熱處理工藝對Mg—Zn—Ca合金組織的影響

呼應海　朱鵬輝　郭小亮

摘 要：通過鐵模鑄造法制備Mg-4.5Zn-2.0Ca合金，并對鑄態合金進行T6（固溶+時效）熱處理，通過光學顯微鏡，掃描電子顯微鏡，顯微維氏硬度等測試研究了固溶時效對鎂合金組織性能的影響。結果表明：合金的硬化與Ca2Mg6Zn3的沉淀有關，隨著時效時間的增加合金顯微硬度呈現先升高后下降的趨勢，當時效時間為150h時合金顯微硬度最高。

關鍵詞：鎂合金；T6熱處理；微觀組織；維氏硬度

鎂合金作為最輕的金屬工程材料，近年來，其因具有密度低、比強度高、比剛度高以及良好阻尼減震特性以及優異的高應變率吸能特性、抗沖擊性等特點，被廣泛應用于航空航天、交通運輸以及3C產品等領域。多數鎂合金都可通過熱處理來改善或調整材料的力學性能和加工性能。鎂合金能否通過熱處理強化完全取決于合金元素的固溶度是否隨溫度變化。當合金元素的固溶度隨溫度變化時，鎂合金可以進行熱處理強化。鎂合金的常規熱處理工藝分為退火和固溶時效兩大類。鎂合金熱處理強化的特點是：合金元素的擴散和合金相的分解過程極其緩慢，因此固溶和時效處理時需要保持較長的時間。另外，鎂合金在加熱爐中應保持中性氣氛或通入保護氣體以防燃燒[1]。

Mg-Zn-Ca系合金作為新型鎂合金，近年來引起了眾多鎂合金工作者的注意，但目前國內外對Mg-Zn-Ca合金的研究基本停留在鑄態方面。本文主要對鑄態Mg-4.5Zn-2.0Ca合金進行固溶和時效處理，確定最佳熱處理工藝，并對最佳工藝下合金的顯微組織進行分析。

1 試驗方法

根據 Mg-4.5Zn-2.0Ca成分要求，以純鎂（99.95%）、純鋅（99.80%）和 Mg-34wt%Ca 合金為原材料計算配料比，采用石墨坩堝進行熔煉，選用熔鹽保護的方法進行熔煉[2]。所用的覆蓋劑為 NaCl、KCl 按一定比例的混合物。合金液澆鑄至事先 250℃預熱的金屬模具中成型。固溶處理在500℃高溫爐中進行，樣品覆蓋石墨粉，分別保溫2、4、8、12、16、24個h，將固溶后的試樣進行顯微維氏硬度測試和金相顯微組織觀察。將樣品在500℃下統一進行固溶12h處理后，放入電熱風干燥箱中設定溫度200℃進行時效處理，隔相應時間取樣進行顯微硬度測試和顯微金相觀測。為避免自然時效的出現，在時效處理完相應樣品后，應立即對樣品進行顯微維氏硬度測試。

2 試驗結果及分析

2.1 鑄態合金組織性能

Mg-4.5Zn-2.0Ca鑄態合金顯微組織成分均勻，無明顯雜質和偏析現象，晶粒不是十分明顯，合金組織成樹枝晶狀，枝晶間距較小，主要由白色的α-Mg相和沿晶界分布的第二相組成，通過掃描照片可以觀察到灰色基體和分布在基體上的網狀白色相。

2.2 固溶時間的確定

通過金相分析，樣品固溶后2h，與鑄態合金金相比較，晶粒明顯長大，且晶界處連續網格狀枝晶組織被溶解，部分第二相進入機理呈現黑色球狀第二相，從高倍的金相照片可以看出，固溶處理后合金晶界被溶解變窄，晶界處剩下黑色條狀第二相，經衍射分析結合能譜分析為Mg2Ca相，而隨著固溶時間的增長，第二相析出的體積分數有增加的趨勢，而晶界處第二相明顯減少，且合金晶界處化合物的形貌也有一定的變化。合金經過不同時間固溶后需確定其最佳固溶時間，理論上選擇的最佳固溶時間的標準是在晶粒還沒有完全長大，而硬度明顯增大的時候。因此，利用origin繪制硬度和晶粒尺寸隨固溶時間的變化關系如圖1所示。

合金元素固溶到鎂基體中形成固溶體時，在溶劑晶格點陣中溶質原子與溶劑原子發生替換作用，引起原子錯排和點陣畸變，使鎂合金固溶時硬度增高。選擇晶粒沒長大的時候是因為鎂合金本來室溫下塑性變形能力就差，強度不高，細化晶粒不僅可以顯著提高鎂合金的強度，還可以使材料變形更加均勻，改善綜合力學性能，從而促進鎂合金的工程運用。所以綜合考慮選擇12h作為本次試驗的最佳固溶時間。

2.3 最佳時效時間的確定

樣品進行500℃+12h的固溶處理后，選擇2h～500h區間不同的十四個時間進行時效。結果發現，合金硬度變化顯著，樣品在時效后出現硬化，出現3個峰值，分別在2h、150h和350h。在時效后兩小時出現時效硬化，有一個小峰值，接著在150h出現另一個峰值，顯微維氏硬度值逼近90，再過200h在350h又出現一個峰，考慮到硬度的變化和實際生產中能源的利用，選擇150h作為最佳時效時間是比較合理的。

2.4 最佳工藝下的合金組織性能

通過金相分析，固溶+時效后合金的晶粒尺寸較鑄態和固溶后都有明顯增大，這是因為在合金中，有相的轉變時，伴隨著能量的變化，會使能量高的降低，而晶界處是能量高的地方，所以在固溶過程中，由于能量的變化使晶粒相互吞噬，晶界消失，從而使晶粒長大，達到能量降低的目的。且在高溫固溶處理后，低熔點相全部固溶到基體當中，晶界也變得明顯，金屬間化合物減少。晶粒上面出現較多的小包谷，能譜分析這些第二相的成分是Ca2Mg6Zn3。

通過衍射分析，固溶+時效處理后Mg-4.5Zn-2.0Ca鎂合金中Mg2Ca的衍射峰減弱，說明經過固溶時效處理后 Mg-Ca 共晶化合物溶解，但是α-Mg相依然存在，經過 200℃/150h人工時效后，Mg2Ca相減少，Ca2Mg6Zn3相增強。通過分析兩種合金微觀組織也顯示，在時效后，沉淀的是Ca2Mg6Zn3，而不是Mg2Ca，我們便可以得出結論，時效硬化的原因與Ca2Mg6Zn3的出現有關。通過能譜分析，也同時驗證了衍射分析的分析討論。

3 結論

由于鎂合金的強度較低，需要加強其強度，本實驗的目的在于通過一系列熱處理工藝找出最佳工藝，使得在最佳工藝處理后增強合金的強度，所以最佳工藝選擇的原則是要提高合金的強度，經過一系列實驗，得到最佳工藝為500℃×12h+200℃×150h。在時效過程中，合金硬度增加，通過檢測分析，由于Ca2Mg6Zn3的沉淀，合金經歷時效硬化。

參考文獻

[1]路林林，楊平，王發奇，等.形變熱處理對 AZ80 鎂合金組織及性能的影響[J].中國有色金屬學報，2006，16（6）：1035-1039.

[2]陳敬區，劉江文，焦東玲，等.鑄造 Mg-5Zn-0.6Zr-1Re-2Y 鎂合金的低溫時效硬化及組織[J].材料熱處理學報，2010，31（12）：112-117.