Mg-Zn-Sn-Er合金時效析出機制的研究

＊張 昭

（河南傳承鑄造材料有限公司 河南 455000）

在Mg-Sn系列的合金中，析出的高熔點的Mg2Sn顆粒相能夠阻止高溫拉伸時的塑性變形，改善合金的抗高溫性能，增強合金的熱穩定性[1-3]。同時，Mg-Zn基合金由于過渡相的沉淀產生具有明顯的時效硬化。因此，Mg-Zn和Mg-Sn系統進行了廣泛的實驗研究，發現針狀MgZn2沉淀物和板狀Mg2Sn沉淀物是a-Mg基體強化的主要原因，結合二者形成的Mg-Zn-Sn三元體系的合金系統被認為是抗蠕變Mg合金的有前途的候選者之一。但是沉淀物的粗化過程會導致過度時效，而稀土元素鉺(Er)在鎂合金凝固過程中形成高溫稀土相可以集中在亞晶粒和晶界防止熱處理期間晶粒的生長。然而，微觀結構演化的一些重要特征仍然存在未知，尚不清楚在時效過程中含鉺相在鎂合金沉淀析出的基本規律。因此，本文的主要目的是深入研究Mg-Zn-Sn-Er合金中MgZn2、Mg2Sn相和稀土相的析出順序和成核特性。

1.研究方法

在可控硅箱式熱處理爐進行固溶處理。結合測試的鑄態DSC相變點和相圖分析，對合金鑄錠制定了三級固溶方案，第一級固溶在335℃保溫24h后取出進行水淬并烘干，接著進行第二級固溶在440℃保溫24h后取出進行水淬并烘干，隨后進行第三級固溶在480℃保溫18h后取出進行水淬并烘干。

為了研究得到更好的時效析出效果，實驗采用在油浴爐子中進行T6處理（固溶+雙極時效）。固溶后的試樣切成厚度為15mm的方形薄片，隨后放入裝有硅油的油浴爐子里進行時效處理。時效方案分別為在80℃中保溫12h、24h、36h、48h、72h、96h，隨后在150℃中保溫24h、48h、72h、96h、120h，每組試樣取出后均進行空冷。

利用GX51標準型倒置光學顯微（Optical Microscope，OM）分析金相和采用日本電子JEM-2100透射電鏡進行高倍顯微組織分析。

2.分析與討論

（1）Mg-Zn-Sn-Er固溶時效組織。圖1為固溶處理后Mg-5Zn-3Sn-xEr系合金的金相。從金相上可以看出有一些黑色的顆粒在晶內存在，并隨著Er含量增加而增多，初步分析是高溫相或者含稀土相并未完全溶解到基體中。經過三級固溶后，晶界處的二次相幾乎消失，晶界相對清晰，晶粒變得更粗大。從整體上看，固溶處理使二次相溶解基本上溶入到基體中。

圖1 Mg-5Zn-3Sn-xEr系合金固溶金相組織圖

圖2為固溶處理合金的XRD圖譜。從XRD圖譜可以明顯看出，經過335℃/24h固溶處理后，該合金中MgZn2相的峰值明顯降低直至消失，說明該相基本溶解到基體中，經過335℃/24h+440℃/24h固溶處理后，該合金中Mg2Sn相的峰值降低了但仍有部分峰值存在，說明該相部分溶解到基體中，而部分并未溶解的原因可能是Mg2Sn相的熔點高，在固溶時溫度和時間均為到最佳的狀態，但對其他的含稀土相在基體中的溶解影響不大；經過335℃/24h+440℃/24h+480℃/18h固溶處理后，該合金中Mg2Sn相的峰幾乎消失了，說明該相已經溶解到基體中?？梢钥吹組gSnEr相對應的峰，且隨著溫度的升高，MgSnEr相對應的峰值強度變弱。說明在固溶處理過程中，MgSnEr相溶于基體中。

圖2 Mg-5Zn-3Sn-2Er合金固溶處理合金的XRD分析

圖3為隨著Er含量不斷增加的Mg-5Zn-3Sn-xEr合金時效150℃保溫48h金相組織?？梢钥闯鯡r含量的增加抑制了晶粒和亞晶粒的長大，這是因為凝固過程中形成的高溫相MgSnEr集中在亞晶粒和晶界防止熱處理期間亞晶粒的生長。在150℃時效過程中，連續析出形式占據主要地位，時效24～48h后，在晶內可以觀察到Mg2Sn相。

