鎂合金熱處理

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摘要：鎂合金具有較高的比剛度、比強(qiáng)度、良好的電磁屏蔽性、減振性能和散熱性能，是最輕的結(jié)構(gòu)金屬材料之一，在航空航天領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。本文綜述了鎂合金熱處理工藝及其研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：鎂合金熱處理研究現(xiàn)狀

多數(shù)鎂合金都可通過熱處理來改善或調(diào)整材料的力學(xué)性能和加工性能。鎂合金能否通過熱處理強(qiáng)化完全取決于合金元素的固溶度是否隨溫度變化。當(dāng)合金元素的固溶度隨溫度變化時，鎂合金可以進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。鎂合金的常規(guī)熱處理工藝分為退火和固溶時效兩大類。

鎂合金熱處理強(qiáng)化的特點(diǎn)是：合金元素的擴(kuò)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(yīng)保持中性氣氛或通入保護(hù)氣體以防燃燒。

一、退火

退火可以顯著降低鎂合金制品的抗拉強(qiáng)度并增加其塑性，對某些后續(xù)加工有利。變形鎂合金根據(jù)使用要求和合金性質(zhì)，可采用高溫完全退火（O）和低溫去應(yīng)力退火（T2）。

完全退火可以消除鎂合金在塑性變形過程中產(chǎn)生的加工硬化效應(yīng)，恢復(fù)和提高其塑性，以便進(jìn)行后續(xù)變形加工。完全退火時一般會發(fā)生再結(jié)晶和晶粒長大，所以溫度不能過高，時間不能太長。當(dāng)鎂合金含稀土?xí)r，其再結(jié)晶溫度升高。AM60、AZ31、AZ61、AZ60合金經(jīng)熱軋或熱擠壓退火后組織得到改善。去應(yīng)力退火既可以減小或消除變形鎂合金制品在冷熱加工、成形、校正和焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，也可以消除鑄件或鑄錠中的殘余應(yīng)力。

二、固溶和時效

1、固溶處理

要獲得時效強(qiáng)化的有利條件，前提是有一個過飽和固溶體。先加熱到單相固溶體相區(qū)內(nèi)的適當(dāng)溫度，保溫適當(dāng)時間，使原組織中的合金元素完全溶入基體金屬中，形成過飽和固溶體，這個過程就稱為固溶熱處理。由于合金元素和基體元素的原子半徑和彈性模量的差異，使基體產(chǎn)生點(diǎn)陣畸變。由此產(chǎn)生的應(yīng)力場將阻礙位錯運(yùn)動，從而使基體得到強(qiáng)化。固溶后屈服強(qiáng)度的增加將與加入溶質(zhì)元素的濃度成二分之一次方比。

根據(jù)Hmue-Rothery規(guī)則，如果溶劑與溶質(zhì)原子的半徑之差超過14%～15%，該種溶劑在此種溶質(zhì)中的固溶度不會很大。而Mg的原子直徑為3.2nm，則Li，Al，Ti，Cr，Zn，Ge，Yt，Zr，Nb，Mo，Pd，Ti，Pb，Bi等元素可能在Mg中會有顯著的固溶度。另外，若給定元素與Mg的負(fù)電性相差很大，例如當(dāng)Gordy定義的負(fù)電性值相差0.4以上（即∣xMg－x∣>0.4）時，也不可能有顯著的固溶度。因為此時Mg和該元素易形成穩(wěn)定的化合物，而非固溶體。

2、人工時效

沉淀強(qiáng)化是鎂合金強(qiáng)化(尤指室溫強(qiáng)度)的一個重要機(jī)制。在合金中，當(dāng)合金元素的固溶度隨著溫度的下降而減少時，便可能產(chǎn)生時效強(qiáng)化。將具有這種特征的合金在高溫下進(jìn)行固溶處理，得到不穩(wěn)定的過飽和固溶體，然后在較低的溫度下進(jìn)行時效處理，即可產(chǎn)生彌散的沉淀相。滑動位錯與沉淀相相互作用，使屈服強(qiáng)度提高，鎂合金得到強(qiáng)化：

Tyield=(2aGb)/L+τa（1）

式中Tyield為沉淀強(qiáng)化合金的屈服強(qiáng)度；τa為沒有沉淀的基體的屈服強(qiáng)度；(2aGb/L)為在沉淀之間彎出位錯所需的應(yīng)力。

由于具有較低的擴(kuò)散激活能，絕大多數(shù)鎂合金對自然時效不敏感，淬火后能在室溫下長期保持淬火狀態(tài)。部分鎂合金經(jīng)過鑄造或加工成形后不進(jìn)行固溶處理而是直接進(jìn)行人工時效。這種工藝很簡單，可以消除工件的應(yīng)力，略微提高其抗拉強(qiáng)度。對Mg-Zn系合金就常在熱變形后直接人工時效以獲得時效強(qiáng)化效果，即可獲得T5狀態(tài)加工產(chǎn)品。、固溶處理＋人工時效

