熱處理對 Mg－8Gd－3Y－0.5Zr合金組織和力學(xué)性能的影響

董麗君，王 瓊，唐博文，吳安如

（湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湘潭411101）

鎂合金是目前工業(yè)上可應(yīng)用的最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、比強(qiáng)度高、比剛度高、尺寸穩(wěn)定的特點(diǎn)，也有電磁屏蔽好以及良好的切削加工性能、充型流動(dòng)性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車、航空工業(yè)中[1－2].但是一般鎂合金的高溫強(qiáng)度低、耐熱性差，能在200℃以上得到應(yīng)用的鎂合金主要是稀土鎂合金，鎂中加入稀土元素后能顯著提高合金的強(qiáng)度和耐熱溫度.在所有的稀土元素中，Gd、Y被認(rèn)為是提高鎂合金高溫性能很有效的元素[3－7].熱處理是改善或調(diào)整鎂合金力學(xué)性能和加工性能的重要手段.本文以 Mg－Gd－Y－Zr合金為研究對象，研究了不同熱處理?xiàng)l件對合金組織和力學(xué)性能的影響，以期為進(jìn)一步研究該合金的組織性能與工藝的相互關(guān)系提供實(shí)驗(yàn)參考.

1 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)合金在坩堝電阻爐中用石墨坩堝熔煉.Mg以純鎂（99.9%）形式加入，合金元素Gd、Y、Zr分別以Mg－28%Gd、Mg－33%Y、Mg－30%Zr中間合金的形式加入.采用自制稀土鎂合金專用熔劑覆蓋和氬氣保護(hù)，熔煉溫度為750～780℃.熔煉過程為：將坩堝預(yù)熱至暗紅色，加入適量溶劑，裝入鎂錠升溫熔化，待鎂錠全部熔化后升溫至730～750℃依次加入Mg－28%Gd、Mg－33%Y中間合金，攪拌后除渣，升溫至750～780℃ 時(shí)加入Mg－Zr中間合金，攪拌均勻、除渣后靜止10min，降溫至760℃澆鑄成20 mm鑄錠，鑄型采用空冷鋼模.采用PW2403型X射線熒光光譜分析儀進(jìn)行合金成分分析，合金成分為 Mg－7.92Gd－2.89Y－0.41Zr（wt%）.

為消除鑄錠成分的不均勻性，試驗(yàn)合金進(jìn)行480℃／8h均勻化退火.擠壓是提高鎂合金塑性的有效手段之一，均勻化退火后試驗(yàn)合金在型號為YX32－315四柱液壓機(jī)上進(jìn)行一次擠壓，擠壓比為25，擠壓速度為1m／min，擠壓溫度為400℃.將擠壓后的棒材分別進(jìn)行T6（480℃固溶2h后在200℃時(shí)效）和T5（直接在200℃時(shí)效）熱處理，通過硬度測量選擇硬度值較好的時(shí)效狀態(tài)，然后比較這種狀態(tài)在175℃、200℃和225℃3種溫度下的力學(xué)性能，分析溫度對時(shí)效性能的影響.金相試樣的浸蝕劑為：5mL濃硝酸＋95mL乙醇＋5g苦味酸.采用GX60－DS金相分析系統(tǒng)和XD98型粉末X射線衍射儀分別進(jìn)行顯微組織觀察和物相分析.采用HVS－1000型顯微硬度計(jì)測定均勻化后試樣晶粒內(nèi)部的顯微硬度值，載荷為25N，保壓時(shí)間為20s.拉伸力學(xué)性能在CMT5305型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速度為0.5mm／min，拉伸試樣按照GB6397－86制備.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熱處理對合金顯微組織的影響

圖l為合金鑄態(tài)顯微組織.由圖可知，試驗(yàn)合金鑄態(tài)組織是由分布在晶界的化合物和α－Mg基體相組成，晶界上分布著不連續(xù)的＂樹枝狀＂金屬間化合物，枝晶偏析明顯.鑄態(tài)合金的平均晶粒尺寸為30～40μm，這與Zr在鎂合金中是一種非常有效的晶粒細(xì)化劑有關(guān)[8].

圖2 為鑄態(tài)試樣均勻化處理后的顯微組織.由圖2可知，合金經(jīng)480℃／8h均勻化退火后，晶界清晰，鑄態(tài)組織中的偏析基本消除，但晶粒尺寸略有長大，合金平均晶粒尺寸約為40～55μm.圖中枝晶的完全消除說明合金的均勻化處理工藝制定合理.

圖3 為合金擠壓＋T5（200℃×10h）峰時(shí)效的顯微組織.由圖可知，經(jīng)時(shí)效后，從α（Mg）基體中彌散析出第二相，從而達(dá)到時(shí)效強(qiáng)化的作用[9].

