均勻化退火等溫冷卻對Mg-12Al-1Zn鎂合金組織性能的影響

劉　倩，韓　茜，周春生，楊君剛，何炳奎

（1.商洛學(xué)院　化學(xué)工程與現(xiàn)代材料學(xué)院，陜西　商洛　726000；2.西安理工大學(xué)　材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西　西安　710048）

均勻化退火等溫冷卻對Mg-12Al-1Zn鎂合金組織性能的影響

劉倩1，韓茜1，周春生1，楊君剛2，何炳奎2

（1.商洛學(xué)院化學(xué)工程與現(xiàn)代材料學(xué)院，陜西商洛726000；2.西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710048）

研究了均勻化退火等溫冷卻對石墨型鑄造Mg-12Al-1Zn鎂合金組織及性能的影響，探討不同等溫溫度和保溫時間對β-Mg17Al12相析出形貌和合金力學(xué)性能的影響.結(jié)果表明：合金在420℃固溶均勻化24h后再分別經(jīng)200℃、250℃、300℃等溫冷卻1～6h.β-Mg17Al12相析出量隨著時間的延長而增加，形態(tài)也隨著時間的延長發(fā)生變化，主要以層片狀組織析出.合金在420℃保溫24h再經(jīng)250℃保溫6h后，布氏硬度達到最高值90.7HB.

Mg-12Al-1Zn鎂合金；均勻化退火等溫冷卻；β-Mg17Al12相；硬度

鎂合金因具有重量輕、吸震性能高、散熱性好、可回收等優(yōu)點，在航空航天、國防軍工和民用產(chǎn)品上得到廣泛應(yīng)用［1-3］.鎂鋁合金因具有良好的鑄造性能和較高的力學(xué)性能而受到人們的青睞［4］.研究表明：室溫下鋁在鎂中的固溶度為2%，在437℃時上升到12.7%，鎂鋁合金的硬度隨著鋁含量的增加而增加，但當(dāng)鋁含量增加時，受到凝固過程中的離異共晶β相的影響，合金的延展性又會降低［5］.而均勻化退火因可消除鑄態(tài)組織中的組織偏析和成分偏析，作為提高鎂鋁合金性能的常用手段之一［6，7］.

本實驗研究了均勻化退火等溫冷卻處理對Mg-12Al-1Zn鎂合金中β-Mg17Al12析出相尺寸和分布的影響，探討等溫溫度和時間對β-Mg17Al12相析出行為和形態(tài)乃至合金力學(xué)性能的影響.

1　實驗材料和方法

1.1實驗材料和儀器

AZ91D鎂合金、純鋁塊、覆蓋劑、精煉劑（覆蓋劑、精煉劑在使用前須在120℃烘干水分）

井式電阻爐、OLYMPUS-GX71型光學(xué)顯微鏡、HB-3000布氏硬度計

1.2實驗方法

（1）鑄造：實驗以AZ91D鎂合金鑄錠為原料，向其中添加適量純鋁塊，熔煉澆鑄成Mg-12Al-1Zn合金.澆鑄時首先將石墨坩堝預(yù)熱至暗紅色，將配比好的合金裝入坩堝內(nèi)，在坩堝內(nèi)壁及合金上均勻撒上一層粉狀RJ-2熔劑，待合金全部熔化后，繼續(xù)升溫至730℃，這時用填料斗向溶液中慢慢投入精煉劑，并攪拌均勻，靜置十分鐘，以使熔渣能有較充分的時間在鎂熔液中上浮或沉淀，不使其混入鑄錠中，最后將坩堝取出空冷.

（2）熱處理：為了消除因偏析形成的β-Mg17Al12相，并使合金成分均勻化，需要進行均勻化退火，參考已有研究［8，9］，本實驗選擇在420℃固溶均勻化24h，然后分別隨爐冷卻到200℃、250℃、300℃等溫保溫1h-6h.

2　實驗結(jié)果及分析

2.1均勻化等溫退火對合金組織的影響

2.1.1200℃均勻化等溫冷卻退火組織

圖1為Mg-12Al-1Zn鎂合金經(jīng)420℃固溶均勻化24h后在200℃等溫退火1h，2h，6h的低倍顯微組織.

