均匀化热处理对Mg-5Zn-1Mn镁合金导电性能的影响

杨成曦，张 凯，袁家伟

（1.西南铝业（集团）有限责任公司，重庆 401326；2.有研工程技术研究院有限公司，北京 101407）

0 前言

在现有的金属结构材料中，镁合金的密度最低，常规镁合金重量仅为铝合金的70%，仅为钢铁的30%左右，可大大减轻工件的质量。同时，镁合金比强度高，导电导热性能优良，电磁屏蔽性能好，易于回收利用，可实现结构与电磁屏蔽功能一体化[1]。对于追求轻量化又需考虑电磁辐射的领域，镁合金是一种潜力很大的新型电磁屏蔽轻量化材料。根据等效传输线屏蔽理论，镁合金材料的电磁屏蔽性能与其电导率的变化息息相关，因此开展镁合金材料导电性能的研究具有重要的理论参考和工程应用意义。

潘[2]等人对Mg-Zn及Mg-Al二元合金进行固溶处理，并在25℃、75℃、125℃以及175℃温度下对其进行电导率测试。结果表明，镁基二元合金导电性能的高低主要取决于测试温度以及溶质原子的种类和含量。随着测试温度的升高，Mg-Zn及Mg-Al合金的电导率均呈下降趋势，同时，溶质原子在镁基体内的过饱和度越高，合金电导率越低。潘[3-4]等人还研究了Sn、Zr、Mn、Ca等元素对镁合金导电性能的影响。结果表明，合金元素的原子体积、化合价以及核外电子均是影响二元镁合金导电性能的因素，对镁合金导电性能影响程度的大小顺序为Zn＜Al＜Ca＜Sn＜Mn＜Zr。同时Mg-Zn系合金还具有良好的时效强化特性、高的屈服强度和抗蠕变性能、易加工以及焊接性能好等优点。Mg-Zn二元合金中加入Mn元素，由于Mn不与合金中其它元素反应，故以单质形式存在于基体中；在熔炼过程中，Mn可与Fe、Al等杂质元素反应生成高熔点化合物，从而有效净化熔体，提高合金的耐腐蚀抗力。同时，合金中添加Mn元素能够改善合金铸造性能，使合金晶粒细化，另外一方面，合金的挤压成型性能也有一定程度的提高[5-8]。因此，新型Mg-Zn-Mn高强变形镁合金具有可时效强化、挤压温度低、耐蚀性较好以及价格低廉等优点，因而其应用前景广阔。

目前对Mg-Zn-Mn镁合金的研究更多关注的是材料的力学性能、显微组织、失效行为、导热性能等，而关于导电性能的研究报道相对较少。本文以ZM51镁合金为研究对象，研究其均匀化热处理制度对其导电性能的影响规律。

1 实验方案

本文实验用Mg-5Zn-1Mn（ZM51）镁合金铸锭由纯Mg、纯Zn、Mg-3Mn中间合金熔炼而成。在370℃下对该合金进行充分的均匀化处理，最长保温时间为24 h。冷却方式均为水冷。

采用光学显微镜、扫描电镜、XRD物相分析以及电导率测试等手段对铸态及均匀化态合金进行分析。其中金相组织采用Carl Zeiss Axiocert 200MAT光学显微镜进行观察；利用ZEISS扫描电子显微镜进行高倍数的组织形貌观察，同时利用能谱仪（EDS）进行元素面分布扫描和微区成分分析；采用X’pert PRO MPD进行XRD物相分析，靶材为Cu，电压为40 kV，电流为40 mA，扫描范围为10°～90°，扫描速度为0.017°/min；电导率测试采用WD-Z涡流电导仪进行；试样尺寸为20 mm×20 mm×10 mm。试样处理与金相样相同，均用砂纸手磨至5 000#，每次测量3个值，合金电导率为3个数的平均值。

2 结果与讨论

ZM51镁合金铸态显微组织如图1所示。从图中可以看出，合金中存在着因典型的非平衡凝固而产生的树枝晶，且在晶粒内及晶界处弥散分布着大量的第二相颗粒。图2为铸态ZM51镁合金元素分布图。可以看出，Zn原子呈现明显的偏聚现象，大部分偏聚在晶界和第二相中，而Mn原子则较均匀地分布在基体中。对ZM51铸态合金进行XRD物相分析，结果如图3所示。从图中可以看出，铸态ZM51合金主要由α-Mg基体、Mg7Zn3相以及MgZn2相组成。

