Al-40Ce-5Sb-4.8Ti 中间合金对ZA105 镁合金的影响

马 涛，雷鹏飞，张西强

（1.太原重型机械集团有限公司 特铸分公司，山西 太原 030024；2.陕西东风车桥传动系统股份有限公司，陕西 铜川 727000）

近年来的研究发现，Mg-Zn-Al系镁合金由于具有较好的高温力学性能以及较低的成本等优点而具有良好的开发和应用前景[1，2]。该合金将克服AZ和AM系镁合金不能够在120℃下长期服役的缺陷而备受工业生产的重视，但是该系合金强度高而韧度比较低[3，4]。经过课题组前期的研究发现[5]，在ZA105镁合金中加入Sb元素可以有效地改善合金的冲击韧度；还有一部分人的研究表明[6，7]在镁合金中加入Ce，Ti元素可以细化晶粒，提高合金的拉伸强度和耐腐蚀性能等。本文将Al、Ce、Sb、Ti四种元素制备成一种中间合金，然后检测该自制中间合金对ZA105镁合金显微组织和力学性能的影响，以期得到希望的效果。

1 实验过程及方法

ZA105镁合金实验合金的制备原料为纯Al，纯Mg，纯Zn，中间合金（其主要成分为40.0%w（Ce）、w（Sb）5.0%、w（Ti）4.8%、其余为Al）以及Al-10.0%Mn和Al-4.0%Be等中间合金作为原料。合金熔炼是在特制井式坩埚电阻炉中进行，在780℃时分别将质量分数为1.0%，2.0%，3.0%，4.0%的中间合金加入到合金液中并搅拌以促使Ce和Sb完全溶解在合金液中。再将温度升至800℃用自配的RJ6进行精炼，保温20min以使金属液中杂质沉入坩埚底部，然后降温到780℃后浇入预热到180℃～220℃的金属型模具中，获得在试棒同一位置取得的铸态的金相试样、拉伸试样和冲击试样。采用光学显微镜和配有EDS的扫描电镜对合金的显微组织的形貌进行观察，用X射线衍射仪对试样进行物相分析，并分别用HB-3000B型硬度计，JB-30B型冲击试验机和DNS100电子万能试验机测量铸态合金的硬度，冲击韧度和常高温拉伸强度。

2 结果与讨论

2.1 中间合金对ZA105 镁合金显微组织的影响

图1是加入不同中间合金的ZA105镁合金的显微组织图，从图1可以看到，随着中间合金加入量的增加，合金的基体在不断的被细化，而合金中第二相也在不断的被打断成细小的块状均匀的分布在合金的基体中。特别是当中间合金的加入量为2.0%时，全部被打断成块状弥散的分布在合金中，同时合金的基体也变得最细小（如图1c）所示）；随着中间合金加入量的继续增加，合金中的相发生了明显的变化，合金中出现了少量的一些细长的针状相，如图1d）中箭头a所指，这种细长的针状相随着中间合金加入量的增加逐渐的长大，并逐渐的将第二相连接在一起，形成了网状的结构，如图1e）所示，合金的基体也变得很细小。

图2是不含有和含有中间合金的XRD图谱。

图1 加入不同含量中间合金的ZA105 镁合金的显微组织图

图2 不含和含有中间合金的ZA105 镁合金的XRD 图谱

在图中可以发现，不加入中间合金的ZA105镁合金主要由三种相组成，它们分别是α-Mg基体相、φ-Al2Mg5Zn2相和τ-Mg32（Al，Zn）49相，这与杨明波等人[8]的研究相一致。但是加入一定量的中间合金之后，ZA105镁合金多出一些比较低的峰，通过对这些峰的研究以及PDF卡比对，发现这种多出来的峰与Al4Ce化合物的峰比较相近。另外一些人研究发现[9]，在Ce元素在含有Al的镁合金中优先与合金中的Al元素反应，生成比较稳定的Al4Ce化合物相。因而可以肯定这多出来的峰就是Al4Ce化合物相的峰。但是在该合金中没有发现含有Ti和Sb元素的相，产生这种现象的最主要的原因就是这两种化合物在ZA105镁合金中的含量比较少（质量分数大约为1/1000-2/1000），同时还有可能与检测的机器有点关系，因而不能够检测出这两种相来。

