搜索
第5章镁合金的热处理热处理是改善或调整镁合金力学性能和加工性能的重要手段。镁合金的常规热处理工艺分为退火和固溶时效两大类。其中一些热处理工艺可以降低镁合金铸件的铸造内应力或淬火应力，从而提高工件的尺寸稳定性。镁合金能否进行热处理强化完全取决于合金元素的固溶度是否随温度变化。当合金元素的固溶度随温度变化时，镁合金可以进行热处理强化。根据合金元素的种类，可热处理强化的铸造镁合金有六大系列，即Mg-A1-Mn系（如AM100A）、Mg-A1-Zn系（如AZ63A、AZ81A、AZ91C和AZ92A等）、Mg-Zn-Zr系（如ZK51A和ZK6A等）、Mg-RE-Zn-Zr系（如EZ33A和ZE41A）、Mg-Ag-RE-Zr系（如QE22A）和M-Zn-Cu系（如ZC63A）；可热处理强化的变形镁合金有三大系列，即Mg-Al-Zn系（如AZ80A）、Mg-Zn-Zr系（如ZK60A）和Mg-Zn-Cu系（如ZC71A）。某些热处理强化效果不显著的镁合金通常选择退火作为最终热处理工艺。镁合金热处理的最主要特点是固溶和时效处理时间较长，其原因是因为合金元素的扩散和合金相的分解过程极其缓慢。由于同样的原因，镁合金淬火时不需要进行快速冷却，通常在静止的空气中或者人工强制流动的气流中冷却。5.1热处理类型和选择镁合金基本热处理类型的符号见表2-7。铸造镁合金和变形镁合金都可以进行退火（T2）、人工时效（T5）、固溶（T4）以及固溶加人工时效（T6、T61）处理，其热处理规范和应用范围与铸造铝合金的基本相同。镁合金的扩散速度小，淬火敏感性低，从而可以在空气中淬火；个别情况下也可以采用热水淬火（如T61），其强度比空冷T6态的高。绝大多数镁合金对自然时效不敏感，淬火后能在室温下长期保持淬火状态。同时镁合金的人工时效温度也比铝合金的高，达到448~523K。另外，镁合金的氧化倾向比铝合金大，因此加热炉中应保持中性气氛或通人保护气体以防燃烧。此外，镁合金还可以进行氢化处理改善组织和性能。镁合金热处理类型的选择取决于镁合金的类别（即铸造镁合金或变形镁合金）以及预期的服役条件。固溶处理可以提高镁合金强度并获得最大的韧性和杭冲击性；固溶处理后人工时效能提高镁合金的硬度和屈服强度，但是略降低其韧性；没有进行预固溶处理或退火的人工时效可以消除铸件的应力，略微提高其抗拉强度；退火可么显著降低镁合金制品的抗拉强度并增加其塑性，对某些后续加工有利。此外，在基本热处理工艺上进行适当调整后发展起来的一些新工艺，可以应用于某些特殊镁合金，从而获得所期望的性能组合.例如，延长某些镁合金铸件的时效时间可以显著提高其屈服强度，但会降低部分塑性。表5-1列出了多种铸造和变形镁合金的常规热处理类型。表5-1镁合金的常规热处理类型[1]5.1.1完全退火完全退火可以消除镁合金在塑性变形过程中产生的加工硬化效应，恢复和提高其塑性，以便进行后续变形加工。几种变形镁合金的完全退火工艺规范见表5-2.通常，这些工艺可以使镁合金制品获得实际可行的最大退火效果。对于MB8合金，当要求其强度较高时，退火温度可定在533~563之间；当要求其塑性较高时，退火温度可以稍高一些，一般可以定在593~623之间。表5-2变形镁合金完全退火工艺[2]由于镁合金的大部分成形操作在高温下进行，一般处理对其进行完全退火处理5.1.2去应力退火去应力退火既可以减小或消除变形镁合金制品在冷热加工、成形、校正和焊接过程中产生的残余应力，也可以消除铸件或铸锭中的残余应力。5.1.2.1变形镁合金的去应力退火表5-3列出了变形镁合金去应力退火工艺，这些去应力退火工艺可以最大程度地消除镁合金工件中的应力。如果将镁合金挤压件焊接到镁合金冷轧板上，那么应适当降低退火温度并延长保温时间，从而最大限度地降低工件的变形程度，例如应选用423K/60min退火而不采用533K/15min。表5-3变形镁合金的去应力退火工艺[1]注：只有含铝且大于1.5mass.