擠壓加工對Mg-Sm-Zn-Zr合金組織和散熱性能的影響

張 波 張書強(qiáng) 吳廣新

(1.貴陽產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，貴州 貴陽 550081; 2.貴陽產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081; 3.貴陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550082; 4.省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國家重點(diǎn)實驗室,上海 200444; 5.上海市鋼鐵冶金新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用重點(diǎn)實驗室,上海 200444; 6.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200444)

鎂合金具有密度低、比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)，純鎂的熱導(dǎo)率在常見金屬材料中僅次于銀、銅和鋁。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，用量也越來越大[1-3]。擠壓工藝是對放在擠壓筒內(nèi)的金屬坯料施加外力，使坯料從指定的?？字辛鞒?，獲得所需斷面形狀和尺寸的塑性加工方法[4]。鎂合金的塑性變形性能較差，采用擠壓工藝能夠產(chǎn)生比軋制和鍛造更大的三向壓應(yīng)力，最大限度地細(xì)化晶粒、發(fā)揮鎂合金的塑性[5]。研究發(fā)現(xiàn)，在鎂合金中加入微量稀土元素可以提高合金的力學(xué)性能和改善鑄造性能。其中Sm是鈰族稀土元素中在Mg中固溶度最大的元素，在鎂合金中加入Sm可以很好地起到固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的效果，因此以Mg-Sm系合金為基礎(chǔ)有望開發(fā)出高性能的稀土鎂合金，加入Zn和Zr元素可進(jìn)一步提升合金強(qiáng)度[6-8]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對影響鎂合金散熱性能的因素和開發(fā)高性能鎂合金做了很多工作[9-11]。

本文主要針對擠壓工藝制得的Mg-5.0Sm-0.6Zn-0.5Zr合金，探討了擠壓工藝和時效處理對合金微觀組織和散熱性能的影響，并與鑄態(tài)合金進(jìn)行對比，以期通過擠壓工藝提高該體系合金的散熱性能，并為該工藝在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗材料及方法

采用ICP原子光譜發(fā)射光譜儀分析試驗用Mg-Sm-Zn-Zr鑄造鎂合金的化學(xué)成分，其名義成分和實際化學(xué)成分如表1所示。

表1 鑄態(tài)Mg-Sm-Zn-Zr合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

采用XJ-1000型材擠壓機(jī)對鎂合金進(jìn)行熱擠壓加工試驗，擠壓比分別為13、25和35，擠壓溫度為400 ℃，擠壓速度為10 mm/s。圓柱形鑄錠的直徑為12 mm，最終被擠壓成直徑分別為33.28、25和20.28 mm的棒材。采用YFL27/10G-GC箱式電阻爐對試樣進(jìn)行熱處理，鑄態(tài)熱處理工藝為520 ℃×4 h+200 ℃×40 h，擠壓時效工藝為200 ℃×24 h。

使用SU-1510掃描電子顯微鏡(SEM)觀察鎂合金的微觀組織和拉伸斷口形貌，使用OXFORD能譜分析儀分析微區(qū)成分，測定元素的含量。

采用如圖1所示的散熱性能測試平臺[12]模擬散熱材料的實際工作環(huán)境，沿擠壓方向切割試樣進(jìn)行熱模擬試驗。使用熱電偶采集試樣溫度分布，以評估其散熱性能。將合金加工成160 mm×10 mm×10 mm的長方體試樣，并將兩個正方形端面拋光，以保證受熱均勻。測試平臺給定試樣熱端溫度為200 ℃，冷端溫度為-30 ℃，當(dāng)溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，記錄試樣的溫度分布曲線。采用耐馳LFA447激光法導(dǎo)熱儀測量熱擴(kuò)散率，并計算得到合金的熱導(dǎo)率。試樣為φ12.7 mm×2.0 mm的薄片，測量溫度為25 ℃，測3次取平均值。

