第五章-镁合金的热处理 - 图文

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

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