摘 要：對汽車發動機用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為先降低而后升高的趨勢，腐蝕后抗拉強度呈現先增加而后降低的趨勢，而強度損失呈現先減小而后增大的趨勢；Ｅｒ添加量為０．５％（質量分數）時，ＡＭ５０合金具有最佳耐蝕性和拉伸性能。
關鍵詞：汽車發動機；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、消震性好等優點，被廣泛應用于汽車、交通等領
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構金屬材料之一，在殼體類和支架類汽車零部件領域有著較為明顯的優勢。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在有色合金中的應用得到科研工作者的關注。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。在真空感應熔煉爐中對 ＡＭ５０合金進行了熔
煉，并通過添加 Ｅｒ對其進行微合金化。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來調節合金成分，共制備了六種不同 Ｅｒ含量的ＡＭ５０合金，其化學成分及相應編號見表１。
表１ 試驗合金的化學成分（質量分數）
Ｔａｂ．１ Ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｌｌｏｙ（ｍａｓｓ）
采用Ｄ８ＡｄｖａｎｃｅＸ射線衍射儀（ＸＲＤ）對鑄態、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（質量分數，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 ＡＭ５０Ｅｒ０合金的ＸＲＤ譜和ＳＥＭ 圖
Ｆｉｇ．１ ＸＲＤｐａｔｔｅｒｎ（ａ）ａｎｄＳＥＭｉｍａｇｅ（ｂ）
ｏｆｃａｓｔＡＭ５０Ｅｒ０ａｌｌｏｙ
２ 結果與討論
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，結果如圖１ 所示。由圖１（ａ）可見，鑄態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，黑灰色區域則主要含有 Ｍｇ元素。結合ＸＲＤ譜和文獻［６］可知，黑灰色區域為αＭｇ固溶體，白色顆粒狀的物質為βＭｇ１７Ａｌ１２相，而針狀白色物質為 Ａｌ８Ｍｎ５ 相。由圖２可見：經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），結果表明，這些亮白色區域主要含有 Ｍｇ、Ａｌ、Ｍｎ和Ｅｒ元素，且 Ｍｎ元素和Ｅｒ元素經常是伴生出現，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 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；相應地，自腐蝕電流密度也呈現先減小而后增大，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金屬間化合物的數量增加和尺寸變大，屬間化合物與βＭｇ１７Ａｌ１２相形成微電偶的數量也會增加，從而使析氫反應的加速，陰極反應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。腐蝕浸泡試驗結果與電化學測試結果存在一定的差異，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相出現了脫落，使得腐蝕浸泡試驗數據存在一定誤差。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：經過７２ｈ浸泡腐蝕后，ＡＭ５０Ｅｒ０合金表面出現了較多的連續腐蝕坑；當在 ＡＭ５０合金中添加Ｅｒ元素后，合金表面的腐蝕坑數量明顯減少，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相的數量，從而抑制了由于電位不同而產生的微電偶腐蝕反應［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構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生原電池反應，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質量分數為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，強度損失呈現先減小而后增大的趨勢，Ｅｒ質量分數為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發生，從整體上降低了合金發生腐蝕反應的可能性，改善了合金的耐蝕性。由此可見，Ｅｒ質量分數為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 結論
（１）未添加Ｅｒ的鑄態ＡＭ５０合金主要由αＭｇ固溶體和初生βＭｇ１７Ａｌ１２相組成；經過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先增加而后降低的趨勢，在Ｅｒ質量分數為０．５％時拉強度最大；強度損失隨Ｅｒ元素含量的增加呈現先減小而后增大的趨勢。
（４）Ｅｒ質量分數為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）