圖1 散熱性能測試平臺

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 擠壓工藝對合金微觀組織的影響

擠壓加工后，由于合金不同方向的顯微組織有明顯差異，因此研究中選取沿擠壓方向的縱截面和垂直于擠壓方向的橫截面的組織進(jìn)行分析。圖2為鑄態(tài)合金的SEM照片，可以看出合金主要由鎂基體(α-Mg)和離異共晶第二相組成，這些離異共晶相形狀不規(guī)則，主要存在于晶界。圖3為合金經(jīng)不同擠壓比擠壓變形后的SEM照片。對比圖2和圖3可以看出，合金經(jīng)熱擠壓變形后晶粒發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，晶粒尺寸明顯細(xì)化，由鑄態(tài)時的30～40 μm減小到約10 μm。在固溶處理時未回溶的共晶化合物在熱擠壓過程中發(fā)生碎裂，第二相由鑄態(tài)時粗大不規(guī)則的形狀變成細(xì)小的顆粒狀。通過對合金縱截面組織的觀察可以看出，碎裂的第二相大部分沿擠壓伸長方向呈帶狀分布，一般稱為擠壓帶，少部分位于晶界或進(jìn)入破碎顆粒內(nèi)部。通過對合金橫截面組織的觀察可以看出，共晶化合物的分布與縱截面相比有較大區(qū)別，一般連續(xù)分布于晶界，也有少部分細(xì)小的共晶化合物彌散分布于α-Mg基體內(nèi)或晶界附近。

圖2 鑄態(tài)合金的SEM照片

圖3 Mg-Sm-Zn-Zr合金經(jīng)不同擠壓比擠壓加工后的SEM照片

圖4為擠壓比為13的棒材縱截面的面掃描分析圖，可以看出Sm元素在擠壓帶富集明顯，說明顏色較淺的擠壓帶主要由第二相Mg41Sm5構(gòu)成[13]，Zn和Zr元素由于含量較少，未發(fā)現(xiàn)明顯的聚集，呈彌散分布。

圖5為擠壓比為13的合金棒材橫截面的能譜線掃描分析圖，可以看出，顏色較淺的第二相中Mg的峰強(qiáng)度減弱，Sm的峰強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，Zn元素含量雖然較少，但其峰強(qiáng)度的變化規(guī)律與Sm元素相同，說明Zn元素在第二相中的富集比在基體其他位置更明顯。

圖6為擠壓態(tài)合金時效處理后的SEM照片?？梢?，合金時效后的晶粒形貌及元素分布與時效前相比差異較小，晶粒僅略微長大，合金縱截面組織中的第二相仍主要沿擠壓方向形成擠壓帶，橫截面組織中的第二相主要均勻分布在晶界，部分以析出相的形式彌散分布在基體中。此外，隨著擠壓比的增大，第二相顆粒更加細(xì)小，分布更均勻。

圖4 擠壓比為13的合金棒材縱截面的能譜面分析

圖5 擠壓比為13的合金棒材橫截面的線掃描分析

圖6 擠壓態(tài)合金時效處理后的SEM照片

2.2 擠壓工藝對合金散熱性能的影響

圖7為鑄態(tài)、擠壓態(tài)、熱處理態(tài)(520 ℃×4 h+200 ℃×40 h)合金試樣的溫度分布曲線。ΔTm為對流氣體和固體之間的平均溫度差，其值越大，則說明單位散熱面積的換熱量越多，即試樣的散熱性能更好。ΔTm值從大到小的順序為：擠壓比35>擠壓比25=熱處理態(tài)>擠壓比13>鑄態(tài)，說明合金經(jīng)過擠壓加工后，其散熱性能相比鑄態(tài)有了明顯的提升，且在試驗所選參數(shù)范圍內(nèi)隨著擠壓比的增大，散熱性能越好。當(dāng)擠壓比為25時，合金的散熱性能與熱處理態(tài)的合金相當(dāng)，當(dāng)擠壓比為35時，合金的散熱性能進(jìn)一步提升。