由圖1可以看出，Mg-Al12-1Zn鎂合金經(jīng)過420℃均勻化處理24h后，鑄態(tài)組織中分布在晶界處粗大網(wǎng)狀的β相基本溶入基體，在200℃等溫退火后，β相以脫溶的方式重新在晶界析出，金相照片中顏色較深的區(qū)域為β析出相.隨著等溫時間的延長，β相析出數(shù)量逐漸增加，并向晶內(nèi)蔓延生長，由圖還可以看出，合金在保溫6h時，仍有部分晶粒內(nèi)部沒有達到完全析出.

圖1　Mg-12Al-1Zn合金經(jīng)420℃均勻化24h后在200℃等溫退火低倍顯微組織?。╝）1h；（b）6h（100×）

圖2為Mg-12Al-1Zn鎂合金在200℃等溫退火1h，6h的高倍顯微組織.由圖可知，β相的析出形態(tài)主要為不均一的針狀和層片狀.由圖可知，在等溫時間為1h時，組織形態(tài)主要為針狀.時間為6h時，β相則主要以層片狀組織形態(tài)存在.這是由于隨著時間增長，Al原子擴散時間增長，遷移距離變遠.

圖2　Mg-12Al-1Zn合金經(jīng)420℃均勻化24h后在200℃等溫退火高倍顯微組織（1000×）（a）1h；（b）6h

2.1.2250℃均勻化等溫冷卻退火組織

圖3所示為Mg-12Al-1Zn鎂合金在420℃固溶均勻化24h再經(jīng)250℃保溫1h、6h后的低倍金相組織.由圖可知，在250℃等溫退火時，β相的析出數(shù)量比200℃時多.由圖可知，250℃等溫退火保溫1h時，大部分晶粒內(nèi)部β相已全部析出，在保溫6h時，β相已從所有晶粒內(nèi)部全部析出.

圖3　Mg-12Al-1Zn合金經(jīng)420℃均勻化24h后在250℃等溫退火低倍顯微組織（100×）（a）1h；（b）6h

圖4為Mg-12Al-1Zn鎂合金經(jīng)250℃保溫1h、6h后的高倍金相組織.從圖可以看出，β相的析出形態(tài)在等溫1h時為少量的層片狀和大量的顆粒狀.隨著保溫時間從1h增加到6h，組織形貌從顆粒狀變?yōu)楹苊艿膶悠瑺?原因是隨著保溫時間增長，Al原子擴散的時間也再增加，可以遷移的距離變遠.

圖4　Mg-12Al-1Zn合金經(jīng)420℃均勻化24h后在250℃等溫退火高倍金相組織（1000×）（a）1h；（b）6h

2.1.3300℃均勻化等溫冷卻退火組織

圖5為Mg-12Al-1Zn鎂合金經(jīng)420℃固溶均勻化24h后在300℃保溫1h、6h的低倍金相組織.由圖可知，β相在300℃等溫退火保溫1h后析出的數(shù)量比250℃明顯增多，由圖可看出，當(dāng)300℃等溫退火保溫1h時，晶粒內(nèi)部的β相已全部析出，這是因為隨著等溫冷卻溫度提高，鎂合金原子的擴散速度也加快，也表明溫度會對合金的析出速度產(chǎn)生影響，隨著溫度不斷升高，析出速度在不斷加快.

圖5　Mg-12Al-1Zn合金經(jīng)420℃均勻化24h后在300℃等溫退火低倍金相組織（100×）（a）1h；（b）6h

圖6為Mg-12Al-1Zn鎂合金在300℃保溫1h、6h的高倍金相組織圖.由圖可知，與250℃相比，β相在300℃主要以層片狀而不是顆粒狀的形態(tài)析出.由圖可知，隨著保溫時間增長，層片狀開始熔斷，變?yōu)槎贪魻詈皖w粒狀.

