分享：Er含量对汽车发动机用AM５０合金组织与 耐蚀性的影响

摘　要：对汽车发动机用ＡＭ５０合金进行了Ｅｒ合金化处理；采用扫描电镜（ＳＥＭ），Ｘ射线衍射仪（ＸＲＤ），浸泡试验

和电化学试验研究了Ｅｒ含量对ＡＭ５０合金组织和耐蚀性的影响。结果表明：Ｅｒ微合金化的ＡＭ５０合金中除了含有αＭｇ相和βＭｇ１７Ａｌ１２相外，还形成了Ａｌ７ＥｒＭｎ５ 相和Ａｌ３Ｅｒ相；随着Ｅｒ含量的增加，合金的腐蚀速率总体表现为先降低而后升高的趋势，腐蚀后抗拉强度呈现先增加而后降低的趋势，而强度损失呈现先减小而后增大的趋势；Ｅｒ添加量为０．５％（质量分数）时，ＡＭ５０合金具有最佳耐蚀性和拉伸性能。

关键词：汽车发动机；ＡＭ５０合金；Ｅｒ微合金化；腐蚀速率；抗拉强度

中图分类号：ＴＧ１７４　　　文献标志码：Ａ　　　文章编号：１００５７４８Ｘ（２０１７）０６０４４１０５

镁合金是以镁为基体加入其他金属元素组成的合金，具有密度小、比强度高、比弹性模量大、散热好、消震性好等优点，被广泛应用于汽车、交通等领

域［１］。汽车行驶时，６０％燃料的消耗于汽车自重，汽车自重每减轻１０％，其燃油效率可提高５％以上，而镁合金作为最轻的结构金属材料之一，在壳体类和支架类汽车零部件领域有着较为明显的优势。然而，镁合金的耐蚀性较差，不能满足服役条件对材料的要求，因此提高镁合金的耐蚀性有利于其推广应用。常用的改善镁合金耐腐蚀的方法主要包括微合金化和热处理等［２］。其中，微合金化元素主要有Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｅ以及少量Ｚｒ或Ｃｒ等。近年来，稀土元素Ｅｒ在有色合金中的应用得到科研工作者的关注。研究表明，在镁合金中添加 Ｅｒ可以一定程度提高合金的常温和高温力学性能［３４］。然而，关于Ｅｒ元素对镁合金耐蚀性影响方面的报道还较少。

本工作通过在发动机用 ＡＭ５０合金中添加Ｅｒ进行微合金化，研究了 Ｅｒ含量对 ＡＭ５０合金组织与耐蚀性的影响。

１ 试验

试 验 原 料 为 高 纯 Ｍｇ （９９．９９％）、高 纯Ａｌ（９９．９９％）、Ａｌ１０Ｍｎ中间合金、ＥｒＭｇ中间合金等。在真空感应熔炼炉中对 ＡＭ５０合金进行了熔

炼，并通过添加 Ｅｒ对其进行微合金化。熔炼过程中采用氩气进行保护以防止镁合金的燃烧和氧化，浇注温度控制在７１０℃，通过添加中间合金和高纯

Ａｌ来调节合金成分，共制备了六种不同 Ｅｒ含量的ＡＭ５０合金，其化学成分及相应编号见表１。

表１ 试验合金的化学成分（质量分数）

Ｔａｂ．１ Ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｌｌｏｙ（ｍａｓｓ）

采用Ｄ８ＡｄｖａｎｃｅＸ射线衍射仪（ＸＲＤ）对铸态、合金的物相进行了分析。采用ＪＳＭ６８００型扫描电镜（ＳＥＭ）对合金表面形貌进行了观察，并采用附带的能谱分析仪（ＥＤＳ）对微区成分进行了测定。

电化学极化曲线测试在 ＺｅｎｎｉｕｍＥ型电化学工作站中进行，试样为１０ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍ 的块状，测试溶液为３．５％ ＮａＣｌ（质量分数，下同）溶液，扫描速率为１０ｍＶ／ｓ［５］。

