简介概要

热处理对ZM51镁合金力学性能的影响

来源期刊：稀有金属2019年第6期

论文作者：张凯李兴刚李永军袁家伟刘小稻王胜青

文章页码：585 - 591

关键词：ZM51镁合金;热处理;力学性能;

摘要：通过光学显微镜（OM）、硬度测试以及室温拉伸等分析手段研究了挤压态Mg-5%Zn-1%Mn（质量分数）合金固溶处理、单级时效处理、固溶+单级时效处理、双级时效处理以及固溶+双级时效处理制度,以及分析了不同热处理制度对ZM51镁合金组织及力学性能的影响。结果表明:工业化挤压生产大截面尺寸的ZM51镁合金经不同时效制度处理后,强度均不同程度的提高,且时效制度不同,合金强度提高的大小也不尽相同。经T6处理的合金峰时效强度大于T5处理的合金峰时效强度,双级时效处理的合金峰时效强度大于单级时效处理的合金峰时效强度,同时, T6处理和双级时效处理的合金断后伸长率均低于T5处理以及单级时效处理的合金断后伸长率。经T6双级时效处理的合金强度最高,断后伸长率最低,抗拉强度达到了340.52 MPa,断后伸长率为6%。此外,大截面尺寸ZM51镁合金挤压材可通过调整工艺,直接借助现有铝合金大型生产设备实现工业化生产。

网络首发时间: 2018-01-25 14:57

稀有金属 2019,43(06),585-591 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy17110031

热处理对ZM51镁合金力学性能的影响

张凯李兴刚李永军袁家伟刘小稻王胜青

北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室

南京云海特种金属股份有限公司

摘要：

通过光学显微镜 (OM) 、硬度测试以及室温拉伸等分析手段研究了挤压态Mg-5%Zn-1%Mn (质量分数) 合金固溶处理、单级时效处理、固溶+单级时效处理、双级时效处理以及固溶+双级时效处理制度, 以及分析了不同热处理制度对ZM51镁合金组织及力学性能的影响。结果表明:工业化挤压生产大截面尺寸的ZM51镁合金经不同时效制度处理后, 强度均不同程度的提高, 且时效制度不同, 合金强度提高的大小也不尽相同。经T6处理的合金峰时效强度大于T5处理的合金峰时效强度, 双级时效处理的合金峰时效强度大于单级时效处理的合金峰时效强度, 同时, T6处理和双级时效处理的合金断后伸长率均低于T5处理以及单级时效处理的合金断后伸长率。经T6双级时效处理的合金强度最高, 断后伸长率最低, 抗拉强度达到了340.52 MPa, 断后伸长率为6%。此外, 大截面尺寸ZM51镁合金挤压材可通过调整工艺, 直接借助现有铝合金大型生产设备实现工业化生产。

关键词：

ZM51镁合金;热处理;力学性能;

中图分类号： TG166.4;TG146.22

作者简介：张凯 (1992-) , 男, 山东邹城人, 硕士研究生, 研究方向:镁合金导电及力学性能, E-mail:zk921209@163.com;*李兴刚, 教授;电话:010-60662665;E-mail:lxg1218@grinm.com;

收稿日期：2017-11-20

基金：国家自然科学基金项目 (51204020);国家重点基础研究发展计划项目 (2013CB632202) 资助;

Properties of ZM51 Magnesium Alloys with Heat Treatments

Zhang Kai Li Xinggang Li Yongjun Yuan Jiawei Liu Xiaodao Wang Shengqing

State Key Laboratory of Nonferrous Metals Metalsand Processes, General Research Institute for Nonferrous Metals

Nanjing Yunhai Special Metals Co., Ltd

Abstract：

The aging treatment system of extruded Mg-5%Zn-1%Mn (mass fraction) alloy, including solution, single aging, two-stage aging, solution-treated followed by single aging and solution-treated followed by two-stage aging were studied by means of optical microscopy (OM) , hardness test and tensile test. At the same time, the effects of different heat treatments on microstructure and mechanical properties of ZM51 magnesium alloy were analyzed. The results showed that the strength of the ZM51 magnesium alloy with large section size produced by industrial extrusion were improved by different heat treatments, and the increase of the strength of the alloy varied with the heat treatment. The peak aging strength of the alloy treated by T6 was greater than that of treated by T5, and the peak aging strength of two-stage aging treatment was greater than that of single stage aging treatment. At the same time, compared with T5 treatment and single aging treatment, T6 treatment and two-stage aging treatment could further reduce the elongation of the alloy. Therefore, the alloy treated by two-sage aging following solution treatment had the highest strength and the minimum elongation. The strength of the alloy treated by two-sage aging following solution treatment could be up to 340.52 MPa while the elongation of the alloy reached 6%. In addition, the industrial production of the extruded ZM51 magnesium alloy with large cross sectional dimensions could be realized directly by means of existing large-scale aluminum alloy production equipment through the process adjustment.

