CN100478484C - 镁-锌-锰系变形镁合金的热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种镁-锌-锰系变形镁合金的热处理工艺，其特征在于所述热处理工艺有以下步骤：所述镁合金材料经挤压成型后，在400℃～440℃固溶，保温2～4小时，水淬至室温；将所述镁合金加热至90℃，保温16～24小时；再加热至180℃保温12～16小时，空冷至室温。采用本发明所述热处理工艺，镁-锌-锰系变形镁合金的强韧性大大提高，使用范围广泛。

Description

镁-锌-锰系变形镁合金的热处理工艺

技术领域

本发明涉及一种变形镁合金材料的热处理工艺，特别涉及一种针对含锌、锰的变形镁合金材料采用固溶加双级时效的热处理工艺。

背景技术

随着世界经济的发展，环境问题和能源问题已成为人们关注的焦点。材料作为21世纪的支柱已显示出5个方面的变化趋势：即从黑色金属向有色金属变化，从金属材料向非金属材料变化，从结构材料向功能材料变化，从多维材料向低维材料变化，从单一材料向复合材料变化。镁及镁合金具有比强度、比刚度高，减振性、电磁屏蔽和抗辐射能力强，易切削加工，易回收等一系列优点，镁的这些优点使其被誉为“21世纪重要的绿色工程金属结构材料”，并将成为21世纪重要的商用轻质结构材料，在汽车、电子、电器、交通、航天、航空和国防军事工业领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景。随着很多金属矿产资源的日益枯竭，镁以其资源丰富日益受到重视，特别是结构轻量化技术及环保问题的需求更加刺激了镁工业的发展。

然而，随着镁合金产业的迅速发展，现有镁合金材料强度低的问题也愈显突出，成为制约镁合金新产品开发与推广应用的关键因素之一。镁合金可分为含锆的镁合金和不含锆的镁合金两大类。由于锆对镁的铸造组织有显著的细化作用，是镁合金中有效的晶粒细化剂之一，因此目前大部分高强镁合金材料都含锆。含锆的镁合金具有较高的室温和高温性能，主要用于航空航天、军事等特殊领域，但是其成本高，阻碍了含锆的镁合金的应用，目前这类镁合金用量还不及镁合金总量的1％。不含锆的镁合金是目前镁合金中最广泛的金属材料，虽然有价格便宜的优点，但其强度低、塑性差，其机械性能已经远远不能满足将镁合金扩大到更广泛的工业领域的要求，因此通过热处理提高不含锆镁合金的强度及塑性具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的，是提供一种针对变形后的镁-锌-锰系镁合金热处理工艺，经所述热处理工艺，镁-锌-锰系变形镁合金的强韧性大大提高，使用范围广泛。

实现本发明目的的技术方案是：所述镁-锌-锰系镁合金材料经挤压成型后，在400℃～440℃固溶，保温2～4小时，水淬至室温；将所述镁合金加热至90℃，保温16～24小时(以下称一级时效)；再加热至180℃保温12～16小时，空冷至室温(以下称二级时效)。

本发明较好的技术方案是：所述镁-锌-锰系镁合金材料经挤压成型后，在420℃固溶，保温2小时，水淬至室温；将所述镁合金加热至90℃，保温24小时；再加热至180℃保温16小时，空冷至室温。

本发明所述镁合金材料由Mg、Zn、Mn组成，其各组分质量百分含量为：Zn：5.0～6.5％；Mn：0.8～1.5％；不可避免杂质≤0.15％；剩余部分为镁。

本发明的优点是：

1.镁合金热处理的强化取决于合金元素的固溶度随温度变化情况。根据Hume-Rothery规则，溶质锌原子与基体镁具有相近的原子尺寸和相同的电子价，因此锌是符合在镁基体中形成较大固溶度的元素之一。本发明所涉及的镁合金材料在330℃、310℃时进行热挤压，由于挤压温度较低部分锌没有固溶在基体中，将挤压后的镁合金棒材加热到400℃～440℃固溶，随着固溶温度的提高，锌原子充分固溶于基体中，经过充分保温后水淬，形成过饱和固溶体，将经过水淬至室温的镁合金加热到90℃时，镁合金材料形成了一个锌元素偏聚区域(GP区)，因温度较低合金元素扩散缓慢，需要较长的保温时间使得GP区形成完全。再加热到180℃，镁合金材料中GP区转变生成于基体成共格关系的β′相(MgZn₂)，较高的时效温度和长时间保温，为原子扩散迁移和β′相的形成提高了足够的能量。针对镁合金固溶处理后，将试样加热至高于室温并保温一定时间的热处理工艺称为时效。本发明将变形的镁合金材料固溶处理后，通过二级时效可以获得细小并与基体成共格关系的析出相，因此提高了镁合金材料的强韧性。

