稀土Ce和Y在ZK60合金中的分布、演变及其对性能的影响（稀有金属材料与工程论

稀土稀土CeCe和和Y Y在在ZK60ZK60合金中的分布 演变及其对性能的影响 合金中的分布 演变及其对性能的影响 稀有金属材料与工程论稀有金属材料与工程论 第36卷xx在第11期l1月稀有金属材料与工程RARE METAL MATERIALSAND ENGINEERINGVo1 36 No 11Novemberxx稀土Ce和Y在ZK60合金中的 分布及其对性能的影响吴安如1 2 夏长清2 董丽君 1 湖南工程 学院 湖南湘潭411101 2 中南大学 湖南长沙410083 演变摘 要用熔铸法制备了两类8种镁一稀土合金 通过力学性能试验 x射 线衍射 XRD 扫描电子显微 SEM 分析确定了稀土元素Ce Y在ZK60 镁合金中的分布 演化规律及其不同状态时所发挥的作用 结果表明ZK60 1 5Ce和ZK60一1 0Y分别在两类合金中具有最佳的 力学性能 ce和Y在铸态时都分布在晶界上 在基体镁中的分布极少 经挤压变形后 Ce和Y沿挤压方向分布无论合金处于什么状态 Ce 和Y都以化合物的形式存在为主 试验合金的力学性能都高于ZK60合金本身 关键词镁 稀土合金 挤压变形 固溶强化 弥散强化中图法分类 号TG146Al002一l85X xx 11 1955 051前言新型变形镁合金及其成型工艺的开发 已受到国内外材料工 作者的高度重视 美国成功研制了各种系列的变形镁合金产品 如通过挤压 热处理后 的ZK60高强变形镁合金 其比强度及断裂韧性可相当于时效状态的7 075或7475铝合金 而采用快速凝固 RS 粉末冶金 PM 热挤压工艺 开发的Mg A1一Zn系EA55RS变形镁合金 成为迄今报道过的性能最佳镁合金 其性能不但大大超过常规镁合金 比强度甚至超过7075铝合金 且 具有超塑性 300 436 1 3 通过添加稀土元素来提高镁合金的性能是行之有效的方法 稀土是 镁合金中的重要合金元素 对镁合金性能具有极大的影响 大部分的Mg RE系二元相图的富镁区都具有简单的共晶反应 晶界上存在网格形 式的低熔点共晶 它们能够起到抑制显微缩松的作用 稀土同时可以与Mg Zn等形成热稳定性和化学稳定性较高的化合物 提高合金的室温和高温力学性能及增强抗腐蚀能力 ce和Y是ZK60合金中较为常用的合金元素 它们在合金中与镁 锌作 用所形成的化合物类型 分布 演变规律及其对合金力学性能影响 的机理至今仍然未完全被人们所掌握 4J 本文在ZK60合金中分别添加Ce和Y 研究它们单独在该合金中的作用 为多元稀土元素对镁合金的复合强化作用提供理论依据 2试验试验合金采用纯锌 纯镁及Mg一30 Ce 质量分数 下同 Mg 一30 Y Mg一30 Zr的中间合金配制 化学成分如表1所示 合金用电阻炉熔炼 熔剂覆盖 待完全熔化及熔体成分均匀后 在 氩气保护下浇铸 铸成直径为50mm的圆锭 然后对圆锭进行400 24h均匀化处理 在350 370 以251的挤压比挤压成10mm圆棒 表1zk60一re镁合金化学分析成分table1chemical positionof zk60 re to alloysnumber mg znzr cey拉伸试验在css一44100拉伸试验机上进行 拉伸收稿et期xx 07 04作者简介吴安如 男 1964年生 博士研究生 副教授 湖南工 程学院机械工程系 湖南湘潭4ll101 电话0732 8688377 e mail war891230 163 l956 稀有金属材料与工程第36卷速率为2 0mm min在jsm 5600lv扫描电子显微镜下观察组织 在kyky 2800b扫描电镜下进行拉伸试样的断口分析 3试验结果及分析3 1力学性能结果及分析对含Ce的1 5合金在挤压 并经T5 150 0 24h1处理后进行拉伸试验 结果如图1 图2所示 由图可见 随着Ce含量的增加和时效时间的延长 抗拉强度增加 但Ce含量超过1 5 和时效时间超过24h后强度的增加不明显 伸长 率在挤压态和24h时效后随Ce含量的变化有1个峰值 其中 以含Ce量为1 5 的4合金综合力学性能为最佳 