腐蚀 浸 泡 试 样 尺 寸 为 １０ ｍｍ×１０ ｍｍ×１０ｍｍ，试样经打磨和抛光处理后，用丙酮和酒精清洗并吹干备用。腐蚀介质为３．５％ ＮａＣｌ溶液，浸泡时间分别为２４，７２，１６８ｈ。采用失重法计算腐蚀速率。

拉伸试样分别为腐蚀前后的试样。采用硝酸银溶液去除腐蚀后试样表面腐蚀产物，并用清水和酒精冲洗后吹干。拉伸试验在 ＭＴＳ８１０型液压伺服电子万能拉伸机上进行，拉伸速率为１ｍｍ／ｍｉｎ。

图１ 铸态 ＡＭ５０Ｅｒ０合金的ＸＲＤ谱和ＳＥＭ 图

Ｆｉｇ．１ ＸＲＤｐａｔｔｅｒｎ（ａ）ａｎｄＳＥＭｉｍａｇｅ（ｂ）

ｏｆｃａｓｔＡＭ５０Ｅｒ０ａｌｌｏｙ

２　结果与讨论

２．１　显微组织和相组成

对ＡＭ５０Ｅｒ０合金铸锭进行物相分析和显微组织观察，结果如图１ 所示。由图１（ａ）可见，铸态ＡＭ５０Ｅｒ０ 合金主要由αＭｇ 固溶体和初生βＭｇ１７Ａｌ１２相组成，ＸＲＤ 谱中部分αＭｇ相衍射峰和βＭｇ１７Ａｌ１２相衍射峰重合；由图１（ｂ）可见，在ＡＭ５０Ｅｒ０合金中存在较多的白色颗粒状析出相以及少量的白色针状析出相。能谱分析（图略）结果表明，白色颗粒状析出相主要含有 Ａｌ和 Ｍｇ元素，而白色针状析出相主要含有 Ａｌ和 Ｍｎ元素，黑灰色区域则主要含有 Ｍｇ元素。结合ＸＲＤ谱和文献［６］可知，黑灰色区域为αＭｇ固溶体，白色颗粒状的物质为βＭｇ１７Ａｌ１２相，而针状白色物质为 Ａｌ８Ｍｎ５ 相。由图２可见：经Ｅｒ微合金化后，ＡＭ５０合金中除 了 含 有 αＭｇ 相 和 βＭｇ１７ Ａｌ１２ 相 外，还 有Ａｌ７ＥｒＭｎ５ 相和 Ａｌ３Ｅｒ相；不同Ｅｒ含量的 ＡＭ５０合金中的物相种类相同，但随着 ＡＭ５０合金中 Ｅｒ含量的增加，Ａｌ３Ｅｒ相的含量逐渐增加，而βＭｇ１７Ａｌ１２相的含量逐渐减少。这主要是由于随着 Ｅｒ含量的增加，ＡＭ５０合金中初生的 Ａｌ３Ｅｒ相的含量有所增加，这种初生相的形成优先于βＭｇ１７Ａｌ１２相［７］，且消耗了合金中的 Ａｌ原子，使 ＡＭ５０合金中 Ａｌ含量减少，因此βＭｇ１７Ａｌ１２相的含量会有所降低。

图２　不同Ｅｒ含量的ＡＭ５０合金的ＸＲＤ谱

Ｆｉｇ．２　ＸＲＤｐａｔｔｅｒｎｓｏｆＡＭ５０ａｌｌｏｙｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔＥｒｃｏｎｔｅｎ

由图３可见：ＡＭ５０Ｅｒ０合金中除了αＭｇ相和βＭｇ１７Ａｌ１２相外，有少量针状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 合金中开始出现了更加白亮的Ａｌ７ＥｒＭｎ５ 相和 Ａｌ３Ｅｒ相，合金的组织有一定细化。

