分享：Er含量對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用AM５０合金組織與 耐蝕性的影響

摘　要：對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用ＡＭ５０合金進(jìn)行了Ｅｒ合金化處理；采用掃描電鏡（ＳＥＭ），Ｘ射線衍射儀（ＸＲＤ），浸泡試驗(yàn)

和電化學(xué)試驗(yàn)研究了Ｅｒ含量對(duì)ＡＭ５０合金組織和耐蝕性的影響。結(jié)果表明：Ｅｒ微合金化的ＡＭ５０合金中除了含有αＭｇ相和βＭｇ１７Ａｌ１２相外，還形成了Ａｌ７ＥｒＭｎ５ 相和Ａｌ３Ｅｒ相；隨著Ｅｒ含量的增加，合金的腐蝕速率總體表現(xiàn)為先降低而后升高的趨勢(shì)，腐蝕后抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加而后降低的趨勢(shì)，而強(qiáng)度損失呈現(xiàn)先減小而后增大的趨勢(shì)；Ｅｒ添加量為０．５％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，ＡＭ５０合金具有最佳耐蝕性和拉伸性能。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)；ＡＭ５０合金；Ｅｒ微合金化；腐蝕速率；抗拉強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：ＴＧ１７４　　　文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ　　　文章編號(hào)：１００５７４８Ｘ（２０１７）０６０４４１０５

Effects of Er Content on Microstructure and Corrosion Resistance of AM50 Alloy for Automotive Engine

ＷＥＮＡｉｍｉｎｇ，ＸＩＥＪｉａｎ，ＬＩＵ Ｙｉｇｕａｎ，ＨＵＪｕｎ

（ＮａｎｊｉｎｇＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１１１８８，Ｃｈｉｎａ）

Abstract:：ＡＭ５０ａｌｌｏｙｆｏｒａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｅｎｇｉｎｅｗａｓｍｉｃｒｏａｌｌｏｙｅｄｂｙａｄｄｉｔｉｏｎｏｆＥｒ．ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆＥｒｃｏｎｔｅｎｔｏｎ

ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆＡＭ５０ａｌｌｏｙｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｔｈｒｏｕｇｈｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＳＥＭ），Ｘ

ｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ（ＸＲＤ），ｉｍｍｅｒｓｉｏｎｔｅｓｔａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｔｅｓｔ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅＥｒｍｉｃｒｏａｌｌｏｙｅｄＡＭ５０

ａｌｌｏｙｃｏｎｔａｉｎｅｄｐｈａｓｅｓｏｆαＭｇ，βＭｇ１７Ａｌ１２，Ａｌ７ＥｒＭｎ５ａｎｄＡｌ３Ｅｒ．ＷｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆＥｒｃｏｎｔｅｎｔ，ｔｈｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎ

ｒａｔｅｏｆｔｈｅａｌｌｏｙｆｉｒｓｔｄｅｃｒｅａｓｅｄａｎｄｔｈｅｎｉｎｃｒｅａｓｅｄｉｎｇｅｎｅｒａｌ，ｂｕｔｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈｉｎｃｒｅａｓｅｄｆｉｒｓｔａｎｄｔｈｅｎ

ｄｅｃｒｅａｓｅｄ，ａｎｄｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｌｏｓｓｄｉｓｐｌａｙｅｄｔｈｅｓａｍｅｔｅｎｄｅｎｃｙｗｉｔｈｔｈｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒａｔｅ．ＴｈｅＡＭ５０ａｌｌｏｙｈａｄｔｈｅｂｅｓｔ

ｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｗｈｅｎｔｈｅａｄｄｉｔｉｏｎｏｆＥｒｗａｓ０．５％ （ｍａｓｓ）．

Key Words：ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｅｎｇｉｎｅ；ＡＭ５０ａｌｌｏｙ；Ｅｒｍｉｃｒｏａｌｌｏｙｉｎｇ；ｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒａｔｅ；ｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈ

鎂合金是以鎂為基體加入其他金屬元素組成的合金，具有密度小、比強(qiáng)度高、比彈性模量大、散熱好、消震性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車、交通等領(lǐng)

