AZ61-2%Gd 稀土鎂合金的熱處理工藝優(yōu)化及其性能研究

孫亞肖，白 云，李向平，查明暉

（中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州 213011）

隨著近來(lái)輕量化、綠色環(huán)保等呼聲日益，鎂合金已成為工業(yè)領(lǐng)域的重要材料。采用鎂合金制造大型、高速、高載荷運(yùn)行能力的交通運(yùn)輸車輛零部件，將為軌道交通領(lǐng)域帶來(lái)革命性變革，為節(jié)約能源與資源，美化環(huán)境，提高人民生活水平產(chǎn)生重大貢獻(xiàn)。因此，開(kāi)展鎂合金在軌道交通車輛上的應(yīng)用研究，以適應(yīng)我國(guó)資源和技術(shù)現(xiàn)狀，是提升我國(guó)軌道交通裝備技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的絕佳機(jī)會(huì)。本試驗(yàn)選擇應(yīng)用最為廣泛的AZ 系列鎂合金，對(duì)AZ61+2%Gd 鎂合金進(jìn)行熱處理工藝優(yōu)化，通過(guò)固溶強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化進(jìn)一步提高其力學(xué)性能[1]，達(dá)到目前軌道交通B 類零部件性能要求。

1 熱處理工藝優(yōu)化

通過(guò)在AZ61 鎂合金錠添加Mg-25%Gd 中間合金熔煉并重力澆注成型的AZ61+2%Gd 鎂合金試塊進(jìn)行熱處理工藝優(yōu)化研究，其成分如表1 所示。對(duì)鑄態(tài)試塊進(jìn)行能譜分析（圖1），可以看出該鑄態(tài)組織除了有基體相α-Mg 外，還有Mg17Al12和新相Al2Gd 共晶相組。

表1 AZ61-2%Gd 成分表 w/%

圖1 AZ61-2%Gd 鎂合金鑄態(tài)能譜分析

1.1 固溶工藝優(yōu)化

如圖2 所示，由DSC 曲線圖可以看出，該合金在424℃具有反應(yīng)峰值，因此，我們選用在400℃條件下4h、8h、12h、16h、20h 和420℃條件下2h、4h、8h、12h、16h、20h 進(jìn)行固溶工藝的優(yōu)化。如圖3 所示，通過(guò)金相、能譜分析，發(fā)現(xiàn)400℃條件下8h 原鑄態(tài)組織中粗大的Mg17Al12相已通過(guò)原子擴(kuò)散幾乎全部固溶到了ɑ-Mg 基體中，形成了過(guò)飽和固溶體，晶粒尺寸未發(fā)生明顯變化，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，晶粒開(kāi)始長(zhǎng)大。而420℃條件下4h Mg17Al12相已全部固溶到ɑ-Mg 基體中，且其晶粒尺寸大于400℃條件下8h 的晶粒。因此選取400℃+8h 的固溶條件為最佳固溶工藝。

圖2 AZ61+2%Gd 鎂合金鑄態(tài)DSC 差熱曲線分析

1.2 時(shí)效工藝優(yōu)化

如圖4 所示，合金固溶后在150℃、200℃和250℃條件下的硬度曲線。曲線中不同溫度下的峰值可以看出，200℃時(shí)效條件保溫32h 時(shí)，硬度值最大，即62.4HB；150℃的峰值出現(xiàn)在36h，其最高硬度值為59HB；250℃條件下，合金最高硬度值雖然出現(xiàn)的峰值時(shí)間提前，最高硬度低于62.4HB，所以選取200℃+32h 為最佳時(shí)效工藝。

圖4 不同時(shí)效條件下的硬度變化曲線

2 力學(xué)性能與強(qiáng)化機(jī)制

表2 列出了每種狀態(tài)下測(cè)得的合金平均力學(xué)性能數(shù)據(jù)。由表2 可以看出固溶狀態(tài)和T6（固溶時(shí)效）狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度均較合金鑄態(tài)下有不同程度的提高，T6（固溶時(shí)效）狀態(tài)的延伸率較鑄態(tài)降低38.9%。

表2 熱處理對(duì)AZ61-2%Gd 鎂合金力學(xué)性能的影響

由圖1、圖3 可以分析，合金經(jīng)固溶處理后，第二相逐漸溶入基體，尤其是處于晶界處粗大、硬脆且低熔點(diǎn)的β-Mg17A112相，幾乎全部溶于基體，得到過(guò)飽和的固溶體[2]，而高熔點(diǎn)的A12Gd 相則稍微改善形態(tài)，呈細(xì)小的球粒狀彌散分布于基體上，對(duì)晶界起到良好的釘扎作用，從而最大限度地發(fā)揮含鋁過(guò)飽和固溶體與穩(wěn)定A12Gd 相的聯(lián)合強(qiáng)化作用[3]，提高了合金固溶強(qiáng)度，尤其是屈服強(qiáng)度明顯提高，同時(shí)保持了良好的延伸率。

圖3 AZ61-2%Gd 鎂合金固溶狀態(tài)下金相顯微分析

隨著時(shí)效的進(jìn)行合金組織中的第二相（β-Mg17A112）重新從α-Mg 基體中沉淀析出，連續(xù)析出產(chǎn)生于晶粒內(nèi)，非連續(xù)相在晶界上析出，由于時(shí)效溫度為200℃，所以以非連續(xù)相為主[4]。A12Gd 相的存在對(duì)非連續(xù)β 相析出發(fā)揮了抑制作用，改善了其析出的形態(tài)，并促進(jìn)連續(xù)相析出，對(duì)合金的性能起到部分強(qiáng)化作用[4]。而晶界處的β 相（圖5）的存在，導(dǎo)致對(duì)晶界的釘扎作用增大，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致延伸率相較于鑄態(tài)和固溶狀態(tài)下降低。

圖5 AZ61-2%Gd 合金在T6 熱處理的微觀組織SEM掃描圖

3 結(jié)論

（1）AZ61+2%Gd 鎂合金的最佳熱處理工藝為400℃、8h 固溶加200℃、32h 時(shí)效。在此工藝條件下合金的最佳性能是抗拉強(qiáng)度為230MPa，屈服強(qiáng)度為127MPa，延伸率為5.5%，硬度為61.5HB。

（2）稀土合金Gd 的加入，在合金中形成細(xì)小的球粒狀高熔點(diǎn)A12Gd 相，通過(guò)熱處理強(qiáng)化，與合金中第二相聯(lián)合作用下，提高了該合金的綜合力學(xué)性能。