固溶温度对Mg-6Sn-3Al-Zn合金的组织和力学性能的影响

舒胜武

（青海大学青海省高性能轻金属合金及深加工工程技术研究中心，青海省新型轻合金重点实验室，青海 西宁 810016）

镁合金比强度好、铸造性优良、比刚度高、机械加工好、环保特性突出，作为最轻的金属材料，有着“21世纪绿色工程材料”的美誉[1-3][14,15]。

我国作为“镁大国”占据了世界镁资源总量的一半，同时也是镁出口大国，根据资料，我国镁产量约占总量的80%，然而镁强度低、耐腐蚀性差以及焊合性差，成为制约镁合金工程大规模的发展和应用的关键性制约因素，目前改善镁合金性能的主要措施之一就是通过热处理提高镁合金性能[12,16]。

因此，提高镁合金性能，实现我国从镁资源大国优势转化成镁资源技术优势，是当前材料工作者的一项重要课题。

1 实验

通过Mg、Sn、Al、Zn四种金属熔炼得到Mg-6Sn-3Al-Zn合金，熔炼在惰性气氛保护（99%CO2，1%SF6）下进行，熔炼温度760℃，浇铸温度730℃，浇铸到直筒磨具中，冷却后脱模。经线切割加工后制成金相小块和拉伸试样，然后在热处理炉里面进行固溶热处理，处理温度分别为300℃、350℃、400℃、450℃，时间为8h。

固溶处理是指将镁合金加热至一定的温度下，使合金中的第二相也就是本文所研究的Mg2Sn相最大程度地溶于α-Mg基体中[4]。

然后将熔融的镁合金迅速放入淬火介质中，从而得以较快的速度冷却，冷却速度应该比固溶体中析出的Mg2Sn的速度快，而获得过饱和的固溶体。

本实验进行固溶处理的目的主要有三个：①Mg-6Sn-3Al-Zn合金中第二相Mg2Sn的溶解以形成过饱和固溶体；②铸态合金元素的均匀化；③为之后时效处理做准备。

2 结果与分析

2.1 合金金相显微组织（OM）观察分析

本实验切取1/2 半径处的镁合金为试样。如下图为Mg-6Sn-3Al-Zn合金的金相显微组织，由于Sn元素的添加细化了合金的微观组织，随着温度的提高，粗大的Mg2Sn相的晶枝变得细小弥散分部，形态组织也发生相应变化[5]。

从金相图中可以看到，在300℃时，通过观察不同倍速下Mg2Sn相，可以得出其呈点状散乱分部；当固溶温度在350℃时，Mg2Sn相逐渐变得粗大，开始联结成长条状，析出Mg2Sn相逐渐增多；当固溶温度到达400℃时，析出Mg2Sn相变得粗大，含量开始增多；当固溶温度升高到450℃时，析出Mg2Sn相变得细小，温度的升高使Mg2Sn相基本溶于α-Mg基体[6]。

图1 300℃、350℃、400℃、450℃温度，固溶8h的金相组织

分析：黑色部分通过XRD测得为Mg2Sn相，上述图中所能观测到的直观情况为，随着固溶温度的上升 ，黑色部分Mg2Sn相逐渐由300℃时的点状散乱分布，逐渐变为350℃细长带条状，再到400℃的粗大柱状分布，Mg2Sn相也明显增多，到最后450℃又呈现点状分布，体现了固溶温度对Mg-6Sn-3Al-Zn合金内部组织的影响，由此可以说明固溶温度能够影响Mg2Sn相的析出，显然8h 条件下300℃工艺固溶不够彻底。因此，力学性能也比较低，高的固溶温度可以使晶界和晶内难溶相溶解得相对彻底，使成分也更均匀，过饱和程度高[7]。