域［１］。汽車行駛時(shí)，６０％燃料的消耗于汽車自重，汽車自重每減輕１０％，其燃油效率可提高５％以上，而鎂合金作為最輕的結(jié)構(gòu)金屬材料之一，在殼體類和支架類汽車零部件領(lǐng)域有著較為明顯的優(yōu)勢(shì)。然而，鎂合金的耐蝕性較差，不能滿足服役條件對(duì)材料的要求，因此提高鎂合金的耐蝕性有利于其推廣應(yīng)用。常用的改善鎂合金耐腐蝕的方法主要包括微合金化和熱處理等［２］。其中，微合金化元素主要有Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｅ以及少量Ｚｒ或Ｃｒ等。近年來(lái)，稀土元素Ｅｒ在有色合金中的應(yīng)用得到科研工作者的關(guān)注。研究表明，在鎂合金中添加 Ｅｒ可以一定程度提高合金的常溫和高溫力學(xué)性能［３４］。然而，關(guān)于Ｅｒ元素對(duì)鎂合金耐蝕性影響方面的報(bào)道還較少。

本工作通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)用 ＡＭ５０合金中添加Ｅｒ進(jìn)行微合金化，研究了 Ｅｒ含量對(duì) ＡＭ５０合金組織與耐蝕性的影響。

１ 試驗(yàn)

試 驗(yàn) 原 料 為 高 純 Ｍｇ （９９．９９％）、高 純Ａｌ（９９．９９％）、Ａｌ１０Ｍｎ中間合金、ＥｒＭｇ中間合金等。在真空感應(yīng)熔煉爐中對(duì) ＡＭ５０合金進(jìn)行了熔

煉，并通過(guò)添加 Ｅｒ?qū)ζ溥M(jìn)行微合金化。熔煉過(guò)程中采用氬氣進(jìn)行保護(hù)以防止鎂合金的燃燒和氧化，澆注溫度控制在７１０℃，通過(guò)添加中間合金和高純

Ａｌ來(lái)調(diào)節(jié)合金成分，共制備了六種不同 Ｅｒ含量的ＡＭ５０合金，其化學(xué)成分及相應(yīng)編號(hào)見(jiàn)表１。

表１ 試驗(yàn)合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

Ｔａｂ．１ Ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｌｌｏｙ（ｍａｓｓ）

采用Ｄ８ＡｄｖａｎｃｅＸ射線衍射儀（ＸＲＤ）對(duì)鑄態(tài)、合金的物相進(jìn)行了分析。采用ＪＳＭ６８００型掃描電鏡（ＳＥＭ）對(duì)合金表面形貌進(jìn)行了觀察，并采用附帶的能譜分析儀（ＥＤＳ）對(duì)微區(qū)成分進(jìn)行了測(cè)定。

電化學(xué)極化曲線測(cè)試在 ＺｅｎｎｉｕｍＥ型電化學(xué)工作站中進(jìn)行，試樣為１０ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍ 的塊狀，測(cè)試溶液為３．５％ ＮａＣｌ（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）溶液，掃描速率為１０ｍＶ／ｓ［５］。

腐蝕 浸 泡 試 樣 尺 寸 為 １０ ｍｍ×１０ ｍｍ×１０ｍｍ，試樣經(jīng)打磨和拋光處理后，用丙酮和酒精清洗并吹干備用。腐蝕介質(zhì)為３．５％ ＮａＣｌ溶液，浸泡時(shí)間分別為２４，７２，１６８ｈ。采用失重法計(jì)算腐蝕速率。

拉伸試樣分別為腐蝕前后的試樣。采用硝酸銀溶液去除腐蝕后試樣表面腐蝕產(chǎn)物，并用清水和酒精沖洗后吹干。拉伸試驗(yàn)在 ＭＴＳ８１０型液壓伺服電子萬(wàn)能拉伸機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率為１ｍｍ／ｍｉｎ。