其挤压态tr b 分别为318 6MPa和14 4 T5处理后的 分别为340 6MPa和1 5 6 AgmgTim ePa图l ZK60 xCe在T5处理后的抗拉强度Fig 1Tensile strengthofZK60 xCe after T5heat treatment fordi ferent alloys图2ZK60 xCe在T5处理后的伸长率Fig 2Elongation ofZK60 xCe after T5heat treatment含Y的68合金挤压态试样经过T5 150 0 32h 处理后 其布氏硬度曲线如图3所示 由图可知 在进行时效的初始阶段 所有试验合金的硬度值随时效 时间的延长而增加 在24h左右达到峰值 其后随着时效时间的进一 步延长 合金硬度反而下降 但与添加稀土Ce不同的是当时效时间小于14h以内时 在同一时效时 间点上 合金的硬度值随着Y含量的增加而增加 其后 随着时效时 间的进一步延长 7合金 Y含量为0 9 强度反而超过了8合金 Y含 量义约1 5 成为时效后强度最高的合金 合金的硬度均在时效24h左右达到峰值 8884807672Aging Time h图3ZK60 xY在T5处理后的布氏硬度Fig 3Hardness of ZK60 xY afterT5heat treatment fo rdiferentalloysT5处理 150 24h 合金的拉伸性能如图4所示 各合金的抗拉强度和延伸率首先均随Y含量的增加而增大 当Y含量 超过1 0 后 这2个指标都下降 T5处理后的7合金获得了最高的抗拉强度和延伸率 在添加稀土元素Y的3种合金中 7合金具有最优的综合力学性能 T5处理 150 24h 后 布氏硬度HBS 910MPa trb 355 94MPa 15 86 图4ZK60 xY在T5处理后的拉伸性能Fig 4Mechanical propertiesof ZK60 xY afterT5heat treatment3 2显微组织及物相分析图5显示了4合金铸态组织的SEM 形貌及Ce的线扫描分布和X射线物相分析结果 由图可知 铸造态组织晶粒内部几乎全部为镁 铈和锌则以化合物 的形式聚集在晶界上 综合图5a和5b可知 稀土元素ce可提高合金的抗拉强度和延伸率 并且与镁形成稀对0一 s o h 一一3u 凡d第11期 吴安如等稀土ce和y在zk60合金中的分布 演变及其对性能的影响暑 藿呈图5zk60 1 5 ce 4 合金在铸态的SEM形貌及Ce元素线扫描 a 和x射线物相分析 b Fi g 5SEM imageand the corresponding elementdistribution a and XRDphase positionanalysis b ofZK60 1 5Ce f4 as casting土相Mg41Ce5和Mgl7Ce2 减少晶界移动 强化基体 但随着Ce含量的增加 晶界因偏聚物增多而变厚 从而对合金的 塑性不利 除基体a Mg 相和ZK60系合金中的一般强化相MgZn MgZn2及Mg4Zn7 相外 合金中还形成了一定的稀土相 如Mg41Ce和Mg17Ce2 该稀土相熔点高 都超过620 明显高于MgZn相 约347 且几 乎不溶于基体 一般分布在晶界上 在热挤压变形过程中可以阻碍 晶界迁移 从而得到细小的动态再结晶晶粒 强化基体合金 同时 也符合Hal1 Petch的细晶强化原理 可以有效的提高合金的力学性能和耐热性能 挤压态4合金的SEM形貌及Ce扫描和XRD物相分析如图6所示 图中同样存在 Mg MgZn及MgZn2和稀土相Mg12Ce和Mg41Ce5 富Ce的稀土相沿着挤 压方向分布 图7为铸造态的7合金SEM形貌及Y元素线分布和XRD图谱 由图可知 Y在晶界处含量远高于晶内 晶内几乎为单一的基体 Mg相 无明显的第二相沉淀 Zn也主要分 布在晶界上 造成这一现象的原因与镁合金的凝固过程有关 从Mg Zn相图上看 镁从649 开始凝固 到340 发生共晶转变 Zn 固溶度最大为6 2 有300 以上的温度范围 另外 合金中有zr 和Y2种高熔点元素 