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钕添加及铸锭均匀化退火对ZK20镁合金组织与性能的影响

来源期刊:中国有色金属学报2010年第6期

论文作者:赵亚忠 潘复生 彭建

文章页码:1069 - 1074

关键词:镁合金;ZK20镁合金;均匀化退火;钕;挤压;组织;力学性能

Key words:Mg alloy; ZK20 Mg alloy; homogenization annealing; Nd; extrusion; microstructure; mechanical properties

摘    要:利用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和万能材料试验机,对ZK20和ZK20+0.5Nd镁合金不同温度均匀化退火后的组织以及挤压态合金的力学性能进行研究。退火温度分别为603、633、663、693 K,保温时间均为10 h。结果表明:均匀化退火使铸锭中的Mg-Zn和Mg-Nd-Zn合金相不断固溶到基体中,同时枝晶偏析大幅度降低;与未均匀化相比,ZK20+0.5Nd合金均匀化退火后挤压,挤压态塑性有较大幅度提高,而强度并没有降低;稀土Nd细化ZK20合金晶粒,使均匀化退火提高挤压态合金塑性的作用更加明显,增强均匀化退火效果。对于ZK20合金,663 K,10 h是最优的均匀化退火工艺;对于ZK20+0.5Nd合金,693 K,10 h是较合适的退火工艺。

Abstract: The effects of homogenizing annealing of ingot on as-annealed microstructure and as-extruded mechanical properties of ZK20 and ZK20+0.5Nd magnesium alloy were investigated by room tensile test, optical microscopy and scanning electron microscopy. The annealing temperatures were 603, 633, 663, 693 K, separately, and the holding time was 10 h. The results show Mg-Zn and Mg-Nd-Zn compounds observed in the cast ingot disappear gradually with increasing annealing temperature, and the dendritic segeration decreases dramatically. The elongation of as-extruded ZK20+0.5Nd alloy after homogenizing annealing is higher than that of the alloy without annealing while its strengh remains unchanged. The Nd addition can refine the grain and improve the ductility of as-extruded alloy, and the effect of homogenizing annealing on the elongation of ZK20 alloy is enhanced as a result. It can be concluded that the better homogenizing annealing process are 663, 10 h for ZK20 and 693, 10 h for ZK20+0.5Nd.

基金信息:国家重点基础研究发展计划资助项目
国家自然科学基金资助项目
重庆市科技攻关计划资助项目



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文章编号:1004-0609(2010)06-1069-06

钕添加及铸锭均匀化退火对ZK20镁合金组织与性能的影响

赵亚忠1, 2,潘复生1,彭  建1, 3

 (1. 重庆大学 材料科学与工程学院,重庆 400043;2. 南阳理工学院 机电系,南阳 473004;

3. 重庆大学 国家镁合金研究中心,重庆 400044)

摘  要:利用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和万能材料试验机,对ZK20和ZK20+0.5Nd镁合金不同温度均匀化退火后的组织以及挤压态合金的力学性能进行研究。退火温度分别为603、633、663、693 K,保温时间均为10 h。结果表明:均匀化退火使铸锭中的Mg-Zn和Mg-Nd-Zn合金相不断固溶到基体中,同时枝晶偏析大幅度降低;与未均匀化相比,ZK20+0.5Nd合金均匀化退火后挤压,挤压态塑性有较大幅度提高,而强度并没有降低;稀土Nd细化ZK20合金晶粒,使均匀化退火提高挤压态合金塑性的作用更加明显,增强均匀化退火效果。对于ZK20合金,663 K,10 h是最优的均匀化退火工艺;对于ZK20+0.5Nd合金,693 K,10 h是较合适的退火工艺。

关键词:镁合金;ZK20镁合金;均匀化退火;钕;挤压;组织;力学性能

中图法分类号:TG 146.22       文献标志码:A

Effects of Nd addition and homogenizing annealing of ingot on microstructure and properties of ZK20 Mg alloy

ZHAO Ya-zhong1, 2, PAN Fu-sheng1, PENG Jian1, 3

(1. College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400043, China;

2. Department of Mechanic and Electronic Engineering, Nanyang Institute of Technology, Nanyang 473004, China;

3. National Engineering Research Center for Magnesium Alloys, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Abstract: The effects of homogenizing annealing of ingot on as-annealed microstructure and as-extruded mechanical properties of ZK20 and ZK20+0.5Nd magnesium alloy were investigated by room tensile test, optical microscopy and scanning electron microscopy. The annealing temperatures were 603, 633, 663, 693 K, separately, and the holding time was 10 h. The results show Mg-Zn and Mg-Nd-Zn compounds observed in the cast ingot disappear gradually with increasing annealing temperature, and the dendritic segeration decreases dramatically. The elongation of as-extruded ZK20+0.5Nd alloy after homogenizing annealing is higher than that of the alloy without annealing while its strengh remains unchanged. The Nd addition can refine the grain and improve the ductility of as-extruded alloy, and the effect of homogenizing annealing on the elongation of  ZK20 alloy is enhanced as a result. It can be concluded that the better homogenizing annealing process are 663, 10 h for ZK20 and 693, 10 h for ZK20+0.5Nd.

