AZ61-2%Gd 稀土鎂合金的熱處理工藝優化及其性能研究

孫亞肖，白 云，李向平，查明暉

（中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇常州 213011）

隨著近來輕量化、綠色環保等呼聲日益，鎂合金已成為工業領域的重要材料。采用鎂合金制造大型、高速、高載荷運行能力的交通運輸車輛零部件，將為軌道交通領域帶來革命性變革，為節約能源與資源，美化環境，提高人民生活水平產生重大貢獻。因此，開展鎂合金在軌道交通車輛上的應用研究，以適應我國資源和技術現狀，是提升我國軌道交通裝備技術水平，實現創新發展的絕佳機會。本試驗選擇應用最為廣泛的AZ 系列鎂合金，對AZ61+2%Gd 鎂合金進行熱處理工藝優化，通過固溶強化和時效強化進一步提高其力學性能[1]，達到目前軌道交通B 類零部件性能要求。

1 熱處理工藝優化

通過在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 鎂合金試塊進行熱處理工藝優化研究，其成分如表1 所示。對鑄態試塊進行能譜分析（圖1），可以看出該鑄態組織除了有基體相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 鎂合金鑄態能譜分析

1.1 固溶工藝優化

如圖2 所示，由DSC 曲線圖可以看出，該合金在424℃具有反應峰值，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 進行固溶工藝的優化。如圖3 所示，通過金相、能譜分析，發現400℃條件下8h 原鑄態組織中粗大的Mg17Al12相已通過原子擴散幾乎全部固溶到了ɑ-Mg 基體中，形成了過飽和固溶體，晶粒尺寸未發生明顯變化，隨著保溫時間的延長，晶粒開始長大。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DSC 差熱曲線分析

1.2 時效工藝優化

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℃時效條件保溫32h 時，硬度值最大，即62.4HB；150℃的峰值出現在36h，其最高硬度值為59HB；250℃條件下，合金最高硬度值雖然出現的峰值時間提前，最高硬度低于62.4HB，所以選取200℃+32h 為最佳時效工藝。

圖4 不同時效條件下的硬度變化曲線

2 力學性能與強化機制

表2 列出了每種狀態下測得的合金平均力學性能數據。由表2 可以看出固溶狀態和T6（固溶時效）狀態下的抗拉強度、屈服強度、硬度均較合金鑄態下有不同程度的提高，T6（固溶時效）狀態的延伸率較鑄態降低38.9%。

表2 熱處理對AZ61-2%Gd 鎂合金力學性能的影響

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

圖3 AZ61-2%Gd 鎂合金固溶狀態下金相顯微分析

隨著時效的進行合金組織中的第二相（β-Mg17A112）重新從α-Mg 基體中沉淀析出，連續析出產生于晶粒內，非連續相在晶界上析出，由于時效溫度為200℃，所以以非連續相為主[4]。A12Gd 相的存在對非連續β 相析出發揮了抑制作用，改善了其析出的形態，并促進連續相析出，對合金的性能起到部分強化作用[4]。而晶界處的β 相（圖5）的存在，導致對晶界的釘扎作用增大，阻礙位錯的運動，導致延伸率相較于鑄態和固溶狀態下降低。

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 時效。在此工藝條件下合金的最佳性能是抗拉強度為230MPa，屈服強度為127MPa，延伸率為5.5%，硬度為61.5HB。

（2）稀土合金Gd 的加入，在合金中形成細小的球粒狀高熔點A12Gd 相，通過熱處理強化，與合金中第二相聯合作用下，提高了該合金的綜合力學性能。