冷卻速度對Mg-4Zn合金組織和性能的影響

胡中潮，崔元勝，王振玲，于玉城

(1.天津那諾機械制造有限公司 天津300457；2.空軍駐山東地區軍事代表室 山東濟南250023；3.黑龍江科技大學材料科學與工程學院 黑龍江哈爾濱150022)

基礎研究

冷卻速度對Mg-4Zn合金組織和性能的影響

胡中潮1，崔元勝2，王振玲3，于玉城3

(1.天津那諾機械制造有限公司 天津300457；2.空軍駐山東地區軍事代表室 山東濟南250023；3.黑龍江科技大學材料科學與工程學院 黑龍江哈爾濱150022)

采用金相顯微鏡、X射線衍射儀、電子萬能拉伸試驗機、電化學工作站研究了冷卻速率對Mg-4Zn合金的組織、力學性能、耐腐蝕性能的影響。結果表明：隨著冷卻速度的增加，晶粒細化，其壓縮抗壓強度和壓縮屈服強度由普通金屬型模具的249 MPa和212 MPa增加到銅管吸鑄后在水中冷卻時的314 MPa和231 MPa。此外，自腐蝕電位由金屬型的-1.49 V增加到液氮的-1.40 V。冷卻速率增加，Mg-4Zn合金的耐腐蝕性能有所改善。

冷卻速率 Mg-4Zn合金 壓縮性能 耐腐蝕性能 顯微組織

鎂是人體的必需元素，[1]幾乎參與人體內所有的新陳代謝過程，鎂合金有著優越的生物相容性和力學相容性，尤其是和人骨相當的彈性模量能有效緩解應力遮擋效應，對骨折愈合、[2]種植體穩定具有重要作用。但是鎂的化學性質極為活潑，并且在腐蝕介質中產生的氧化膜疏松多孔，導致鎂合金耐蝕性較差，特別是在含有氯離子的人體生理環境中更是如此。這一問題長久以來一直被認為是鎂合金的缺點，也成為其作為植入物在生物醫學領域應用的最大障礙。動物實驗研究結果表明：鎂合金作為骨植入材料在生物體內僅能存在較短時間，難以滿足骨骼生長對力學性能的要求。本文選擇Mg-4Zn合金作為研究對象，研究冷卻速度對合金的組織、壓縮性能以及耐腐蝕性能的影響。通過提高冷卻速度來研究其生物鎂合金性能的影響，進而為解決生物鎂合金在醫學上的應用難題提供一個途徑。

1 試驗材料和方法

實驗所用的Mg-4Zn合金自行配制，其中Mg占96%，Zn占4%。選用99.99%純度的純Mg以及99.99%的純Zn來配制合金。熔煉選擇型號SG-5-12坩堝式電阻爐熔煉，熔煉所用為石墨坩堝，熔煉過程采用CO2+SF6保護。本試驗主要利用水、液氮、金屬模具冷卻從而獲得的3種不同的冷卻速度，研究不同冷卻速度對Mg-4Zn組織和力學性能及耐腐蝕性能的影響。采用XJP-3A光學金相顯微鏡觀察組織，利用X射線衍射儀進行物相分析；壓縮性能試驗在CMT5305型萬能拉伸試驗機上進行；采用電化學工作站研究Mg-4Zn在不同冷卻條件下的耐腐蝕性能。

2 試驗結果與分析

圖1為在不同冷卻狀態下的Mg-4Zn形貌，圖1(a)為金屬模具中自然冷卻的金相照片，可以看出晶粒大小不一，并且晶粒比較粗大，其中晶粒與晶界間彌散著第二相，主要以圓形為主，存在少量的橢圓形第二相。圖1(b)為水中冷卻的Mg-4Zn合金金相照片，從圖中可以看到晶粒和第二相進一步細化。圖1(c)為液氮冷卻Mg-4Zn合金金相照片，可以看到在非常細小晶粒上第二相呈現出彌散分布。

圖1 Mg-4Zn合金不同冷卻速率下顯微組織Fig.1 Microstructures of Mg-4Zn alloy under different cooling rates

從圖1可以看出，提高冷卻速度顯著細化了Mg-4Zn合金的晶粒，其晶粒尺寸在液氮冷卻條件下為10,μm左右和水冷卻20,μm左右；而普通金屬型模具凝固條件下，Mg-4Zn合金的晶粒尺寸約為40～50,μm。眾所周知，晶核的形成依賴于熔體中團簇的數量和尺寸，[3]晶粒大小用單位體積中晶粒數目Z來表示：

其中N和G分別代表凝固過程中形核率和長大速度。晶粒大小隨形核率的增大而減小，隨長大速度的增加而增大。在凝固過程中，由于冷卻速度的增加，形核率增加使得晶粒數目增加。[4]當冷卻速度增加時，鎂合金的凝固點也相應降低，過冷度相應增加，使得晶粒沒有完全長大就已經凝固，所以快速凝固可以顯著細化晶粒。

為了考察不同冷卻速率對Mg-4Zn合金相組成的影響，用X射線衍射儀對金屬模具自然冷卻、水、液氮冷卻3種不同冷卻速度下的Mg-4Zn合金的相組成進行了分析，對于普通金屬型模具制備Mg-4Zn合金而言，其組織主要由α-Mg和MgZn相組成。而在水以及液氮冷卻條件下，除了有MgZn相還有Mg51Zn20相存在。

