挤压加工对Mg-Sm-Zn-Zr合金组织和散热性能的影响

2019-10-09张书强吴广新

上海金属 2019年5期

张波张书强吴广新

(1.贵阳产业技术研究院，贵州贵阳 550081; 2.贵阳产业技术研究院有限公司，贵州贵阳 550081; 3.贵阳职业技术学院，贵州贵阳 550082; 4.省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室,上海 200444; 5.上海市钢铁冶金新技术开发应用重点实验室,上海 200444; 6.上海大学材料科学与工程学院,上海 200444)

镁合金具有密度低、比强度高、导热性好等优点，纯镁的热导率在常见金属材料中仅次于银、铜和铝。随着我国经济的发展，镁合金的应用领域不断拓展，用量也越来越大[1-3]。挤压工艺是对放在挤压筒内的金属坯料施加外力，使坯料从指定的模孔中流出，获得所需断面形状和尺寸的塑性加工方法[4]。镁合金的塑性变形性能较差，采用挤压工艺能够产生比轧制和锻造更大的三向压应力，最大限度地细化晶粒、发挥镁合金的塑性[5]。研究发现，在镁合金中加入微量稀土元素可以提高合金的力学性能和改善铸造性能。其中Sm是铈族稀土元素中在Mg中固溶度最大的元素，在镁合金中加入Sm可以很好地起到固溶强化和析出强化的效果，因此以Mg-Sm系合金为基础有望开发出高性能的稀土镁合金，加入Zn和Zr元素可进一步提升合金强度[6-8]。近年来，国内外学者对影响镁合金散热性能的因素和开发高性能镁合金做了很多工作[9-11]。

本文主要针对挤压工艺制得的Mg-5.0Sm-0.6Zn-0.5Zr合金，探讨了挤压工艺和时效处理对合金微观组织和散热性能的影响，并与铸态合金进行对比，以期通过挤压工艺提高该体系合金的散热性能，并为该工艺在生产实践中的应用提供参考。

1 试验材料及方法

采用ICP原子光谱发射光谱仪分析试验用Mg-Sm-Zn-Zr铸造镁合金的化学成分，其名义成分和实际化学成分如表1所示。

表1 铸态Mg-Sm-Zn-Zr合金的化学成分(质量分数)

采用XJ-1000型材挤压机对镁合金进行热挤压加工试验，挤压比分别为13、25和35，挤压温度为400 ℃，挤压速度为10 mm/s。圆柱形铸锭的直径为12 mm，最终被挤压成直径分别为33.28、25和20.28 mm的棒材。采用YFL27/10G-GC箱式电阻炉对试样进行热处理，铸态热处理工艺为520 ℃×4 h+200 ℃×40 h，挤压时效工艺为200 ℃×24 h。

使用SU-1510扫描电子显微镜(SEM)观察镁合金的微观组织和拉伸断口形貌，使用OXFORD能谱分析仪分析微区成分，测定元素的含量。

采用如图1所示的散热性能测试平台[12]模拟散热材料的实际工作环境，沿挤压方向切割试样进行热模拟试验。使用热电偶采集试样温度分布，以评估其散热性能。将合金加工成160 mm×10 mm×10 mm的长方体试样，并将两个正方形端面抛光，以保证受热均匀。测试平台给定试样热端温度为200 ℃，冷端温度为-30 ℃，当温度达到稳态时，记录试样的温度分布曲线。采用耐驰LFA447激光法导热仪测量热扩散率，并计算得到合金的热导率。试样为φ12.7 mm×2.0 mm的薄片，测量温度为25 ℃，测3次取平均值。

图1 散热性能测试平台

2 试验结果与分析

2.1 挤压工艺对合金微观组织的影响

挤压加工后，由于合金不同方向的显微组织有明显差异，因此研究中选取沿挤压方向的纵截面和垂直于挤压方向的横截面的组织进行分析。图2为铸态合金的SEM照片，可以看出合金主要由镁基体(α-Mg)和离异共晶第二相组成，这些离异共晶相形状不规则，主要存在于晶界。图3为合金经不同挤压比挤压变形后的SEM照片。对比图2和图3可以看出，合金经热挤压变形后晶粒发生动态再结晶，晶粒尺寸明显细化，由铸态时的30～40 μm减小到约10 μm。在固溶处理时未回溶的共晶化合物在热挤压过程中发生碎裂，第二相由铸态时粗大不规则的形状变成细小的颗粒状。通过对合金纵截面组织的观察可以看出，碎裂的第二相大部分沿挤压伸长方向呈带状分布，一般称为挤压带，少部分位于晶界或进入破碎颗粒内部。通过对合金横截面组织的观察可以看出，共晶化合物的分布与纵截面相比有较大区别，一般连续分布于晶界，也有少部分细小的共晶化合物弥散分布于α-Mg基体内或晶界附近。