该元素提供了大量凝结核心 所以 Mg固溶体 不需要太大的过冷度就图6ZK60 1 5 Ce 4 合金在挤压态时的sem形貌及ce元素线扫描 a 和x射线物相分析 b fig 6sem imageand thethecoresponding elementdistribution a and xrdphase positionanalysis b of zk60 1 5ce f4 as extrusion暑 圣羔图7zk60 1 o yf7 合金在铸态的sem形貌及y元素线扫描 a 和x射线物相分 析 b fig 7sem imageand thecorresponding elementdistribution a and xrdphase positionanalysis b of zk60 1 0y r7 as casting 1958 稀有金属材料与工程第36卷可以结晶 由相图还可以看出含量为5 7 的zn的晶核的结晶点为630 左右 再根据Mg Y相图 当Y含量低于10 时 6c Mg固溶体结晶点在630 以上 Mg Zr情况也一样 所以这2个合金元素不会降低6c Mg的固相点 从Mg Zn相图可知 在600 以上 6c Mg固溶体结晶时 zn的固溶度不会超过2 3 其多余的Zn将继续 留在液相中 这个过程一直持续下去 液相中zn的浓度将越来越浓 zn的浓度越 高 固相点就越低 这样zn将被推向晶界且与Mg Ce形成化合物 图8是7合金在挤压态时的扫描电子显微形貌及Y元素的线分布和XRD 图谱 原来分布在晶界上的Y或Y的化合物变成沿着挤压方向呈带状分布 这些物质当然也包括zn和Mg形成的化合物 化合物的这种定向分布 使得挤压态合金的力学性能远远高于铸态 蔷重尝i l D Mg b 一Mg2Y M Yz Mg Y m Mg Zn MgZm II I Ir 203040506070809020 图8ZK60 1 O Y 7 合金在挤压态的SEM形貌及Y元素线扫描 a 和x射线物相分析 b F ig 8SEM imageand thecorresponding elementdistribution ofY a and XRDphase positionanalysis b ofZK60 1 0Y 7 as extrusion图7b和图8b分别显示合金铸态和挤压态x射线衍射 分析结果 铸态时的主要相为一Mg Mg4Zn 7 MgZn Mg24Y5和Mg3YZn6 Z相 但是挤压态合金相中除了上述各相外 出现了新相Mg YZn相 W相 同时z相的衍射峰强度有所减弱 说明在挤压或挤压后 的T5处理过程中发生了z相到相的转变 相变过程如下J Mg Mg3REZn6 Z MgZn Mg3REZn3 相属A1MnCu2结构 点阵参数a 0 6848 0 0001n m Z相系二十面体准晶 是一种新的室温稳定相 其点阵常数a 1 462 nm c 0 878nlil J Z相具有准周期晶体结构 与基体之间存在稳定的界面 可以减少基 体与第二相粒子间由于界面错配引起的应变 合金中Mg Zn RE三元金属间化合物是相还是z相取决于合金中锌与稀土的原子比 在x射线分析结果中 挤压材中 MgZn 相的含量较铸态的高 由于相 的析出消耗了合金中锌含量 致使原晶界流变带及其附近区域锌含 量下降 而稀土含量相对升高 所以部分z相由于锌和稀土的原子比 发生变化形成相 3 3断口形貌分析铸造态和挤压态合金的断口形貌如图9所示 图9a中l合金的断裂形式接近准解理断裂 断口有韧窝存在但也有明 显的脆断平台 9b中的韧窝较明显而脆断平台较少 图9c的4合金的 塑性较前者好 因为其中分布的韧窝较多且深 挤压状态的9d也同 样比9c图9l 4和7合金在铸态和挤压态时的sem拉伸断口fig 9frac ture morphologyof theinvestigated alloysafter tensiletest as casting andas extrusionl alloy as casting b i alloy as extr usion c 4alloy as casting