车用Mg-Zn-Zr-Er 合金组织、变形行为与力学性能

邓剑锋

（广西生态工程职业技术学院，柳州 545004）

我国汽车工业使用镁合金比较晚，如今依然停留在开发阶段。随着人们环境保护理念的提升，镁合金成为新环境下炙手可热的绿色材料，是工业研究的重点。当前我国在新能源汽车结构研究过程中逐渐明确了今后行业发展的主要方向，即低排放、低污染，实现节能环保。镁合金具有高的比强度和比刚度，良好的导电性和电磁屏蔽性能，是优秀的轻量化结构材料，广泛应用于汽车制造、航空航天以及3C 通信等领 域[1-4]。为了进一步阐明Er 元素在Mg-Zn 系合金中的组织成分特征，揭示合金在挤压变形过程中的变形行为，本文研究不同Zn、Er 元素含量合金在铸造和挤压过程中的微观组织形貌和力学性能，分析Zn/Er 元素比值与Mg-Zn-Er 三元化合物构成与组织形貌特点的关系，以揭示Er 元素在挤压变形过程中的晶粒细化 机理。

1 实验方法

实验合金为Mg-Zn-Zr-Er 系，在电阻炉中进行熔炼。实验选用纯度大于99.95%的工业纯Mg 锭和Zn 锭为原料，微量元素Zr 和Er 以中间合金的方式加入。熔炼过程中使用RJ-2 溶剂保护，浇注过程中采用SO2和CO2混合气体进行在线保护[5]。先用半连续铸造方式，在720 ℃温度下浇注成直径为90 mm的圆柱形坯锭。铸锭经锯切车皮后进行400 ～410 ℃、12 h 的均匀化处理，在卧式挤压机上进行热挤压，空冷至室温。

对铸造和挤压后合金分别在不同部位取金相样品，研磨、抛光后采用混合酸腐蚀处理，利用金相显微镜和扫描电子显微镜进行显微组织观察。力学性能试验在CTM5106 电子万能试验机上进行，为避免取样和偶然误差，所有试样取3 次测量的平均值[6]。

2 结果与讨论

2.1 热挤压组织与再结晶

为研究合金在挤压变形过程中的组织演变特征和再结晶规律，分析不同Er 含量的Mg-1.5Zn-0.6Zr 合金均匀化组织，如图1 所示。结果表明，Er 元素并未明显降低合金的平均晶粒尺寸，但显著影响合金的晶界形态。对于不含稀土Er 的合金晶界较平直，厚度均匀，晶界处化合物较少。随着Er 含量的增加，晶界处化合物呈逐渐增多趋势。同时，在含Er 量较高的图1（c）和图1（d）中，可以清晰看到晶界处化合物的溶解，且部分溶解物扩散到基体中。随着溶解扩散的进行，晶界开始变得不连续，并有部分难溶的化合物残留。随着稀土含量的增加，晶界未溶化合物数量亦增多。

分别进行不同Er 含量的Mg-1.5Zn-0.6Zr 合金在350 ℃和400 ℃两种温度下挤压比为16 ∶1 的热挤压实验，挤压后金相显微组织分别如图2 和图3 所示。比较图2 和图3 可知，350 ℃和400 ℃挤压后合金的晶粒均随着Er 含量的增加逐渐细化和均匀化，且 350 ℃挤压的合金更细小。同时发现，在350 ℃挤压时，不同Er 含量的合金中均存在部分未发生再结晶的变形晶粒，已发生再结晶的晶粒细小均匀。在 400 ℃挤压时，合金中未发生再结晶的晶粒体积分数明显减少，说明高温挤压时合金更倾向于发生再结晶[7]。当挤压温度较高时，不含稀土的合金中部分晶粒发生了明显长大，晶粒大小很不均匀，而含稀土合金的晶粒大小分布则相对均匀。此外，稀土含量低于1.0%时，局部区域仍有少量未再结晶的变形晶粒。随着稀土含量增加至2%～4%，合金组织变得更加均匀，合金晶粒全部转变为等轴再结晶。再结晶晶粒均匀细小，没有晶粒的明显长大情况。

整个热挤压变形过程实际上是加工硬化和再结晶软化同时进行的过程，再结晶核心先在变形程度大的变形能聚集区域优先形成[8]。当挤压温度较低时，硬化作用大于软化作用，故合金为未完全再结晶组织；挤压温度较高时，恢复和再结晶较充分，合金中未发生再结晶的体积分数明显减少。当合金中没有稀土元素时，变形区的不均匀导致再结晶核心形成和随后长大的不均匀，形成不均匀的晶粒分布。添加稀土元素后，变形趋于均匀化。当变形量增大到一定程度时，再结晶核心在多处同时形成，即形核率增加，从而形成较为均匀的细化晶粒。此外，添加稀土Er 的合金再结晶晶粒均明显小于未添加稀土的合金，表明稀土的加入还起到了抑制再结晶晶粒长大的作用。这是因为稀土作为异形核核心不仅能够提高形核率，还可以抑制异形核质点的扩散速率，因此400 ℃挤压的稀土合金仍然获得了较细小的晶粒组织。概而言之，稀土Er 促进了合金的均匀变形和均匀再结晶，有效抑制了再结晶晶粒长大。

