Mg-Zn系合金半固態組織研究進展

楊劍橋，焦孫治，李 晨

（機械科學研究總院青島分院有限公司 山東 青島 266300）

1 引言

隨著各種科學技術的不斷發展，人們逐漸加大了對各類新型綠色工程金屬的開發，鎂合金作為目前質量最輕的結構金屬材料，憑借其密度小、減震性和抗沖擊性良好、具備優良的綜合使用性能等諸多優點，已在交通運輸、電子通訊產品及家電等各個領域中廣泛應用[1]。然而，若使用傳統的固態成形法制備鎂合金工件，不僅用時長、能耗高，且不宜制備形狀復雜的零部件；若使用金屬液態成形法，雖能制備形狀復雜的工件，但制得的工件極易產生氣孔、裂紋、縮孔、縮松等缺陷，導致力學性能較差，以上兩種成形方法都制約了鎂合金的應用。因此，各國學者已圍繞著鎂合金的成形方法開展了大量研究。探索出的半固態成形技術，可以將固-液態成形的優勢集于一身，顯著優點包括：所需成形溫度低、節能環保；能制備較為復雜且質量較高（孔隙少、尺寸精確）的工件。

筆者基于近些年國內外對Mg-Zn系合金非枝晶組織的探究，進行了相關概述。以期對今后半固態觸變成形的研究開發起到促進作用。

2 Mg-Zn系合金研究進展

Mg-Zn系鎂合金是重要的基礎合金。據研究[2]表明在Mg中Zn的最大溶解度為6.2%，當Zn添加量小于6%時，MgZn2相為主要的第二相；當Zn含量大于6%且呈增大趨勢時，硬脆相Mg7Zn3相生成且存在比例隨之增大，這種脆性相易在界面引起應力集中，導致合金性能下降。故工業中往往控制Zn在Mg-Zn合金中的含量不超過6%。然而，單純的Mg-Zn二元合金在組織及性能方面上均表現不佳，無法直接用于生產工業用鑄鍛件[3]。因此，為了改善這一狀況，就需在二元合金基礎上引入多種合金元素繼續微合金化。在實驗和生產中往往于Mg-Zn合金中加入與鎂熔點相近的Al，不僅是由于Al易于熔煉，且Al能使鎂合金晶粒明顯得到細化，Al元素在改變析出相的形貌同時，會使析出相分布的更為均勻。RE元素大都與鎂原子尺寸相近，可較好地溶入鎂基體內，能夠通過T4、T6強化來改善合金組織性能，在優化合金組織的同時也能降低合金易受腐蝕的影響[4]。此外在ZK60合金中復合添加Cd-Nd稀土元素，對合金綜合細化的效果更佳[5]。除上述方式外，目前用來優化合金組織性能的主要途徑還包括適宜的熱處理工藝。

3 非枝晶組織的特點

通過適宜等溫重熔工藝制備的半固態材料，其組織應具備以下特征：（1）固相顆粒細小，平均尺寸小于90 μm。（2）固相顆粒的形狀因子趨近于1，整體表現為球狀或類球狀。（3）固相顆粒在整個組織內部分布均勻，組織的固相率保持在45%～55%范圍內。此外，相較于液態壓鑄件無法通過熱處理進一步提高性能這一局限性，具備非枝晶組織的零部件可充分利用熱處理這一途徑。

4 合金元素的影響

胡勇等[6]通過等溫熱處理法制備了AZ91D-xCe鎂合金半固態組織，從實驗結果得知，稀土Ce含量對AZ91D合金非枝晶顆粒產生了巨大影響，合金晶粒的圓整度和尺寸狀況隨Ce含量的增加，呈現出先變優后變劣趨勢，當Ce含量為0.5%時，細化效果最佳，較不含Ce的AZ91D合金晶粒尺寸和形狀因子減小了一半。而Ce含量增至1%時，由于新形成的Al4Ce相數量過多且呈現出偏聚長大趨勢，引起過冷度下降導致了晶粒長大，該實驗說明通過添加適量的Ce能優化初生固相顆粒的尺寸和圓整度。通過研究[8]可知，隨著Cr添加量從0增至0.3%，固相顆粒的平均尺寸和形狀因子都呈現出先減小后變大趨勢，加入適量Cr到ZC61合金后有利于其形成更理想的半固態組織；而合金組織的固相占比呈現出先增大后減小的變化趨勢，這意味著Cr元素一方面能阻礙組織的固相分離，另一方面也能促進其發生分離。

據討論可知，添加不同種類、含量的元素會對Mg-Zn系合金半固態組織產生迥然不同的影響，而若能進一步探究各合金元素之間的交互作用及各元素含量的最佳比例，可對Mg-Zn基合金在組織性能的提高上提供強有力的技術支持。

5 熱處理工藝的影響

據實驗得知，在相同等溫時間內，隨溫度逐漸升高，組織的液相率呈上升趨勢，固相顆粒的圓整度和尺寸呈現出先減小后增大的趨勢[7]。當溫度升至585℃時，共晶組織在已生成液相的侵蝕下加速溶解，原鑄態枝晶組織逐漸消失，轉變為類球或球狀顆粒組織；繼續升高溫度，顆粒形貌尺寸在Ostwald 熟化作用下變得粗大不規則。王瑞權等[8]研究發現，在溫度不改變，保溫時長較短的情況下，僅能得到分布不均勻且不規則的初生固相顆粒；進一步延長保溫時長，固相顆粒球化效果明顯且完全分離，液相占比顯著提升，在此時長下的半固態顆粒效果最優；當等溫時間過長時，在粗化機制的作用下，較大固相顆粒會吞并較小顆粒，導致其尺寸急劇變大。

根據上述研究成果可得如下結論：等溫時間不變時，不同的保溫溫度對合金半固態組織中的液相占比存在較大影響；等溫溫度不變時，等溫時間對合金非枝晶顆粒的形貌尺寸影響較大。

6 結語

半固態成形技術是解決鎂合金純凈度問題的有效手段，在今后的研究開發中應多加控制合金熔煉及成形工藝過程。雖然當前關于Mg-Zn系合金的研究已取得較多成果，但在其多元合金中，缺乏關于元素種類含量、各元素之間的交互作用對非枝晶組織影響的系統研究。此外，在探究Mg-Zn系合金非枝晶組織時，應多加關注熱處理工藝參數對其影響規律。深信在未來，這些探究能促進半固態觸變成形取得重大研究突破。