稀土及热处理对AZ91D镁合金组织与性能影响

王慧玲+李尧+杨俊杰

摘 要：研究了稀土元素Y、Nd和Gd混合添加到AZ91D镁合金中，压铸件镁合金AZ91D的力学性能以及微观组织的影响，试验结果表明：随着稀土元素加入量的增加，AZ91D镁合金的抗拉强度和伸长率都有所提高，晶粒得到了明显的细化，但是过量的稀土元素又会使合金的力学性能下降。当稀土元素的质量分数为3%时，稀土元素对镁合金的力学性能强化效果最好。室温下最好的抗拉强度为260.5MPa，而经过固溶（T4）和时效（T6）热处理后，综合性能也得到了明显的提高，组织也得到了细化。T4态最佳抗拉强度为282.99MPa，T6态最佳抗拉强度为270.33MPa，硬度得到了明显的提高，其中铸态下的最大硬度值为98HV。由此可得知稀土元素可能提高AZ91D镁合金的力学性能。

关键词：镁合金；稀土元素；力学性能；热处理

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2016.32.097

镁合金是目前实际应用中最轻的金属结构材料，具有高比强度和比剛度、高减振性、电磁屏蔽和抗辐射能力强，并且有优良的导热性和导电性，良好的尺寸稳定性等一系列优点。因此在汽车、电子电器、航天航空和国防军事工业领域有着极其重要的应用价值和广阔的应用前景，是继钢铁和铝合金以后发展起来的金属结构材料，并被称之为“21世纪的绿色工程材料”。其中AZ91D就是一种应用及其广泛的压铸镁合金，该合金的A代表铝，Z代表锌，“9”表示Al的含量为9%，“1”表示Zn的含量为1%左右。D表示是第四种登记的具有标准组成的镁合金。但目前的生产实际中还存在一些技术难点使得镁合金不能更加广泛的应用到汽车中，其中对于稀土镁合金的研究还存在许多不确定因素，因此对于稀土镁合金还需要相关技术人员通过不断的试验来完善相关领域。本文以Mg-Gd合金作为基体，研究稀土元素Gd对镁合金微观组织和力学性能的影响，探索稀土元素Gd对AZ91D镁合金材料的性能影响，从而为镁合金在汽车领域中的广泛应用提高技术基础。

1 实验

在工厂借助流水线生产设备，采用工业牌号AZ91镁合金。AZ91镁合金的成分（质量分数）为：Al9.1%，Zn0.93%，Mn0.36%，Si≤0.02，Fe≤0.12，余量为Mg。加入稀土含量的设计成分为AZ91D-x%Y-y%Nd-z%Gd，加入量如表1所示。在8GWU型电阻炉中熔炼，用混合制冷剂YH134a和氮气作为保护气体，待合金达到690℃～710℃时，添加不同配比的Mg-Y、Mg-Nd、Mg-Gd稀土中间合金，搅拌均匀后保温10分钟左右，然后在J1125B型压铸机中压铸成实验所需的AZ91型稀土镁合金。压铸试样尺寸和压铸型工艺按照国家标准GB/T13822-92《压铸有色合金试样》规定要求设计。将试样用MgO粉覆盖，放入SX-4-10型箱式电阻炉中固溶（370℃×16h）后，快速投入冷水中淬火。再用105℃×10h固溶时效（T6）处理后空冷。

室温拉伸的试样尺寸如图1所示，将室温态和固溶（T4）以及T6各十个试样通过型号为WDW-150KN型拉伸机上进行拉伸试验测试，拉伸速率为5mm/min。将室温下的试样拉断后通过型号为SU8010扫描电镜观察拉断后的微观形貌；用MDS型光学显微镜对镁合金试样（试样尺寸如图2所示）进行光学显微观察；用HVS-1000A型维氏硬度仪对合金进行硬度测试，试样的尺寸如图2所示。

2 试验结果及讨论

2.1 稀土元素对AZ91镁合金拉伸性能的影响

图3为不同稀土含量Y、Nd和Gd的AZ91镁合金抗拉强度及伸长率变化曲线。可以看出，随着稀土元素质量分数的增加，镁合金的强度和伸长率出现先增大后减小的趋势，当加入0.6%的Gd时，合金的抗拉强度为240Mpa，伸长率为5.6%；当加入0.6%Y+1.2%Nd+1.2%Gd的稀土元素时，合金的抗拉强度最大，为260.5MPa，伸长率最大，为δ=9%。而当混合稀土的含量继续增加时，合金的拉伸性能反而降低。由此可知：适量的混合稀土能够增加AZ91镁合金的室温拉伸性能。

