Mg-4Zn-1Mn鎂合金均勻化熱處理及導(dǎo)熱率
采用光學(xué)顯微鏡、X射線衍射、布氏硬度測試、掃描電鏡、能譜分析等方法,研究新型Mg-4Zn-1Mn(ZM41)鎂合金在鑄態(tài)和不同熱處理狀態(tài)下的顯微組織、成分、硬度變化規(guī)律。用激光閃射法測定其不同狀態(tài)的熱擴(kuò)散系數(shù),計(jì)算得到導(dǎo)熱率值。以空位擴(kuò)散機(jī)制為基礎(chǔ),研究均勻化擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)過程,建立此合金的均勻化擴(kuò)散方程。結(jié)果表明:鑄態(tài)組織枝晶偏析嚴(yán)重,晶界上有許多粗大的Mg7Zn3非平衡結(jié)晶相,Mn以單質(zhì)形式存在于合金中。經(jīng)370℃×12 h均勻化熱處理后,大部分的Mg7Zn3相已溶入基體。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和均勻化動(dòng)力學(xué)計(jì)算,確定最佳均勻化處理工藝為370℃×12 h。該合金室溫導(dǎo)熱率值為125.5 W/(m.K),比常見的鎂合金如AZ系、AM系、AS系等的導(dǎo)熱性能高出1倍左右。
Mn、Zn 是鎂合金中廣泛使用的合金化元素，對比Mg-Al 和Mg-Zn 二元系相圖［1］，Al 在鎂中的最大固溶度為12. 7% ，共晶溫度為437 ℃，Zn 在鎂中的最大固溶度為6. 2% ，共晶溫度為340 ℃。Mg-Zn 合金均勻化熱處理溫度低，固溶強(qiáng)化和時(shí)效硬化效率高，生產(chǎn)更為安全。在Mg-Zn 二元合金中加入Mn，可以提高鎂合金的耐熱性和耐蝕性。由此研發(fā)出的一系列新型高強(qiáng)度高韌Mg-Zn-Mn 系變形鎂合金，具有密度低，較高的比強(qiáng)度和比剛度，耐蝕性好，且不含稀土元素，價(jià)格低廉，因此備受關(guān)注，在很多領(lǐng)域如汽車、航空航天等具有很好的應(yīng)用前景［1-3］。
在航空航天的應(yīng)用中，鎂合金的熱學(xué)性能非常重要，熱導(dǎo)率是熱學(xué)性能重要性能之一。然而，相比力學(xué)性能，有關(guān)鎂合金熱學(xué)性能的報(bào)道卻很少。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道［4-7］，純鎂熱導(dǎo)率為155 W/ ( m·K) ，AM50A 的熱導(dǎo)率為65 W/ ( m·K) ，AS41A 的熱導(dǎo)率為68 W/ ( m·K) ，AZ91 熱導(dǎo)率為58. 6 W/ ( m·K) ，Mg-2Zn-2Y 合金的熱導(dǎo)率為53 W/ ( m·K) 。本文將測定Mg-4Zn-1Mn 鎂合金的室溫?zé)釋?dǎo)率，為后續(xù)研究做準(zhǔn)備。均勻化熱處理是在較高溫度下使未溶相溶解和擴(kuò)散，以消除低熔點(diǎn)共晶組織、改善枝晶偏析、提高合金的塑性變形能力，同時(shí)提高合金元素在基體中的固溶程度，為熱變形過程和時(shí)效處理中的沉淀析出做好組織準(zhǔn)備［1，8］。均勻化過程中Mg7 Zn3相的溶解是控制合金組織性能的關(guān)鍵因素。在其它合金［9］ 中，擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)方程的計(jì)算對均勻化熱處理參數(shù)的制定可提供理論參考，而本合金數(shù)據(jù)較少，關(guān)于該合金的動(dòng)力學(xué)模型尚未見報(bào)道。
本文以Mg-Zn-Mn 鎂合金的均勻化熱處理工優(yōu)化為目標(biāo)，對成分為Mg-4Zn-1Mn 的鎂合金的均勻化熱處理進(jìn)行研究。并以空位擴(kuò)散機(jī)制為基礎(chǔ)，研究Mg-4Zn-1Mn 合金中Zn 元素的擴(kuò)散過程，根據(jù)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)方程繪制出均勻化過程的溫度時(shí)間關(guān)系圖，為此合金的均勻化處理提供理論依據(jù)。
實(shí)驗(yàn)材料和方法
合金制備
實(shí)驗(yàn)合金為Mg-4Zn-1Mn 鎂合金，經(jīng)5 kW 井式爐680 ～ 720 ℃熔煉而成，其中Mn 以Mg-Mn 中間合金加入，Zn 以純金屬的方式加入。其實(shí)際成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為: Z4. 06% ，Mn1. 08% ，其余為Mg 和微量雜質(zhì)。將合金鑄錠用線切割沿鑄錠同心圓位置切成12 mm × 12 mm × 10 mm 的試樣，進(jìn)行熱處理和微觀組織分析。
實(shí)驗(yàn)方法
采用NETZSCH STA 409 C /CD 熱分析儀來測定鑄態(tài)合金的差動(dòng)掃描熱分析曲線，如圖1 所示，升溫速率為10 ℃ /min�？梢园l(fā)現(xiàn)ZM41 鎂合金的低熔點(diǎn)相變區(qū)間為337. 5 ～ 362 ℃，在此溫度范圍內(nèi)伴隨金屬間化合物的分解和形成。根據(jù)均勻化退火經(jīng)驗(yàn)公式，Tc =0. 9 － 0. 95Tm，由此確定均勻化溫度為310、330、350 和370 ℃，處理時(shí)間分別為4、8、12、16、20 和24 h。對均勻化后的試樣進(jìn)行150 ℃ × 10 h 的時(shí)效處理。在CarlZeiss Axiovet 2000MAT 金相顯微鏡和ZeissEVO18 掃描電鏡上進(jìn)行微觀組織觀察。采用XPert PRO 多晶X 射線衍射儀和能譜分析進(jìn)行物相鑒定和微區(qū)成分分析。硬度測試在HBS-62. 5 型小負(fù)荷布氏硬度計(jì)上進(jìn)行，加載時(shí)間為30 s，重復(fù)4 次取平均值。
在室溫下用NetzschLFA 447 激光閃射法測試ZM41 合金的熱擴(kuò)散系數(shù)。在測量前，合金表面用碳涂層涂黑以便提高光脈沖的吸收，根據(jù)ASTM E1461-01 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。用排水法測樣品的密度。熱導(dǎo)率用下面的熱擴(kuò)散、比熱容公式得到: k = α·ρ·Cp。其中α 為熱擴(kuò)散系數(shù)，ρ 為密度，Cp為定壓比熱容。在室溫下測定將鑄態(tài)合金的電阻率，分別加熱至100、150、200、250、300 和350 ℃，保溫2 h 后淬火后測其室溫( T = 20 ℃) 電阻率，根據(jù)電阻率差值確定ZM41 鎂合金的空位生成焓，為計(jì)算擴(kuò)散激活能提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
