文爱民,谢 剑,刘奕贯,胡 俊

(南京交通职业技术学院，南京 211188)

Er含量对汽车发动机用AM50合金组织与耐蚀性的影响

文爱民,谢 剑,刘奕贯,胡 俊

(南京交通职业技术学院，南京 211188)

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。

汽车发动机；AM50合金；Er微合金化；腐蚀速率；抗拉强度

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)

采用D8-Advance X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Zennium E型电化学工作站中进行，试样为10 mm×10 mm×10 mm的块状，测试溶液为3.5% NaCl(质量分数，下同)溶液，扫描速率为10 mV/s[5]。

腐蚀浸泡试样尺寸为10 mm×10 mm×10 mm，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24，72，168 h。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1 mm/min。

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。

(a) XRD谱

(b) SEM图图1 铸态AM50Er0合金的XRD谱和SEM图Fig. 1 XRD pattern (a) and SEM image (b) of cast AM50Er0 alloy

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-Mg17Al12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 XRD patterns of AM50 alloys with different Er content

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-1.49 V；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(-1.49 V)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，金属间化合物与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。

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。

(a) AM50Er0 (b) AM50Er1 (c) AM50Er2

(d) AM50Er3 (e) AM50Er4 (f) AM50Er5图3 不同Er含量AM50合金的SEM图Fig. 3 SEM images of AM50 alloys with different Er content

(a) 极化曲线

(b) Tafel区图4 不同Er含量AM50合金的极化曲线及Tafel区Fig. 4 Polarization curves (a) and Tafel region (b) of AM50 alloys with different Er content

图5 不同Er含量的AM50合金在3.5% NaCl溶液中浸泡不同时间时的腐蚀速率Fig. 5 Corrosion rates of AM50 alloys with different Er content immersed in 3.5% NaCl solution for different times

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。

图6 AM50Er0合金和AM50Er4合金腐蚀速率比较Fig. 6 Comparison of corrosion rate between AM50Er0 alloy and AM50Er4 alloy

由图7可见：经过72 h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。

(a) AM50 (b) AM50Er1 (c) AM50Er2

(a) 抗拉强度

(b) 强度损失图8 不同Er含量的AM50合金腐蚀后的抗拉强度和强度损失Fig. 8 Tensile strength (a) and strength loss (b) of AM50 alloys with different Er content after corrosion

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。

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

WEN Aiming, XIE Jian, LIU Yiguan, HU Jun

(Nanjing Communications Institute of Technology, Nanjing 211188, China)

AM50 alloy for automobile engine was microalloyed by addition of Er. The effects of Er content on microstructure and corrosion resistance of AM50 alloy were studied through scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), immersion test and electrochemical test. The results show that the Er-microalloyed AM50 alloy contained phases of α-Mg, β-Mg17Al12, Al7ErMn5and Al3Er. With the increase of Er content, the corrosion rate of the alloy first decreased and then increased in general, but the tensile strength increased first and then decreased, and the strength loss displayed the same tendency with the corrosion rate. The AM50 alloy had the best corrosion resistance and tensile properties when the addition of Er was 0.5% (mass).

automobile engine; AM50 alloy; Er microalloying; corrosion rate; tensile strength

10.11973/fsyfh-201706007

2015-12-20

南京交通职业技术学院节能减排创新项目(NJJY2015003)

文爱民(1969-)，副教授,硕士,从事汽车运用和车辆检测技术研究,13851729539，wenam720@163.com

TG174

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1005-748X(2017)06-0441-05