RE系鎂合金不同溫度下金相組織與性能分析

韓濤

摘要：本課題采用擠壓成形工藝制備完整的鎂合金棒材，對試樣進行了四種不同溫度、三種不同保溫時間的固溶處理。在擠壓過程中截取鎂合金試樣進行金相組織分析，并分析各個固溶溫度固溶時間下的顯微組織。通過鎂合金金相組織圖片可知，MG-RE鎂合金的晶粒遲鈍隨著溫度的升高而變得細(xì)化，在350℃，保溫時間為2h時，晶粒度達到最佳，因此通過此條件的固溶處理能夠提高鎂合金的塑性變形能力，極大地減小鎂合金在變形過程中基體材料產(chǎn)生缺陷的機率。

關(guān)鍵詞：鎂合金;晶粒尺寸;組織分析

Abstract： In this project， a complete magnesium alloy bar is prepared by extrusion molding， and solution treatment of the sample is carried out at four different temperatures and three different holding times. During the extrusion process， the magnesium alloy sample is intercepted for metallographic structure analysis， and the microstructure at each solution temperature and solution time is analyzed. According to the metallographic structure of the magnesium alloy， the grain retardation of the MG-RE magnesium alloy becomes finer as the temperature increases. At 350°C and the holding time is 2h， the grain size is optimal， so this conditional solution treatment can improve the plastic deformation ability of the magnesium alloy and greatly reduce the probability of defects in the matrix material during the deformation of the magnesium alloy.

Key words： magnesium alloy;grain size;structure analysis

1? 鎂合金簡介

金屬鎂一般不以純金屬形態(tài)存在于自然環(huán)境中，其基體中會含有一些其他的合金元素如鋁、錳、鋅、硅等。金屬鎂的主要特點是散熱快、質(zhì)量輕、剛性好、具有一定的耐蝕性和尺寸穩(wěn)定性、抗沖擊、耐磨性能，另外還有高的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能、無磁性、屏蔽性好和無毒的特點。而鎂合金具有密度小，比強度高，彈性模量大，耐腐蝕性能好。目前使用最廣的是鎂鋁合金，其次是鎂錳合金。

鎂合金比重在所有結(jié)構(gòu)用合金中屬于最輕的，在不減少零部件的強度下，可大大減輕零部件的重量。在彈性范圍內(nèi)，鎂合金具有良好的抗震減噪性能。在相同載荷下，減振性是鋁的100倍，鈦合金的近500倍左右。所以，鎂合金是應(yīng)用于LED及燈飾，汽車應(yīng)用零部件，及其他高強度，高韌性配件的理想材料。

2? 鎂合金應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀

到目前為止，金屬鎂最大的用途之一是加入到鋁中作為合金元素以提高其硬度和抗腐蝕能力。近幾年以來，金屬鎂及其合金目前越來越多地通過擠壓變形工藝，重力鑄造、砂模或金屬模、鍛造和軋制等方法制造結(jié)構(gòu)材料。如汽車上的發(fā)動機外殼，變速箱外殼，家用和通訊電器的外殼等。另外鎂合金質(zhì)輕的特點使其在軍事、交通和航空航天工業(yè)上獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。典型的鑄造鎂合金零件有直升飛機的變速箱、飛機進出氣口、發(fā)動機箱體、變速閘等。

3? 本課題的內(nèi)容與方案

3.1 實驗材料

本實驗選用MG-RE系列鎂合金。在這個鎂合金牌號中，合金元素RE為混合稀土。其成分主要包括金屬鎂、稀土元素釹、稀土元素釔以及鋯質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為36%的鎂鋯合金。在本實驗的研究過程中用到六氯乙烷作為鎂合金熔煉的精煉劑，在鎂合金液態(tài)金屬中能夠與氯、碳等元素發(fā)生冶金反應(yīng)，起到精煉的作用。冶金反應(yīng)過程如下所示：

C2Cl6精煉的主要問題是在坩堝底部較大范圍內(nèi)產(chǎn)生絮狀的懸浮性熔渣，其主要成分是MgCl2和MgO。解決辦法是通氬氣再進行吹洗，使熔渣上浮、下沉。

