固溶时效处理对触变成形az91d镁合金组织和性能的影响研究
    

摘要:研究了固溶时效处理对触变成形az91d镁合金组织演变的影响以及合金组织与力学性能之间的关系。结果表明:固溶时效处理对az91d镁合金的显微组织有明显的影响,时效一定时间后析出相连成片状分布于晶界;合金具有明显的时效硬化特征,经固溶时效处理16h后合金的抗拉强度为210mpa,屈服强度为147mpa,硬度为hv66,分别比铸态时的提高了98mpa、65mpa和hv10;铸态合金的拉伸断口为沿晶断裂,而固溶时效处理后合金呈现沿晶断裂和解理断裂混合型断口,且解理断裂特征明显。

镁合金作为一种绿色环保合金,由于其自身具有密度小,比强度、比刚度高,尺寸稳定及电磁屏蔽性好等特点[1],近年来在汽车、航空、通讯、电子、运动器材等领域得到了广泛的应用,其年增长率超过20%[2]。

镁合金的性能取决于合金成分和组织结构,故改变合金成分或改善合金组织结构已成为提高镁合金性能的有效方法,主要有以下三种途径[3-6]:一是优化铸造工艺参数和加工条件,二是添加合金元素改善合金组织,三是对合金进行热处理。通过对合金进行热处理不但可消除铸件的内应力及一些铸造缺陷,还可改善镁合金的组织和成分分布。本文以触变成形az91d镁合金为研究对象,研究固溶时效处理对其组织变化及力学性能的影响。

1 试验部分

1.1 合金的熔铸

将az91d镁合金(含有9.1% al、0.8%zn、0.15%mn,其余为mg)置于封闭的变功率坩埚电阻炉内熔炼,并通入sf6与n2或ar的混配气体进行保护,同时严格控制熔炼温度。在合金熔炼之前,先将5#钢制坩埚放入井式电阻炉中加热至暗红后,在坩埚底部均匀撒上一层粉末状的rj—2溶剂,再放入原料进行熔炼。待合金熔化后,在合金液表面撒上rj—2溶剂以防合金液氧化,溶剂用量为原料质量的1%~2%。待合金溶清后扒渣并撒上覆盖剂,使合金液表面形成连续的覆盖层,升温至720℃后扒渣并进行精炼(精炼剂用c2cl6,加入量为合金质量的2%~3%),以精炼勺上下搅动直至液面呈镜面为止。扒渣静置后浇入预热至300℃的模具中,即得az91d镁合金棒料。

1.2 合金的触变成形

将合金棒料放入箱式电阻炉中进行等温热处理以获得半固态非枝晶坯料,此过程通入氩气保护,加热温度585℃,保温时间90min;模温为350℃,压制成100mm×40mm×14mm的铸态板形件。将板形件加工成抗拉试棒(d=6mm)和立方试样(a=12mm),分别进行抗拉强度、硬度和金相组织的检测。

1.3 合金的固溶时效处理

将触变成形后的铸态板形件试样放入恒温箱式电阻炉中进行固溶时效处理,用dwk—702温控仪精确控制炉温,误差不超过±1℃。固溶工艺条件为:415℃下保温24h,取出立即放入80℃热水中淬火;固溶+人工时效工艺条件为:固溶后放入200℃恒温箱中分别进行4、8、12、16、20、24、28、30、32h时效处理。固溶时效处理所得样品经抛光及含4%硝酸的酒精腐蚀后采用金相显微镜观察组织。

用硬度计测试样品的维氏硬度,测试载荷294n,加载时间30s,每个试样测试三个点取平均值。试样在instron810万能试验机上进行室温抗拉强度测试,加载速率2mm/min。用hitahi s—520型扫描电镜观察试样的拉伸断口。

2 结果与分析

2.1 合金的显微组织

触变成形az91d镁合金的铸态和固溶态显微组织如图1所示。由图1(a)可见,触变成形az91d镁合金的铸态组织呈典型的流变形态,基体为球状α-mg相,al和zn固溶于其中,与α-mg具有相同的晶体结构;β-mg17al12相呈细小的点状不连续分布于晶界,同时含有少量共晶体。如图1(b)所示,经固溶处理24h后合金的组织已完全转变成单相固溶体,al、zn元素基本均匀地固溶于mg基体中。

图2是触变成形az91d镁合金组织经固溶时效处理后的金相照片。如图所示,固溶时效处理后合金组织在晶界上析出了细小的片状β-mg17al12相。在时效过程中,随着保温时间的延长,析出相越来越明显;时效处理4h,合金的显微组织基本上还是单相固溶体,没有明显的第二相析出;时效处理8h,晶界周围已有明显的第二相析出;时效处理12h,第二相沿晶界析出更为明显;时效处理16h,析出物较均匀且较为细小,分布也更加连续;随着时效时间的进一步延长,β析出相连成片分布于晶界。

