时效对AZ31镁合金组织与性能的影响

吴 丹，卢雅琳，徐文婷

(江苏理工学院，江苏 常州 213100)

0 引言

镁合金材料是一种新型绿色金属材料，也是典型的轻量化材料，其重量仅为铝合金的2/3，用镁合金做结构件可以大大减轻构件重量[1－4]。近年来，随着纺织机械向着高速和大宽幅方向发展，重量轻、强度刚度好的轻合金材料被广泛应用于纺织设备[5－6]。镁合金因具有密度小、比强度和比刚度高、减震性能好，机械加工方便等优点[7]而成为经编机械的首选。其中AZ31镁合金为最常用的镁合金材料。

合适的热处理工艺是改善和提高镁合金综合性能的重要手段[8－10]。因AZ31镁合金中有Mg17Al12相，强化相较少，固溶强化效果不明显，所以通过时效处理改善其组织性能成为最佳选择。此外，由于经编机械中的针床、梳栉等关键零件均为尺寸较长的薄板、异型材件，在挤压成型之后只能通过合适的时效处理，才能保证其较好的机械性能和尺寸稳定性。时效处理可以消除AZ3l镁合金挤压变形后的缺陷和残余应力，且时效过程中容易在晶界和接点处形成无畸变的再结晶晶粒和可移动的大角晶界，发生静态再结晶，使材料性能发生得以改善[10－12]。本文以纺织机械用AZ31挤压型材为研究对象，通过合适的时效处理，使其机械性能和尺寸稳定性达到最优，为企业实际生产提供技术保证。

1 实验材料及方法

实验采用挤压的AZ31镁合金型材为实验材料，其材料成分(质量分数，%)为:Al－3.07，Mn－0.28，Zn －0.6，其余为Mg。

实验所用热处理设备为SX.5.12型箱式电阻炉，温控精度±1℃。热处理工艺方案如表1所示。

表1 AZ31镁合金热处理工艺

对热处理前后的AZ31镁合金试样进行力学性能测试，试样为图1所示的骨样状，标距为25 mm，厚度为2.5 mm，宽度为8 mm。

图1 拉伸试样

热处理后的试样经磨样－抛光－腐蚀，通过定量金相分析系统获得微观组织照片。在CMT－5105万能试验机上进行拉伸力学性能测试，拉伸速度为2mm/min。在HVS21000型数显显微硬度计上进行显微硬度测量，载荷为500g，保压时间20s，每个数据测量8个点，取平均值。

2 试验结果分析

图2为挤压态AZ31镁合金的微观组织照片，从图中可以看出，挤压态组织为大小不一的近球状组织，晶界比较清晰。小晶粒为晶界清晰的球状组织，小晶粒出现在大晶粒的晶界处。

图2 挤压态AZ31镁合金的微观组织

2.1 微观组织分析

图3为AZ31镁合金在不同热处理工艺条件下的微观组织照片。图3(a)中为时效温度200℃、保温2h的试样组织。从图中可以看出，沿粗大晶粒晶界有许多组织细小的再结晶晶粒出现，平均晶粒尺寸有所减小。图3(b)为在200℃、保温3h时效后试样的微观组织照片，与图3(a)相比，组织大小形貌变化不大。图3(c)、(d)为时效温度为225℃、保温时间分别为2h和3h的试样组织，可以看出，图3(c)中组织由细小均匀的小晶粒组成，晶界不清晰，组织均匀性稍好。随着保温时间的延长，晶粒明显长大，三角晶界处仍有少量再结晶组织，如图3(d)所示。比较图3(a)和3(c)可以看出，当保温时间均为2h时，随着时效温度的升高，三角晶界处的再结晶晶粒逐渐长大，晶粒趋于均匀、圆整。3(e)、(f)、(g)为时效温度250℃下分别保温0.5h、1h和2h的微观组织。可以看出，此温度下的组织均匀细小，随着保温时间的延长，微观组织更加细小和均匀化，尤其当保温时间为2h时，大量再结晶晶粒沿晶界出现，晶界比较清晰，说明250℃时效温度下，合金发生了静态再结晶，保温时间越长，再结晶进行得越充分和完全。比较图3(a)、(c)、(g)可以看出，随着时效温度的升高，材料发生了静态再结晶，再结晶数目越来越多，说明随着温度的升高，静态再结晶由不完全向完全再结晶发展。比较图3(e)、(i)、(g)可以看出，当时效温度为250℃时，平均晶粒尺寸较大，随着温度升高到275℃时，晶粒发生了再结晶，平均晶粒尺寸减小，当温度升高到300℃时，再结晶晶粒长大，平均晶粒尺寸显著增大。说明时效温度为275℃时较为合适。