Keyword：

ZM51 magnesium alloys; heat treatment; mechanical properties;

Received： 2017-11-20

镁合金作为最轻的结构材料, 具有较高的比强度, 优良的减振性, 电磁屏蔽性好, 是一种环境友好型材料, 受到越来越多研究者的关注。而Zn, Mn是镁合金中广泛使用的合金化元素, 能够提高镁合金的耐蚀性能和力学性能。研究表明, 在Mg-Zn系合金中添加Mn元素可以细化晶粒, 改善铸造性能, 提高变形过程中的成形性能, 由此开发的Mg-Zn-Mn系变形镁合金具有上述优点且不含Zr以及稀土元素, 价格低廉, 具有广阔的应用前景 ^[1,2,3] 。

研究表明 ^[4,5,6] , 只有在低温区间 (<110 ℃) 时效, Mg-Zn系合金才会形成GP区, 而当温度高于110 ℃, 合金时效过程中亚稳相直接从基体中析出而不存在GP区的形成。同时研究发现 ^[7] , 时效过程中产生的过渡相杆状β₁′相与基体呈共格关系, 为时效过程的主要强化相, 而与基体呈半共格关系的盘状β₂′过渡相时效强化效果较差。因此, 研究者通过探索热处理制度, 以期提高杆状β₁′相的析出数量和密度, 从而达到提高合金强度的目的。 Oh-ishi ^[7] , Park ^[8] 以及Buha ^[9] 等通过预时效的方法使Mg-Zn系合金形成了GP区, 而GP区可作为高温时效阶段过渡相的异质形核核心, 从而增大析出相密度, 提高合金时效强化效果, Hu ^[10] 以及Yuan ^[11] 等在时效前对Mg-Zn-Mn合金进行固溶处理, 提高了溶质原子的析出动力, 加速了第二相析出, 同样提高了合金的时效强化效果。

现阶段, 大部分工业化生产的镁合金挤压材都是经在线淬火后直接时效 (即T5处理) , 目的是为了保留挤压变形过程中的高密度位错和挤压过程中发生动态再结晶后的细小晶粒, 从而提高合金的强度, 同时在线淬火使合金基体内溶质原子有较大的过饱和固溶度, 能够保证后期时效过程中形成足够数量且较弥散的时效强化相, 也有利于合金强度的提高。然而, 由于大截面尺寸的变形镁合金工业化生产仍处于初级阶段, 生产所使用的机械设备往往借助于铝合金的生产加工平台, 而铝合金挤压材热处理工艺一般为T6热处理, 无需及时在线淬火, 为其配套的在线淬火设备很难满足镁合金的生产要求, 因此, 生产镁合金挤压材须对其机械设备进行改造, 以满足镁合金挤压材的生产工艺条件, 这势必会造成生产成本的提高以及生产效率的降低。如果工业化生产大截面尺寸的镁合金挤压材能够在挤压后采用T6时效处理, 合金力学性能可以达到现有T5处理的水平, 那么, 大截面尺寸的镁合金挤压材将可以同铝合金实现并线生产, 从而降低生产成本, 提高产品生产效率。

本文通过对挤压态Mg-5%Zn-1%Mn (质量分数) (后简称ZM51) 镁合金进行不同制度的热处理, 系统研究ZM51镁合金时效制度, 以及不同时效处理工艺对ZM51镁合金性能的影响, 分析工业化生产大截面尺寸ZM51挤压材能否同铝合金实现并线生产。

1 实验

本文实验用Mg-5%Zn-1%Mn (ZM51) 镁合金挤压材为镁合金铸锭经均匀化后热挤压而成的矩形棒材。铸锭由纯Mg、纯Zn和Mg-3%Mn中间合金熔炼而成, 尺寸为Φ650 mm×800 mm。棒材截面尺寸为450 mm×90 mm, 挤压比为8。挤压材采取空冷和在线淬火两种处理方式, 对空冷挤压材进行T6处理, 对在线淬火挤压材进行T5和T6处理, 具体处理方式如表1所示。冷却方式均为水冷。

对不同热处理状态下的ZM51镁合金进行光学显微镜 (OM) 、 X射线衍射 (XRD) 物相分析以及力学性能测试。其中金相组织观察采用Carl Zeiss Axiocert 200MAT光学显微镜; XRD物相分析采用型号X′pert PRO MPD X射线衍射仪; 拉伸试样按照GB/T 228.1-2010进行加工, 室温拉伸实验在MTS-810万能试验机上进行。