2.2 热处理对稀土镁合金力学性能的影响

图4、图5为合金室温下和固溶处理后的拉伸数据对比图。可以看出，固溶处理后的合金在加入一定量的混合稀土后，合金的抗拉强度和伸长率相对于常温下有所提高；并且当稀土元素的含量为4.8%时，合金的伸长率最大，为12.2%，固溶状态后加入稀土元素的含量为3.6%时，合金的抗拉强度最大，为282.99MPa。相对于铸态稀土镁合金提高了65%，相对于纯AZ91D镁合金提高了很多。因此，我们可以看出，热处理能够在一定程度上更大幅度的提升稀土对镁合金的力学性能。

2.3 稀土元素对镁合金微观组织的影响

2.3.1 稀土元素对铸态镁合金金相组织的影响

图6分别是不含稀土、含1.2%的稀土以及2.4%的稀土的镁合金的微观组织。

从图中的金相组织我们可以看出，随着稀土含量的增加，合金的微观组织是得到了细化，β相由粗大的网状到半连续的网状最后慢慢溶解的分布在α内，黑色颗粒物在减少。

2.3.2 热处理对稀土镁合金微观组织的影响

图7分别是1.2%的稀土的镁合金在铸态、370℃×16h固溶处理以及370℃×16h固溶+105℃×10小时时效处理的显微组织。

从图中我们可以看出，固溶处理能够使合金的组织得到细化，粗大连续的网状组织相对于固溶处理的重新析出，晶界中分布着细小颗粒状组织物；

时效处理后，固溶时效后加入稀土元素，相对于固溶处理，晶界处又开始析出片层状的物相，同时有呈现细小片层或者弥散颗粒状的颗粒组织分布在晶界，数目增多。

通过相关文献及分析可知：经过固溶处理的镁合金，由于β相溶解，Al以置换原子的形式进入到α相中，从而起到了细化组织的作用。但是经固溶+时效处理后的镁合金，β相再次析出，由晶界向晶内生长。

2.4 稀土元素对镁合金的硬度的影响

如图8是铸态、固溶态（T4）以及时效态（T6）三种状态下的硬度测量数据整理柱状图。

由实验数据可看出，铸态下向合金中加入适量的混合稀土元素可使合金的硬度提高，超过一定量的稀土元素后，硬度会降低。

根据相关文献我们可以分析大致的原因是：由于稀土的加入，形成了高熔点的化合物，使得合金的硬度有所提升，同时再经过热处理之后，合金由于固溶强化和时效硬化作用，从而在一定程度上提升了镁合金的硬度。

3 结论

（1）在稀土元素的含量为3%（0.6%Y+1.2%Nd+1.2%Gd）时，铸态合金的抗拉强度最大，为260.5MPa，伸长率最大，为δ=9%；固溶状态后加入稀土元素的含量为3.6%时，合金的抗拉强度最大，為282.99MPa，伸长率为11.2%。固溶时效处理后加入的稀土含量序号为8号，即成分含量为1.2%Y+1.8%Nd+1.8%Gd，此时的抗拉强度最大，为270.33MPa，伸长率为10%。

（2）稀土元素的含量、成分以及热处理方式的不同，对铸态合金的抗拉强度、伸长率以及合金的组织的影响程度也不同；相对于铸态合金，经过本实验选择的固溶时效处理后，向合金中加入混合稀土元素对合金的抗拉强度影响不大，有一点点的提高，伸长率有明显的提高，而硬度降低；而相对于固溶态合金，固溶时效后向合金中加入混合稀土对合金会使合金的抗拉强度，伸长率及硬度均有明显降低。

（3）向合金中加入适量的混合稀土元素Y，Nd和Gd后，铸态合金的抗拉强度、伸长率及硬度都得到了提高，但是稀土元素超过了一定含量，反而会降低。

（4）铸态下的最大硬度值为98HV，即含量为1.2Y+1.2Nd+1.2Gd的稀土镁合金；固溶的最大硬度为104.72HV，合金含量1.2%Y+1.2%Nd+1.8%Gd，时效后的最大硬度为91.36HV，合金含量为0Y+0Nd+0.6%Gd。

（5）向合金中加入适量的混合稀土元素Y，Nd和Gd，能够使合金的组织得到细化，均匀化。

经过本实验选择的固溶处理后，向合金中加入适量的混合稀土元素，相对于铸态组织细化程度更明显，同时网状组织慢慢在溶解；经过本实验选择的固溶时效处理后，向合金中加入稀土元素同样能够使合金的组织得到细化，网状组织同样在溶解；但是，与铸态和固溶态合金相比较而言，会有颗粒状的弥散物析出。

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