2.2 擠壓態(tài)合金時(shí)效強(qiáng)化

圖4 為擠壓態(tài)合金兩種不同的熱處理工藝的時(shí)效硬化曲線.由圖可知，T5處理和T6處理均能使合金的硬度升高，但T5處理后的合金硬度高于T6處理的硬度，而且在T5處理過程中，合金達(dá)到峰值時(shí)效所需時(shí)間更短（10h），峰值硬度值達(dá)到93HV，即時(shí)效硬化反應(yīng)更快.

由于熱加工溫度較高，熱擠壓過程相當(dāng)于固溶和變形同時(shí)在進(jìn)行，而且棒的直徑不大，擠壓完畢相當(dāng)于冷淬，所以擠壓態(tài)的合金是過飽和固溶體.對擠壓態(tài)合金進(jìn)行固溶處理，固溶處理的溶解作用不大；固溶處理不但會消除熱加工過程中產(chǎn)生的位錯(cuò)，而且會使合金的晶粒長大（熱加工過程中已經(jīng)完成了再結(jié)晶），這會降低合金的強(qiáng)度，導(dǎo)致擠壓態(tài)合金T6處理的硬度比T5處理的硬度低，達(dá)到峰值的時(shí)間也較長，但熱穩(wěn)定性比Ext－T5態(tài)的要好.

圖5 為Ext－T5態(tài)合金在不同溫度的時(shí)效硬化曲線.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨時(shí)效溫度增加，峰值硬度有所降低.在175℃時(shí)效的峰值硬度值最高（94 HV），達(dá)到峰值時(shí)間最長（16h），在225℃時(shí)效的峰值硬度值最低（88HV），達(dá)到峰值時(shí)間最短（6h），200℃ 的時(shí)效峰值硬度和達(dá)到峰值的時(shí)間介于175和225℃之間.這是由于時(shí)效溫度越高，析出強(qiáng)化相脫溶的驅(qū)動(dòng)能越大，析出所需的時(shí)間就越短，即在較短時(shí)間內(nèi)完成了α－Mg密排六方結(jié)構(gòu)到β′非密排六方結(jié)構(gòu)相的部分轉(zhuǎn)變[10]，但析出相的數(shù)量相應(yīng)要少，時(shí)效強(qiáng)化的效果要降低.出現(xiàn)時(shí)效峰值后，隨時(shí)效時(shí)間的延長，時(shí)效硬度下降，合金在225℃時(shí)效表現(xiàn)更為明顯.

2.3 熱處理對合金拉伸力學(xué)性能的影響

表1 是合金在不同處理狀態(tài)下的室溫拉伸力學(xué)性能.表1數(shù)據(jù)表明，鑄態(tài)合金經(jīng)過均勻化處理后，由于晶界處偏析相的消除，均勻化處理在一定程度上能提高合金的拉伸力學(xué)性能，合金的伸長率由3.1%提高到4.1%，塑性提高了30%，塑性的提高有利于改善合金熱加工成形性能；但由于均勻化處理導(dǎo)致晶粒長大，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度增加不明顯.

表1 合金在不同處理狀態(tài)下的拉伸力學(xué)性能

表1 數(shù)據(jù)表明，擠壓有效地改善了合金的強(qiáng)度和塑性，因熱擠壓后發(fā)生再結(jié)晶，晶粒尺寸變小，合金的屈服強(qiáng)度升高，同時(shí)，晶粒細(xì)小有利于多晶體的協(xié)調(diào)變形，合金的伸長率也進(jìn)一步提高.相比鑄態(tài)，σb提高48% ，σs提高36%，δ達(dá)到6.3%

擠壓態(tài)合金經(jīng)時(shí)效后，由于析出相對位錯(cuò)的釘扎和阻礙作用，合金的強(qiáng)度明顯提高，但伸長率有所下降.相比擠壓態(tài)，σb提高28%，σs提高36%.

3 結(jié) 論

（1）試驗(yàn)合金鑄態(tài)顯微組織主要由α－Mg基體和“樹枝狀”的富稀土相構(gòu)成.

（2）試驗(yàn)合金經(jīng)480℃／8h均勻化處理，鑄態(tài)組織中的偏析基本消除，合金的塑性提高了30%，利于改善合金熱加工成形性能.

（3）擠壓使合金的強(qiáng)度和塑性均得到明顯提高，相比鑄態(tài)，σb提高48%，σs提高36%，δ達(dá)到6.3%.對擠壓態(tài)合金進(jìn)行200℃×12h的時(shí)效，合金的強(qiáng)度得到進(jìn)一步提高，σb、σs分別達(dá)到385.6MPa、310.8MPa，但塑性有所降低，δ降低至4.8%.

（4）T5處理和T6處理均能使合金的硬度升高，但T5處理后的合金的硬度高于T6處理的硬度.試驗(yàn)合金在175℃、200℃和225℃ 直接時(shí)效時(shí)，在175℃時(shí)效的峰值硬度值最高（94HV），達(dá)到峰值時(shí)間最長（16h），在225℃時(shí)效的峰值硬度值最低（88HV），達(dá)到峰值時(shí)間最短（6h），200℃ 的時(shí)效峰值硬度和達(dá)到峰值的時(shí)間介于175℃和225℃之間.

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