图3 退火工艺对AZ31镁合金微观组织的影响

总的来说，在低温条件下(小于250℃)，随着时效温度的升高，晶粒尺寸逐渐减小;高温条件下(大于250℃)，随着时效温度的升高，晶粒先减小后继续增大。试样在时效处理的过程中发生了再结晶现象。

2.2 时效工艺参数对材料力学性能的影响

按照图1加工AZ31镁合金拉伸试样，并进行力学性能测试。图4所示为时效温度对材料抗拉强度的影响。可以看出:当时效温度由200℃升高到250℃时，材料的抗拉强度显著增大，且增幅较大，当温度继续升高到300℃时，抗拉强度稍有增大，增幅明显减小。图5为250℃时效温度下保温时间对材料抗拉强度的影响，可以看出:随着保温时间的延长，材料抗拉强度逐渐增大，当保温时间超过1 h，保温时间对材料抗拉强度的影响不显著，增幅不大。

图4 时效温度对材料抗拉强度的影响

图5 时效时间对材料抗拉强度的影响

综合比较时效后的微观组织照片和力学性能数据，可以发现，对AZ31镁合金而言，进行275℃x0.5h时效处理后，其组织细化、力学性能最佳。所以，275℃ ×0.5h为AZ31镁合金最佳热处理方案。

3 结论

(1)在200℃ ～300℃范围内，进行时效处理，晶粒细化较为明显。其中在275℃保温0.5h处理，晶粒均匀且尺寸较小。

(2)当时效温度小于275℃时，AZ31镁合金板材抗拉强度随温度的升高显著增大，增幅较大;当时效温度大于275℃，抗拉强度的增幅较小，变化不太显著。

(3)随着保温时间的延长，AZ31镁合金板材抗拉强度逐渐增大，但当保温时间超过1h，材料抗拉强度的变化趋于稳定。

(4)275℃ ×0.5h为AZ31镁合金挤压板材最佳热处理方案。

[1]赵亚忠，彭建，宋成猛，等.高塑性镁合金的研究现状[J].材料导报.2008，22(10):66 －69.

[2]刘正，张奎，曾小勤.镁基轻质合金理论基础及其应用[M].北京:机械工业出版社，2002.

[3]Eliezer D，Aghion E，Froes FH.Recentmagnesium developments.Synthesis of LightweightMetalsⅢ[M].San Diego CA:The Minerals，Metals ＆ Materials Society，1999.

[4]Cahn R.非铁合金的结构与性能[M].丁道云，干福熹，叶恒强，等，译.北京:科学出版社，1999.

[5]陈姣玲.镁合金材料在纺机机械行业的应用前景[J].世界有色金属，2012，(06):56.

[6]曾小勤，卢大.纺织机械用轻质高强镁合金挤压型材开发[C].全国经编技术交流会，2005.

[7]余琨，黎文献，王日初，等.变形镁合金的研究、开发及应用[J].中国有色金属学报，2003，13(2):277－288.

[8]陈先华，刘娟，张志华，等.镁合金热处理的研究现状及发展趋势[J].材料导报，2011，25(23):142－145.

[9]潘复生，韩恩厚.高性能变形镁合金及加工技术[M].北京:科学出版社，2007.

[10]李忠盛，潘复生，张静.AZ31镁合金的研究现状和发展前景[J].金属成形工艺，2004，22(1):54－57.

[11]旺凌云，黄光胜.变形AZ31镁合金的晶粒细化[J].中国有色金属学报，2003，13(3):594－597.

[12]王自启，曹晓卿，郭继祥，等.AZ31镁合金板材在热处理中组织和性能的演变[J].新技术新工艺，2011(4):65－67.