Mg_Nd_Zr_Zn合金的制备及钕对合金组织性能的影响

Mg2Nd2Zr2Z n合金的制备及钕对合金组织性能的影响Ξ迟大钊,吉泽升3,梁维中(哈尔滨理工大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150040)摘要:在R J22溶剂和Be的联合保护下制备了Mg2Nd2Zr2Zn系合金。

通过对合金组织的分析,以及Nd对组织性能影响的研究,试制出了Nd 添加量合理的Mg2Nd2Zr2Zn合金。

经过测试,认为Nd添加量的增加提高了合金的250℃高温抗拉强度,当Nd添加量超过2.8%时,合金的高温强化作用不十分显著。

Mg2Nd2Zr2Zn合金在250℃时的拉伸断裂方式主要是韧性断裂。

关键词:金属材料;Mg2Nd2Zr2Zn合金;钕;高温抗拉强度;稀土中图分类号:TG146.22 文献标识码:A 文章编号:1000-4343(2004)02-0251-03 镁合金是结构材料中最轻的金属,具有密度小、比强度和比刚度高、尺寸稳定等特点[1]。

同时具有导热性、导电性好,阻尼减震和电磁屏蔽性能好等优点,在汽车、电子、家电、通信及航空航天等领域的应用日益增多[2]。

但是镁的化学活性强,在熔融状态下遇氧极易燃烧,爆炸。

即使在200℃下,镁合金也极易氧化,抗拉强度很低。

这在很大程度上限制了镁合金的开发与应用[3]。

本文采用了向镁液中添加R J22溶剂和能降低镁活性的元素Be的双重阻燃措施,在大气下进行镁合金的熔炼,并制备了Nd添加量合理的Mg2Nd2Zr2Zn合金。

实验证明该合金具有较高的高温抗拉强度。

1　实验方法1.1　合金的制备合金在坩埚电阻炉中进行熔炼。

所用的炉料为:Mg锭[w Mg=99.9%],Mg2Zr中间合金[w Zr= 25%],Mg2Nd中间合金[w Nd=30%],Zn锭,氟铍酸钠。

覆盖剂为R J22,精炼剂为R J25,金属型铸造。

熔炼过程:将坩埚预热至暗红色,加入适量的R J22溶剂。

装入镁锭升温熔化,待Mg锭全部熔化后升温至740～760℃依次加入氟铍酸钠、Zn锭、Mg2Nd中间合金,搅拌后除渣。

升温至780～800℃时加入Mg2Zr中间合金,搅拌均匀、除渣后降温至750～760℃加入精炼剂进行精炼。

之后,升温至780～800℃静止30min,降温至760℃浇铸。

铸型采用空冷钢模,型腔尺寸为Φ18mm×180mm。

制备实验合金的名义化学成分见表1。

1.2　合金的热处理合金的热处理在功率1.8kW的箱式电阻炉中进行,Fe2S保护剂。

采用T6热处理,规范如下: 350℃保温2h,530℃保温14h,水温≥80℃水淬,200℃保温18h。

1.3　组织分析和性能检测组织分析在光学显微镜和J XA880R电子显微镜上进行。

选用Al2O3为抛光剂,绒布抛光。

4%硝酸酒精腐蚀显示金相显微组织。

断口分析在PH LIPS SEM515扫描电镜下进行。

高温抗拉强度的测量在W260朝阳拉伸试验机上进行。

2　实验结果2.1　Mg2Nd2Zr2Zn合金的组织通过R J22溶剂和能降低镁活性的元素Be的表1　实验Mg2Nd2Zr2Zn镁合金的名义化学成分/(%)合金元素含量Nd Zr Zn Mg1# 2.40.80.35余量2# 2.60.80.35余量3# 2.80.80.35余量4# 3.00.80.35余量第22卷Vol.22　第2期№.2中　国　稀　土　学　报JOURNAL OF THE CHINESE RARE EARTH SOCIETY2004年4月Apr.2004Ξ收稿日期:2003-10-13;修订日期:2003-12-10基金项目:哈尔滨市青年基金(2002AFQX J031);黑龙江省教委基金(10531050)资助项目作者简介:迟大钊(1976-),男,黑龙江双城人,硕士研究生;研究方向:耐热镁合金3通讯联系人(E2mail:5chizao@)双重阻燃措施,在大气下成功地进行了Mg 2Nd 2Zr 2Zn 合金的熔炼。