2.锰元素熔点高，在本发明所涉及的镁合金材料中，以单质形式存在。锰元素在经过热挤压的镁合金材料中，形成偏聚的大颗粒单质损害了材料的力学性能。经过固溶后，部分锰溶入镁基体中，再经过双级时效处理锰元素以小颗粒形式弥散分布于基体中。在材料形变过程中，移动的位错在绕过这些小质点时会形成包围质点的位错环，位错绕过时既要克服质点的阻碍作用，又要克服位错环对位错源的反向应力，因此想要继续形变必须增大外应力，材料在宏观上的表现既为强韧性提高。

3.本发明热处理工艺与传统镁-锌-锰系变形镁合金固溶加单级时效上艺相比，增强了第二相强化和弥散强化作用，经过本发明热处理工艺处理的镁合金材料，其力学性能与传统工艺相比，其抗拉强度提高10％，屈服强度提高20％，延伸率有少许降低。材料在安全范围承受的最大外载荷应低于屈服强度。本发明提高了材料的屈服强度，有利于该材料的工业应用。

表1本发明所述镁-锌-锰系变形镁合金热处理工艺对材料力学性能的影响。

4.本发明热处理工艺在固溶阶段采用水淬，试验证明水淬的冷却方式与空冷和随炉冷相比，可以提高过饱和固溶体的固溶度，增加了后续时效处理的第二相析出物含量，从而提高材料的强韧性。

表2本发明固溶后采用冷却方式对材料力学性能影响的比较。

本发明所述力学性能是指金属材料的抗拉强度、屈服强度和延伸率。

本发明所涉及的镁-锌-锰系镁合金在挤压成型后，需要进一步的热处理工艺，消除挤压成型的镁-锌-锰系镁合金的大量粗大的镁-锌第二相或大块锰单质颗粒，以提高材料强韧性。采用本发明所述的热处理工艺，与采用传统热处理工艺，所述挤压成型后的镁-锌-锰系镁合金抗拉强度升高了10％～15％，屈服强度升高了20％～25％。

附图说明

图1、图2Mg-5.8Zn-1.25Mn变形镁合金400℃、420℃固溶态不同放大倍数的微观组织金相照片；

图3、图4Mg-5.8Zn-1.25Mn变形镁合金传统热处理420℃固溶2h水淬后160℃16h时效和本发明420℃固溶2h水淬后90℃24h、160℃16h双级时效的微观组织金相照片；

图5Mg-5.8Zn-1.25Mn变形镁合金差热分析曲线；

图6、图7Mg-5.8Zn-1.25Mn变形镁合金经过420℃固溶2h水淬后90℃24h、160℃16h双级时效的SEM照片；

图8Mg-5.8Zn-1.25Mn变形镁合金经过420℃固溶2h水淬后90℃24h、160℃16h双级时效的Mn单质颗粒的SEM照片、EDS能谱分析及各元素组成表；

图9Mg-5.8Zn-1.25Mn变形镁合金经过420℃固溶2h水淬后90℃24h、160℃16h双级时效的晶粒组织SEM照片、EDS能谱分析及各元素组成表。

下面参照附图并结合具体实施例，进一步阐述本发明，应理解的是，这些实施例是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明的构思前提下对本发明制备方法的简单改进，都属于本发明要求保护的范围。

具体实施方式

本实施例所采用的镁-锌-锰系镁合金中各组分质量百分比为：Zn6.5％、Mn1.25％、杂质≤0.15％、其余为Mg。

1.熔炼：在半连续铸造设备上进行。用熔剂覆盖后开始加热，温度在700℃时母料全部熔化，然后按材料配比加入合金元素Zn、Mn。加料后进行搅拌并继续加热至750℃，静置保温20分钟，之后降温至690～720℃浇铸，即得本发明所涉及的镁合金材料铸锭。

