热处理对Mg-3Sn-xCu合金热导率及其力学性能的影响

李建文 郭会玲 胡延昆

(太原科技大学材料科学与工程学院，山西030024)

热处理对Mg-3Sn-xCu合金热导率及其力学性能的影响

李建文 郭会玲 胡延昆

(太原科技大学材料科学与工程学院，山西030024)

研究了热处理对Mg-3Sn-xCu合金热导率及其力学性能的影响。结果表明，固溶处理之后合金的热导率会降低，时效处理之后合金的热导率会提高并高于铸态合金的热导率；固溶处理和时效处理能提高合金的抗拉强度，时效处理后合金的抗拉强度高于固溶处理之后合金的抗拉强度。

Mg-3Sn-xCu合金；热导率；力学性能；固溶处理；时效处理

近年来，随着电子、电力、汽车制造以及航空航天等行业的迅速发展，零部件的散热性能成为急需解决的问题[1-3]。镁合金因其优良的导热性能和较轻的密度成为人们关注的焦点。袁家伟[4]在研究高导热Mg-Zn-Mn合金时发现，固溶原子对合金的热导率有重要影响，合金元素固溶于镁中，会造成镁的晶格畸变，使自由电子定向流动过程中产生波散射，增大合金电阻率和热阻率，溶质原子与溶剂原子半径相差越大，造成的晶格畸变越大。Wang Chunming等人[5]研究了时效处理对Mg-5Sn合金电导率和热导率的影响，发现经过时效处理会提高Mg-5Sn合金的电导率和热导率。Yang Mingbo等人[6]研究了热处理对Mg-3Sn-1Mn合金显微组织和力学性能的影响，研究认为时效处理能提高Mg-3Sn-1Mn合金的拉伸强度，且拉伸强度的提高跟Mg2Sn相在α-Mg基体中的弥散分布有关。Sn在Mg中的固溶度极低，Mg的原子半径是1.6 Å，Sn的原子半径是1.58 Å，因此Sn元素加入镁中造成的晶格畸变比较有限，对热阻的贡献较少，是制造导热镁合金的理想元素。Cu是热导率最高的金属，Mg与Cu形成的Mg2Cu相属于高温稳定相，能提高镁合金的高温强度[7-8]。固溶、时效处理能改变Sn原子和Cu原子在Mg基体中的存在形式，因此，本文研究了热处理对Mg-3Sn-xCu合金热导率及其力学性能的影响。

1 实验方法

本实验以纯镁(99.95%)、纯锡(99.95%)、纯铜(99.9%)为原材料，首先按比例熔配出不同成分的Mg-3Sn-xCu合金(x分别是0、0.5%、1%、2%、3%)，并浇注成尺寸为∅12 mm×300 mm的圆柱试样。

通过魏德曼-弗兰兹定律，使用TH2512型智能直流低电阻测试仪测量出试样的电阻，并据此计算出热导率数值。魏德曼-弗兰兹定律数学表达式如下：

式中，λ是金属的热导率；σ是金属的电导率；T是绝对温度；L0是洛伦兹数，L0=2.45×10-8W·Ω/K2。

将Mg-3Sn-xCu合金分别进行固溶、时效处理，将其加工成∅10 mm×200 mm规格的圆柱试棒，分别进行热导率测试实验，然后跟铸态试棒热导率变化规律进行对比。固溶处理温度是460℃，时间是10 h，时效处理温度是200℃，时间是24 h。

从不同试棒上取样加工成规格相同的拉伸试棒，在WDW-E100D微机控制电子式万能试验机上进行拉伸试验。

在每根试棒的相同部位取金相试样，在抛光机上抛光之后，用4%的硝酸酒精进行腐蚀，观察其显微组织。

2 结果与讨论

2.1 热导率结果讨论

图1所示为不同成分的Mg-3Sn-xCu合金分别在铸态、固溶态和时效态下的热导率变化规律。由图1可知，铸态Mg-3Sn-xCu合金经过固溶处理后热导率分别由103.47 W/(m·K)、104.26 W/(m·K)、106.41 W/(m·K)、107.03 W/(m·K)下降到96.47 W/(m·K)、95.34 W/(m·K)、93.50 W/(m·K)、90.30 W/(m·K)，经过时效处理后合金热导率上升到112.21 W/(m·K)、112.29 W/(m·K)、111.36 W/(m·K)、110.59 W/(m·K)。

图1 Mg-3Sn-xCu合金在铸态、固溶态和时效态下的热导率变化规律

固溶、时效处理对合金热导率的影响可结合合金显微组织进行分析，以Mg-3Sn-1Cu合金为例进行分析。图2所示为Mg-3Sn-1Cu合金XRD衍射图谱。由2图可知，合金中的第二相只有Mg2Sn相和Mg2Cu相。图3是Mg-3Sn-1Cu合金在不同状态下的显微组织。从图3可以看出，铸态合金第二相从晶界大量析出，连成网状组织，少部分从晶界内部弥散析出，见图3(a)。经过固溶处理之后，合金中的第二相基本消失，只在某些三角晶界处残留少量未溶的第二相，见图3(b)。经过时效处理之后，合金中的第二相在晶界内部均匀弥散析出，见图3(c)。图4及表1是铸态Mg-3Sn-1Cu合金在扫描电镜下的组织及能谱结果，图片中晶界上的白色析出物即第二相，能谱显示这些白色析出物的成分只有Mg、Sn和Cu三种元素，结合图2分析，可以说明这些白色析出物是由Mg2Sn相和Mg2Cu相组成。

