退火工藝對Mg-4.0Zn-0.8Zr合金組織與性能的影響

關鍵詞：Mg-4.0Zn-0.8Zr合金；退火溫度；組織；力學性能；腐蝕速率

0 引言

鎂合金的密度和楊氏模量十分接近人骨，力學性能良好、耐腐蝕性優良，職對機體無害且生物安全性好，是一種應用前景廣闊的醫用金屬材料。在Mg-Zn-Zr系鎂合金中，因Zn元素的加入，可以很好的提高合金鑄件的抗蠕變性能，而加入Zr元素后，可以很好的起到細化合金晶粒的作用，進而可以提高合金的力學性能和耐腐蝕性能，因此Mg-Zn-Zr合金有望成為新一代可降解醫用植入材料，成為人們重點研究的新型生物材料之一。近年來，科研人員關于Mg-Zn-Zr合金的一些研究成果發現：通過粉末冶金技術制備Mg-1Zn-0.5Zr合金由α-Mg單相組成，在燒結溫度620℃，造孔劑含量17%的條件下，粉末冶金制備的Mg-1Zn-0.5Zr合金的孔隙度和硬度分別為26.6%和44.5 HV，比Mg樣品顯著提高，對其腐蝕48h后，Mg-1Zn-0.5Zr合金的耐腐蝕達到最佳，腐蝕速率僅為0.17mm/a。鑄態Mg-Zn-Zr合金晶粒較為粗大，晶內有明顯粗大的第二相顆粒存在，經過往復擠壓或正擠壓處理后的合金發生動態再結晶，鑄態合金中的粗大枝晶消失，基體上均勻分布大量的細小第二相，合金耐腐性得到明顯提高。Mg-5.5Zn-0.5Zr合金經190℃×24h時效后的力學性能與固溶時效處理合金的性能近乎相當，向Mg-5.5Zn-0.5Zr合金加入微量Sn后，合金晶粒得到明顯細化，組織中生產了Mg2Sn相，使得合金強度得到顯著提高，當Sn添加量為0.8wt%時，合金的綜合性能最佳。Mg-Zn-Zr鎂合金軋制后，由于存在殘余應力、成分不均、組織不穩定等問題將直接影響材料的性能與應用，通過合理的退火工藝可以消除或降低上述問題，提高材料的綜合性能。本文以熱軋態Mg-4.0Zn-0.8Zr合金為研究對象，研究不同退火溫度對其組織、力學性能和耐腐蝕性能的影響規律，為通過退火工藝改善Mg-4.0Zn-0.8Zr合金的綜合性能提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選用高純Mg錠（99.99%）、純Zn粒（99.99%）以及鎂鋯中間合金（20wt%Zr）熔煉試驗用Mg-4.0Zn-0.8Zr合金。合金熔煉采用電磁感應爐和剛玉坩堝完成，熔煉過程采用體積比為1∶100的SF6和CO2混合氣體進行保護。合金液在700℃進行金屬型澆注，金屬型預熱溫度為180℃，最終得到尺寸為φ200 mm×150 mm鑄錠，經實測試驗合金實際成為4.24wt%Zn，0.77wt%Zr，其余為Mg。

1.2 退火工藝

為提高鑄錠組織的均勻性，對鑄錠經過400℃×8 h的均勻化處理，并在擠壓溫度為380℃、擠壓比為64∶1的條件下對鑄態合金進行熱擠壓，得到厚度為2 mm的Mg-4.0Zn-0.8Zr合金擠壓板材。從擠壓板材上取樣，將試樣進行400℃×1h的退火處理后，再進行軋制溫度為300℃，總變形量為50%的軋制試驗，再對軋制試樣進行不同溫度（320、360、400℃），保溫1 h的退火處理。

1.3 組織觀察與性能測試

依據GB/T228.1—2010《金屬材料拉伸試驗》標準要求進行不同退火試樣的拉伸性能測試，從每種退火合金上切取并制作3個拉伸試樣，拉伸試樣具體尺寸如圖1所示。并通過AG-1520k N萬能試驗機完成室溫拉伸試驗，最終測量結果取均值。浸泡試樣尺寸為φ10 mm×2 mm，試樣經過打磨清洗后吹干，由電子天平稱重。將試樣置于恒溫37℃的Hank’s溶液中浸泡7 d，溶液每天更換1次，浸泡試驗結束后去除試樣腐蝕產物并清洗吹干，再采用電子天平稱重。

沿軋制方向切割組織觀察試樣，試樣經過鑲樣、研磨、拋光，再采用Keller試劑腐蝕表面，使用MR5000型光學顯微鏡觀察不同試樣的顯微組織。采用Tescan VEGA3型掃描電鏡觀察拉伸斷口形貌和浸泡腐蝕試樣表面形貌。

