成　張靖　趙思聰　王麗萍　郭二軍

摘要：為了研究等溫處理工藝對(duì)Mg3Al2Ca2Nd合金組織和性能的影響，利用XRD、OM、SEM、EDS及拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行組織觀察和性能測(cè)試。結(jié)果表明，與鑄態(tài)組織相比，420℃等溫處理的組織變化不明顯，隨著等溫處理溫度升高，鑄態(tài)枝晶組織消失，轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶組織且晶粒尺寸變大。在等溫處理過程中，Al11Nd3相發(fā)生分解，生成熱穩(wěn)定性高的Al2Nd相，而Al原子固溶到αMg基體中；層片狀A(yù)lCa金屬間相轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀組織。隨等溫處理溫度增加，硬度、抗拉強(qiáng)度和延伸率先增加后降低，在480℃時(shí)達(dá)到最大值，其值分別為66.3HV、144.5MPa和2.7%。

關(guān)鍵詞：鎂合金；等溫處理；顯微組織；力學(xué)性能

DOI：10.15938/j.jhust.2018.01.007

中圖分類號(hào)： TG166；TB31

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2018）01-0035-06

Abstract：The microstructure and mechanical properties of Mg3Al2Ca2Nd alloy ascast and isothermal treated were studied by using XRD， OM， SEM， EDS and universal tensile testing machine. The experimental results indicate that the microstructure of Mg3Al2Ca2Nd alloy isothermal treated at 420℃ changes slightly compared to that of ascast alloy. With the increasing of isothermal treated temperature， the dendritic structure in ascast Mg3Al2Ca2Nd alloy disappears， equiaxed grains appear， and the size of grain increases in isothermal treated Mg3Al2Ca2Nd alloy. The Al11Nd3 phases decompose and the Al2Nd phases with high thermal stability are produced， and the Al is dissolved into αMg in the process of isothermal treatment. The flake AlCa phases are changed into particle phases in the process of isothermal treatment. With the increasing of isothermal treated temperature， the hardness， tensile strength and elongation of Mg3Al2Ca2Nd alloy increase first and then decrease， and the maximum value of hardness， tensile strength and elongation of Mg3Al2Ca2Nd alloy treated at 480℃ are 66.3 HV， 144.5 MPa and 2.7%， respectively.

Keywords：magnesium alloy； isothermal treatment； microstructure； mechanical property

0引言

作為高性能輕合金材料，鎂合金具有比強(qiáng)度高、鑄造成形性好、阻尼吸震降噪性能優(yōu)越、電磁屏蔽能力強(qiáng)等優(yōu)異性能，被稱為“21世紀(jì)最具開發(fā)應(yīng)用潛力的綠色工程材料”，并在《新材料產(chǎn)業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》中被列為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，成為國(guó)內(nèi)外普遍關(guān)注的焦點(diǎn)[1-5]。MgAl系合金是目前應(yīng)用最廣泛的鎂合金系列，在汽車和3C工業(yè)上發(fā)展極其迅速，汽車工業(yè)已成為鎂合金應(yīng)用的主要驅(qū)動(dòng)力，在汽車工業(yè)上的鎂合金的消費(fèi)占其總消費(fèi)80%左右。在MgAl系合金中加入堿土元素或（和）稀土元素形成耐熱穩(wěn)定的金屬間相，抑制βMg17Al12相的形成，改變MgAl系合金顯微組織，從而提高耐熱性能[6-9]。近年來，在MgAl系合金中復(fù)合加入堿土元素和稀土元素研究受到企業(yè)及研究者們的極大重視。在MgAl合金中加入合金元素Ca和Nd，可以顯著提高合金的力學(xué)性能和阻燃性能[10-12]，MgAlCaNd四元合金中各元素之間可以形成多種金屬間相，金屬間相在基體中的穩(wěn)定性影響MgAl系合金的耐熱性能，通過等溫處理，評(píng)價(jià)Ca和Nd復(fù)合合金化MgAl系合金中金屬間相的穩(wěn)定性[13-15]，從而可以間接評(píng)價(jià)其耐熱性能。

因此，本文在本課題組前期研究的基礎(chǔ)上，選用Mg3Al2Ca2Nd鎂合金為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行高溫等溫處理，研究等溫處理對(duì)Mg3Al2Ca2Nd鎂合金的顯微組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1試驗(yàn)材料與方法

原材料選用純度99.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的純Mg錠和99.7%的純Al 錠，合金元素Ca和Nd分別以Mg30Ca和Mg26.4Nd中間合金的形式加入。鎂合金試樣采用井式電阻爐熔煉，坩堝采用低碳鋼坩堝，實(shí)驗(yàn)所用原材料均需200℃預(yù)熱烘干。當(dāng)電阻爐爐溫升至500℃，將預(yù)熱的純Mg錠和純Al錠加入坩堝中，并在Mg錠和Al錠表面撒一層RJ2覆蓋劑，然后電爐升溫至720℃，直至純Mg錠和純Al錠熔化，然后升溫至750℃，加入MgCa和MgNd中間合金，然后保溫15min，攪拌，然后將熔煉好的合金澆注到預(yù)熱溫度為200℃的金屬型中。鎂合金鑄錠直徑為60mm，高度為200mm，澆注過程中采用SF6+CO2作為保護(hù)氣體。將制備的鑄錠切割為厚度為25mm的圓片，備等溫處理用。本研究根據(jù)MgAlCa及MgAlNd相圖以及相關(guān)文獻(xiàn)[16，17]選擇等溫溫度為420℃、450℃、480℃和510℃，等溫處理時(shí)間固定為11h。