固溶淬火后人工時效（T6）可以提高鎂合金的屈服強(qiáng)度，但會降低部分塑性，這種工藝主要應(yīng)用于Mg-Al-Zn和Mg-RE-Zr合金。為了充分發(fā)揮時效強(qiáng)化效果，對含鋅量高的Mg-Zn-Zr合金也可選用T6處理。進(jìn)行T6處理時，固溶處理獲得的過飽和固溶體在人工時效過程中發(fā)生分解并析出第二相。時效析出過程和析出相的特點(diǎn)受合金系、時效溫度以及添加元素的綜合影響，情況十分復(fù)雜。另外，不同鎂合金系其熱處理工藝不同，不同類型工件其熱處理工藝也不相同。鎂合金擠壓件脫模后需要采用強(qiáng)制氣冷或水冷進(jìn)行淬火以獲得微細(xì)均勻的顯微組織。然而在淬火過程中，禁止冷卻水與熱模具直接接觸，否則將導(dǎo)致模具開裂。擠壓的鎂合金材料其狀態(tài)主要有T5、T6、F。其中T5為在線淬火后再進(jìn)行人工時效的狀態(tài)；T6為固溶處理與人工時效狀態(tài)；F為原加工狀態(tài)即擠壓狀態(tài)。固溶處理可提高強(qiáng)度，使韌性達(dá)到最大，并改善抗震能力。固溶處理之后再進(jìn)行人工時效，可使硬度與強(qiáng)度達(dá)到最大值，但韌性略有下降。鎂合金材料在熱加工、成形、矯直和焊接后會留有殘余應(yīng)力。因此，應(yīng)進(jìn)行去應(yīng)力退火。

三、鎂合金熱處理工藝的研究現(xiàn)狀

田學(xué)峰等人對不同熱處理工藝條件下消失模鑄態(tài)AZ91鎂合金的組織和力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，結(jié)果表明，高溫時效沉淀在晶內(nèi)及晶界處以連續(xù)形式析出，而在低溫時效時沉淀以不連續(xù)形式在晶界形成，并具有糖漿狀。經(jīng)過熱處理后合金的綜合力學(xué)性能有較大幅度的提高，其中高溫時效對提高強(qiáng)度及加工硬化率尤為有利。另外，晶粒的尺寸和數(shù)量會隨固溶溫度和時間發(fā)生改變，且由顯微分析可發(fā)現(xiàn)不同形態(tài)的粒子。通過對析出物的尺寸進(jìn)行統(tǒng)計分析，可發(fā)現(xiàn)該狀態(tài)的合金固溶溫度更接近于435℃而非415℃。顯微組織的改變使合金硬度在高溫下隨時間的延長而降低。

ZhengMY等人研究了壓鑄SiCw/AZ91鎂合金的時效行為。發(fā)現(xiàn)添加SiC晶須后，SiCw/AZ91復(fù)合物的沉淀過程并未發(fā)生改變，但復(fù)合物中的時效過程會比AZ91合金的要快。SiC晶須的添加改變了Mg17Al12的分布，析出物優(yōu)先在SiCw/AZ91界面上形成。優(yōu)先形成的界面析出物耗盡了基體中的Al，使復(fù)合物基體中的連續(xù)析出相數(shù)量減少，分布不連續(xù)，因此SiCw/AZ91復(fù)合物中的時效硬化效率比AZ91合金中的要低。

麻彥龍等人對ZK60鎂合金熱處理后的組織進(jìn)行了較為全面的研究，初步確定了時效ZK60鎂合金中主要合金相的種類和形態(tài)。實(shí)驗結(jié)果表明，ZK60鎂合金鑄態(tài)組織中存在大量共晶組織，共晶組織主要由α-Mg和MgZn相組成，其形態(tài)和分布具有多樣性。分段固溶工藝(380℃12h十510℃×12h)最大限度消除了共晶組織，使固溶樣品顯微硬度接近鎂基體。在鑄態(tài)、固溶處理和時效處理的ZK60鎂合金中均存在MgZn2相，它們無取向分布，形貌呈近似平行四邊形，大小在200nm～500nm之間，對熱處理不敏感。時效ZK60鎂合金中的第二類析出相是MgZn相，形態(tài)為長約500nm的條狀，與基體有嚴(yán)格的位相關(guān)系。第三類析出相是Mg2Zn3相，形態(tài)為長約100nm的短桿狀，它是時效ZK60鎂合金中數(shù)量最多，尺寸最小，分布最均勻的析出相。

董文超等研究了T61熱處理工藝和過熱度對AM60鎂合金顯微組織及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：熱處理過程中，β相在α相內(nèi)的固溶以及在晶內(nèi)和晶界上的析出改善了AM60鎂合金的顯微組織，同時AM60鎂合金的力學(xué)性能有了較大的改善。

參考文獻(xiàn)

[1]麻彥龍,張津.AZ91D鎂合金研究新進(jìn)展[J].熱加工工藝,2007年16期

[2]董文超,王朝暉,康永林.T61熱處理和過熱度對AM60鎂合金組織及力學(xué)性能的影響[J].汽車工藝與材料,2004年7期