铸态组织、热处理态组织表明,试样成分均匀,相分布稳定。

通过熔炼过程实现了金属元素的合金化,通过热处理过程实现了合金的组织强化。

Mg 2Nd 2Zr 2Zn 合金的铸态组织(图1)由Nd ,Zr ,Zn 在Mg 中的固溶体以及存在于晶粒内部、晶界粒状未溶质点组成。

随着Nd 添加量的增加,合金铸态组织晶粒细化,未溶的二相圆形粒子数量增多,根据合金的成分和Mg 2Nd 二元合金相图可知,这些颗粒是Mg 2Nd 二元系中的Mg 12Nd 。

Mg 2Nd 2Zr 2Zn 合金的热处理态组织(图2)由Nd ,Zr ,Zn 在Mg中的固溶体以及晶粒内部弥散分布的微粒组成。

通过T6热处理的高温保温过程,合金晶粒内部粒状未溶质点全部溶入基体中。

通过T6热处理的人工时效,Nd 以Mg 2Nd 中间化合物的微粒形式均匀弥散地析出,随着Nd 添加量的增加,弥散析出的微粒数量明显增多。

晶界原子的迁移使合金的晶界间隙变小,晶粒的结合更紧密。

图1　Mg 2Nd 2Zr 2Zn 合金铸态显微组织(a )2#合金;(b )4#合金图2　Mg 2Nd 2Zr 2Zn 合金热处理态显微组织(a )2#合金;(b )4#合金2.2　Mg 2Nd 2Zr 2Zn 合金的高温抗拉强度将经过时效处理后的Mg 2Nd 2Zr 2Zn 合金制成拉伸试样。

试样的250℃高温拉伸试验表明,Nd 的加入对合金的高温拉伸强度产生了显著的影响。

Nd 添加量不同的Mg 2Nd 2Zr 2Zn 合金对应的高温拉伸极限强度值(该值为3个试样高温拉伸极限强度的平均值)见表2所示。

可见随着Nd 添加量的增加,合金的抗拉强度值升高,当Nd 添加量超过218%时,合金高温拉伸极限强度的上升幅度减缓,Nd 对合金的强化作用不是十分显著。

表2　Nd 添加量不同的Mg 2Nd 2Zr 2Zn 合金的高温拉伸极限强度值Nd 的添加量(w Nd /%)2.4 2.6 2.83.0高温拉伸极限强度值σ/MPa104.4146.8167.0170.52.3　断口分析镁是密排六方晶系,滑移面和滑移系比较少,因此塑性变形程度在常温下也比较小。

但是在高温下非基面的位错也参与运动,时效沉淀相,位错割阶和晶界成为位错运动的主要障碍[4]。

合金在高温拉伸时发生非基面滑移而形成交滑移。

断裂时的宏观特征是韧性断裂。

韧窝是SEM 照片(图3)中观察到的最显著的特征。

因此,认为合金的断裂方式主要是韧性断裂。

同时也可以观察到断裂沿密排面扩展的撕裂棱以及数量极少的解理面。

3　分析讨论3.1　Be 对合金熔炼及组织性能的影响镁合金在熔炼时很容易剧烈燃烧。

采用单独的溶剂保护时,铸件中容易产生溶剂夹杂,并且会产生污染性气体[5]。

气体保护则设备复杂,成本相图3　高温拉伸断口SEM 照片(a )2#合金;(b )4#合金252 中　国　稀　土　学　报 22卷对增加,而Be的少量加入可以明显减缓氧化作用减少Nd的烧损。

Be的过量加入有粗化晶粒倾向,从而降低力学性能[6]。

因此Be的加入量在0. 005%～0.01%(质量分数)范围内。

R J22和Be的联合保护使Mg2Nd2Zr2Zn合金可以在空气中直接浇铸而不会发生燃烧。

3.2　Nd对合金制备及组织性能的影响Nd在Mg2Nd2Zr2Zn合金熔炼过程中能够降低氧化速率。

在镁合金中,氧化夹杂主要为MgO,由于Nd与氧的亲和力大于Mg与氧的亲和力,因此Nd加入镁合金液后将生成稀土氧化物,从而起到去除氧化物夹杂的作用除去氢气。

并且Nd与水气和镁液中的氢反应,从而达到降氢的目的[7]。

因为Nd和Mg能生成简单的共晶体系,Nd2Mg合金结晶温度间隔小,且Nd与Mg形成的低熔点共晶体使液态合金有很好的流动性。

本文研究的合金中加入了Nd后,铸态组织得到了一定程度的细化,这是因为Nd容易偏聚在合金凝固界面的前沿,阻碍了组织的进一步长大,同时Nd和Mg原子形成第二相化合物,这些弥散分布的颗粒相一部分可成为基体α2Mg非均匀形核的核心,另一部分可能聚集在初生相α2Mg前沿从而阻碍其生长[8]。

