Ce和Sb对Mg-3%Al合金铸态组织与力学性能的影响
胡中华，孙华为，秦亚伟，刘胜新(，关绍康，张冠宇
（郑州大学 材料科学与工程学院，河南 郑州 450002）
摘   要：研究了合金元素Ce和Sb对Mg-3%Al基合金显微组织和力学性能的影响。结果表明，Ce，Sb元素加入后使β-Mg17Al12相以细小弥散形态分布。只加入Ce元素时，Ce与合金中的Al元素形成针状的Al4Ce相，合金的铸态室温力学性能较Mg-3%Al合金更差；而Ce，Sb元素同时加入时，在基体中形成了弥散分布的CeSb颗粒相，同时抑制了针状的Al4Ce相的生成，合金表现出较好的强度和塑性。与Mg-3%Al合金相比，Mg-3%Al-1%Ce-1%Sb合金的铸态拉伸强度σb提高了7.5 %，伸长率δ提高了91 %。 
关键词：Mg-3%Al合金；Ce； Sb；显微组织；力学性能
Effects of Cerium and Antimony on As-cast Microstructure and Mechanical Properties of Mg-3%Al Alloy
HU Zhong-hua, SUN Hua-wei, QIN Ya-wei, LIU Sheng-xin, GUAN Shao-kang ZHANG Guan-yu 
(School of Materials Science and Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450002, China)
Abstract:The effects of cerium and antimony on as-cast microstructure and mechanical properties of Mg-3%Al alloy were studied. The results showed that adding cerium and antimony could make β-Mg17Al12 phase dispersive distribution,while only ce added,the ambient mechanical properties of Mg-3%Al-1%Ce alloy were worse than the Mg-3%Al alloy,because of the precipitation of the needle-like Al4Ce phase;however, when the cerium and antimony were added simultaneously, the alloy represented a better plasticity and strength,due to the precipitation of the dispersoid CeSb in the matrix, which inhibited the formation of the needle-like Al4Ce phase.Compared with Mg-3%Al alloy,the ultimate tensile strength σb of the Mg-3%Al-1%Ce-1%Sb alloy was improved by 7.5% and the elongation rate δ was improved by 91%.
Key  words: Mg-3%Al alloy, cerium, antimony, microstructure, mechanical properties
镁合金具有比强度和比刚度高、导热导电性好、阻尼减振、电磁屏蔽、易于加工成型等优点，被誉为“21世纪绿色工程材料”[1-2]。镁－铝系合金是目前应用最为广泛的镁合金系列[3]，该系列镁合金室温组织主要为α-Mg和β-Mg17Al12相，其中β相常以离异共晶的形式呈网状分布于晶界处，对合金的耐腐蚀性能和塑性极为不利。向Mg-Al系列镁合金中添加一定量的稀土元素不仅可细化基体组织，使β-Mg17Al12相以细小弥散形态分布；同时还可提高合金高温抗蠕变性能、耐腐蚀和阻燃性能[4-5]。但是，在合金凝固过程中生成的铝稀土相以针状或杆状形态沿晶界分布；而且通过固溶等热处理手段也不能有效改变其形态和分布[6-7]。以针状形态存在的稀土相，对Mg合金基体产生很强的割裂作用，当合金受力时，易引起应力集中，对合金强韧性十分不利[8]。对变形镁合金而言，其铸态组织对后续加工工艺影响较大，若能对其铸态组织进行有效控制，则可望得到更为理想的性能。本文以Mg-3%Al为基体合金, 研究了添加Sb元素与稀土元素Ce对其铸态组织和性能的影响。
实验方法
本实验用原料为纯Mg(99.99%)、纯Al(99.99%)，配制Mg-3%Al-1%Ce、Mg-3%Al-1%Ce-1%Sb系列镁合金。配料时分别以Mg-Ce、Mg-Sb中间合金形式向合金中添加Ce、Sb元素，配料过程中考虑了合金元素的烧损率。
实验合金在电阻炉中，采用低碳钢坩埚进行熔炼，实验过程中采用CO2、SF6混合气体作为保护气体。当电炉温度升到400～500 ℃时，加入纯镁和纯铝块，配制Mg-3%Al合金, 在760℃时加入Mg-Sb、Mg-Ce中间合金，等中间合金熔化后搅拌静置15min，在730℃浇入温度为280℃的金属铸型中，铸成Φ15×150mm的试棒。
为了消除取样位置对晶粒大小的影响，所有试样均在试棒同一部位取样。试样经粗磨、细磨和抛光后，采用4%硝酸酒精溶液浸蚀，侵蚀时间10s左右。采用Olympus H2-UMA型金相采集系统，对合金的铸态组织进行观察。采用PANalycal X'Pert PRO型X射线衍射仪上对合金试样进行物相分析。微观组织分析采用飞利浦（Philips）的Quanta-200型扫描电镜及其自带的EDAX能谱仪进行。根据国标GB/T228-2002线切割成拉伸试样，用Instron Model 5585材料拉伸实验机进行拉伸试验，拉伸速度为1.0mm/min，拉伸结果取3个试样的平均值。
试验结果及分析
2.1 显微组织分析
Mg-3%Al合金室温组织主要为α-Mg和β-Mg17Al12相，其中β相常以离异共晶的形式呈网状分布于晶界处。图1为Mg-3%Al-1%Ce、Mg-3%Al-1%Ce-1%Sb两种合金铸态显微组织，可以看出，只添加Ce时，合金中已没有网状的β-Mg17Al12相出现，而是以细小的点状或不规则的块状存在而且数量较少，同时合金中出现了较多的针杆状新相；而Ce、Sb同时加入时合金中出现了黑色的球块状相，此时针状相已不能明显的观察到，β-Mg17Al12相被打散呈点状或不规则的块状弥散分布。
图1合金的铸态显微组织
Fig 1 Microstructure of as-cast alloys  (a ) Mg-3%Al-1%Ce  (b) Mg-3%Al-1%Ce-1%Sb
图2为两种合金的X射线衍射分析，可以看出Mg-3%Al-1%Ce合金主要由α-Mg和Al4Ce两种相组成（图2a）；而Mg-3%Al-1%Ce-1%Sb合金主要由α-Mg和CeSb两种相组成(图2b)。
Mg-3Al-1Ce-1Sb合金组织和性能分析20090630.doc