3.2 實驗設(shè)備

本實驗所采用的固溶處理設(shè)備為ZG25型電阻爐（如圖1），經(jīng)過細(xì)磨拋光的鎂合金顯微組織組織用XJL-02型立式金相顯微鏡進行分析。

3.3 實驗過程

熱擠壓后的棒材，制成12個金相試樣，在固溶溫度分別為300℃、350℃、380℃、420℃，保溫時間分別為1h、2h、4h條件下進行固溶處理。

3.4 組織觀察

經(jīng)過大擠壓比變形之后的MG-RE鎂合金，需將其加工成試樣并對其進行粗磨、精磨、粗拋以及精拋四道工序。在進行顯微組織觀察之前，需用濃度為3-5%的硝酸酒精溶液對試樣表面進行腐蝕，并將其妥善放置于脫脂棉中，以備組織觀察。隨后利用XJL-02型金相顯微鏡進行組織觀察。

4? 分析固溶處理對MG-RE鎂合金組織性能的影響

本實驗所采用的MG-RE鎂合金試樣是經(jīng)過大擠壓比擠壓成型的鎂合金棒材。鎂合金由鑄態(tài)經(jīng)過擠壓以后，其內(nèi)部組織發(fā)生改變，晶粒得到細(xì)化，但是其晶粒度尺寸仍然較大，鎂合金的塑性變形沒有得到完全的改善，本實驗針對鎂合金內(nèi)部晶粒度大小而進行固溶處理，目的是使其內(nèi)部合金元素得到均勻分配，調(diào)整物相分布平衡，最終獲得良好的鎂合金塑性變形能力。

為了研究不同加熱溫度和不同保溫時間下對鎂合金組織的影響，選取12個擠壓件進行如下實驗方案，見表1。

圖2、圖3、圖4、圖5分別給出不同固溶處理溫度不同保溫時間下鎂合金組織的變化，可見在不同固溶處理溫度條件下，固溶處理溫度和時間的變化對組織晶粒大小影響極大，在低溫下固溶處理，時間的變化對晶粒大小的影響較小，當(dāng)固溶溫度達到350℃、380℃后，組織明顯細(xì)化，當(dāng)溫度達到420℃時，晶粒反而長大。

用四種溫度（300℃、350℃、380℃、420℃）進行固溶處理，三個時間（1h、2h、4h）保溫，目的在于比較不同固溶溫度和時間的組合效果。

經(jīng)過各種固溶溫度和時間處理后的組織，如圖2、圖3、圖4、圖5所示。從固溶試驗后的金相照片來看試樣的晶粒形態(tài)并沒有明顯變化，經(jīng)過300℃固溶處理后的組織中，析出物量減少，呈斷續(xù)分布。與300℃系列試樣相比，在350℃下進行固溶處理，析出物數(shù)量繼續(xù)減少，呈離散狀分布于基體晶界處，在此溫度下保溫不同時間，晶粒減小幅度較大，特別是在350℃下保溫2小時，晶粒細(xì)小且分布均勻，析出相也較均勻的分布于基體的晶界處。在此溫度下，當(dāng)保溫時間為4h時，鎂合金內(nèi)部晶粒有長大趨勢。

當(dāng)溫度升高到380℃時，通過380℃下保溫1h/2h/4h的金相組織的圖像可知，隨著保溫時間的增加，鎂合金晶粒有逐漸長大的趨勢。這是由于鎂合金內(nèi)部晶粒隨著溫度的升高發(fā)生再結(jié)晶反應(yīng)，導(dǎo)致其晶粒度增大。當(dāng)固溶溫度為420℃時，晶粒繼續(xù)長大，當(dāng)保溫4h時，鎂合金的晶粒度達到最大，呈現(xiàn)片狀，這顯然降低了鎂合金的塑性變形能力。此時經(jīng)過420℃固溶處理后的試樣，一些高溫難熔的合金相析出，使得鎂合金的晶粒度達到最大化。

經(jīng)過四種不同固溶處理溫度，12種不同固溶處理時間的MG-RE鎂合金組織會發(fā)生明顯不同的變化。當(dāng)固溶處理溫度為350℃，保溫時間2小時時，鎂合金內(nèi)部晶粒晶界處已經(jīng)看不到明顯的成分偏析。這說明選擇合適的固溶處理溫度以及適當(dāng)?shù)谋貢r間可以更好地消除晶界偏析。但是繼續(xù)增加固溶處理溫度及時間，晶粒就會明顯長大，晶粒過大同樣會影響合金元素的塑性。

5? 結(jié)論

固溶處理后的鎂合金組織及力學(xué)性能均得到改善，固溶溫度為350℃，保溫時間為4h時，晶粒尺寸最小，可達到30μm。固溶溫度為350℃，保溫時間為2h時，鎂合金的晶粒度大小均勻分布，組織性能最好。

參考文獻：

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