2.机加工：根据挤压机挤压筒的尺寸进行锯切、车皮等机加工至合适尺寸；

3.均匀化处理：330℃预热24小时；

4.挤压加工：在挤压机上分别进行330℃和310℃热挤压，快速冷却。

5.热处理工艺：

实施例1

400℃固溶，保温2小时，水淬至室温，加热至90℃，保温24小时，随炉加热至180℃，保温16小时，空冷至室温。

实施例2

420℃固溶，保温2小时，水淬至室温，加热至90℃，保温24小时，随炉加热至180℃，保温16小时空冷至室温。

实施例3

420℃固溶，保温4小时，水淬至室温，加热至90℃，保温24小时，随炉加热至180℃，保温16小时空冷至室温。

实施例4

440℃固溶，保温2小时，水淬至室温，加热至90℃，保温24小时，随炉加热至180℃，保温16小时空冷至室温。

将实施例1～4所得的镁合金与分别进行纯固溶处理、传统固溶加单级时效的镁合金试样进行力学性能测试。

6.力学性能测试：根据国标GB228-2002的标准，将本发明所述经过挤压和热处理的镁合金材料加工成标准拉伸试样进行拉伸试验，得出性能数据见表3。

表3 Mg-5.8Zn-1.25Mn变形镁合金力学性

从表3中可知，单纯的固溶处理对镁-锌-锰系镁合金材料起不到强化作用，反而恶化了力学性能，这是因为固溶温度较高使得合金强化相大部分溶入基体，从而导致材料力学性能降低；传统的固溶加单级时效其试样经过固溶处理后，形成过饱和固溶体，在时效阶段发生分解并析出第二相，提高了材料的屈服强度，但是由于此时的析出相与基体成半共格关系，且杆状析出物间距大，强化效果不明显，强度仍然较低，其工业应用范围小；本发明热处理工艺与传统工艺相比抗拉强度提升了10％～15％，屈服强度提升20％～25％，可以部分替代含锆镁合金材料，用于工业、军事、航空航天等领域。

当固溶温度为400℃时部分锌元素不能溶于基体造成后续时效处理析出相数量不足；固溶温度为440℃时，因其温度较高，试样中晶粒粗大影响了其力学性能。另外在420℃固溶时保温2h和4h的试样力学性能差距不大，说明此时保温2h可以使合金元素得到充分溶解，延长固溶保温时间不能再提高材料强度。因此，本发明固溶较好的技术参数是固溶温度为420℃时，保温时间2小时。

参见图1、图2经过固溶处理的试样，组织均匀，消除了由于非平衡结晶所带来的各种偏析和存在于晶界及枝晶网络上的金属间化合物，第二相析出物都溶入了基体中形成了过饱和固溶体，特别是420℃固溶，其晶界处偏析溶于基体造成晶界不连续。

参见图3、图4与传统热处理工艺相比，经过本发明处理过的试样能看到明显的析出物，且晶粒大小均匀。

参见图5Mg-5.8Zn-1.25Mn合金的差热分析显示，在90℃附近有相变发生，这是GP区开始形成的标志，110℃同样发生了相变，产生析出相MgZn′(β′相)，β′相为密排六方结构，杆状，于基体共格，对合金的强化机制主要为Orowan机制。传统的单级时效虽然能生成β′相但由于杆间距太大，使时效强化效应不明显。本发明的双级时效在第一级90℃时效时首先形成GP区且Mn单质颗粒均匀弥撒的分布于基体中，在第二级时效阶段GP区转变为β′相，β′相依附于GP区和弥散的Mn单质颗粒生长，使缩小了杆间距，从而提高了材料的强韧性。

参见图6、图7为经过固溶加双级时效的试样放大20000倍的SEM照片，图中白色光亮点为Mn单质颗粒，灰色杆状物为β′相。同时在晶界出析出的Mn颗粒可以起到钉扎作用，阻碍晶界移动，改善力学性能

参见图8为经过固溶加双级时效的试样中Mn单质颗粒的SEM照片、EDS能谱分析及各元素组成表，白色的大块颗粒，为未溶于基体的Mn单质，此外Mn还有除杂作用，因此杂质Si、Al在此处聚集。

参见图9为经过固溶加双级时效的试样中晶粒的SEM照片、EDS能谱分析及各元素组成表，晶粒内部主要是α-Mg、β′相和Mn单质颗粒。

结论：经过固溶加双级时效的镁-锌-锰变形镁合金，与传统工艺相比其金属材料的力学性能大大提高，具有良好的强韧性，各项性能数据接近或者超过了常用含锆镁合金材料(如ZK60)，可作为替代含锆镁合金材料(如ZK60)材料，应用于工业、军事、航空航天等领域。

Claims (2)

1.一种镁-锌-锰系变形镁合金的热处理工艺，  其特征在于所述镁合金材料由Mg、Zn、Mn组成，其各组分质量百分含量为：Zn：5.0～6.5％；Mn：0.8～1.5％；不可避免杂质≤0.15％；剩余部分为镁，所述热处理工艺有以下步骤：

所述镁合金材料经挤压成型后，在400℃～440℃固溶，保温2～4小时，水淬至室温；

将所述镁合金加热至90℃，保温16～24小时；

再加热至180℃保温12～16小时，空冷至室温。

2.根据权利要求1所述的镁-锌-锰系变形镁合金的热处理工艺，其特征在于所述热处理工艺有以下步骤：

所述镁合金材料经挤压成型后，在420℃固溶，保温2小时，水淬至室温；

将所述镁合金加热至90℃，保温24小时；

再加热至180℃保温16小时，空冷至室温。

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