Mg-4Zn-1Mn镁合金均匀化热处理及导热率

2012-05-26 袁家伟北京有色金属研究总院国家重点实验室

　　采用光学显微镜、X射线衍射、布氏硬度测试、扫描电镜、能谱分析等方法,研究新型Mg-4Zn-1Mn(ZM41)镁合金在铸态和不同热处理状态下的显微组织、成分、硬度变化规律。用激光闪射法测定其不同状态的热扩散系数,计算得到导热率值。以空位扩散机制为基础,研究均匀化扩散动力学过程,建立此合金的均匀化扩散方程。结果表明:铸态组织枝晶偏析严重,晶界上有许多粗大的Mg7Zn3非平衡结晶相,Mn以单质形式存在于合金中。经370℃×12 h均匀化热处理后,大部分的Mg7Zn3相已溶入基体。根据实验结果和均匀化动力学计算,确定最佳均匀化处理工艺为370℃×12 h。该合金室温导热率值为125.5 W/(m.K),比常见的镁合金如AZ系、AM系、AS系等的导热性能高出1倍左右。

　　Mn、Zn 是镁合金中广泛使用的合金化元素，对比Mg-Al 和Mg-Zn 二元系相图［1］，Al 在镁中的最大固溶度为12. 7% ，共晶温度为437 ℃，Zn 在镁中的最大固溶度为6. 2% ，共晶温度为340 ℃。Mg-Zn 合金均匀化热处理温度低，固溶强化和时效硬化效率高，生产更为安全。在Mg-Zn 二元合金中加入Mn，可以提高镁合金的耐热性和耐蚀性。由此研发出的一系列新型高强度高韧Mg-Zn-Mn 系变形镁合金，具有密度低，较高的比强度和比刚度，耐蚀性好，且不含稀土元素，价格低廉，因此备受关注，在很多领域如汽车、航空航天等具有很好的应用前景［1-3］。

　　在航空航天的应用中，镁合金的热学性能非常重要，热导率是热学性能重要性能之一。然而，相比力学性能，有关镁合金热学性能的报道却很少。据文献报道［4-7］，纯镁热导率为155 W/ ( m·K) ，AM50A 的热导率为65 W/ ( m·K) ，AS41A 的热导率为68 W/ ( m·K) ，AZ91 热导率为58. 6 W/ ( m·K) ，Mg-2Zn-2Y 合金的热导率为53 W/ ( m·K) 。本文将测定Mg-4Zn-1Mn 镁合金的室温热导率，为后续研究做准备。均匀化热处理是在较高温度下使未溶相溶解和扩散，以消除低熔点共晶组织、改善枝晶偏析、提高合金的塑性变形能力，同时提高合金元素在基体中的固溶程度，为热变形过程和时效处理中的沉淀析出做好组织准备［1，8］。均匀化过程中Mg7 Zn3相的溶解是控制合金组织性能的关键因素。在其它合金［9］中，扩散动力学方程的计算对均匀化热处理参数的制定可提供理论参考，而本合金数据较少，关于该合金的动力学模型尚未见报道。

　　本文以Mg-Zn-Mn 镁合金的均匀化热处理工优化为目标，对成分为Mg-4Zn-1Mn 的镁合金的均匀化热处理进行研究。并以空位扩散机制为基础，研究Mg-4Zn-1Mn 合金中Zn 元素的扩散过程，根据扩散动力学方程绘制出均匀化过程的温度时间关系图，为此合金的均匀化处理提供理论依据。

实验材料和方法

合金制备

　　实验合金为Mg-4Zn-1Mn 镁合金，经5 kW 井式炉680 ～ 720 ℃熔炼而成，其中Mn 以Mg-Mn 中间合金加入，Zn 以纯金属的方式加入。其实际成分质量分数为: Z4. 06% ，Mn1. 08% ，其余为Mg 和微量杂质。将合金铸锭用线切割沿铸锭同心圆位置切成12 mm × 12 mm × 10 mm 的试样，进行热处理和微观组织分析。

实验方法

　　采用NETZSCH STA 409 C /CD 热分析仪来测定铸态合金的差动扫描热分析曲线，如图1 所示，升温速率为10 ℃ /min。可以发现ZM41 镁合金的低熔点相变区间为337. 5 ～ 362 ℃，在此温度范围内伴随金属间化合物的分解和形成。根据均匀化退火经验公式，Tc =0. 9 － 0. 95Tm，由此确定均匀化温度为310、330、350 和370 ℃，处理时间分别为4、8、12、16、20 和24 h。对均匀化后的试样进行150 ℃ × 10 h 的时效处理。在CarlZeiss Axiovet 2000MAT 金相显微镜和ZeissEVO18 扫描电镜上进行微观组织观察。采用XPert PRO 多晶X 射线衍射仪和能谱分析进行物相鉴定和微区成分分析。硬度测试在HBS-62. 5 型小负荷布氏硬度计上进行，加载时间为30 s，重复4 次取平均值。

　　在室温下用NetzschLFA 447 激光闪射法测试ZM41 合金的热扩散系数。在测量前，合金表面用碳涂层涂黑以便提高光脉冲的吸收，根据ASTM E1461-01 标准进行试验。用排水法测样品的密度。热导率用下面的热扩散、比热容公式得到: k = α·ρ·Cp。其中α 为热扩散系数，ρ 为密度，Cp为定压比热容。在室温下测定将铸态合金的电阻率，分别加热至100、150、200、250、300 和350 ℃，保温2 h 后淬火后测其室温( T = 20 ℃) 电阻率，根据电阻率差值确定ZM41 镁合金的空位生成焓，为计算扩散激活能提供实验数据。