这都能使合金的铸态组织得到细化。

Nd和镁的原子尺寸接近,在镁合金中的溶解度较大,在共晶温度下达1.8%～2.0%,随着温度降低有所下降,但在室温下溶解度仍有018%～110%[9],因此本试验合金可以通过热处理进行强化。

热处理后合金组织中高熔点的第二相颗粒均匀地分布在晶界上和晶界内,由于这些弥散分布的、热稳定的颗粒相的存在,使镁合金体现出较好的耐热性能。

这是因为Nd在镁中的扩散速度较小,使得晶界和相界扩散渗透性减小,相界的凝聚作用减慢,且第二相在高温下不易软化和粗化,在整个持续时间内始终是位错运动的有效障碍,使得合金的耐热性能大幅度提高。

4　结　论1.在R J22和Be的联合保护下实现了Mg2Nd2 Zr2Zn合金在大气中的安全制备。

2.随着Nd添加量的增加,合金的组织得到细化,高温拉伸极限强度提高。

但当Nd添加量超过2.8%时,Nd对合金的强化作用不十分显著。

Mg2 Nd2Zr2Zn合金最优化的配料成分为:Nd(2.8%), Zr(0.8%),Zn(0.35%),Mg(余量)。

3.250℃时合金的拉伸断裂方式主要是韧性断裂。

参考文献:[1]　梁维中,吉泽升,左　锋,等.　耐热镁合金的研究现状及发展趋势[J].特种铸造及有色合金,2003,21(2):39.[2]　郭旭涛,李培杰,曾大本,等.　稀土耐热镁合金发展现状及展望[J].铸造,2002,(2):68.[3]　余　琨,黎文献,李松瑞,等.　含稀土镁合金的研究与开发[J].特种铸造及有色合金,2001,(1):41.[4]　刘海峰,侯　骏,刘耀辉,等.　压铸镁合金高温蠕变研究现状及进展[J].铸造,2002,51(6):330.[5]　黄晓峰,周　宏,何镇明,等.　镁合金的防燃研究及进展[J].中国有色金属学报,2000,(10):271.[6]　M opekguleryuz A.　Review cast magnesium alloys for elevatedtemperature applications[J].Journal of Materials Science,1994.5259.[7]　沙　林.　金属材料中的稀土元素[J].材料工程,1993,(1):1.[8]　张世军,黎文献,余　琨,等.　镁合金晶粒细化工艺[J].铸造,2001,50(7):373.[9]　Ferro R,Saccone A,Borzone G.　Rare earth metals in light alloys[J].Alloy&C ompounds,1995,220(1-2):161.Preparation of Mg2Nd2Zr2Zn Alloy and E ffect of N eodymium on Its Structure and PropertyChi Dazhao,Ji Zesheng3,Liang Weizhong(Material Science&Engineering College,Harbin Uni2 versity of Science and Technology,Harbin150040,China)Abstract:Mg2Nd2Zr2Zn alloy was prepared under the combined protection of solvent R J22and Be.Based on the analyses of the structure and the effect of Nd on the high temperature tensile property of the alloy,Mg2 Nd2Zr2Zn alloy with reasonabse addition of Nd was as2 certained.Tensile tests show that with the increase of the amount of Nd,the high temperature tensile strength of the alloy is improved.When the amount of Nd exceeds2.8%,its effect on high temperature ten2 sile strength of the alloy is not remarkable.Under the temperature of250℃,the alloy ruptures is mainly tenacious.K ey words:metal materials;Mg2Nd2Zr2Zn alloy;Nd;high temperature tensile strength;rare earths 3522期 迟大钊等　Mg2Nd2Zr2Zn合金的制备及钕对合金组织性能的影响 。