图2 铸态合金的SEM照片

图3 Mg-Sm-Zn-Zr合金经不同挤压比挤压加工后的SEM照片

图4为挤压比为13的棒材纵截面的面扫描分析图，可以看出Sm元素在挤压带富集明显，说明颜色较浅的挤压带主要由第二相Mg41Sm5构成[13]，Zn和Zr元素由于含量较少，未发现明显的聚集，呈弥散分布。

图5为挤压比为13的合金棒材横截面的能谱线扫描分析图，可以看出，颜色较浅的第二相中Mg的峰强度减弱，Sm的峰强度明显增强，Zn元素含量虽然较少，但其峰强度的变化规律与Sm元素相同，说明Zn元素在第二相中的富集比在基体其他位置更明显。

图6为挤压态合金时效处理后的SEM照片。可见，合金时效后的晶粒形貌及元素分布与时效前相比差异较小，晶粒仅略微长大，合金纵截面组织中的第二相仍主要沿挤压方向形成挤压带，横截面组织中的第二相主要均匀分布在晶界，部分以析出相的形式弥散分布在基体中。此外，随着挤压比的增大，第二相颗粒更加细小，分布更均匀。

图4 挤压比为13的合金棒材纵截面的能谱面分析

图5 挤压比为13的合金棒材横截面的线扫描分析

图6 挤压态合金时效处理后的SEM照片

2.2 挤压工艺对合金散热性能的影响

图7为铸态、挤压态、热处理态(520 ℃×4 h+200 ℃×40 h)合金试样的温度分布曲线。ΔTm为对流气体和固体之间的平均温度差，其值越大，则说明单位散热面积的换热量越多，即试样的散热性能更好。ΔTm值从大到小的顺序为：挤压比35>挤压比25=热处理态>挤压比13>铸态，说明合金经过挤压加工后，其散热性能相比铸态有了明显的提升，且在试验所选参数范围内随着挤压比的增大，散热性能越好。当挤压比为25时，合金的散热性能与热处理态的合金相当，当挤压比为35时，合金的散热性能进一步提升。

图7 铸态、热处理态和挤压态合金试样的T-X曲线

合金的传热是一个复杂的过程，受很多因素影响，需综合分析挤压加工对合金散热性能的影响。一般讲，挤压加工对合金导热的影响主要分为几个方面：首先，铸态合金经过挤压加工后，铸件中的孔隙、气泡和缩孔等宏观缺陷在压力作用下产生固结，密度上升[14]，故挤压加工后孔隙等缺陷减少，致密度上升对合金的散热是有利的[15]。由于挤压变形过程中存在着挤压析出，会消耗固溶体中的合金元素。而析出相中合金元素对导热的影响要远小于溶入基体内的合金元素的影响，因此析出行为对合金的热导率升高产生有利的影响。同时挤压过程中发生动态再结晶，合金晶粒细化，晶界增多，位错密度增大，并形成沿挤压方向呈带状分布的细小等轴晶[16]，大量的晶界会对合金的散热性能产生不利影响。Mg-5.0Sm-0.6Zn-0.5Zr合金的散热试验结果表明，挤压加工对该合金散热性能的有利因素要比不利因素的影响更显著，尤其是固溶元素的析出和致密度的上升是主要的影响因素，因此，随着挤压比的增大，合金的散热性能不断改善。

图8为铸态、热处理态、挤压时效态(200 ℃×24 h)合金试样的温度分布曲线。ΔTm值的大小顺序为：挤压比35时效态>挤压比25时效态>挤压比13时效态>热处理态>铸态，说明对于挤压时效态的合金，同样具有挤压比越大散热性能越好的规律。与图7对比可知，经过200 ℃×24 h的人工时效处理后，合金的散热性能有了进一步的提升，明显优于铸态及热处理态的合金，挤压比为13的合金经时效后的散热性能与挤压比为35的挤压态合金相当，挤压比为35的合金经时效后的散热性能最优。

图8 铸态、热处理态和挤压时效态合金试样的T-X曲线

时效处理使挤压态合金的散热性能得到提高的原因：时效析出第二相，消耗了在Mg基体中作为传热电子散射中心的合金元素，这也是散热性能提高的主要原因；同时时效处理使挤压态合金的晶粒粗化，晶界缺陷减少，对合金导热的阻碍减小。通过散热性能试验，得出合金获得最优散热性能的工艺为经过挤压比为35的挤压加工后再进行200 ℃×24 h的时效处理。

Mg-5.0Sm-0.6Zn-0.5Zr合金试样的热导率计算结果如表2所示，可以看出ΔTm值与热导率的大小顺序基本一致。