Mg-Zn系合金半固态组织研究进展

杨剑桥，焦孙治，李 晨

（机械科学研究总院青岛分院有限公司 山东 青岛 266300）

1 引言

随着各种科学技术的不断发展，人们逐渐加大了对各类新型绿色工程金属的开发，镁合金作为目前质量最轻的结构金属材料，凭借其密度小、减震性和抗冲击性良好、具备优良的综合使用性能等诸多优点，已在交通运输、电子通讯产品及家电等各个领域中广泛应用[1]。然而，若使用传统的固态成形法制备镁合金工件，不仅用时长、能耗高，且不宜制备形状复杂的零部件；若使用金属液态成形法，虽能制备形状复杂的工件，但制得的工件极易产生气孔、裂纹、缩孔、缩松等缺陷，导致力学性能较差，以上两种成形方法都制约了镁合金的应用。因此，各国学者已围绕着镁合金的成形方法开展了大量研究。探索出的半固态成形技术，可以将固-液态成形的优势集于一身，显著优点包括：所需成形温度低、节能环保；能制备较为复杂且质量较高（孔隙少、尺寸精确）的工件。

笔者基于近些年国内外对Mg-Zn系合金非枝晶组织的探究，进行了相关概述。以期对今后半固态触变成形的研究开发起到促进作用。

2 Mg-Zn系合金研究进展

Mg-Zn系镁合金是重要的基础合金。据研究[2]表明在Mg中Zn的最大溶解度为6.2%，当Zn添加量小于6%时，MgZn2相为主要的第二相；当Zn含量大于6%且呈增大趋势时，硬脆相Mg7Zn3相生成且存在比例随之增大，这种脆性相易在界面引起应力集中，导致合金性能下降。故工业中往往控制Zn在Mg-Zn合金中的含量不超过6%。然而，单纯的Mg-Zn二元合金在组织及性能方面上均表现不佳，无法直接用于生产工业用铸锻件[3]。因此，为了改善这一状况，就需在二元合金基础上引入多种合金元素继续微合金化。在实验和生产中往往于Mg-Zn合金中加入与镁熔点相近的Al，不仅是由于Al易于熔炼，且Al能使镁合金晶粒明显得到细化，Al元素在改变析出相的形貌同时，会使析出相分布的更为均匀。RE元素大都与镁原子尺寸相近，可较好地溶入镁基体内，能够通过T4、T6强化来改善合金组织性能，在优化合金组织的同时也能降低合金易受腐蚀的影响[4]。此外在ZK60合金中复合添加Cd-Nd稀土元素，对合金综合细化的效果更佳[5]。除上述方式外，目前用来优化合金组织性能的主要途径还包括适宜的热处理工艺。

3 非枝晶组织的特点

通过适宜等温重熔工艺制备的半固态材料，其组织应具备以下特征：（1）固相颗粒细小，平均尺寸小于90 μm。（2）固相颗粒的形状因子趋近于1，整体表现为球状或类球状。（3）固相颗粒在整个组织内部分布均匀，组织的固相率保持在45%～55%范围内。此外，相较于液态压铸件无法通过热处理进一步提高性能这一局限性，具备非枝晶组织的零部件可充分利用热处理这一途径。

4 合金元素的影响

胡勇等[6]通过等温热处理法制备了AZ91D-xCe镁合金半固态组织，从实验结果得知，稀土Ce含量对AZ91D合金非枝晶颗粒产生了巨大影响，合金晶粒的圆整度和尺寸状况随Ce含量的增加，呈现出先变优后变劣趋势，当Ce含量为0.5%时，细化效果最佳，较不含Ce的AZ91D合金晶粒尺寸和形状因子减小了一半。而Ce含量增至1%时，由于新形成的Al4Ce相数量过多且呈现出偏聚长大趋势，引起过冷度下降导致了晶粒长大，该实验说明通过添加适量的Ce能优化初生固相颗粒的尺寸和圆整度。通过研究[8]可知，随着Cr添加量从0增至0.3%，固相颗粒的平均尺寸和形状因子都呈现出先减小后变大趋势，加入适量Cr到ZC61合金后有利于其形成更理想的半固态组织；而合金组织的固相占比呈现出先增大后减小的变化趋势，这意味着Cr元素一方面能阻碍组织的固相分离，另一方面也能促进其发生分离。

据讨论可知，添加不同种类、含量的元素会对Mg-Zn系合金半固态组织产生迥然不同的影响，而若能进一步探究各合金元素之间的交互作用及各元素含量的最佳比例，可对Mg-Zn基合金在组织性能的提高上提供强有力的技术支持。

5 热处理工艺的影响

据实验得知，在相同等温时间内，随温度逐渐升高，组织的液相率呈上升趋势，固相颗粒的圆整度和尺寸呈现出先减小后增大的趋势[7]。当温度升至585℃时，共晶组织在已生成液相的侵蚀下加速溶解，原铸态枝晶组织逐渐消失，转变为类球或球状颗粒组织；继续升高温度，颗粒形貌尺寸在Ostwald 熟化作用下变得粗大不规则。王瑞权等[8]研究发现，在温度不改变，保温时长较短的情况下，仅能得到分布不均匀且不规则的初生固相颗粒；进一步延长保温时长，固相颗粒球化效果明显且完全分离，液相占比显著提升，在此时长下的半固态颗粒效果最优；当等温时间过长时，在粗化机制的作用下，较大固相颗粒会吞并较小颗粒，导致其尺寸急剧变大。

根据上述研究成果可得如下结论：等温时间不变时，不同的保温温度对合金半固态组织中的液相占比存在较大影响；等温温度不变时，等温时间对合金非枝晶颗粒的形貌尺寸影响较大。

6 结语

半固态成形技术是解决镁合金纯净度问题的有效手段，在今后的研究开发中应多加控制合金熔炼及成形工艺过程。虽然当前关于Mg-Zn系合金的研究已取得较多成果，但在其多元合金中，缺乏关于元素种类含量、各元素之间的交互作用对非枝晶组织影响的系统研究。此外，在探究Mg-Zn系合金非枝晶组织时，应多加关注热处理工艺参数对其影响规律。深信在未来，这些探究能促进半固态触变成形取得重大研究突破。