圖１ 鑄態(tài) ＡＭ５０Ｅｒ０合金的ＸＲＤ譜和ＳＥＭ 圖

Ｆｉｇ．１ ＸＲＤｐａｔｔｅｒｎ（ａ）ａｎｄＳＥＭｉｍａｇｅ（ｂ）

ｏｆｃａｓｔＡＭ５０Ｅｒ０ａｌｌｏｙ

２　結(jié)果與討論

２．１　顯微組織和相組成

對(duì)ＡＭ５０Ｅｒ０合金鑄錠進(jìn)行物相分析和顯微組織觀察，結(jié)果如圖１ 所示。由圖１（ａ）可見(jiàn)，鑄態(tài)ＡＭ５０Ｅｒ０ 合金主要由αＭｇ 固溶體和初生βＭｇ１７Ａｌ１２相組成，ＸＲＤ 譜中部分αＭｇ相衍射峰和βＭｇ１７Ａｌ１２相衍射峰重合；由圖１（ｂ）可見(jiàn)，在ＡＭ５０Ｅｒ０合金中存在較多的白色顆粒狀析出相以及少量的白色針狀析出相。能譜分析（圖略）結(jié)果表明，白色顆粒狀析出相主要含有 Ａｌ和 Ｍｇ元素，而白色針狀析出相主要含有 Ａｌ和 Ｍｎ元素，黑灰色區(qū)域則主要含有 Ｍｇ元素。結(jié)合ＸＲＤ譜和文獻(xiàn)［６］可知，黑灰色區(qū)域?yàn)棣联玻停绻倘荏w，白色顆粒狀的物質(zhì)為βＭｇ１７Ａｌ１２相，而針狀白色物質(zhì)為 Ａｌ８Ｍｎ５ 相。由圖２可見(jiàn)：經(jīng)Ｅｒ微合金化后，ＡＭ５０合金中除 了 含 有 αＭｇ 相 和 βＭｇ１７ Ａｌ１２ 相 外，還 有Ａｌ７ＥｒＭｎ５ 相和 Ａｌ３Ｅｒ相；不同Ｅｒ含量的 ＡＭ５０合金中的物相種類相同，但隨著 ＡＭ５０合金中 Ｅｒ含量的增加，Ａｌ３Ｅｒ相的含量逐漸增加，而βＭｇ１７Ａｌ１２相的含量逐漸減少。這主要是由于隨著 Ｅｒ含量的增加，ＡＭ５０合金中初生的 Ａｌ３Ｅｒ相的含量有所增加，這種初生相的形成優(yōu)先于βＭｇ１７Ａｌ１２相［７］，且消耗了合金中的 Ａｌ原子，使 ＡＭ５０合金中 Ａｌ含量減少，因此βＭｇ１７Ａｌ１２相的含量會(huì)有所降低。

圖２　不同Ｅｒ含量的ＡＭ５０合金的ＸＲＤ譜

Ｆｉｇ．２?。兀遥模穑幔簦簦澹颍睿螅铮妫粒停担埃幔欤欤铮螅鳎椋簦瑁洌椋妫妫澹颍澹睿簦牛颍悖铮睿簦澹?/b>

由圖３可見(jiàn)：ＡＭ５０Ｅｒ０合金中除了αＭｇ相和βＭｇ１７Ａｌ１２相外，有少量針狀ＡｌＭｎ相存在，其中βＭｇ１７Ａｌ１２相主要分布在晶界；在合金中添加稀土元素Ｅｒ后，ＡＭ５０ 合金中開(kāi)始出現(xiàn)了更加白亮的Ａｌ７ＥｒＭｎ５ 相和 Ａｌ３Ｅｒ相，合金的組織有一定細(xì)化。

ＡＭ５０Ｅｒ１合金中，Ａｌ７ＥｒＭｎ５ 相和 Ａｌ３Ｅｒ相的含量相對(duì)較少，尺寸較為細(xì)??；隨著合金中 Ｅｒ含量的增加，合金中 Ａｌ７ＥｒＭｎ５ 相和 Ａｌ３Ｅｒ相的數(shù)量和含量有所增加。對(duì)合金中白亮色的物相進(jìn)行能譜分析（圖略），結(jié)果表明，這些亮白色區(qū)域主要含有 Ｍｇ、Ａｌ、Ｍｎ和Ｅｒ元素，且 Ｍｎ元素和Ｅｒ元素經(jīng)常是伴生出現(xiàn)，這主要取決于合金凝固過(guò)程中的熱力學(xué)條件。在合金凝固過(guò)程中，Ｅｒ元素會(huì)在αＭｇ的界面前沿聚集并造成成分過(guò)冷，枝晶間距不斷減小和細(xì)化；此外，Ｅｒ元素還對(duì)βＭｇ１７Ａｌ１２相的粗化和長(zhǎng)大起到一定的抑制作用。