圖7 鑄態(tài)、熱處理態(tài)和擠壓態(tài)合金試樣的T-X曲線

合金的傳熱是一個復(fù)雜的過程，受很多因素影響，需綜合分析擠壓加工對合金散熱性能的影響。一般講，擠壓加工對合金導(dǎo)熱的影響主要分為幾個方面：首先，鑄態(tài)合金經(jīng)過擠壓加工后，鑄件中的孔隙、氣泡和縮孔等宏觀缺陷在壓力作用下產(chǎn)生固結(jié)，密度上升[14]，故擠壓加工后孔隙等缺陷減少，致密度上升對合金的散熱是有利的[15]。由于擠壓變形過程中存在著擠壓析出，會消耗固溶體中的合金元素。而析出相中合金元素對導(dǎo)熱的影響要遠(yuǎn)小于溶入基體內(nèi)的合金元素的影響，因此析出行為對合金的熱導(dǎo)率升高產(chǎn)生有利的影響。同時擠壓過程中發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，合金晶粒細(xì)化，晶界增多，位錯密度增大，并形成沿擠壓方向呈帶狀分布的細(xì)小等軸晶[16]，大量的晶界會對合金的散熱性能產(chǎn)生不利影響。Mg-5.0Sm-0.6Zn-0.5Zr合金的散熱試驗結(jié)果表明，擠壓加工對該合金散熱性能的有利因素要比不利因素的影響更顯著，尤其是固溶元素的析出和致密度的上升是主要的影響因素，因此，隨著擠壓比的增大，合金的散熱性能不斷改善。

圖8為鑄態(tài)、熱處理態(tài)、擠壓時效態(tài)(200 ℃×24 h)合金試樣的溫度分布曲線。ΔTm值的大小順序為：擠壓比35時效態(tài)>擠壓比25時效態(tài)>擠壓比13時效態(tài)>熱處理態(tài)>鑄態(tài)，說明對于擠壓時效態(tài)的合金，同樣具有擠壓比越大散熱性能越好的規(guī)律。與圖7對比可知，經(jīng)過200 ℃×24 h的人工時效處理后，合金的散熱性能有了進(jìn)一步的提升，明顯優(yōu)于鑄態(tài)及熱處理態(tài)的合金，擠壓比為13的合金經(jīng)時效后的散熱性能與擠壓比為35的擠壓態(tài)合金相當(dāng)，擠壓比為35的合金經(jīng)時效后的散熱性能最優(yōu)。

圖8 鑄態(tài)、熱處理態(tài)和擠壓時效態(tài)合金試樣的T-X曲線

時效處理使擠壓態(tài)合金的散熱性能得到提高的原因：時效析出第二相，消耗了在Mg基體中作為傳熱電子散射中心的合金元素，這也是散熱性能提高的主要原因；同時時效處理使擠壓態(tài)合金的晶粒粗化，晶界缺陷減少，對合金導(dǎo)熱的阻礙減小。通過散熱性能試驗，得出合金獲得最優(yōu)散熱性能的工藝為經(jīng)過擠壓比為35的擠壓加工后再進(jìn)行200 ℃×24 h的時效處理。

Mg-5.0Sm-0.6Zn-0.5Zr合金試樣的熱導(dǎo)率計算結(jié)果如表2所示，可以看出ΔTm值與熱導(dǎo)率的大小順序基本一致。

表2 Mg-5.0Sm-0.6Zn-0.5Zr合金試樣的氣-固溫差ΔTm與熱導(dǎo)率(λ)

3 結(jié)論

(1)擠壓加工能明顯細(xì)化晶粒，改善合金性能，隨著擠壓比的增大，細(xì)化效果更好。擠壓后的合金組織沿擠壓方向出現(xiàn)了大量由第二相組成的擠壓變形帶。擠壓、時效后的合金晶粒略有粗化，第二相分布更均勻。

(2)擠壓加工有利于提升合金的散熱性能，且在試驗范圍內(nèi)的擠壓比越大，合金的散熱性能提升越明顯。對擠壓后的合金進(jìn)行200 ℃×24 h的時效處理，合金散熱性能進(jìn)一步提升。合金獲得最優(yōu)散熱性能的工藝為經(jīng)過擠壓比為35的擠壓加工后再進(jìn)行200 ℃×24 h的時效處理。