AZ61-2%Gd 稀土镁合金的热处理工艺优化及其性能研究

2022-03-29孙亚肖李向平查明晖

中国铸造装备与技术 2022年2期

孙亚肖，白云，李向平，查明晖

（中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，江苏常州 213011）

随着近来轻量化、绿色环保等呼声日益，镁合金已成为工业领域的重要材料。采用镁合金制造大型、高速、高载荷运行能力的交通运输车辆零部件，将为轨道交通领域带来革命性变革，为节约能源与资源，美化环境，提高人民生活水平产生重大贡献。因此，开展镁合金在轨道交通车辆上的应用研究，以适应我国资源和技术现状，是提升我国轨道交通装备技术水平，实现创新发展的绝佳机会。本试验选择应用最为广泛的AZ 系列镁合金，对AZ61+2%Gd 镁合金进行热处理工艺优化，通过固溶强化和时效强化进一步提高其力学性能[1]，达到目前轨道交通B 类零部件性能要求。

1 热处理工艺优化

通过在AZ61 镁合金锭添加Mg-25%Gd 中间合金熔炼并重力浇注成型的AZ61+2%Gd 镁合金试块进行热处理工艺优化研究，其成分如表1 所示。对铸态试块进行能谱分析（图1），可以看出该铸态组织除了有基体相α-Mg 外，还有Mg17Al12和新相Al2Gd 共晶相组。

表1 AZ61-2%Gd 成分表 w/%

图1 AZ61-2%Gd 镁合金铸态能谱分析

1.1 固溶工艺优化

如图2 所示，由DSC 曲线图可以看出，该合金在424℃具有反应峰值，因此，我们选用在400℃条件下4h、8h、12h、16h、20h 和420℃条件下2h、4h、8h、12h、16h、20h 进行固溶工艺的优化。如图3 所示，通过金相、能谱分析，发现400℃条件下8h 原铸态组织中粗大的Mg17Al12相已通过原子扩散几乎全部固溶到了ɑ-Mg 基体中，形成了过饱和固溶体，晶粒尺寸未发生明显变化，随着保温时间的延长，晶粒开始长大。而420℃条件下4h Mg17Al12相已全部固溶到ɑ-Mg 基体中，且其晶粒尺寸大于400℃条件下8h 的晶粒。因此选取400℃+8h 的固溶条件为最佳固溶工艺。

图2 AZ61+2%Gd 镁合金铸态DSC 差热曲线分析

1.2 时效工艺优化

如图4 所示，合金固溶后在150℃、200℃和250℃条件下的硬度曲线。曲线中不同温度下的峰值可以看出，200℃时效条件保温32h 时，硬度值最大，即62.4HB；150℃的峰值出现在36h，其最高硬度值为59HB；250℃条件下，合金最高硬度值虽然出现的峰值时间提前，最高硬度低于62.4HB，所以选取200℃+32h 为最佳时效工艺。

图4 不同时效条件下的硬度变化曲线

2 力学性能与强化机制

表2 列出了每种状态下测得的合金平均力学性能数据。由表2 可以看出固溶状态和T6（固溶时效）状态下的抗拉强度、屈服强度、硬度均较合金铸态下有不同程度的提高，T6（固溶时效）状态的延伸率较铸态降低38.9%。

表2 热处理对AZ61-2%Gd 镁合金力学性能的影响

由图1、图3 可以分析，合金经固溶处理后，第二相逐渐溶入基体，尤其是处于晶界处粗大、硬脆且低熔点的β-Mg17A112相，几乎全部溶于基体，得到过饱和的固溶体[2]，而高熔点的A12Gd 相则稍微改善形态，呈细小的球粒状弥散分布于基体上，对晶界起到良好的钉扎作用，从而最大限度地发挥含铝过饱和固溶体与稳定A12Gd 相的联合强化作用[3]，提高了合金固溶强度，尤其是屈服强度明显提高，同时保持了良好的延伸率。

图3 AZ61-2%Gd 镁合金固溶状态下金相显微分析

随着时效的进行合金组织中的第二相（β-Mg17A112）重新从α-Mg 基体中沉淀析出，连续析出产生于晶粒内，非连续相在晶界上析出，由于时效温度为200℃，所以以非连续相为主[4]。A12Gd 相的存在对非连续β 相析出发挥了抑制作用，改善了其析出的形态，并促进连续相析出，对合金的性能起到部分强化作用[4]。而晶界处的β 相（图5）的存在，导致对晶界的钉扎作用增大，阻碍位错的运动，导致延伸率相较于铸态和固溶状态下降低。