由mg-al合金相图可得知,al元素在α-mg中的固溶度于室温时约2%,升温至共晶点(437℃)时则高达12.1%[7]。因此,az91d镁合金在固溶处理过程中,由于非平衡凝固而形成的β-mg17al12离异共晶相将全部溶入α-mg基体中,形成单相过饱和固溶体。在随后的时效过程中,过饱和α-mg固溶体并不经过任何直接析出非共格平衡相的中间阶段,故不存在预沉淀或过渡相[7]。

mg17al12相在析出方式上存在非连续和连续两种[8],在一般情况下这两种方式是共存的,但以非连续析出为先导。非连续析出大多从晶界或位错开始,mg17al12相以片状形式按一定的取向往晶内生长,而附近的α-mg固溶体浓度逐渐趋于平衡。从晶界开始的非连续析出进行到一定程度后,晶内产生连续析出,形成连续细小的球状β-mg17al12相,但在扫描电镜下往往观察不到[7]。

2.2 合金的力学性能

az91d镁合金的抗拉强度和屈服强度与时效时间的关系如表1所示。由表可见,与铸态相比,固溶时效处理后合金的抗拉强度和屈服强度均有较大程度的提高;随着时效时间的延长,合金的抗拉强度和屈服强度均先升高后降低;时效16h后合金的抗拉强度和屈服强度均达到最大值,与铸态合金相比,此时合金的抗拉强度提高了98mpa,屈服强度提高了65mpa。

表2反映了合金维氏硬度与时效时间的关系,从表中数据可见固溶处理后合金的硬度有所下降,这主要是因为固溶处理后,合金组织中硬度较高的β-mg17al12相完全固溶到α-mg基体中,形成了单相过饱和固溶体。这种单相组织的显微硬度较低,以致合金的宏观硬度下降。但在合金时效处理过程中,随着时效时间的延长,其硬度逐渐升高,这主要是因为合金组织中析出的细小弥散状β-mg17al12均匀地分布于基体中,强化了基体组织,从而使合金硬度升 高。时效30h合金的硬度达到了峰值hv83,比铸态合金的提高了hv27。由图2可看出,在时效16h后β-mg17al12已开始均匀析出;时效24h后析出相已长大并连成片状分布于晶界周围,第二相析出基本达到平衡,故此后合金的硬度升高有限。

合金在触变成形时,先形成半固态,此时合金中含有约50%的固相,在随后的合金凝固过程中,液相附着在固相颗粒上生长,因此合金的显微组织由较大的晶粒组成。从合金拉伸断口的金相照片(图3)可以看出,铸态合金的拉伸断口呈显著的沿晶断裂特征,而时效态合金呈现沿晶断裂和解理断裂混合型断口,且解理断裂特征明显。

3 结 论

(1)触变成形az91d镁合金铸态时存在不连续分布的点状β-mg17al12相,经固溶处理转变成单相固溶体,而经时效处理后合金组织在晶界处析出细小的片状β-mg17al12相,且随时效时间的延长,析出相越来越明显,最终呈连续分布的片状。

(2)触变成形az91d镁合金具有显著的时效强化特征:铸态合金的抗拉强度为112mpa,屈服强度仅为82mpa,硬度为hv56;经固溶时效处理(415℃下固溶24h+200℃下时效16h)后,合金的抗拉强度提高到了210mpa,屈服强度上升到147mpa,硬度达hv66。

(3)触变成形az91d镁合金铸件的断口呈明显的沿晶断裂特征,而固溶时效处理后合金呈现沿晶断裂和解理断裂混合型断口,且解理断裂特征明显。

参考文献:

[1]mordike b l,ebert t.magnesium:properties-applica-tion-potential[j].materials science engineering a,2001,302:37-45.

[2]吴春苗.镁合金压铸件应用示例[j].特种铸造及有色合金,2002,(4):50-51.

[3]于海棚,王 锋,于宝义,等.工艺参数和热处理对压铸az91d力学性能的影响[j].特种铸造及有色合金,2002,(2):27-28.

[4]胡连喜,李小强.挤压变形对sicw/zk51a镁基复合材料组织和性能的影响[j].中国有色金属学报,2000,10(5):680-683.

[5]王立世,断汉桥,魏伯康,等.混合稀土对az91镁合金组织和性能的影响[j].特种铸造及有色合金,2002,(3):12-14.

[6]彭立明,曾小勤,朱燕萍,等.固溶处理对am60+xre及az91d+xre镁合金性能的影响[j].材料研究学报,2003,17(1):97-106.

[7]刘 正,张 奎,曾小勤.镁基轻质合金理论基础及其应用[m].北京:机械工业出版社,2002.

[8]霍宏伟,李 瑛,王福会.热处理对az91d和am50合金组织和腐蚀行为的影响[j].材料热处理学报,2003,(4):8-11.40

收稿日期:2012-07-15;修订日期:2013-02-22

基金项目:四川省教育厅重点项目(12za202)

通讯作者:任 峻(1978-),男,硕士,副教授,主要从事金属基复合材料及轻质合金材料的研究,e-mail:[email protected]

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    收录时间:2014年12月22日 15:58:29 来源:中国计量测控网 作者:点击率
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