图1 ZM51铸态显微组织

图2 ZM51铸态元素面分布图

图3 ZM51铸态XRD图谱

ZM51铸态合金经均匀化处理后的显微组织如图4所示。从图中可以看出，合金在370℃下保温4 h后，粗大的第二相组织基本回溶，细小的颗粒状第二相增多，但仍存在溶质原子的偏析；合金在370℃下保温24 h后，同保温4 h合金金相相比，偏析现象消失，晶界处析出更多细小的第二相颗粒。对均匀化态合金中的第二相进行EDS能谱分析，结果如图5所示。从分析数据中可以看出，ZM51均匀化态合金中存在的细小颗粒状第二相中的Mn元素含量远远超过合金设计的Mn元素的平均成分，由此推测，图5中所标记的第二相均为α-Mn单质相。对均匀化态的ZM51镁合金进行XRD物相分析，结果如图6所示。从衍射图谱可以发现，合金经均匀化后，同铸态合金相比，Mg7Zn3相的衍射峰消失且MgZn2相的衍射峰减少，图谱中出现了α-Mn的衍射峰。根据Mg-Mn二元相图可以发现，在370℃温度下，Mn原子在Mg基体中的最大固溶度在0.2%～0.3%左右。同时，根据相关研究，并将XRD物相检测结果同显微组织照片及EDS点分析结果相结合，我们可以发现：ZM51镁合金在均匀化过程中除Mg-Zn共晶组织会逐渐回溶至基体中以外，还存在着Mn原子从基体内析出形成α-Mn单质的过程。

图4 ZM51均匀化态显微组织

图5 ZM51均匀化态SEM照片和EDS点分析结果

图6 ZM51均匀化态XRD图谱

对均匀化过程中的合金电导率变化进行了测量，电导率变化曲线如图7所示。从中我们可以发现，合金电导率在经过均匀化后不但没下降，反而大幅度上升。在370℃下保温4 h后，合金电导率从铸态的14.7 MS/m迅速升高至16.8 MS/m，随后随着保温时间的延长，合金电导率小幅度下降至16.7 MS/m，最后趋于平稳。

图7 ZM51均匀化电导率变化曲线

从前面合金显微组织、EDS点分析以及XRD物相分析可知，ZM51镁合金在均匀化过程中存在两个相反的过程，即Zn原子的回溶和Mn原子的析出。溶质原子的回溶或析出会造成合金基体晶格畸变，而基体晶格畸变的大小受溶质和基体原子半径差值的影响。Mg原子、Zn原子和Mn原子的半径分别为1.59Å、1.53Å和1.79Å，Mg与Mn的原子半径差值远大于Mg与Zn的原子半径差值，即Mn原子对合金晶格畸变的影响程度大于Zn原子的影响程度。对铸态及均匀化态ZM51合金基体的晶格常数进行计算，结果如表1所示。从表1可以看出，合金经过均匀化处理后，其基体晶格畸变降低。因此，虽然在均匀化过程中Zn原子回溶会造成Mg基体晶格畸变增大，但Mn原子的析出则抵消了由于Zn原子回溶而造成的合金晶格畸变程度的增大。

表1 ZM51镁合金晶格常数及电导率

当电子通过一个理想晶体时，不会受到散射，只有当晶格点阵受到破坏时才会对电子产生散射作用[9]。一般情况下，溶质原子或杂质、空位、位错、晶界与界面等晶体缺陷的存在，对纯金属中的周期势场产生了干扰，增加了电子被散射的概率，从而降低电导率，而溶质原子正是影响合金电导率的主要因素[10]。当溶质原子溶入基体时，基体的晶格会发生扭曲畸变，晶格畸变越大，对自由电子的散射能力越强，合金电导率越低。

当合金经均匀化处理后，Zn原子回溶，会造成合金基体的晶格畸变增大，对自由电子的散射能力增强，自由电子运动的平均自由程缩短，从而造成合金电导率降低。而Mn原子析出会造成合金基体的晶格畸变降低，减弱了自由电子的散射能力，从而造成合金电导率升高。因此，合金电导率的上升是由于Mn原子的析出抵消了Zn原子回溶而导致的合金电导率的降低。

同时，ZM51合金中Zn含量约为2%（原子百分比）左右，而Mn含量则仅为0.4%左右，这更加证明了溶质原子与基体原子半径差值的大小是影响合金导电性的主要因素。

3 结论

（1）合金基体晶格畸变量越大，合金的导电性能越低。

（2）合金的导电性能受合金显微组织变化的影响。ZM51合金经均匀化处理后电导率明显升高。在均匀化过程中发生Zn原子的回溶以及Mn原子的析出两个相反的过程，Mn与Mg的原子半径差大于Zn与Mg的原子半径差，导致Mn原子析出使合金电导率的提升抵消了因Zn原子回溶引起的合金电导率的下降，最终导致ZM51合金在经均匀化处理后其电导率上升。