圖3 Mg-5Zn-3Sn-xEr合金時效150℃保溫48h金相組織

圖4為Mg-5Zn-3Sn-xEr系合金時效150℃保溫48h的XRD分析圖譜，通過對圖譜的分析可以得出，當Er含量為0時，Mg-5Zn-3Sn-xEr系合金是由α-Mg、MgZn2和Mg2Sn三相組成。隨著Er含量的增加，Mg2Sn相的衍射峰的峰強逐漸減弱，并且發現添加稀土Er后，在XRD圖譜中有MgSnEr的時效峰出現，隨著Er含量的增加，MgSnEr衍射峰的強度越大。分析原因是Mg-Zn-Sn合金里加Er后，產生MgSnEr，隨著Er含量增多，結合了Sn也愈來越多，所以隨著Er元素的增多，時效過程中，Mg2Sn相減少，稀土相MgSnEr增多。

圖4 Mg-5Zn-3Sn-xEr系合金時效150℃保溫48h的XRD分析

（2）Mg-Zn-Sn-Er合金時效析出機制。Mg-Zn-Sn-Er合金時效析出主要包括MgZn2相，Mg2Sn相和MgSnEr相的時效析出。

①MgZn2相的時效析出行為

鋅在鎂中的平衡固溶度隨著溫度的升高而大大降低，鋅在鎂中的過飽和固溶體的受控分解可產生顯著的時效硬化作用。對于質量分數為4%～9%的Zn且在120～260℃等溫時效的Mg-Zn合金，強化的沉淀相為 '1β和[4-5]。亞穩態相形成為棒狀，其長軸平行于α-Mg基體的[0 0 0 1]方向，而亞穩態相'2β在（0 0 0 1）生成。圖5在Mg-Zn-Sn-Er合金在150℃時效24h后，可以檢測到針狀顆粒，可以清楚地看到長徑比很高的長針。

圖5 Mg-5Zn-3Sn-0.5Er合金在150℃時效24h的TEM圖像

在時效48h的樣品中，如圖6所示，平行于[0 0 0 1]方向的棒狀或者片層狀沉淀相的數量密度明顯高于平行于（0 0 0 1）板狀的數量密度。除了這兩種主要的沉淀形態外，在α-Mg基體中還檢測到一些塊狀顆粒。并且從[0 0 0 1]方向觀察，大多數平行于[0 0 0 1]方向棒狀或者片層狀具有菱形的橫截面，因此將它們稱為桿。這個桿狀相是。隨著時效時間的延長，沉淀相逐漸以MgZn2相析出。

圖6 Mg-5Zn-3Sn-0.5Er合金在150℃時效48h的TEM圖像

②Mg2Sn相的時效析出行為

Mg-5Zn-3Sn-1.5Er合金在150℃時效24h的樣品中，可以看出形成了以面心立方FCC-Mg2Sn顆粒。由于時效過程中，Zn原子的擴散能力比Sn原子強，MgZn2相優先進行沉淀析出，然后Mg2Sn顆粒主要生長在尖端附近的MgZn2針上。Mg2Sn一般垂直于較長MgZn2針，呈現短條狀。尤其是Mg2Sn易于在MgZn2針的端部生長，如圖7所示。

圖7 Mg-5Zn-3Sn-1.5Er合金在150℃時效24h的TEM圖像

③MgSnEr相的析出特征

圖8（a）為Mg-5Zn-3Sn-0.5Er合金時效150℃保溫72h的TEM微觀組織，對其進行面掃，從圖上可以看出在白色方框內灰色組織為MgZn2相，而白色組織為MgSnEr相，發現MgSnEr相依附于MgZn2相上生長。結合EDS（圖8（b）～（e））表明，在該第二相顆粒中，Zn、Sn、Er有明顯的偏聚，與TEM圖像對應，說明合金中存在著MgSnEr以MgZn2作為形核質點進行異質形核的現象，從而可以在一定程度上促進MgSnEr顆粒相的析出。

圖8 Mg-5Zn-3Sn-0.5Er合金時效150℃保溫72h的TEM微觀組織及其EDS

3.結論

（1）Mg-5Zn-3Sn-xEr（x=0、0.5、1、2）合金通過335℃保溫24h，440℃保溫24h，480℃保溫18h的三級固溶后鑄態下凝固的相全部固溶于基體中。

（2）時效后，MgZn2的沉淀相以平行于α-Mg基體的[0 0 0 1]方向析出和在（0 0 0 1）生成。

（3）Mg2Sn一般垂直于較長MgZn2針，呈現短條狀，易于在MgZn2針的端部生長。

（4）MgSnEr以MgZn2作為形核質點進行異質形核。