冷却速度对Mg-4Zn合金组织和性能的影响

胡中潮，崔元胜，王振玲，于玉城

(1.天津那诺机械制造有限公司 天津300457；2.空军驻山东地区军事代表室 山东济南250023；3.黑龙江科技大学材料科学与工程学院 黑龙江哈尔滨150022)

基础研究

冷却速度对Mg-4Zn合金组织和性能的影响

胡中潮1，崔元胜2，王振玲3，于玉城3

(1.天津那诺机械制造有限公司 天津300457；2.空军驻山东地区军事代表室 山东济南250023；3.黑龙江科技大学材料科学与工程学院 黑龙江哈尔滨150022)

采用金相显微镜、X射线衍射仪、电子万能拉伸试验机、电化学工作站研究了冷却速率对Mg-4Zn合金的组织、力学性能、耐腐蚀性能的影响。结果表明：随着冷却速度的增加，晶粒细化，其压缩抗压强度和压缩屈服强度由普通金属型模具的249 MPa和212 MPa增加到铜管吸铸后在水中冷却时的314 MPa和231 MPa。此外，自腐蚀电位由金属型的-1.49 V增加到液氮的-1.40 V。冷却速率增加，Mg-4Zn合金的耐腐蚀性能有所改善。

冷却速率 Mg-4Zn合金 压缩性能 耐腐蚀性能 显微组织

镁是人体的必需元素，[1]几乎参与人体内所有的新陈代谢过程，镁合金有着优越的生物相容性和力学相容性，尤其是和人骨相当的弹性模量能有效缓解应力遮挡效应，对骨折愈合、[2]种植体稳定具有重要作用。但是镁的化学性质极为活泼，并且在腐蚀介质中产生的氧化膜疏松多孔，导致镁合金耐蚀性较差，特别是在含有氯离子的人体生理环境中更是如此。这一问题长久以来一直被认为是镁合金的缺点，也成为其作为植入物在生物医学领域应用的最大障碍。动物实验研究结果表明：镁合金作为骨植入材料在生物体内仅能存在较短时间，难以满足骨骼生长对力学性能的要求。本文选择Mg-4Zn合金作为研究对象，研究冷却速度对合金的组织、压缩性能以及耐腐蚀性能的影响。通过提高冷却速度来研究其生物镁合金性能的影响，进而为解决生物镁合金在医学上的应用难题提供一个途径。

1 试验材料和方法

实验所用的Mg-4Zn合金自行配制，其中Mg占96%，Zn占4%。选用99.99%纯度的纯Mg以及99.99%的纯Zn来配制合金。熔炼选择型号SG-5-12坩埚式电阻炉熔炼，熔炼所用为石墨坩埚，熔炼过程采用CO2+SF6保护。本试验主要利用水、液氮、金属模具冷却从而获得的3种不同的冷却速度，研究不同冷却速度对Mg-4Zn组织和力学性能及耐腐蚀性能的影响。采用XJP-3A光学金相显微镜观察组织，利用X射线衍射仪进行物相分析；压缩性能试验在CMT5305型万能拉伸试验机上进行；采用电化学工作站研究Mg-4Zn在不同冷却条件下的耐腐蚀性能。

2 试验结果与分析

图1为在不同冷却状态下的Mg-4Zn形貌，图1(a)为金属模具中自然冷却的金相照片，可以看出晶粒大小不一，并且晶粒比较粗大，其中晶粒与晶界间弥散着第二相，主要以圆形为主，存在少量的椭圆形第二相。图1(b)为水中冷却的Mg-4Zn合金金相照片，从图中可以看到晶粒和第二相进一步细化。图1(c)为液氮冷却Mg-4Zn合金金相照片，可以看到在非常细小晶粒上第二相呈现出弥散分布。

图1 Mg-4Zn合金不同冷却速率下显微组织Fig.1 Microstructures of Mg-4Zn alloy under different cooling rates

从图1可以看出，提高冷却速度显著细化了Mg-4Zn合金的晶粒，其晶粒尺寸在液氮冷却条件下为10,μm左右和水冷却20,μm左右；而普通金属型模具凝固条件下，Mg-4Zn合金的晶粒尺寸约为40～50,μm。众所周知，晶核的形成依赖于熔体中团簇的数量和尺寸，[3]晶粒大小用单位体积中晶粒数目Z来表示：

其中N和G分别代表凝固过程中形核率和长大速度。晶粒大小随形核率的增大而减小，随长大速度的增加而增大。在凝固过程中，由于冷却速度的增加，形核率增加使得晶粒数目增加。[4]当冷却速度增加时，镁合金的凝固点也相应降低，过冷度相应增加，使得晶粒没有完全长大就已经凝固，所以快速凝固可以显著细化晶粒。

为了考察不同冷却速率对Mg-4Zn合金相组成的影响，用X射线衍射仪对金属模具自然冷却、水、液氮冷却3种不同冷却速度下的Mg-4Zn合金的相组成进行了分析，对于普通金属型模具制备Mg-4Zn合金而言，其组织主要由α-Mg和MgZn相组成。而在水以及液氮冷却条件下，除了有MgZn相还有Mg51Zn20相存在。