圖6　Mg-12Al-1Zn合金經(jīng)420℃均勻化24h后在300℃等溫退火高倍金相組織（1000×）（a）1h；（b）6h

2.2均勻化等溫退火對合金硬度的影響

AZ91D鎂合金鑄態(tài)硬度為56.7HB，Mg-12Al -1Zn合金鑄態(tài)硬度為58.7HB，可見，合金硬度隨著Al含量增加略有提高.

將鑄態(tài)Mg-12Al-1Zn鎂合金在420℃保溫均勻化24h再經(jīng)200℃、250℃、300℃等溫冷卻處理后，對其布氏硬度進行測試，結(jié)果如圖7所示.與Mg-12Al-1Zn的布氏硬度58.7HB相比，均勻退火后合金的布氏硬度增大.原因是在均勻化退火過程中，主要以層片狀析出的β相可以對基體起到很好的第二相強化作用.

圖7　Mg-12Al-Zn合金等溫退火布氏硬度

當(dāng)250℃進行等溫冷卻時，鎂合金的硬度最高，且隨著等溫時間從1h延長到6h，合金硬度從85.3HB增大到90.5HB，原因是隨著等溫時間的增加，析出的β相不斷增多，當(dāng)保溫時間為6h時，β相已完全析出，組織形貌也從顆粒狀變?yōu)楹苊艿膶悠瑺睿覍悠g距均勻細小分布，所以此溫度下硬度最高，且隨著時間的延長而增加.

而在200℃和300℃下等溫冷卻時，合金的硬度隨著保溫時間的增長在減小，特別當(dāng)冷卻溫度為300℃時，Mg-12Al-1Zn鎂合金的硬度減小尤為顯著，從75.5HB減小到65HB，原因是隨著等溫時間繼續(xù)延長，組織中發(fā)生晶粒長大或?qū)悠瑺罱M織溶斷變短的現(xiàn)象，硬度反而降低.

3　結(jié)論

（1）石墨型鑄造Mg-12Al-1Zn合金在420℃固溶均勻化24h后再分別經(jīng)200℃、250℃、300℃等溫冷卻1～6h.實驗發(fā)現(xiàn)，等溫冷卻溫度一定時，β-Mg17Al12相析出量隨著時間地延長而增加，形態(tài)也隨著時間的延長發(fā)生變化，主要以層片狀組織析出.β-Mg17Al12相隨著等溫冷卻的溫度升高，完全析出的時間也在縮短，β-Mg17Al12相的平均層片間距在增大.

（2）Mg-12Al-1Zn鎂合金的鑄態(tài)硬度略高于AZ91D，均勻化再經(jīng)不同溫度等溫冷卻后，合金的布氏硬度均有所提高，在250℃等溫6h后布氏硬度達到最高90.7HB，與鑄態(tài)硬度相比提高了54.5%.

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〔2〕吳榮華.有色與稀有金屬國外動態(tài)［J］.有色金屬學(xué)報，1997，4（2）:18-20.

〔3〕張金山，徐春香，韓富銀.鎂工業(yè)是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)［J］.金屬熱處理，2002，2（3）：46-48．

〔4〕王渠東，丁文江.鎂合金及其成形技術(shù)的國內(nèi)外動態(tài)與發(fā)展［J］.世界科技研究與發(fā)展—材料科學(xué)，2004，26（3）：39-45．

〔5〕徐玉磊，張奎，李興剛，等.熱處理對壓鑄AZ91D合金組織及硬度的影響 ［J］.材料熱處理學(xué)報，2012，33（11）：63-67．

〔6〕楊君剛，韓茜，白云.均勻化退火等溫冷卻對AZ91D鎂合金組織性能的影響［J］.材料熱處理學(xué)報，2014（35）:141-146.

〔7〕許娟，李鵬飛，郭峰.熱處理對AZ91D鎂合金相結(jié)構(gòu)的影響［J］.材料熱處理學(xué)報，2011，32（4）：30-33．

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TG166.4

A

1673-260X（2016）07-0012-03

2016-02-22

商洛學(xué)院自然科學(xué)研究項目“吩噁嗪及其氧族衍生物光敏劑的設(shè)計合成和性能研究”（15SKY005）