Key words:Mg alloy; ZK20 Mg alloy; homogenization annealing; Nd; extrusion; microstructure; mechanical properties

镁合金是最轻的商用金属材料,在航空航天、火箭生产和汽车等领域得到越来越多的应用。由于变形镁合金在性能上的优势,国内外正开展变形镁合金的成分及变形工艺研究,以降低合金的热变形难度[1-3]。在工业生产条件下,镁合金铸造时冷却速度快,铸锭难以得到完全平衡的组织,晶内产生枝晶偏析,晶界处容易形成低熔点合金相,造成铸锭成分和组织的不均匀。在变形过程中,由于铸锭的成分及组织不均匀,铸锭各部位变形程度不一致,动态再结晶不均匀和不稳定,加之晶界处存在的低熔点合金相容易形成裂纹源而产生裂纹,这些均使合金变形能力降低。为改善铸锭成分及组织上的不均匀性,提高其热加工变形能力,需要对镁合金进行均匀化退火[4-6]

目前,对不含稀土镁合金均匀化退火的研究较  多[7-9],对含稀土镁合金的均匀化退火研究大都局限于较高合金含量的镁合金[10-11]。本项目开发具有较高塑性的ZK20+0.5Nd变形镁合金,其合金含量较低,合金相数量较少,因此研究其均匀化退火有重要的意义。

此外,一般使用显微硬度结合组织分析来判断均匀化退火的效果[12],但合金显微硬度很难反映合金的塑性变形能力,用它来作为均匀化退火工艺优劣的依据尚有不足之处。本试验对均匀化后的铸锭进一步进行挤压,用挤压态合金的塑性指标来判定均匀化工艺的优劣,更能反映均匀化工艺对合金塑性加工能力的影响。在对ZK20和ZK20+0.5Nd镁合金挤压前进行不同温度的均匀化退火,通过分析挤压态合金性能来判定均匀化退火的效果,分析稀土钕对ZK20均匀化退火的影响。

1  实验

实验对ZK20和 ZK20+0.5Nd两种合金进行均匀化退火实验,合金的化学成分见表1。

表1  试验合金的化学成分

Table 1  Chemical compositions of experimental alloys (mass fraction, %)

试验用半连续铸造的方法制备成d 92 mm的铸锭,经过不同的均匀化退火后,将铸锭剥皮成d 90 mm,其后铸锭在673 K下被挤压成d 16 mm的棒材。挤压态棒材依照GB/T 16865—1997被加工成直径为d 8 mm, 标距为40 mm的拉伸试样进行拉伸试验。铸锭均匀化退火在电阻炉内进行,退火温度分别为603、633、663、693 K,保温10 h,出炉空冷。

均匀化退火后试样的显微组织在OLYMPUS金相显微镜上观察,金相样品用4.0%的硝酸酒精溶液腐蚀。用XL30-TMP型扫描电镜观察断口形貌和合金中的第二相。室温力学性能测试在WE-10型万能材料试验机上进行。

2  结果与分析

2.1  均匀化退火温度对合金显微组织的影响

ZK20及ZK20+0.5Nd合金铸态和均匀化态的光学显微组织及SEM像如图1所示。

图1  ZK20和ZK20+0.5Nd镁合金经不同温度退火10 h后的光学显微组织和SEM像

Fig.1  Optical microstructures and SEM images of ZK20 and ZK20+0.5Nd Mg alloy after homogenizing annealing at different temperatures for 10 h: (a) Optical microstructure, ZK20, as-cast; (b) Optical microstructure, ZK20, 603 K; (c) Optical microstructure, ZK20, 633 K; (d) Optical microstructure, ZK20, 663 K; (e) Optical microstructure, ZK20, 693 K; (f) Optical microstructure, ZK20+0.5Nd, as-cast; (g) Optical microstructure, ZK20+0.5Nd, 603 K; (h) Optical microstructure, ZK20+0.5Nd, 633 K; (i) Optical microstructure, ZK20+0.5Nd, 663 K; (j) Optical microstructure, ZK20+0.5Nd, 693 K; (k) SEM image, ZK20+0.5Nd, as-cast; (l) SEM image, ZK20+0.5Nd, 603 K; (m) SEM image, ZK20+0.5Nd, 633 K; (n) SEM image, ZK20+0.5Nd, 663 K; (o) SEM image, ZK20+0.5Nd, 693 K

在合金半连续铸造时冷却速度较快,铸锭偏离平衡组织,表现为如下两方面:1) 基体成分不均匀,产生晶内偏析,形成枝晶组织;2) 在晶界处存在非平衡相。

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