摘 要：對汽車發(fā)動機用ＡＭ５０合金進行了Ｅｒ合金化處理；采用掃描電鏡（ＳＥＭ），Ｘ射線衍射儀（ＸＲＤ），浸泡試驗
和電化學試驗研究了Ｅｒ含量對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αＭｇ相和βＭｇ１７Ａｌ１２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，腐蝕后抗拉強度呈現(xiàn)先增加而后降低的趨勢，而強度損失呈現(xiàn)先減小而后增大的趨勢；Ｅｒ添加量為０．５％（質(zhì)量分數(shù)）時，ＡＭ５０合金具有最佳耐蝕性和拉伸性能。
關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動機；ＡＭ５０合金；Ｅｒ微合金化；腐蝕速率；抗拉強度
中圖分類號：ＴＧ１７４ 文獻標志碼：Ａ 文章編號：１００５７４８Ｘ（２０１７）０６０４４１０５
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．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅＥｒｍｉｃｒｏａｌｌｏｙｅｄＡＭ５０
ａｌｌｏｙｃｏｎｔａｉｎｅｄｐｈａｓｅｓｏｆαＭｇ，βＭｇ１７Ａｌ１２，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、比強度高、比彈性模量大、散熱好、消震性好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于汽車、交通等領(lǐng)
域［１］。汽車行駛時，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。然而，鎂合金的耐蝕性較差，不能滿足服役條件對材料的要求，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，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性能［３４］。然而，關(guān)于Ｅｒ元素對鎂合金耐蝕性影響方面的報道還較少。
本工作通過在發(fā)動機用 ＡＭ５０合金中添加Ｅｒ進行微合金化，研究了 Ｅｒ含量對 ＡＭ５０合金組織與耐蝕性的影響。
１ 試驗
試 驗 原 料 為 高 純 Ｍｇ （９９．９９％）、高 純Ａｌ（９９．９９％）、Ａｌ１０Ｍｎ中間合金、ＥｒＭｇ中間合金等。在真空感應(yīng)熔煉爐中對 ＡＭ５０合金進行了熔
煉，并通過添加 Ｅｒ?qū)ζ溥M行微合金化。熔煉過程中采用氬氣進行保護以防止鎂合金的燃燒和氧化，澆注溫度控制在７１０℃，通過添加中間合金和高純
Ａｌ來調(diào)節(jié)合金成分，共制備了六種不同 Ｅｒ含量的ＡＭ５０合金，其化學成分及相應(yīng)編號見表１。
表１ 試驗合金的化學成分（質(zhì)量分數(shù)）
Ｔａｂ．１ Ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｌｌｏｙ（ｍａｓｓ）
采用Ｄ８ＡｄｖａｎｃｅＸ射線衍射儀（ＸＲＤ）對鑄態(tài)、合金的物相進行了分析。采用ＪＳＭ６８００型掃描電鏡（ＳＥＭ）對合金表面形貌進行了觀察，并采用附帶的能譜分析儀（ＥＤＳ）對微區(qū)成分進行了測定。
電化學極化曲線測試在 ＺｅｎｎｉｕｍＥ型電化學工作站中進行，試樣為１０ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍ 的塊狀，測試溶液為３．５％ ＮａＣｌ（質(zhì)量分數(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，浸泡時間分別為２４，７２，１６８ｈ。采用失重法計算腐蝕速率。
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。拉伸試驗在 ＭＴＳ８１０型液壓伺服電子萬能拉伸機上進行，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ＡＭ５０Ｅｒ０合金鑄錠進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，鑄態(tài)ＡＭ５０Ｅｒ０ 合金主要由αＭｇ 固溶體和初生βＭｇ１７Ａｌ１２相組成，ＸＲＤ 譜中部分αＭｇ相衍射峰和βＭｇ１７Ａｌ１２相衍射峰重合；由圖１（ｂ）可見，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［６］可知，黑灰色區(qū)域為αＭｇ固溶體，白色顆粒狀的物質(zhì)為βＭｇ１７Ａｌ１２相，而針狀白色物質(zhì)為 Ａｌ８Ｍｎ５ 相。由圖２可見：經(jīng)Ｅｒ微合金化后，ＡＭ５０合金中除 了 含 有 αＭｇ 相 和 βＭｇ１７ 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βＭｇ１７Ａｌ１２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βＭｇ１７Ａｌ１２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βＭｇ１７Ａｌ１２相的含量會有所降低。
圖２ 不同Ｅｒ含量的ＡＭ５０合金的ＸＲＤ譜