图2 Mg-3Sn-xCu合金在铸态、固溶态和时效态下的XRD衍射图谱

图3 Mg-3Sn-1Cu合金显微组织

图4 铸态Mg-3Sn-1Cu合金SEM及能谱结果

表1 铸态Mg-3Sn-1Cu合金能谱结果(质量分数，%)

经过固溶处理之后，合金热导率均低于铸态合金热导率，这主要跟合金中的固溶原子有关[9-10]。由图3(b)可知，固溶处理之后合金中第二相基本消失，消失的第二相中的Sn元素和Cu元素固溶进Mg基体中，这样就会产生大量的晶格畸变，合金元素原子半径与Mg原子半径相差越大，含量越高，造成的晶格畸变越严重。一方面，这些晶格畸变会形成散射中心，阻碍电子在晶粒内部的自由穿行，另一方面，这种缺陷对声子传热也会造成影响。可以把声子设想成一链状结构，在各自位置做热振动，类似于简谐运动，在振动传热过程中，突然在某一位置出现一缺陷(如固溶原子造成的晶格畸变)，热传递就会受到干扰，从而产生热阻[11]。热导率主要是由电子和声子共同决定，电子和声子传热受到干扰后，造成热导率下降，所以固溶处理会降低合金热导率。从图1还可以看出，随着Cu含量增加，固溶态Mg-3Sn-xCu合金热导率下降比较明显，这进一步说明了固溶原子对合金热导率影响很大，因为在温度和时间相同的情况下，Cu含量越高，固溶动力就越大，固溶进Mg基体的原子数量就越多，从而造成更严重的晶格畸变，使合金热导率下降。

经过时效处理之后，合金的热导率明显上升，高于铸态合金的热导率。从图3(c)可以看出，时效处理使之前固溶进Mg基体内的Sn原子和Cu原子大量析出，形成Mg2Sn和Mg2Cu相，均匀分布在基体中。通过Mg-Sn二元相图和Mg-Cu二元相图可知，Sn和Cu在Mg中的固溶度极低，经过200℃时效处理24 h后，合金中的Sn原子和Cu原子基本以第二相形式存在。这样，Mg基体中固溶的原子含量特别少，晶格畸变大量消失，从而使热导率上升。

2.2 力学性能结果讨论

图5为经过固溶、时效热处理后Mg-3Sn-xCu合金的抗拉强度变化规律。由图5可知，经过固溶处理后，合金的抗拉强度有小幅度上升，Mg-3Sn-0.5Cu合金的抗拉强度由156.33 MPa提高到161.13 MPa，Mg-3Sn-1Cu合金的抗拉强度由167.10 MPa提高到169.32 MPa，Mg-3Sn-2Cu合金的抗拉强度由138.85 MPa提高到146.13 MPa，Mg-3Sn-3Cu合金的抗拉强度由120.16 MPa提高到139.41 MPa。经过时效处理后，合金的抗拉强度高于固溶处理后合金的抗拉强度，Mg-3Sn-0.5Cu合金的抗拉强度提高至182.24 MPa，Mg-3Sn-1Cu合金的抗拉强度提高至184.69 MPa，Mg-3Sn-2Cu合金的抗拉强度提高至180.23 MPa，Mg-3Sn-3Cu合金的抗拉强度提高至167.81 MPa。

图5 Mg-3Sn-xCu合金在铸态、固溶态和时效态下的抗拉强度

固溶处理后合金抗拉强度升高是因为在高温下，铸态合金中的Mg2Sn相和Mg2Cu相大量溶入基体，固溶原子会造成晶格畸变，同时会对位错产生钉扎作用[12]，固溶强化效果明显，所以合金抗拉强度升高。时效处理后，合金抗拉强度显著提高，这是因为时效处理使之前固溶进基体内部的固溶原子以第二相的形式弥散析出，析出的第二相不同于铸态合金的第二相，铸态合金第二相大部分在晶界形成了共晶组织，而时效处理后第二相弥散析出，根据第二相强化机理，当位错移动遇到第二相时，遵循切过或绕过机制[13-14]，从而提高合金强度。

3 结论

(1)固溶处理后Mg-3Sn-xCu合金热导率均低于铸态合金热导率，时效处理后Mg-3Sn-xCu合金热导率都得到提高并高于铸态合金热导率。

(2)Mg-3Sn-xCu合金热导率跟固溶原子和第二相有关，Mg基体中的固溶原子越多，合金导热性越差，反之，合金中析出的第二相越多，固溶原子越少，热导率越高。

(3)固溶处理和时效处理都能提高合金的抗拉强度。与固溶处理相比，时效处理后合金的抗拉强度更高。

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编辑 杜青泉

Heat Treatment Effect on Thermal Conductivity and Mechanical Property of Mg-3Sn-xCu Alloy

Li Jianwen，Guo Huiling，Hu Yankun

This paper studies the effects of heat treatment on thermal conductivity and mechanical property of Mg-3Sn-xCu alloy. The results show that the thermal conductivity would decrease after solution treatment and increase after ageing treatment, higher than the thermal conductivity of cast alloy. Solution treatment and ageing treatment can improve the tensile strength of alloy, and the tensile strength of alloy after ageing treatment exceeds the tensile strength after solution treatment.

Mg-3Sn-xCu alloy，thermal conductivity，mechanical property，solution treatment，ageing treatment

2017—02—24

TG146.2

A