2.2 中间合金对ZA105 镁合金的力学性能的影响

图3是中间合金加入量不同的ZA105镁合金的常高温抗拉强度。从图3可以看出，合金的常高温抗拉强度随着中间合金的加入量的增加上升，在中间合金的加入量为2.0%的时候达到最大值，分别为195MPa，177MPa和152MPa，比不加入中间合金的分别增加了8.33%，18%和16.92%。但是随着中间合金的加入量的增加，合金的抗拉强度则出现了明显的降低，特别是当合金的加入量为4%的时候，合金的常温抗拉强度要比没有加入中间合金的抗拉强度还要低。

图3 加入不同中间合金的ZA105 高锌镁合金的常高温抗拉强度

图4分别是加入中间合金的冲击韧度和硬度力学曲线。从图4可以看出，合金的冲击韧度则是随着中间合金加入量的增加而呈不断上升的趋势，在中间合金的加入量为1.0%时，达到了最大值，为8.45J/cm2，比没有加入中间合金的镁合金高出16.23%，但是随着中间合金的加入量的增加，ZA105镁合金的冲击韧度则是逐渐降低，当中间合金的加入量为4.0%时，镁合金的冲击韧度已经接近5J/cm2，比不加中间合金的镁合金降低了接近30%。而该镁合金的硬度始终随着中间合金加入量的增加而呈现出上升的趋势，在中间合金的加入量为4.0%时，合金的硬度就达到了最大值，比基体合金要高出33.90%.

图4 加入不同含量中间合金的ZA105 高锌镁合金的冲击韧性和硬度

2.3 机理分析

加入适量的中间合金的ZA105镁合金都含有大量的细小的Al3Ti、Al4Ce、CeSb和Al6Mn等颗粒，因此在合金凝固的过程中，首先析出的是具有高熔点的Al3Ti、Al4Ce、CeSb和Al6Mn等颗粒，这些高熔点的颗粒质点一部分可以作为镁合金基体的形核质点弥散的分布在合金的基体中，细化镁合金的基体组织，进而提高合金的常高温抗拉强度和冲击韧度；另一部分则在合金的凝固过程中聚集在液相的前沿，阻止Al、Zn原子的扩散，使得合金中的Al、Zn原子的固溶度增加，进而增加Al、Zn原子的固溶强化效果，使合金的常高温抗拉强度和超级韧度提高。然而随着中间合金的加入量的增加，这些高熔点的颗粒相就会富集在固液界面的前沿，形成细长的针状相。这种细长的针状不仅改变了合金中第二相的形貌，使得合金中的第二相逐渐连接在一起形成网状结构，降低合金的强度和韧度，同时这种细长的针状结构在其尖部会产生应力集中，并严重的割裂基体，降低合金的强度，尤其是其冲击韧度。而合金硬度的提升主要是由两方面的原因造成的，其一，中间合金中的化合物相都是硬脆相，他们的存在本身就能提高合金的硬度；其二，这些硬脆相的存在可以有效的抑制其周围晶粒的滑移和运动，提高该合金的硬度。

3 结 论

1）在ZA105镁合金中加入中间合金之后，合金中除了在ZA105镁合金中所必含的α-Mg基体，τ-Mg32（Al，Zn）49和φ-Al2Mg5Zn2外都出现了Al4Ce化合物相。

2）在ZA105镁合金中加入适量的中间合金可以细化合金的基体组织以及改善第二相的形貌以及分布；但是，加入过量的中间合金会在合金中出现了大量的针状相，同时合金中的第二相也因针状相的增加而逐渐的连接在一起，形成网状结构。

3）该中间合金能够有效的改善ZA105镁合金的常高温抗拉强度，特别是中间合金的加入量为2.0%时，该镁合金的常高温抗拉强度都达到了最大值，分别为195MPa，177MPa和152MPa，比基体合金的抗拉强度分别增加了8.33%，18%和16.92%，然而随着中间合金加入量的增加，合金的常高温抗拉强度则是都呈降低的趋势；而合金的冲击韧度则在中间合金加入量达到1%时达到最大值8.45 J/cm2，比基体合金高出16.23%，随着中间合金进一步的增加，其冲击韧度严重的下降；合金的硬度则是始终随着中间合金加入量的增加而上升。

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