２．２ 極化曲線

由圖４（ａ）可見(jiàn)：在 Ｅｒ微合金化 ＡＭ５０合金的極化曲線上，隨著Ｅｒ含量的增加，合金的自腐蝕電位呈 現(xiàn) 先 正 向 移 動(dòng) 而 后 負(fù) 向 移 動(dòng) 的 趨 勢(shì)，ＡＭ５０Ｅｒ４合金的自腐蝕電位的最大，為－１．４９Ｖ；相應(yīng)地，自腐蝕電流密度也呈現(xiàn)先減小而后增大，ＡＭ５０Ｅｒ４合金的自腐蝕電流密度最小。由圖４（ｂ）可見(jiàn)：對(duì)比 ＡＭ５０Ｅｒ０和 ＡＭ５０Ｅｒ４合金的 Ｔａｆｅｌ區(qū)域，前 者 的 自 腐 蝕 電 位 （－１．５２ Ｖ）比 后 者 的（－１．４９Ｖ）更負(fù)，且陰極電流密度和陽(yáng)極電流密度也相對(duì)更低。這說(shuō)明在 ＡＭ５０合金中添加 Ｅｒ元素，能使合金的耐蝕性得到提高。這是因?yàn)椋海牛蛟氐募尤肟梢栽黾颖砻娓g膜層的致密性，在腐蝕過(guò)程中抑制腐蝕溶液對(duì)基體組織的侵蝕；此外，Ｅｒ元素的加入可以使陰極處βＭｇ１７Ａｌ１２相的含量降低，減少腐蝕過(guò)程中腐蝕電偶的數(shù)量［８］。但是，合金中Ｅｒ元素含量過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致含Ｅｒ金屬間化合物的數(shù)量增加和尺寸變大，屬間化合物與βＭｇ１７Ａｌ１２相形成微電偶的數(shù)量也會(huì)增加，從而使析氫反應(yīng)的加速，陰極反應(yīng)的腐蝕電流密度增大，合金的耐蝕性反而會(huì)降低。

圖３ 不同Ｅｒ含量 ＡＭ５０合金的ＳＥＭ 圖

Ｆｉｇ．３ ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆＡＭ５０ａｌｌｏｙｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔＥｒｃｏｎｔｅｎｔ

２．３ 腐蝕速率

由圖５可見(jiàn)：當(dāng)腐蝕時(shí)間相同時(shí)，隨著Ｅｒ含量的增加，ＡＭ５０合金的腐蝕速率總體表現(xiàn)為先降低而后升高的趨勢(shì)；ＡＭ５０Ｅｒ２和 ＡＭ５０Ｅｒ３合金的腐蝕速 率 相 差 不 大，但 都 小 于 ＡＭ５０Ｅｒ１ 合 金 的，ＡＭ５０Ｅｒ４合金的腐蝕速率僅次于 ＡＭ５０Ｅｒ１合金的。腐蝕浸泡試驗(yàn)結(jié)果與電化學(xué)測(cè)試結(jié)果存在一定的差異，因?yàn)樵谇逑催^(guò)程中 ＡＭ５０Ｅｒ４和 ＡＭ５０Ｅｒ５合金中部分尺寸較大的 Ａｌ７ＥｒＭｎ５ 相和 Ａｌ３Ｅｒ相出現(xiàn)了脫落，使得腐蝕浸泡試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定誤差。由圖６可見(jiàn)：隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，ＡＭ５０Ｅｒ０合金和 ＡＭ５０Ｅｒ４合金的腐蝕速率呈先降低而后逐漸趨于平穩(wěn)的特征，ＡＭ５０Ｅｒ４合金的腐蝕速率明顯低于 ＡＭ５０Ｅｒ０合金的，二者在相同的腐蝕時(shí)間內(nèi)腐蝕速率相差４倍左右。由此可見(jiàn)，Ｅｒ元素的添加極大地提高了 ＡＭ５０合金的耐蝕性。

由圖７可見(jiàn)：經(jīng)過(guò)７２ｈ浸泡腐蝕后，ＡＭ５０Ｅｒ０合金表面出現(xiàn)了較多的連續(xù)腐蝕坑；當(dāng)在 ＡＭ５０合金中添加Ｅｒ元素后，合金表面的腐蝕坑數(shù)量明顯減少，且 ＡＭ５０Ｅｒ２合金表面的腐蝕坑的面積最小。

ＡＭ５０合金中添加Ｅｒ元素可以細(xì)化合金組織，降低合金中βＭｇ１７Ａｌ１２相的數(shù)量，從而抑制了由于電位不同而產(chǎn)生的微電偶腐蝕反應(yīng)［８］；此外，Ｅｒ元素的添加還在一定程度上改善了腐蝕膜層的結(jié)構(gòu)起到了抑制腐蝕坑形成的作用。但是并不是 Ｅｒ添加量越多越好，如果合金中含 Ｅｒ金屬間化合物的數(shù)量和體積增加至一定程度時(shí)，這種化合物會(huì)成為新的陰極而發(fā)生原電池反應(yīng)，導(dǎo)致腐蝕速率的增大，合金的耐蝕性反而降低。