Ｆｉｇ．２ ＸＲＤｐａｔｔｅｒｎｓｏｆＡＭ５０ａｌｌｏｙｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔＥｒｃｏｎｔｅｎ
由圖３可見：ＡＭ５０Ｅｒ０合金中除了αＭｇ相和βＭｇ１７Ａｌ１２相外，有少量針狀ＡｌＭｎ相存在，其中βＭｇ１７Ａｌ１２相主要分布在晶界；在合金中添加稀土元素Ｅｒ后，ＡＭ５０ 合金中開始出現(xiàn)了更加白亮的Ａｌ７ＥｒＭｎ５ 相和 Ａｌ３Ｅｒ相，合金的組織有一定細化。
ＡＭ５０Ｅｒ１合金中，Ａｌ７ＥｒＭｎ５ 相和 Ａｌ３Ｅｒ相的含量相對較少，尺寸較為細小；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。對合金中白亮色的物相進行能譜分析（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程中的熱力學條件。在合金凝固過程中，Ｅｒ元素會在αＭｇ的界面前沿聚集并造成成分過冷，枝晶間距不斷減小和細化；此外，Ｅｒ元素還對βＭｇ１７Ａｌ１２相的粗化和長大起到一定的抑制作用。
２．２ 極化曲線
由圖４（ａ）可見：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 而 后 負 向 移 動 的 趨 勢，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：對比 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，且陰極電流密度和陽極電流密度也相對更低。這說明在 ＡＭ５０合金中添加 Ｅｒ元素，能使合金的耐蝕性得到提高。這是因為：Ｅｒ元素的加入可以增加表面腐蝕膜層的致密性，在腐蝕過程中抑制腐蝕溶液對基體組織的侵蝕；此外，Ｅｒ元素的加入可以使陰極處βＭｇ１７Ａｌ１２相的含量降低，減少腐蝕過程中腐蝕電偶的數(shù)量［８］。但是，合金中Ｅｒ元素含量過多，會導致含Ｅｒ金屬間化合物的數(shù)量增加和尺寸變大，屬間化合物與βＭｇ１７Ａｌ１２相形成微電偶的數(shù)量也會增加，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：當腐蝕時間相同時，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；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。腐蝕浸泡試驗結(jié)果與電化學測試結(jié)果存在一定的差異，因為在清洗過程中 ＡＭ５０Ｅｒ４和 ＡＭ５０Ｅｒ５合金中部分尺寸較大的 Ａｌ７ＥｒＭｎ５ 相和 Ａｌ３Ｅｒ相出現(xiàn)了脫落，使得腐蝕浸泡試驗數(shù)據(jù)存在一定誤差。由圖６可見：隨著腐蝕時間的延長，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間內(nèi)腐蝕速率相差４倍左右。由此可見，Ｅｒ元素的添加極大地提高了 ＡＭ５０合金的耐蝕性。
由圖７可見：經(jīng)過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元素可以細化合金組織，降低合金中βＭｇ１７Ａｌ１２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，這種化合物會成為新的陰極而發(fā)生原電池反應(yīng)，導致腐蝕速率的增大，合金的耐蝕性反而降低。
２．４ 拉伸性能
由圖８（ａ）可見，在同樣的腐蝕時間下，隨著ＡＭ５０合金中Ｅｒ含量的增加，合金的抗拉強度呈先增加而后降低的趨勢，在 Ｅｒ質(zhì)量分數(shù)為０．５％時，合金的抗拉強度最大。強度損失為合金腐蝕前后抗拉強度的差值。從圖８（ｂ）可見，隨著 ＡＭ５０合金中Ｅｒ含量的增加，強度損失呈現(xiàn)先減小而后增大的趨勢，Ｅｒ質(zhì)量分數(shù)為０．５％時，合金的強度損失最小。
Ｅｒ元素在 ＡＭ５０合金中可以起到細晶強化、固溶強化和第二相強化的作用［９］，因此合金的常溫拉伸性能會有所增強。此外，Ｅｒ元素在腐蝕過程中會以氧化物形式進入到表面腐蝕膜層中，并在凝固過程中抑制βＭｇ１７Ａｌ１２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，Ｅｒ質(zhì)量分數(shù)為０．５％時，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αＭｇ固溶體和初生βＭｇ１７Ａｌ１２相組成；經(jīng)過Ｅｒ微合金化后，ＡＭ５０合金中除了αＭｇ相和βＭｇ１７Ａｌ１２相外，還含有 Ａｌ７ＥｒＭｎ５ 相和 Ａｌ３Ｅｒ相。
（２）當腐蝕時間相同時，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。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度呈現(xiàn)先增加而后降低的趨勢，在Ｅｒ質(zhì)量分數(shù)為０．５％時拉強度最大；強度損失隨Ｅｒ元素含量的增加呈現(xiàn)先減小而后增大的趨勢。
（４）Ｅｒ質(zhì)量分數(shù)為０．５％時，ＡＭ５０合金具有最佳的拉伸性能和耐蝕性。
（文章來源：材料與測試網(wǎng)）