2.2 力学性能

不 同Er 含 量Mg-1.5Zn-0.6Zr 和Mg-3Zn-0.6Zr合金350 ℃和400 ℃挤压后的室温抗拉强度、屈服强度和延伸率如图4 所示。可以看出，同种合金350 ℃ 挤压比400 ℃挤压的综合力学性能好，其中屈服强度高约25%，抗拉强度高约15%，延伸率高8%～20%。对比两种不同Zn 含量的合金可看出，当合金中不含Er 元素时，含Zn 量较低的Mg-1.5Zn-0.6Zr 的强度和延伸率均高于Mg-3Zn-0.6Zr，说明单纯提高Zn 的含量并不利于合金性能的提高。但是，在Er 元素添加量超过1%之后，高Zn 含量的Mg-3Zn-0.6Zr 抗拉强度和屈服强度均显著提高，最高值分别为379.24 MPa和360.52 MPa，超过Mg-1.5Zn-0.6Zr 合金的最高抗拉强度358.45 MPa 和屈服强度333.90 MPa。这是由于未添加Er 时，含Zn 量较高Mg-3Zn-0.6Zr 合金中所生成的粗大针状Mg-Zn 二元化合物较多，割裂基体并造成应力集中，从而Zn 含量的提高降低了合金的力学性能。但是，添加Er 元素后，该二元化合物转为晶粒较为细化且组织均匀的球状、棒状和块状Mg-Zn-Er 三元化合物，提高了合金的力学性能。特别是当Er 添加量超过1%～2%时，含Zn 量较低的Mg-1.5Zn-0.6Zr 合金强度达到峰值后开始逐步下降，但高Zn 含量的Mg-3Zn-0.6Zr 合金强度仍然整体呈缓升趋势。主要原因为Er 元素的添加并不能直接提高合金的强度，而是通过消除粗大针状Mg-Zn 二元化合物改善组织形态来提高合金的性能。对于含Zn量低的Mg-1.5Zn-0.6Zr 合金，Er 添加量为1%～2%是其适宜的添加量，此时刚好能够消除粗大针状Mg-Zn 二元化合物的不利影响。当Er 含量进一步提高时，多余的Er 元素不仅未提高合金强度，而且因为多余稀土质点在晶界处的聚集造成了更多的应力集中，导致合金强度下降。而对于含Zn 量较高的Mg-3Zn-0.6Zr 合金来说，由于消除Mg-Zn 二元化合物需要更多的稀土元素，因此在Er 添加至4%时，合金强度呈缓慢上升趋势。但在Er 元素添加量从2%提高至4%时，强度的增加极其有限，其中350 ℃挤压合金的抗拉强度还出现了一定程度的下降。因此，当Er 元素添加量超过2%后，继续增加Er 含量并非提高合金强度的有益选择。

两种合金在延伸率上的表现，证明了Er 元素能够消除粗大针状Mg-Zn 二元化合物，改善了合金微观组织，从而提高了合金的综合力学性能。但是，需注意350 ℃挤压的Mg-1.5Zn-0.6Zr 合金在不同Er 稀土添加量条件下都获得了高的延伸率值，其中Er 添加量为1%时，最高延伸率为35.48%。当Zn 含量为3%的Mg-3Zn-0.6Zr 合金在Er 添加量为1%时，其延伸率为28.59%，比Mg-1.5Zn-0.6Zr 合金低了约24%。

3 结语

（1）在合金的均匀化热处理过程中，Er 元素并未明显影响合金晶粒大小和形态，而是对合金晶界成分及其形态有显著影响。未添加稀土Er 的合金晶界处平直而均匀，几乎未见晶界化合物存在。添加Er元素后的合金晶界处有较多的晶间化合物出现，且随着Er 含量的增加而呈逐渐增多趋势。当Er 元素含量较高时，这些晶界处化合物又逐步溶解，部分扩散至基体内部。这种晶界间化合物的出现、溶解和扩散导致了晶界的隔断，并在晶界处出现部分难溶化合物 残留。

（2）稀土Er 的添加对合金挤压组织和力学性能均有显著影响。未添加Er 元素时，合金变形和晶粒大小分布不均匀。随稀土的添加，合金中未发生再结晶的变形晶粒的体积分数减少，晶粒大小均匀。高温挤压时，稀土元素加入量的影响显著。随着Er 含量的增加，晶粒逐渐细化和均匀化。

（3）挤压温度对合金组织和力学性能有显著影响。低温挤压有利于降低晶粒的再结晶长大，从而提高合金力学性能。350 ℃挤压态合金显微组织要比400 ℃挤压时晶粒明显细化，力学性能好。当合金中Er 的加入量为1.0%时，350 ℃挤压Mg-1.5Zn-0.6Zr合金的延伸率达35.5%，抗拉强度和屈服强度分别达到379.24 MPa 和332.84 MPa，拥有较好的综合力学性能，可广泛应用于汽车车身覆盖件。