d 4alloy as extr usion e 7alloyas casting fd7alloyas extr usion第11期吴安如等稀土ce和y在zk60合金中的分布 演变及其对 性能的影响 1959 一 一塑性特征明显 9e为7合金的铸态断口 其形貌既不能是Y在含量 比Ce低的情况下其强化效果较好的原同于9a的1 也不同于图9c的4 同样的放大倍数因之一一 下 其韧窝较小 另外 所有挤压断口的韧窝都较铸态的细小 且撕裂棱数目较多 塑性较好 这是由于参考文献References合金在拉伸变形时 在合金基体中颗 粒与基体的界面 1 Zhang Song 崧 Tang Dianxin 唐建新 Feng Keqin 冯可上会造成位错塞积 从而 I生应力集中 当应力达到芹 Hot WorkingTech Dy 热加工J 艺 JJ xx 852一定程度时 在部分颗粒一基体边界上会产生孔 隙 并 2 Liu wenhui 刘文辉 Pt n Auto DbilPTech Dlogy MatP i 形成微细裂纹 随着应力的增加这些微细裂纹不断长 汽车工艺与 材料 J xx 412大 裂纹尖端应力不断增加 当裂纹尖端附近 区域的 3 Qi Qin自u 祁庆琚 a1 Journn ofRn Enrth O 国稀土学应力超过材 料的断裂强度后 基体发生局部断裂 塑报 J xx 20 5 428性会明显降低 如果合金基体中分布大量细小的第二 4 Wu Anru 吴安如 P a1 铸造 J xx 54 11 1113相化合物颗粒 则这种应力集中的效应就会分散 从 5 X ia changqing 夏长清 Wu Wenhua 武文花 Wu Anru 吴安而提高合金的强度和塑性 如 The ChineseJourno o fUonfe Metn瓜 中国有色金属 I仕学报 J xx 14 11 1810叶口比 6 Eliezer A Gutman E Jo l ofLighMe ls J xx 1 3 1 稀土元素可有效地提高挤压态 T5热处理后的合金力学性能 ZK60 1 5 Ce合金的抗抟强度和延伸率分别为O b 338 6MPa 15 6 ZK60 0 9 Y合金O b 355 94MPa 15 86 说明Y元素的强化作用优于Ce元素 2 稀土ce和Y在合金中无论是铸态还是挤压态 主要以与Mg和Z n的化合物的形式存在 在铸态时 分布在晶界上 在挤压态时则沿 着挤压方向呈带状分布 3 Mg Zn Y稀十化合物在挤压或T5热处理过程中 不仅其数量发牛变化 结构 也发生了变化 这可l79 7 Jager A Luku P Gartnerovu Vet a1 Journal of Alloysand Compounds J xx 378184 8 Singh Alok Tasi AP Scri ptaMaterialia J xx 49 2 143 9 Wu Anru 吴安如 et a1 Rare MetalMaterials andEngineering 稀有金属材料与工程 JJ xx 35 1 100 10 Tao Chunhu 陶春虎 et a1 Journal ofRare 中国稀土学报 JJ 1990 8 1 52 11 bae dh lee mh journal of alloysand pounds j xx 342 1 2 445distributing evolvement andeffect on the m echanical propertiesof therare earth ce y inzk60alloys wuanru xia changqing dong lijun 1hunan instituteof engineering xiangtan411101 china 2 central southuniversity changsha410083 china abstracteight kindsof mg re alloyswere prepared the distribution evolvement andactions ofr