%的合金在焊接后需要去应力退火来防止应力腐蚀开裂。国内牌号变形镁合金常用的去应力退火工艺见表5-4。表5-4变形镁合金常用的去应力退火工艺[2]5.1.1.2铸造镁合金的去应力退火凝固过程中模具的约束、热处理后冷却不均匀或者淬火引起的收缩等都是镁合金铸件中出现残余应力的原因。镁合金铸件中的残余应力一般不大，但是由于镁合金弹性模量低，因此在较低应力下就能使镁合金铸件产生相当大的弹性应变。因此，必须彻底消除镁合金铸件中的残余应力以保证其精密机加工时的尺寸公差、避免其翘曲和变形以及防止Mg-A1铸造合金焊接件发生应力腐蚀开裂等。此外，机加工过程中也会产生残余应力，所以在最终机加工前最好进行中间去应力退火处理。镁合金铸件的去应力退火工艺见表5-5,所有工艺都可以在不显著影响力学性能的前提下彻底消除铸件中的残余应力。表5-5镁合金铸件的去应力退火工艺[1]5.1.3固溶和时效5.1.3.1固溶处理镁合金经过固溶淬火后不进行时效可以同时提高其抗拉强度和伸长率。由于镁合金中原子扩散较慢，因而需要较长的加热（或固溶）时间以保证强化相充分溶解。镁合金砂型厚壁铸件的固溶时间最长，其次是薄壁铸件或金属型铸件，变形镁合金的最短。Mg-A1-Zn合金经过固溶处理后Mg17Al12相溶解到基体镁中，合金性能得到较大幅度提高。L.M.Peng等研究了固溶处理对添加了稀土元素的AM60B合金显微组织和力学性能的影响。结果表明含有稀土元素的AM60B合金的显微组织由α-Mg固溶体、棒状Al11Er3相、粒状Al10Ce2Mn7,相以及网状和（或）岛状Mg17Al12相组成。该合金分别经过683K下20h、35h和50h固溶处理后合金中的Mg17Al12相溶入基体镁中，但是稀土化合物Al11Er3和Al10Ce2Mn7相不溶解，只是其形貌稍有改变。5.1.3.2人工时效部分镁合金经过铸造或加工成形后不进行固溶处理而是直接进行人工时效。这种工艺很简单，也可以获得相当高的时效强化效果。特别是Mg-Zn系合金，重新加热固溶处理将导致晶粒粗化，从而通常在热变形后直接人工时效以获得时效强化效果，具体内容见本书5.5.2节。5.1.3.3固溶处理+人工时效固溶处理后人工时效（T6）可以提高镁合金的屈服强度，但会降低部分塑性，这种工艺主要应用于Mg-Al-Zn和Mg-Er-Zr合金。此外，含锌量高的Mg-Zn-Zr合金也可以选用T6处理以充分发挥时效强化效果。例如，ZM5合金（Mg-Al-Zn系）的固溶处理温度为683~'688K，保温时间为8~20h。保温时间的长短根据晶粒尺寸和工件尺寸大小来确定。高铝低锌镁合金晶粒长大倾向严重，其时效温度为458~473K,低温时效时基体晶粒中会析出细小的沉淀相，提高合金的屈服强度而降低其塑性。进行T6处理时，固溶处理获得的过饱和固溶体在人工时效过程中发生分解并析出第二相。时效析出过程和析出相的特点受合金系、时效温度以及添加元素的综合影响.情况十分复杂。目前，对镁合金时效析出过程的了解还不十分清楚。典型镁合金的时效析出相见表5-6。表5-6典型镁合金的时效析出相[4]5.1.3.4热水中淬火+人工时效镁合金淬火时通常采用空冷，也可以采用热水淬火T61来提高强化效果。特别是对冷却速度敏感性较高的Mg-RE-Zr系合金常常采用热水淬火。例如，Mg（2.2~2.8）%Nd-（0.4~1.0）%Zr-（0.1~0.7）%Zn合金经过T6处理后其强度比相应的铸态合金高（40~50）%而T61处理后可以提高（60~70）%，且伸长率仍保持原有水平。表5-7列出了镁合金铸件和变形制品推荐采用的固溶和时效处理工艺。表5-7镁合金铸件和变形制品推荐采用的固溶和时效工艺[1]注：适于截面厚度≤50mm的铸件，截面厚度50mm的铸件在同一温度下的保温时间更长5.1.4二次热处理[1]通常情况下，当镁合金铸件经热处理后其力学性能达到了期望值时，很少再进行二次热处理。不过，如果镁合金铸件热处理后的显微组织中化合物含量过高，或者在固溶处理后的缓冷过程中出现了过时效时，就要求进行二次热处理。