對(duì)不同等溫處理工藝的鎂合金試樣進(jìn)行微觀組織觀察、XRD分析及力學(xué)性能測(cè)試。采用Rigaku Rotaflex D/MA X射線衍射分析儀對(duì)鑄態(tài)試樣和等溫處理試樣進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。金組織觀察試樣3.5%的硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，采用OLYMPUSGX71光學(xué)顯微鏡和 FEI Sirion 2000掃描電鏡觀察組織和形貌，并用能譜分析進(jìn)行典型相的成分分析。硬度測(cè)試采用維氏硬度計(jì)，加載力為1N，保壓時(shí)間為15s，每個(gè)試樣測(cè)7個(gè)點(diǎn)，取平均值。利用CSS44300型電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，拉伸試樣為板狀試樣。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1]ESGANDARI B A， MEHRJOO H， NAMI B， et al. The Effect of Ca and RE Elements on the Precipitation Kinetics of Mg17Al12 Phase During Artificial Aging of Magnesium Alloy AZ91[J]. Materials Science & Engineering A， 2011，528（15）：5018-5024.

[2]何柏林，張志軍. 鎂合金晶粒細(xì)化研究進(jìn)展[J]. 兵器材料科學(xué)與工程， 2015， 38（5）：116-120.

[3]甘俊雄，張帆，韓修柱，劉楚明. 混合稀土對(duì)AZ80鎂合金顯微組織和力學(xué)性能的影響[J]. 兵器材料科學(xué)與工程， 2015， 38（1）：81-85.

[4]AGHION E.， BRONFIN B. Magnesium Alloys Development Towards the 21st Century [J]. Materials Science Forum， 2000， 350 -351（1）： 179 -281.

[5]張丁非， 張紅菊， 蘭偉， 等.高強(qiáng)鎂合金的研究進(jìn)展[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào)， 2012， 33（6）：1-5.

[6]JESSICA R. Terbush， NICHOLAS D. SADDOCK， J. et al. Partitioning of Solute to the Primary aMg Phase in CreepResistant MgAlCaBased Cast Alloys[J]. Metallurgical and Materials Transactions A，2010（41）： 2435-2442.

[7]LIU Manping， WANG Qudong， LIU Zili， et al. Behavior of MgAlCa Alloy During Solution Heat Treatment at 415℃[J]. Journal of Materials Science Letters， 2002（21）：1281-1283.

[8]SADDOCK N.D.， SUZUKI A.， JONES J.W， et al. Grainscale Creep Processes in MgAlCa base Alloys： Implications for Alloy Design[J]. Scripta Materialia， 2010（63）： 692-697.

[9]HOMMA T.， NAKAWAKI S.， KAMADO S. Improvement in Creep Property of a Cast Mg6Al3Ca Alloy by Mn Addition[J]. Scripta Materialia， 2010（63）： 1173-1176.

[10]張靖，馮義成，王琴，等. Ca 和Nd 復(fù)合合金化Mg6Al 合金顯微組織和力學(xué)性能的研究[J]. 稀土， 2016， 37（4）：86-90.

[11]馮義成， 王琴， 姜文勇，等. 固溶處理對(duì)Mg6Al2Ca2Nd合金組織和性能的影響[J]. 金屬熱處理， 2013，38（11）：26-29.

[12]馮義成， 王琴， 楊建輝， 等. Ca 對(duì)Mg6Al1Nd 合金顯微組織和性能的影響[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2014， 19（5）：10-13.

[13]HAKAMADA M， WATAZU A， SAITO N， et al. Effects of Homogenization Annealing on Dynamic Recrystallization in MgAlCaRE （Rare Earth） Alloy[J]. Materials Transactions， 2008， 49（5）：1032-1037.

[14]SU M L， ZHANG J H， FENG Y， et al. AlNd Intermetallic Phase Stability and Its Effects on Mechanical Properties and Corrosion Resistance of HPDC Mg4Al4Nd0.2Mn Alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds， 2017（691）： 634-643.

[15]JIAO Y F， ZHANG J H， HE L L， et al. AlRE Intermetallic Phase Stability and Effects on Corrosion Behavior in ColdChamber HPDC AE44 Alloy[J]. Advanced Engineering Materials， 2016， 18（1）：148-155.

[16]MASAKI S . Microstructure Development of Sandcast AZtype Magnesium Alloys Modified by Simultaneous Addition of Calcium and Neodymium[J]. Journal of Alloys and Compounds， 2008（460）： 619-626.

[17]SUZUKI A， SADDOCK ND， JONES JW， et al. Solidification Paths and Eutectic Intermetallic Phases in MgAlCa Ternary Alloys[J]. Acta Mater， 2005， 53： 2823-2834.

[18]劉陽(yáng)力， 張金玲， 劉軍， 等. 固溶時(shí)間對(duì)AZG315鎂合金顯微組織演變的影響及其作用機(jī)制[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào)， 2016， 37（6）：49-53.

[19]李全安，陳曉亞，劉文健，等.復(fù)合添加Sm與Nd對(duì)AZ81鎂合金組織和性能的影響[J].稀土， 2015，36（2）：37-40.

[20]鄺亞飛， 王澤輝， 房大慶，等.時(shí)效處理對(duì)熱擠壓MgZn（=1，3，5）Y合金組織與力學(xué)性能的影響[J]. 中國(guó)稀土學(xué)報(bào)， 2016， 34（5）：600-604.

（編輯：王萍）