热处理工艺对Mg—Zn—Ca合金组织的影响

呼应海　朱鹏辉　郭小亮

摘 要：通过铁模铸造法制备Mg-4.5Zn-2.0Ca合金，并对铸态合金进行T6（固溶+时效）热处理，通过光学显微镜，扫描电子显微镜，显微维氏硬度等测试研究了固溶时效对镁合金组织性能的影响。结果表明：合金的硬化与Ca2Mg6Zn3的沉淀有关，随着时效时间的增加合金显微硬度呈现先升高后下降的趋势，当时效时间为150h时合金显微硬度最高。

关键词：镁合金；T6热处理；微观组织；维氏硬度

镁合金作为最轻的金属工程材料，近年来，其因具有密度低、比强度高、比刚度高以及良好阻尼减震特性以及优异的高应变率吸能特性、抗冲击性等特点，被广泛应用于航空航天、交通运输以及3C产品等领域。多数镁合金都可通过热处理来改善或调整材料的力学性能和加工性能。镁合金能否通过热处理强化完全取决于合金元素的固溶度是否随温度变化。当合金元素的固溶度随温度变化时，镁合金可以进行热处理强化。镁合金的常规热处理工艺分为退火和固溶时效两大类。镁合金热处理强化的特点是：合金元素的扩散和合金相的分解过程极其缓慢，因此固溶和时效处理时需要保持较长的时间。另外，镁合金在加热炉中应保持中性气氛或通入保护气体以防燃烧[1]。

Mg-Zn-Ca系合金作为新型镁合金，近年来引起了众多镁合金工作者的注意，但目前国内外对Mg-Zn-Ca合金的研究基本停留在铸态方面。本文主要对铸态Mg-4.5Zn-2.0Ca合金进行固溶和时效处理，确定最佳热处理工艺，并对最佳工艺下合金的显微组织进行分析。

1 试验方法

根据 Mg-4.5Zn-2.0Ca成分要求，以纯镁（99.95%）、纯锌（99.80%）和 Mg-34wt%Ca 合金为原材料计算配料比，采用石墨坩埚进行熔炼，选用熔盐保护的方法进行熔炼[2]。所用的覆盖剂为 NaCl、KCl 按一定比例的混合物。合金液浇铸至事先 250℃预热的金属模具中成型。固溶处理在500℃高温炉中进行，样品覆盖石墨粉，分别保温2、4、8、12、16、24个h，将固溶后的试样进行显微维氏硬度测试和金相显微组织观察。将样品在500℃下统一进行固溶12h处理后，放入电热风干燥箱中设定温度200℃进行时效处理，隔相应时间取样进行显微硬度测试和显微金相观测。为避免自然时效的出现，在时效处理完相应样品后，应立即对样品进行显微维氏硬度测试。

2 试验结果及分析

2.1 铸态合金组织性能

Mg-4.5Zn-2.0Ca铸态合金显微组织成分均匀，无明显杂质和偏析现象，晶粒不是十分明显，合金组织成树枝晶状，枝晶间距较小，主要由白色的α-Mg相和沿晶界分布的第二相组成，通过扫描照片可以观察到灰色基体和分布在基体上的网状白色相。

2.2 固溶时间的确定

通过金相分析，样品固溶后2h，与铸态合金金相比较，晶粒明显长大，且晶界处连续网格状枝晶组织被溶解，部分第二相进入机理呈现黑色球状第二相，从高倍的金相照片可以看出，固溶处理后合金晶界被溶解变窄，晶界处剩下黑色条状第二相，经衍射分析结合能谱分析为Mg2Ca相，而随着固溶时间的增长，第二相析出的体积分数有增加的趋势，而晶界处第二相明显减少，且合金晶界处化合物的形貌也有一定的变化。合金经过不同时间固溶后需确定其最佳固溶时间，理论上选择的最佳固溶时间的标准是在晶粒还没有完全长大，而硬度明显增大的时候。因此，利用origin绘制硬度和晶粒尺寸随固溶时间的变化关系如图1所示。

合金元素固溶到镁基体中形成固溶体时，在溶剂晶格点阵中溶质原子与溶剂原子发生替换作用，引起原子错排和点阵畸变，使镁合金固溶时硬度增高。选择晶粒没长大的时候是因为镁合金本来室温下塑性变形能力就差，强度不高，细化晶粒不仅可以显著提高镁合金的强度，还可以使材料变形更加均匀，改善综合力学性能，从而促进镁合金的工程运用。所以综合考虑选择12h作为本次试验的最佳固溶时间。

2.3 最佳时效时间的确定

样品进行500℃+12h的固溶处理后，选择2h～500h區间不同的十四个时间进行时效。结果发现，合金硬度变化显著，样品在时效后出现硬化，出现3个峰值，分别在2h、150h和350h。在时效后两小时出现时效硬化，有一个小峰值，接着在150h出现另一个峰值，显微维氏硬度值逼近90，再过200h在350h又出现一个峰，考虑到硬度的变化和实际生产中能源的利用，选择150h作为最佳时效时间是比较合理的。

2.4 最佳工艺下的合金组织性能

通过金相分析，固溶+时效后合金的晶粒尺寸较铸态和固溶后都有明显增大，这是因为在合金中，有相的转变时，伴随着能量的变化，会使能量高的降低，而晶界处是能量高的地方，所以在固溶过程中，由于能量的变化使晶粒相互吞噬，晶界消失，从而使晶粒长大，达到能量降低的目的。且在高温固溶处理后，低熔点相全部固溶到基体当中，晶界也变得明显，金属间化合物减少。晶粒上面出现较多的小包谷，能谱分析这些第二相的成分是Ca2Mg6Zn3。

通过衍射分析，固溶+时效处理后Mg-4.5Zn-2.0Ca镁合金中Mg2Ca的衍射峰减弱，说明经过固溶时效处理后 Mg-Ca 共晶化合物溶解，但是α-Mg相依然存在，经过 200℃/150h人工时效后，Mg2Ca相减少，Ca2Mg6Zn3相增强。通过分析两种合金微观组织也显示，在时效后，沉淀的是Ca2Mg6Zn3，而不是Mg2Ca，我们便可以得出结论，时效硬化的原因与Ca2Mg6Zn3的出现有关。通过能谱分析，也同时验证了衍射分析的分析讨论。

3 结论

由于镁合金的强度较低，需要加强其强度，本实验的目的在于通过一系列热处理工艺找出最佳工艺，使得在最佳工艺处理后增强合金的强度，所以最佳工艺选择的原则是要提高合金的强度，经过一系列实验，得到最佳工艺为500℃×12h+200℃×150h。在时效过程中，合金硬度增加，通过检测分析，由于Ca2Mg6Zn3的沉淀，合金经历时效硬化。

参考文献

[1]路林林，杨平，王发奇，等.形变热处理对 AZ80 镁合金组织及性能的影响[J].中国有色金属学报，2006，16（6）：1035-1039.

[2]陈敬区，刘江文，焦东玲，等.铸造 Mg-5Zn-0.6Zr-1Re-2Y 镁合金的低温时效硬化及组织[J].材料热处理学报，2010，31（12）：112-117.