这是由于在接近于平衡状态的常规凝固过程中，当温度降低到约325 ℃时，Mg51Zn20会发生如下分解反应：

因此，常温普通金属型制备的Mg-Zn合金的主要物相是MgZn。通过提高冷却速度使(2)的反应受到一定的限制，常温下非平衡相Mg51Zn20得以部分保留下来，所以水冷却以及液氮冷却条件下Mg-4Zn的相组成为Mg51Zn20、MgZn(见图2)。

图2 不同的冷却速度时Mg-4Zn合金的X射线衍射图谱Fig.2 XRD patterns of Mg-4Zn alloy under different cooling rates

3 不同冷却速度对Mg-4Zn性能的影响

3.1 不同冷却速度对Mg-4Zn机械性能的影响

不同冷却速度下的抗压强度和屈服强度见表1，从表中可以发现，在金属型模具、水、液氮3种冷却条件下，屈服强度呈现先增加后降低的趋势，在水冷却条件下达到最高231 MPa，在液氮冷却条件下略微有所下降至219 MPa，在3种冷却条件下，抗压强度也呈出相同的规律。

表1 不同冷却速率时Mg-4Zn合金的压缩性能Tab.1 Compressive property of Mg-4Zn alloy under different cooling rates

这是由于镁合金的强化主要是细晶强化和第二相强化，因为提高冷却速度Mg-4Zn合金晶粒明显要比普通金属型凝固合金的晶粒要细，所以合金的压缩性能普遍要比普通金属型模具冷却的Mg-4Zn合金压缩性能高。而液氮冷却的Mg-4Zn合金虽然细化了析出相，但由于析出相减少，第二相的强化效果减弱，因此其压缩性能要比水冷却Mg-4Zn合金的压缩性能低。但是由于其细晶强化的作用使其压缩性能仍然要比普通金属型模具的Mg-4Zn合金要高。

3.2 不同冷却条件对Mg-4Zn合金耐腐蚀性能的影响

不同冷却条件下Mg-4Zn合金通过电化学工作站测试的自腐蚀电流密度与自腐蚀电位数据如表2所示：

表2 不同冷速时Mg-4Zn合金的腐蚀电流与电位Tab.2Corrosion potential and corrosion current of Mg-4Zn alloy under different cooling rates

从表中明显看到，金属、水、液氮3种不同冷却介质下快速凝固的腐蚀电流大致相近，但自腐蚀电位值却不相同，腐蚀倾向增大的顺序为液氮、水、金属型，所以冷却速度增加使得Mg-4Zn合金腐蚀倾向变小。

4 结 论

通过对金属模具、水、液氮冷却的Mg-4Zn合金微观组织观察，X射线衍射分析，压缩性能以及耐腐蚀性能的测试，可以得出以下结论：①提高冷却速度显著细化了Mg-4Zn合金的晶粒；普通的金属型凝固组织由α-Mg、MgZn组成，水冷以及液氮等快速凝固Mg-4Zn合金的组织由过饱和固溶体α-Mg、Mg51Zn20以及少量的MgZn组成。②冷却速度增加可以使Mg-4Zn合金力学性能有所提高，其压缩抗压强度和压缩屈服强度由普通金属型的249,MPa和212,MPa增加到水冷却条件下的314,MPa和231,MPa。③随着冷却速度的增加，自腐蚀电位由金属型的-1.49,V变化至液氮的-1.40,V；快速凝固Mg-4Zn合金对合金的耐腐蚀性能有所改善。

［1］ 赵霖，鲍善芬.镁在生物医学中的应用[J]. 科技导报，1992(3)：138-141.

［2］ Polmear I J. Magnesium alloys and applications[J]. Materials Science and Technology，1994，10(1)：1-16.

［3］ Cai J，Ma G C，Liu Z，et al. Influence of rapid solidification on the microstructure of AZ91HP alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds，2006，422(1-2)：92-96.

［4］ 周尧和，胡壮麟，介万奇. 凝固理论[M]. 北京：机械工业出版社，1998：230.

Effect of Cooling Rate on Microstructure and Property of Mg-4Zn Alloy

HU Zhongchao1，CUI Yuansheng2，WANG Zhenling3，YU Yucheng3
(1.LIZHONG GROUP Tianjin Nanuo Machinery Manufacturing Co. Ltd.，Tianjin 300457，China；2.Military Representative Office of Air Force in Shandong，Ji’nan 250023，Shandong Province，China；3.College of Materials Science and Engineering，Heilongjiang University of Science and Technology，Harbin 150022，Heilongjiang Province，China)

The effect of cooling rate on the microstructure，mechanical property and corrosion resistance of Mg-4Zn alloy were studied using optical microscope，X-ray diffractometer，and universal tensile testing machine as well as electrochemical workstation. The results showed that the grain of Mg-4Zn alloy refined when cooling rate increased，and its compressive strength and yield strength increased from 249 MPa and 212 MPa under normal metal mold to 314 MPa and 231 MPa respectively in the water cooling electrochemical workstation. Furthermore，the corrosion potential of Mg-4Zn alloys increased from -1.49 V to -1.40 V. The corrosion resistance of Mg-4Zn alloy improved to some extent as the cool rate increased.

rapid solidification；Mg-4Zn alloy；compression performance；corrosion resistance；microscopic structure

TG146.2

：A

：1006-8945(2016)09-0031-03

2016-08-31