2 结果与讨论

2.1 固溶工艺的优化

ZM51镁合金经350 ℃热挤压后空冷处理, 同在线淬火相比, 冷却速度缓慢, 因此在冷却过程中合金中的Zn原子会析出, 使得合金冷却到室温后基体内溶质原子过饱和度大幅度降低, 因此, 为了使合金在后续的时效处理中获得足够多的强化相, 起到沉淀强化的作用, 需要对合金进行固溶处理, 使Zn原子回溶至基体中, 获得较大的过饱和度。

由于工业化生产ZM51挤压方棒截面尺寸较大, 在加热过程中存在着表层到心部的传热过程, 导致表层与心部温度的不一致性, 造成合金表层与心部组织存在差异。为了保证在固溶过程中表层与心部的组织差异较小, 采取双级固溶的方法对合金进行固溶处理。固溶处理后合金的金相照片如图1所示。图2为合金固溶态平均晶粒尺寸。从图1 (a) 中可以看出, 挤压态合金中存在着明显的挤压流线, 晶粒尺寸大小不均匀, 平均晶粒尺寸在15 μm左右。同挤压态相比, 经320 ℃ 1 h+350 ℃的双级固溶处理后, 合金晶粒尺寸变化较小, 有些许长大, 350 ℃保温7 h后, 晶粒长大较明显, 达到了24 μm左右, 但弥散分布的第二相颗粒回溶较少, 依然可以看到较明显的挤压流线。而经320 ℃ 1 h+380 ℃的双级固溶处理后, 合金晶粒尺寸明显增大, 380 ℃固溶1 h合金晶粒便达到了36 μm左右。随着保温时间的延长, 合金中残留的第二相逐渐减少, 保温3 h后挤压流线基本消失, 同时, 对比保温不同时间合金晶粒尺寸, 可以发现, 在380 ℃保温1, 2, 3 h的合金晶粒尺寸相差不大。因此, 合金空冷后选取320 ℃ 1 h+380 ℃ 3 h的双级固溶制度较为合适。

表1 ZM51镁合金热处理参数

Table 1 Heat treatment parameters of ZM51 alloys

Heat treatment	Solution temperature/℃	Time/ h	Pre-aging temperature/℃	Time/ h	Aging temperature/℃	Time/ h
Single aging					175	0～40
Solution+single aging	320+380	1+3			175	0～40
Two-step aging			90	32	175	0～40
Solution+two-step aging	320+380	1+3	90	32	175	0～40

图1 ZM51镁合金固溶态金相组织OM图像

Fig.1 OM images of ZM51 alloys after solution treatment

(a) Extruded; (b) 320℃1 h+350℃1 h; (c) 320℃1 h+350℃2 h; (d) 320℃1 h+350℃3 h; (e) 320℃1 h+350℃7 h; (f) 320℃1 h+380℃1 h; (g) 320℃1 h+380℃2 h; (h) 320℃1 h+380℃3 h

图2 空冷挤压ZM51合金经固溶处理后的晶粒尺寸

Fig.2 Grain size of air cooled extruded ZM51 alloys after T4 treatments

2.2 时效工艺的系统研究

按照上述双级固溶制度对空冷态挤压ZM51合金进行T6处理, 时效温度为175 ℃。图3为空冷态合金经T6处理后的时效硬化曲线, 从图3中可以看出, 随时效时间的延长, 两种处理的合金硬度值均呈波浪状上升随后缓慢下降。同单级时效处理相比, 双级时效的合金硬度值迅速升高, 升高速率远高于单级时效的合金硬度升高速率, 同时, 双级时效处理的合金更早地到达时效硬度峰值, 且峰时效硬度值稍大于单级时效的峰时效硬度值。双级时效的合金峰时效时间为10 h, 硬度值为HB 75, 而单级时效的合金峰时效时间为20 h, 硬度值为HB 73。

图3 空冷ZM51合金T6时效硬化曲线

Fig.3 Age-hardening curves of air cooled ZM51 alloys after T6 treatments

对两种时效处理的合金峰时效的力学性能进行测试, 结果如图4所示。经T6单级时效处理 (T6D) 后, 合金屈服强度和抗拉强度分别由挤压态 (JY) 的197.54和269.74 MPa提高到289.99和316.11 MPa, 提高了46.8%和17.2%; 经T6双级时效处理 (T6S) 后, 合金屈服强度和抗拉强度分别为300.25和326.74 MPa, 同挤压态相比, 分别提高了52%和21.1%。相反, 合金断后伸长率经时效处理后都不同程度的下降。合金经T6单级时效处理后, 断后伸长率从挤压态的13.68%下降到10.88%, 同比下降了20.5%。合金经T6双级时效处理后, 断后伸长率为8%, 同挤压态相比, 下降了41.5%。

