時效對AZ31鎂合金組織與性能的影響

吳 丹，盧雅琳，徐文婷

(江蘇理工學院，江蘇 常州 213100)

0 引言

鎂合金材料是一種新型綠色金屬材料，也是典型的輕量化材料，其重量僅為鋁合金的2/3，用鎂合金做結構件可以大大減輕構件重量[1－4]。近年來，隨著紡織機械向著高速和大寬幅方向發展，重量輕、強度剛度好的輕合金材料被廣泛應用于紡織設備[5－6]。鎂合金因具有密度小、比強度和比剛度高、減震性能好，機械加工方便等優點[7]而成為經編機械的首選。其中AZ31鎂合金為最常用的鎂合金材料。

合適的熱處理工藝是改善和提高鎂合金綜合性能的重要手段[8－10]。因AZ31鎂合金中有Mg17Al12相，強化相較少，固溶強化效果不明顯，所以通過時效處理改善其組織性能成為最佳選擇。此外，由于經編機械中的針床、梳櫛等關鍵零件均為尺寸較長的薄板、異型材件，在擠壓成型之后只能通過合適的時效處理，才能保證其較好的機械性能和尺寸穩定性。時效處理可以消除AZ3l鎂合金擠壓變形后的缺陷和殘余應力，且時效過程中容易在晶界和接點處形成無畸變的再結晶晶粒和可移動的大角晶界，發生靜態再結晶，使材料性能發生得以改善[10－12]。本文以紡織機械用AZ31擠壓型材為研究對象，通過合適的時效處理，使其機械性能和尺寸穩定性達到最優，為企業實際生產提供技術保證。

1 實驗材料及方法

實驗采用擠壓的AZ31鎂合金型材為實驗材料，其材料成分(質量分數，%)為:Al－3.07，Mn－0.28，Zn －0.6，其余為Mg。

實驗所用熱處理設備為SX.5.12型箱式電阻爐，溫控精度±1℃。熱處理工藝方案如表1所示。

表1 AZ31鎂合金熱處理工藝

對熱處理前后的AZ31鎂合金試樣進行力學性能測試，試樣為圖1所示的骨樣狀，標距為25 mm，厚度為2.5 mm，寬度為8 mm。

圖1 拉伸試樣

熱處理后的試樣經磨樣－拋光－腐蝕，通過定量金相分析系統獲得微觀組織照片。在CMT－5105萬能試驗機上進行拉伸力學性能測試，拉伸速度為2mm/min。在HVS21000型數顯顯微硬度計上進行顯微硬度測量，載荷為500g，保壓時間20s，每個數據測量8個點，取平均值。

2 試驗結果分析

圖2為擠壓態AZ31鎂合金的微觀組織照片，從圖中可以看出，擠壓態組織為大小不一的近球狀組織，晶界比較清晰。小晶粒為晶界清晰的球狀組織，小晶粒出現在大晶粒的晶界處。

圖2 擠壓態AZ31鎂合金的微觀組織

2.1 微觀組織分析

圖3為AZ31鎂合金在不同熱處理工藝條件下的微觀組織照片。圖3(a)中為時效溫度200℃、保溫2h的試樣組織。從圖中可以看出，沿粗大晶粒晶界有許多組織細小的再結晶晶粒出現，平均晶粒尺寸有所減小。圖3(b)為在200℃、保溫3h時效后試樣的微觀組織照片，與圖3(a)相比，組織大小形貌變化不大。圖3(c)、(d)為時效溫度為225℃、保溫時間分別為2h和3h的試樣組織，可以看出，圖3(c)中組織由細小均勻的小晶粒組成，晶界不清晰，組織均勻性稍好。隨著保溫時間的延長，晶粒明顯長大，三角晶界處仍有少量再結晶組織，如圖3(d)所示。比較圖3(a)和3(c)可以看出，當保溫時間均為2h時，隨著時效溫度的升高，三角晶界處的再結晶晶粒逐漸長大，晶粒趨于均勻、圓整。3(e)、(f)、(g)為時效溫度250℃下分別保溫0.5h、1h和2h的微觀組織。可以看出，此溫度下的組織均勻細小，隨著保溫時間的延長，微觀組織更加細小和均勻化，尤其當保溫時間為2h時，大量再結晶晶粒沿晶界出現，晶界比較清晰，說明250℃時效溫度下，合金發生了靜態再結晶，保溫時間越長，再結晶進行得越充分和完全。比較圖3(a)、(c)、(g)可以看出，隨著時效溫度的升高，材料發生了靜態再結晶，再結晶數目越來越多，說明隨著溫度的升高，靜態再結晶由不完全向完全再結晶發展。比較圖3(e)、(i)、(g)可以看出，當時效溫度為250℃時，平均晶粒尺寸較大，隨著溫度升高到275℃時，晶粒發生了再結晶，平均晶粒尺寸減小，當溫度升高到300℃時，再結晶晶粒長大，平均晶粒尺寸顯著增大。說明時效溫度為275℃時較為合適。

圖3 退火工藝對AZ31鎂合金微觀組織的影響

總的來說，在低溫條件下(小于250℃)，隨著時效溫度的升高，晶粒尺寸逐漸減小;高溫條件下(大于250℃)，隨著時效溫度的升高，晶粒先減小后繼續增大。試樣在時效處理的過程中發生了再結晶現象。

2.2 時效工藝參數對材料力學性能的影響

按照圖1加工AZ31鎂合金拉伸試樣，并進行力學性能測試。圖4所示為時效溫度對材料抗拉強度的影響。可以看出:當時效溫度由200℃升高到250℃時，材料的抗拉強度顯著增大，且增幅較大，當溫度繼續升高到300℃時，抗拉強度稍有增大，增幅明顯減小。圖5為250℃時效溫度下保溫時間對材料抗拉強度的影響，可以看出:隨著保溫時間的延長，材料抗拉強度逐漸增大，當保溫時間超過1 h，保溫時間對材料抗拉強度的影響不顯著，增幅不大。

圖4 時效溫度對材料抗拉強度的影響

圖5 時效時間對材料抗拉強度的影響

綜合比較時效后的微觀組織照片和力學性能數據，可以發現，對AZ31鎂合金而言，進行275℃x0.5h時效處理后，其組織細化、力學性能最佳。所以，275℃ ×0.5h為AZ31鎂合金最佳熱處理方案。

3 結論

(1)在200℃ ～300℃范圍內，進行時效處理，晶粒細化較為明顯。其中在275℃保溫0.5h處理，晶粒均勻且尺寸較小。

(2)當時效溫度小于275℃時，AZ31鎂合金板材抗拉強度隨溫度的升高顯著增大，增幅較大;當時效溫度大于275℃，抗拉強度的增幅較小，變化不太顯著。

(3)隨著保溫時間的延長，AZ31鎂合金板材抗拉強度逐漸增大，但當保溫時間超過1h，材料抗拉強度的變化趨于穩定。

(4)275℃ ×0.5h為AZ31鎂合金擠壓板材最佳熱處理方案。

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