2.2 合金XRD衍射分析

图2 300℃、350℃、400℃、450℃温度，固溶8h的物相分析

上图为Mg-6Sn-3Al-Zn合金不同温度固溶8h的XRD图，通过检索标准卡片对比可以知道a、b、c三者分别为Mg2Sn、Mg、Mg0.97Zn0.03。

2.3 不同温度对力学性能的影响

2.3.1 硬度

本实验采用布氏硬度计测量硬度，结果如下表格：

表1 硬度测试

从表中可以看出的是随着固溶温度的升高，Mg-6Sn-3Al-Zn合金的硬度变化明显，固溶温度在300℃～350℃时，硬度下降，当温度超过350℃时硬度上升明显，因为硬度越大，合金金属的塑型变形抗力也就越大，塑型变形能力越差。Mg-6Sn-3Al-Zn合金材料的硬度在一定程度上反映了内部微观组织的变化[8]。

固溶温度升高，硬度明显下降然后上升，原因是：一方面温度的升高，晶粒变得粗大，无法产生细晶强化，使硬度下降；另一方面随着固溶温度升高，析出的Mg2Sn相增多，导致硬度上升。第三方面，Mg2Sn相基本固溶到α-Mg基体中，引起α-Mg基体晶格畸变，导致硬度上升。

2.3.2 力学性能

从以上的应力应变图可以看出，在300℃固溶8h时，Mg-6Sn-3Al-Zn合金的应力比较大；400℃固溶8h时，应力应变都小；在450℃固溶8h时，应力应变涨幅都比较大，此时力学性能好。

图 3 拉伸应力应变曲线

表2 Mg-6Sn-3Al-Zn合金力学性能

镁合金的力学性能测试结果可以从表2.中可以看出，在不同温度下固溶8h，随着温度的上升，Mg-6Sn-3Al-Zn合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率发生相应的变化，从数据分析可以得到Mg-6Sn-3Al-Zn合金力学性能各项指标差不多都呈现出先升高，后降低的态势，温度在300℃到400℃之间，Mg-6Sn-3Al-Zn合金的抗拉强度由151Mpa增加到191Mpa再到211.8Mpa。

屈服强度由77增加到89.8再到104.8，这是由于Mg2Sn相为硬脆相，随着固溶温度的上升，Mg2Sn相逐渐变得粗大，并且增多。在450℃固溶8h，Mg2Sn相由于弥散分部，基本固溶于α-Mg基体，因此Mg-6Sn-3Al-Zn合金延伸率快速上升，而抗拉强度和屈服强度降低较少，因此，450℃固溶8h时，Mg-6Sn-3Al-Zn合金的综合力学性能最好[9]。

3 结论

试验通过控制时间，改变固溶温度，研究固溶温度为300℃，350℃，400℃，450℃时，对Mg-6Sn-3Al-Zn合金组织的微观组织和力学性能的影响，经过分析，得出以下的结论：

（1）不同固溶温度影响镁合金微观组织变化。同一种Mg-6Sn-3Al-Zn合金，在不同温度下固溶8h，通过XRD物相分析，以及金相组织观察，可以看出当温度在300℃时，Mg-6Sn-3Al-Zn合金的组织中α-Mg基体的含量较少，析出的Mg2Sn相较少，呈点状散乱分布；当温度在350℃时，析出的Mg2Sn相逐渐变成长条状；当温度到达400℃时，析出Mg2Sn相变得粗大，含量增多；当温度升高到450℃时，析出Mg2Sn相变得细小，这是由于Mg2Sn相基本固溶于α-Mg基体中[10]。

（2）不同固溶温度影响镁合金的机械性能。首先看到Mg-6Sn-3Al-Zn合金的硬度变化明显，温度在300℃到350℃时，硬度下降，当温度超过350℃时硬度上升明显，因为硬度越大，合金金属的塑型变形抗力也就越大[11]，塑型变形能力越差。

其次通实验拉伸，观察到随着固溶温度的上升Mg-6Sn-3Al-Zn合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率发生相应的变化，从数据分析可以看出Mg-6Sn-3Al-Zn合金力学性能各项指标差不多都呈现出先升高，后降低的态势，温度在350℃～400℃之间，性能提高较为明显，超过400℃后，Mg-6Sn-3Al-Zn合金综合的屈服强度和抗拉强度有所降低，但延伸率大幅提高[13]。