ＡＭ５０Ｅｒ１合金中，Ａｌ７ＥｒＭｎ５ 相和 Ａｌ３Ｅｒ相的含量相对较少，尺寸较为细小；随着合金中 Ｅｒ含量的增加，合金中 Ａｌ７ＥｒＭｎ５ 相和 Ａｌ３Ｅｒ相的数量和含量有所增加。对合金中白亮色的物相进行能谱分析（图略），结果表明，这些亮白色区域主要含有 Ｍｇ、Ａｌ、Ｍｎ和Ｅｒ元素，且 Ｍｎ元素和Ｅｒ元素经常是伴生出现，这主要取决于合金凝固过程中的热力学条件。在合金凝固过程中，Ｅｒ元素会在αＭｇ的界面前沿聚集并造成成分过冷，枝晶间距不断减小和细化；此外，Ｅｒ元素还对βＭｇ１７Ａｌ１２相的粗化和长大起到一定的抑制作用。

２．２ 极化曲线

由图４（ａ）可见：在 Ｅｒ微合金化 ＡＭ５０合金的极化曲线上，随着Ｅｒ含量的增加，合金的自腐蚀电位呈 现 先 正 向 移 动 而 后 负 向 移 动 的 趋 势，ＡＭ５０Ｅｒ４合金的自腐蚀电位的最大，为－１．４９Ｖ；相应地，自腐蚀电流密度也呈现先减小而后增大，ＡＭ５０Ｅｒ４合金的自腐蚀电流密度最小。由图４（ｂ）可见：对比 ＡＭ５０Ｅｒ０和 ＡＭ５０Ｅｒ４合金的 Ｔａｆｅｌ区域，前 者 的 自 腐 蚀 电 位 （－１．５２ Ｖ）比 后 者 的（－１．４９Ｖ）更负，且阴极电流密度和阳极电流密度也相对更低。这说明在 ＡＭ５０合金中添加 Ｅｒ元素，能使合金的耐蚀性得到提高。这是因为：Ｅｒ元素的加入可以增加表面腐蚀膜层的致密性，在腐蚀过程中抑制腐蚀溶液对基体组织的侵蚀；此外，Ｅｒ元素的加入可以使阴极处βＭｇ１７Ａｌ１２相的含量降低，减少腐蚀过程中腐蚀电偶的数量［８］。但是，合金中Ｅｒ元素含量过多，会导致含Ｅｒ金属间化合物的数量增加和尺寸变大，属间化合物与βＭｇ１７Ａｌ１２相形成微电偶的数量也会增加，从而使析氢反应的加速，阴极反应的腐蚀电流密度增大，合金的耐蚀性反而会降低。

图３ 不同Ｅｒ含量 ＡＭ５０合金的ＳＥＭ 图

Ｆｉｇ．３ ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆＡＭ５０ａｌｌｏｙｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔＥｒｃｏｎｔｅｎｔ

２．３ 腐蚀速率

由图５可见：当腐蚀时间相同时，随着Ｅｒ含量的增加，ＡＭ５０合金的腐蚀速率总体表现为先降低而后升高的趋势；ＡＭ５０Ｅｒ２和 ＡＭ５０Ｅｒ３合金的腐蚀速 率 相 差 不 大，但 都 小 于 ＡＭ５０Ｅｒ１ 合 金 的，ＡＭ５０Ｅｒ４合金的腐蚀速率仅次于 ＡＭ５０Ｅｒ１合金的。腐蚀浸泡试验结果与电化学测试结果存在一定的差异，因为在清洗过程中 ＡＭ５０Ｅｒ４和 ＡＭ５０Ｅｒ５合金中部分尺寸较大的 Ａｌ７ＥｒＭｎ５ 相和 Ａｌ３Ｅｒ相出现了脱落，使得腐蚀浸泡试验数据存在一定误差。由图６可见：随着腐蚀时间的延长，ＡＭ５０Ｅｒ０合金和 ＡＭ５０Ｅｒ４合金的腐蚀速率呈先降低而后逐渐趋于平稳的特征，ＡＭ５０Ｅｒ４合金的腐蚀速率明显低于 ＡＭ５０Ｅｒ０合金的，二者在相同的腐蚀时间内腐蚀速率相差４倍左右。由此可见，Ｅｒ元素的添加极大地提高了 ＡＭ５０合金的耐蚀性。

