摘 要：對汽車發(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(qiáng)度呈現(xiàn)先增加而后降低的趨勢，而強(qiáng)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?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：ＴＧ１７４ 文獻(xiàn)標(biāo)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(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。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(xué)性能［３４］。然而，關(guān)于Ｅｒ元素對鎂合金耐蝕性影響方面的報(bào)道還較少。
本工作通過在發(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 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％）、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(jìn)行了熔
煉，并通過添加 Ｅｒ?qū)ζ溥M(jìn)行微合金化。熔煉過程中采用氬氣進(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(xué)成分及相應(yīng)編號見表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Ｄ８ＡｄｖａｎｃｅＸ射線衍射儀（ＸＲＤ）對鑄態(tài)、合金的物相進(jìn)行了分析。采用ＪＳＭ６８００型掃描電鏡（ＳＥＭ）對合金表面形貌進(jìn)行了觀察，并采用附帶的能譜分析儀（ＥＤＳ）對微區(qū)成分進(jìn)行了測定。
電化學(xué)極化曲線測試在 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 ＭＴＳ８１０型液壓伺服電子萬能拉伸機(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，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(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(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：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(xì)化。
ＡＭ５０Ｅｒ１合金中，Ａｌ７ＥｒＭｎ５ 相和 Ａｌ３Ｅｒ相的含量相對較少，尺寸較為細(xì)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(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程中的熱力學(xué)條件。在合金凝固過程中，Ｅｒ元素會(huì)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(xì)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(dòng) 而 后 負(fù) 向 移 動(dòng) 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(fù)，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?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(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βＭｇ１７Ａｌ１２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：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；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)測試結(jié)果存在一定的差異，因?yàn)樵谇逑催^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：隨著腐蝕時(shí)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(shí)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(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(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，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，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，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，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?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(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。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，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。
（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。
（文章來源：材料與測試網(wǎng)）