這是由于在接近于平衡狀態的常規凝固過程中，當溫度降低到約325 ℃時，Mg51Zn20會發生如下分解反應：

因此，常溫普通金屬型制備的Mg-Zn合金的主要物相是MgZn。通過提高冷卻速度使(2)的反應受到一定的限制，常溫下非平衡相Mg51Zn20得以部分保留下來，所以水冷卻以及液氮冷卻條件下Mg-4Zn的相組成為Mg51Zn20、MgZn(見圖2)。

圖2 不同的冷卻速度時Mg-4Zn合金的X射線衍射圖譜Fig.2 XRD patterns of Mg-4Zn alloy under different cooling rates

3 不同冷卻速度對Mg-4Zn性能的影響

3.1 不同冷卻速度對Mg-4Zn機械性能的影響

不同冷卻速度下的抗壓強度和屈服強度見表1，從表中可以發現，在金屬型模具、水、液氮3種冷卻條件下，屈服強度呈現先增加后降低的趨勢，在水冷卻條件下達到最高231 MPa，在液氮冷卻條件下略微有所下降至219 MPa，在3種冷卻條件下，抗壓強度也呈出相同的規律。

表1 不同冷卻速率時Mg-4Zn合金的壓縮性能Tab.1 Compressive property of Mg-4Zn alloy under different cooling rates

這是由于鎂合金的強化主要是細晶強化和第二相強化，因為提高冷卻速度Mg-4Zn合金晶粒明顯要比普通金屬型凝固合金的晶粒要細，所以合金的壓縮性能普遍要比普通金屬型模具冷卻的Mg-4Zn合金壓縮性能高。而液氮冷卻的Mg-4Zn合金雖然細化了析出相，但由于析出相減少，第二相的強化效果減弱，因此其壓縮性能要比水冷卻Mg-4Zn合金的壓縮性能低。但是由于其細晶強化的作用使其壓縮性能仍然要比普通金屬型模具的Mg-4Zn合金要高。

3.2 不同冷卻條件對Mg-4Zn合金耐腐蝕性能的影響

不同冷卻條件下Mg-4Zn合金通過電化學工作站測試的自腐蝕電流密度與自腐蝕電位數據如表2所示：

表2 不同冷速時Mg-4Zn合金的腐蝕電流與電位Tab.2Corrosion potential and corrosion current of Mg-4Zn alloy under different cooling rates

從表中明顯看到，金屬、水、液氮3種不同冷卻介質下快速凝固的腐蝕電流大致相近，但自腐蝕電位值卻不相同，腐蝕傾向增大的順序為液氮、水、金屬型，所以冷卻速度增加使得Mg-4Zn合金腐蝕傾向變小。

4 結 論

通過對金屬模具、水、液氮冷卻的Mg-4Zn合金微觀組織觀察，X射線衍射分析，壓縮性能以及耐腐蝕性能的測試，可以得出以下結論：①提高冷卻速度顯著細化了Mg-4Zn合金的晶粒；普通的金屬型凝固組織由α-Mg、MgZn組成，水冷以及液氮等快速凝固Mg-4Zn合金的組織由過飽和固溶體α-Mg、Mg51Zn20以及少量的MgZn組成。②冷卻速度增加可以使Mg-4Zn合金力學性能有所提高，其壓縮抗壓強度和壓縮屈服強度由普通金屬型的249,MPa和212,MPa增加到水冷卻條件下的314,MPa和231,MPa。③隨著冷卻速度的增加，自腐蝕電位由金屬型的-1.49,V變化至液氮的-1.40,V；快速凝固Mg-4Zn合金對合金的耐腐蝕性能有所改善。

［1］ 趙霖，鮑善芬.鎂在生物醫學中的應用[J]. 科技導報，1992(3)：138-141.

［2］ Polmear I J. Magnesium alloys and applications[J]. Materials Science and Technology，1994，10(1)：1-16.

［3］ Cai J，Ma G C，Liu Z，et al. Influence of rapid solidification on the microstructure of AZ91HP alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds，2006，422(1-2)：92-96.

［4］ 周堯和，胡壯麟，介萬奇. 凝固理論[M]. 北京：機械工業出版社，1998：230.

Effect of Cooling Rate on Microstructure and Property of Mg-4Zn Alloy

HU Zhongchao1，CUI Yuansheng2，WANG Zhenling3，YU Yucheng3
(1.LIZHONG GROUP Tianjin Nanuo Machinery Manufacturing Co. Ltd.，Tianjin 300457，China；2.Military Representative Office of Air Force in Shandong，Ji’nan 250023，Shandong Province，China；3.College of Materials Science and Engineering，Heilongjiang University of Science and Technology，Harbin 150022，Heilongjiang Province，China)

The effect of cooling rate on the microstructure，mechanical property and corrosion resistance of Mg-4Zn alloy were studied using optical microscope，X-ray diffractometer，and universal tensile testing machine as well as electrochemical workstation. The results showed that the grain of Mg-4Zn alloy refined when cooling rate increased，and its compressive strength and yield strength increased from 249 MPa and 212 MPa under normal metal mold to 314 MPa and 231 MPa respectively in the water cooling electrochemical workstation. Furthermore，the corrosion potential of Mg-4Zn alloys increased from -1.49 V to -1.40 V. The corrosion resistance of Mg-4Zn alloy improved to some extent as the cool rate increased.

rapid solidification；Mg-4Zn alloy；compression performance；corrosion resistance；microscopic structure

TG146.2

：A

：1006-8945(2016)09-0031-03

2016-08-31