由图７可见：经过７２ｈ浸泡腐蚀后，ＡＭ５０Ｅｒ０合金表面出现了较多的连续腐蚀坑；当在 ＡＭ５０合金中添加Ｅｒ元素后，合金表面的腐蚀坑数量明显减少，且 ＡＭ５０Ｅｒ２合金表面的腐蚀坑的面积最小。

ＡＭ５０合金中添加Ｅｒ元素可以细化合金组织，降低合金中βＭｇ１７Ａｌ１２相的数量，从而抑制了由于电位不同而产生的微电偶腐蚀反应［８］；此外，Ｅｒ元素的添加还在一定程度上改善了腐蚀膜层的结构起到了抑制腐蚀坑形成的作用。但是并不是 Ｅｒ添加量越多越好，如果合金中含 Ｅｒ金属间化合物的数量和体积增加至一定程度时，这种化合物会成为新的阴极而发生原电池反应，导致腐蚀速率的增大，合金的耐蚀性反而降低。

２．４ 拉伸性能

由图８（ａ）可见，在同样的腐蚀时间下，随着ＡＭ５０合金中Ｅｒ含量的增加，合金的抗拉强度呈先增加而后降低的趋势，在 Ｅｒ质量分数为０．５％时，合金的抗拉强度最大。强度损失为合金腐蚀前后抗拉强度的差值。从图８（ｂ）可见，随着 ＡＭ５０合金中Ｅｒ含量的增加，强度损失呈现先减小而后增大的趋势，Ｅｒ质量分数为０．５％时，合金的强度损失最小。

Ｅｒ元素在 ＡＭ５０合金中可以起到细晶强化、固溶强化和第二相强化的作用［９］，因此合金的常温拉伸性能会有所增强。此外，Ｅｒ元素在腐蚀过程中会以氧化物形式进入到表面腐蚀膜层中，并在凝固过程中抑制βＭｇ１７Ａｌ１２相的形成，从而减少局部微电偶反应发生，从整体上降低了合金发生腐蚀反应的可能性，改善了合金的耐蚀性。由此可见，Ｅｒ质量分数为０．５％时，ＡＭ５０合金具有最佳的拉伸性能和耐蚀性。

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

图７ 不同Ｅｒ含量的 ＡＭ５０合金在３．５％ ＮａＣｌ溶液中浸泡７２ｈ后的腐蚀形貌

Ｆｉｇ．７ ＣｏｒｒｏｓｉｏｎｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆＡＭ５０ａｌｌｏｙｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔＥｒｃｏｎｔｅｎｔｉｍｍｅｒｓｅｄｉｎ３．５％ ＮａＣｌｓｏｌｕｔｉｏｎｆｏｒ７２ｈ

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

３ 结论

（１）未添加Ｅｒ的铸态ＡＭ５０合金主要由αＭｇ固溶体和初生βＭｇ１７Ａｌ１２相组成；经过Ｅｒ微合金化后，ＡＭ５０合金中除了αＭｇ相和βＭｇ１７Ａｌ１２相外，还含有 Ａｌ７ＥｒＭｎ５ 相和 Ａｌ３Ｅｒ相。

（２）当腐蚀时间相同时，随着 Ｅｒ含量的增加，ＡＭ５０合金的腐蚀速率总体表现为先降低而后升高的趋势。ＡＭ５０Ｅｒ２和 ＡＭ５０Ｅｒ３合金的腐蚀速率相差不大，但都小于 ＡＭ５０Ｅｒ１合金的，ＡＭ５０Ｅｒ４合金的腐蚀速率仅次于 ＡＭ５０Ｅｒ１合金的。

（３）随着ＡＭ５０合金中Ｅｒ元素含量的增加，腐蚀后合金的抗拉强度呈现先增加而后降低的趋势，在Ｅｒ质量分数为０．５％时拉强度最大；强度损失随Ｅｒ元素含量的增加呈现先减小而后增大的趋势。

（４）Ｅｒ质量分数为０．５％时，ＡＭ５０合金具有最佳的拉伸性能和耐蚀性。

文章来源：材料与测试网