２．４ 拉伸性能

由圖８（ａ）可見(jiàn)，在同樣的腐蝕時(shí)間下，隨著ＡＭ５０合金中Ｅｒ含量的增加，合金的抗拉強(qiáng)度呈先增加而后降低的趨勢(shì)，在 Ｅｒ質(zhì)量分?jǐn)?shù)為０．５％時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度最大。強(qiáng)度損失為合金腐蝕前后抗拉強(qiáng)度的差值。從圖８（ｂ）可見(jiàn)，隨著 ＡＭ５０合金中Ｅｒ含量的增加，強(qiáng)度損失呈現(xiàn)先減小而后增大的趨勢(shì)，Ｅｒ質(zhì)量分?jǐn)?shù)為０．５％時(shí)，合金的強(qiáng)度損失最小。

Ｅｒ元素在 ＡＭ５０合金中可以起到細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化的作用［９］，因此合金的常溫拉伸性能會(huì)有所增強(qiáng)。此外，Ｅｒ元素在腐蝕過(guò)程中會(huì)以氧化物形式進(jìn)入到表面腐蝕膜層中，并在凝固過(guò)程中抑制βＭｇ１７Ａｌ１２相的形成，從而減少局部微電偶反應(yīng)發(fā)生，從整體上降低了合金發(fā)生腐蝕反應(yīng)的可能性，改善了合金的耐蝕性。由此可見(jiàn)，Ｅｒ質(zhì)量分?jǐn)?shù)為０．５％時(shí)，ＡＭ５０合金具有最佳的拉伸性能和耐蝕性。

（ｄ） ＡＭ５０Ｅｒ３                                                             （ｅ） ＡＭ５０Ｅｒ４                                             （ｆ） ＡＭ５０Ｅｒ５

圖７ 不同Ｅｒ含量的 ＡＭ５０合金在３．５％ ＮａＣｌ溶液中浸泡７２ｈ后的腐蝕形貌

Ｆｉｇ．７ ＣｏｒｒｏｓｉｏｎｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆＡＭ５０ａｌｌｏｙｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔＥｒｃｏｎｔｅｎｔｉｍｍｅｒｓｅｄｉｎ３．５％ ＮａＣｌｓｏｌｕｔｉｏｎｆｏｒ７２ｈ

Ｆｉｇ．８ Ｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈ（ａ）ａｎｄｓｔｒｅｎｇｔｈｌｏｓｓ（ｂ）ｏｆＡＭ５０ａｌｌｏｙｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔＥｒｃｏｎｔｅｎｔａｆｔｅｒｃｏｒｒｏｓｉｏｎ

３ 結(jié)論

（１）未添加Ｅｒ的鑄態(tài)ＡＭ５０合金主要由αＭｇ固溶體和初生βＭｇ１７Ａｌ１２相組成；經(jīng)過(guò)Ｅｒ微合金化后，ＡＭ５０合金中除了αＭｇ相和βＭｇ１７Ａｌ１２相外，還含有 Ａｌ７ＥｒＭｎ５ 相和 Ａｌ３Ｅｒ相。

（２）當(dāng)腐蝕時(shí)間相同時(shí)，隨著 Ｅｒ含量的增加，ＡＭ５０合金的腐蝕速率總體表現(xiàn)為先降低而后升高的趨勢(shì)。ＡＭ５０Ｅｒ２和 ＡＭ５０Ｅｒ３合金的腐蝕速率相差不大，但都小于 ＡＭ５０Ｅｒ１合金的，ＡＭ５０Ｅｒ４合金的腐蝕速率僅次于 ＡＭ５０Ｅｒ１合金的。

（３）隨著ＡＭ５０合金中Ｅｒ元素含量的增加，腐蝕后合金的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加而后降低的趨勢(shì)，在Ｅｒ質(zhì)量分?jǐn)?shù)為０．５％時(shí)拉強(qiáng)度最大；強(qiáng)度損失隨Ｅｒ元素含量的增加呈現(xiàn)先減小而后增大的趨勢(shì)。

（４）Ｅｒ質(zhì)量分?jǐn)?shù)為０．５％時(shí)，ＡＭ５０合金具有最佳的拉伸性能和耐蝕性。

（文章來(lái)源：材料與測(cè)試網(wǎng)）