大部分镁合金在二次热处理时晶粒不易过分长大。为了防止晶粒过分长大，Mg-Al-Zn合金进行二次热处理时的固溶时间应该限制在30min以内（假设在前面热处理过程中铸件的厚截面部分已充分固溶）。5.1.5氢化处理[5]氢化处理可以显著提高Mg-Zn-RE-Zr合金的力学性能。在Mg-Zn-RE-Zr合金中，粗大块状的Mg-Zn-RE化合物沿晶界呈网状分布，这种合金相十分稳定，很难溶解或破碎。Mg-Zn-RE-Zr合金在氢气中进行固溶处理（753K左右）时，H2沿晶界向内部扩散，并与偏聚于晶界的MgZnRE化合物中的RE发生反应，生成不连续的颗粒状稀土氢化物。由于H2与Zn不发生反应，从而当RE从MgZnRE相中分离出来后，被还原的Zn原子溶于α固溶体中，导致固溶体中锌过饱和度增加。Mg-Zn-RE-Zr合金时效后在晶粒内部生成了细针状的沉淀相（β”或β’）且不存在显微疏松，从面合金强度显著提高，伸长率和疲劳强度也明显改善，综合性能优异。表5-8列出了ZM8合金氢化处理前后的力学性能。表5-8ZM8合金氢化处理前后的力学性能由于H2在镁中的扩散速度小，因此Mg-Zn-RE-Zr合金厚壁件的氢化处理时间极长。例如，ZE63合金（Mg-5.8%Zn-2.5%RE-0.7%Zr，与ZM8相当）在753K和latm（101325Pa）下H2的渗入速度仅为6mrn/24h，平均每4h渗人1mm。增加H2的压力可以提高渗入速度，但是由于氢化物的形成速度很慢，所以氢化处理通常只适用于薄壁件。5.2热处理工艺参数的影响[1,6,7]工件尺寸和截面厚度、工件尺寸与炉膛体积容量的比例关系以及铸件在炉膛中的放置方式等都是影响金属热处理工艺的主要因素，对镁合金铸件也不例外。5.2.1截面厚度表5-7列出的热处理时间对中等截面厚度的镁合金铸件在正常装炉量下进行热处理时比较理想。厚截面（50mm以上）镁合金铸件的固溶时间应该适当延长，通常是同一固溶温度下保温时间的2倍。例如，AZ63A铸件常用的固溶工艺是658K/12h，但是当截面厚度超过50mm时，宜采用658K/25h。类似地为了防止AZ92A铸件中晶粒的过分长大，宜选用的固溶处理工艺是678K/6h和678K/10h；但是当铸件截面厚度超过50mm时，宜采用678k/19h的固溶处理工艺。通过观察镁合金铸件厚截面处中心的显微组织可以判断固溶时间是否合适。如果铸件截面中心的显微组织中化合物含量少，那么说明铸件已进行充分热处理。5.2.2加热温度和保温时间目前，镁合金件厚度与固溶加热时间的关系尚未完全确定。由于镁合金的热导率高面且体积比热容低，因此可以很快达到保温温度。通常是先装炉，当装满工件的炉子升温至规定温度时开始计算保温时间。影响保温时间的因素很多，主要有加热炉的种类和容积、装炉量、工件的尺寸和截面厚度，以及工件在炉内的排列方式等。当炉子容积较小，且装炉量大、工件尺寸较大且截面厚度大于25mm时，必须考虑适当地延长保温时间。从图5-1~图5-4中的数据可以看出，镁合金的力学性能随着表5-7中热处理时间和温度的变化在很宽范围内发生变化。虽然QE22A-T6的试棒经过813K/4h固溶处理后可以获得最高的力学性能，如图5-1所示，但是经过798K（980°F）固溶处理后铸件由于塌陷而产生的变形比前者小。在813K以上固溶时还存在局部重熔的危险。图5-2时效时间和温度对QE-T6合金拉伸性能的影响[1]圆棒试样，由Φ25mm的铸造试棒加工而成1ksi=6894.76kPa图5-3时效时间和温度对AZ63A和AZ92A砂铸件屈服强度的影响1ksi=6894.76kPa5.2.3装炉状态装炉前必须将镁合金工件表面的粉尘、细屑、油污和水汽等清除干净，保证表面清洁和干燥，特别是高温固溶处理时要尤为注意。由于不同镁合金的熔点不同，因此同一炉次只能装一种合金。镁合金工件必须在炉内排列整齐，且相邻工件间应预留