工业化生产的ZM51挤压材采取的是在线淬火T5单级时效处理的时效工艺, 时效温度为 175 ℃, 峰时效36 h。为了对工业化生产ZM51镁合金的力学性能有一个较系统的研究汇总, 对在线淬火的ZM51挤压材进行了不同制度的时效处理。图5为不同时效制度下在线淬火ZM51镁合金挤压材时效硬化曲线。从图5中可以看出, 在整个时效过程中, 经T6双级时效处理的合金硬度值均大于T5双级时效以及T6单级时效处理的合金硬度值, 且最早达到峰时效; T5双级时效同T6单级时效处理相比, 合金更快达到硬度峰值, 但峰时效硬度稍低。 T6双级时效处理的合金经10 h达到峰时效, 硬度值为HB 82; T6单级时效处理的合金经20 h达到峰时效, 硬度值为HB 78; T5双级时效处理的合金经14 h达到峰时效, 硬度值为HB 77。

对不同时效处理的合金峰时效的力学性能进行测试, 结果如图6所示。从图6中可以看出, 合金挤压态屈服强度和抗拉强度分别为191.53和259.76 MPa, 而断后伸长率达到了15.6%。同空冷处理的挤压态合金相比, 在线淬火的合金屈服强度和抗拉强度均较低, 而断后伸长率则高于空冷态, 这可能是由于合金挤压温度较高, 在空冷过程中由于冷速较慢, 合金已发生了时效, 从而使空冷合金的屈服强度和抗拉强度较高而断后伸长率较低。合金经T5单级时效处理 (T5D) 后屈服强度和抗拉强度分别达到了281.98和309.56 MPa, 同挤压态相比, 分别提高了47.2%和19.2%, 断后伸长率则从挤压态的15.6%下降到了9.6%, 下降了38.5%; T5双级时效处理 (T5S) 的合金屈服强度和抗拉强度分别为299.4和317.88 MPa, 同挤压态相比, 分别提高了56.3%, 22.4%, 断后伸长率为7.6%, 同挤压态相比, 同比下降了51.3%; T6单级时效处理的合金力学性能同T5双级时效处理的力学性能相近, 屈服强度为293.56 MPa, 抗拉强度为323.56 MPa, 断后伸长率为8.2%。 T6双级时效处理的合金强度在上述四种时效处理中是最高的, 屈服强度和抗拉强度分别达到了321和340.52 MPa, 同挤压态相比, 分别提高了67.6%和31.1%, 但是断后伸长率只有6%, 同比下降了61.5%。

图4 空冷ZM51合金T6室温力学性能

Fig.4 Mechanical properties of air cooled ZM51 alloy under T6 treatments

图5 在线淬火ZM51合金时效硬化曲线

Fig.5 Age-hardening curves of on-line quenched ZM51 alloys after different heat treatments

从图4以及图6可以看出, 空冷ZM51挤压材的T6峰时效强度达到了在线淬火ZM51合金T5单级时效的强度水平, 证明大截面尺寸ZM51镁合金挤压材的工业化生产可以通过铝合金进行并线。

图6 在线淬火ZM51合金时效室温力学性能

Fig.6 Mechanical properties of on-line quenched ZM51 alloy under different heat treatments

镁合金强度的高低主要与时效过程中析出第二相的形态、尺寸、数量以及分布状况有关 ^[12,13] 。合金经固溶处理后, 虽然位错密度大幅度降低, 晶粒尺寸增大, 晶内缺陷减少, 会导致时效析出相的形核几率降低, 但基体中溶质原子过饱和度增加, 析出动力增大, 在时效过程中第二相析出速度快, 同等时间第二相析出数量多 ^[14] 。因此, 与T5处理相比, T6处理的合金硬度值上升速度更快, 并更早地达到硬度峰值, 且峰时效的合金强度高于T5处理的合金峰时效强度。

Mg-Zn系合金在低温预时效过程中会形成与基体完全共格的GP区, 根据Marth的研究 ^[15] , GP区与基体之间的化学界面能可以大幅度降低形核的界面能阻力, 而且可以降低第二相的形核势垒; 同时, GP区形成的同时伴随着过饱和空位的形成, 过饱和空位的存在可以加速溶质的扩散能力。因此, 如前所述, GP区可以作为高温时效阶段β₁′相的形核核心, 从而使得合金在高温时效过程中得到更为细小、弥散的析出相。这些与基体共格且间距较小的析出相, 对位错的运动具有显著的阻碍作用 ^[16,17,18] 。因此, 同单级时效相比, 经双级时效处理的合金强度更高, 且更早地达到时效峰值。