2 結果及分析

2.1 退火溫度對合金顯微組織的影響

熱軋態和退火態Mg-Zn-Zr合金的顯微組織如圖2所示。由圖2可見，熱軋態合金晶粒沿著軋制方向被拉長，有少量等軸晶出現在大晶粒周圍，組織均勻性較差。320℃退火試樣的組織基本保持了熱軋態合金的纖維狀組織形貌，晶粒尺寸比熱軋態合金晶粒稍大，同時在一些大晶粒周圍有一些細小晶粒組織分布，這些細小晶粒組織區域為再結晶形核的區域。退火溫度升高到360℃時，合金中晶?；緸榇笮【鶆虻牡容S晶，合金再結晶基本完成，這主要是由于退火溫度升高，合金組織中原子移動速率加快，靜態再結晶速度隨之加快，合金的再結晶程度提高。退火溫度繼續升高到400℃時，合金中有少部分晶粒尺寸明顯增加，組織出現了少量大尺寸晶粒，組織均勻性變差。

2.2 退火溫度對合金拉伸性能的影響

熱軋態和退火態Mg-Zn-Zr合金的拉伸性能如圖3所示。由圖3可見，熱軋態Mg-Zn-Zr合金的抗拉強度為304.8 MPa、伸長率為10.9%。對熱軋態Mg-Zn-Zr合金進行不同溫度退火后，合金的抗拉強度有了明顯下降，伸長率有了顯著提升。在320～400℃，隨著退火溫度的升高，Mg-Zn-Zr合金的抗拉強度不斷下降，伸長率先升高后降低。360℃退火的合金的伸長率最高，為22.1%，比熱軋態合金的伸長率提高102.8%，其抗拉強度為250.4MPa，比熱軋態合金的抗拉強度下降17.8%。在較低溫度下（320℃）退火時，Mg-Zn-Zr合金組織仍表現為軋態合金組織特征，組織中位錯密度較大，第二相對位錯的釘扎作用很大程度上阻礙了位錯的運動，因此合金強度較高，塑性較低。隨著退火溫度的升高，合金組織由軋制態轉變為退火態，合金再結晶程度不斷提高，晶粒尺寸均勻性不斷提高，組織中的位錯密度不斷降低，使得合金強度下降，塑性提高。但退火溫度升高到400℃時，合金中部分晶粒出現異常長大，組織均勻性下降，使得合金塑性開始下降。

熱軋態和360℃退火的Mg-Zn-Zr合金的拉伸斷口形貌如圖4所示。由圖4可見，熱軋態Mg-Zn-Zr合金的拉伸斷口上可以觀察到明顯的解理臺階，韌窩較少、較淺。相比而言，360℃退火的Mg-Zn-Zr合金的拉伸斷口上的韌窩較深，韌窩數量也明顯更多，這表明其塑性更好。經二者對比可知，360℃退火的Mg-Zn-Zr合金具有更好的塑性，拉伸斷口觀察結果與拉伸性能測試結果相印證。

2.3 退火溫度對合金耐腐蝕性能的影響

以經過Hank’s溶液浸泡7 d前后試樣的損失質量，計算熱軋態和退火態Mg-Zn-Zr合金的腐蝕速率，結果如圖5所示。由圖5可見，熱軋態Mg-Zn-Zr合金的腐蝕速率最高，為0.85 mm/a，說明其耐腐蝕性最差。對熱軋態Mg-Zn-Zr合金進行不同溫度退火后，合金的腐蝕速率有了明顯下降，說明退火處理的Mg-Zn-Zr合金的耐腐蝕性有了不同程度的提高。隨著退火溫度的升高，合金的腐蝕速率先降低后升高，360℃退火的合金的腐蝕速率最低，為0.24 mm/a，說明3種退火試樣中，360℃退火的Mg-Zn-Zr合金的耐腐蝕性最好。360℃退火的Mg-Zn-Zr合金發生了完全再結晶，晶粒細小均勻，良好的組織均勻性可以很好的消除組織中粗晶與細晶間微電偶，有效提高了Mg-Zn-Zr合金的耐腐蝕性。另外腐蝕過程中，細小均勻的組織可以形成更為致密的Mg O膜，致密的Mg O膜對合金起到更好的保護作用，進而提高Mg-Zn-Zr合金的耐腐蝕性。

熱軋態和360℃退火的Mg-Zn-Zr合金的腐蝕表面形貌如圖6所示。由圖6可見，經過Hank’s溶液7d浸泡腐蝕后，熱軋態Mg-Zn-Zr合金試樣表面出現了嚴重的腐蝕坑，說明熱軋態合金被腐蝕情況較為嚴重。而360℃退火的Mg-Zn-Zr合金表面受到的腐蝕情況較為均勻，試樣表面無明顯的腐蝕坑，說明360℃退火的Mg-Zn-Zr合金耐腐蝕性能明顯好于熱軋態合金的。

3 結論

（1）熱軋態Mg-Zn-Zr合金晶粒沿著軋制方向被拉長，組織均勻性較差。320℃退火的合金組織仍保持熱軋態合金組織的纖維狀形貌，360℃退火合金再結晶完全，晶粒為均勻的等軸晶。隨著退火溫度繼續升高合金組織均勻性變差。

（2）隨著退火溫度的升高，Mg-Zn-Zr合金的抗拉強度不斷下降，伸長率先升高后降低，腐蝕速率先降低后升高。360℃退火的合金伸長率最高，為22.1%，腐蝕速率最低，為0.24 mm/a，其抗拉強度為250.4 MPa。