第五章镁合金的热处理.docx

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第五章镁合金的热处理

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，从而提髙工件的尺寸稳左性。

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-Al-Mn系（如AM100A）.Mg-Al-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英缓慢。

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2-7o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，英热处理规范和应用范囤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：

个別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。

固溶处理可以提髙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髙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，路微提高英抗拉强度；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凋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髙其屈服强度，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⑴

合金

热处理⑴

合

金

热处理e

铸缙台金

WE54A

T6

AM100A

T4、T5、T6.T61O

ZC63A

T6

AZ63A

T4WT5.T6

ZE41A

T5

AZ81A

T4

ZE63A

T6®

AZ91C

T4.T6

ZK51A

T5

AZ92A

T4、T6

ZK61A

T4、T6

EZ33A

T5

变形合金

EQ21A

T6

/\Z80A

T5

QE22A

T6

ZC71A

F.T5.T6

WE43A

T6

ZK60A

T5

1用类勦符号衣示（见表2-7》.

2时效时间比T6态长.以提応屈槪強

3必须包抵氯化处理“

5丄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硕化效应，恢复和提髙其塑性,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，退火温度可左在533~563之间：

当要求其塑性较高时，退火温度可以稍高一些，一般可以沁在593~623之间。

表5・2变形镁合金完全退火工艺[2]

合金禅号

温度/'K

时间,h

合金牌号

温度/K

时间/h

MB1

613〜673

3〜5

MB8

553〜593

2〜3

MB2

623〜673

3〜5

MB15

653〜673

6〜8

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]

合金

温度/K

时间/min

1合金

温度/K

时间/min

薄板和厚板

AZ80A-F

533

15

AZ31B-O

618

120

AZ80A-T5

473

60

AZ31B-H24

60

ZC71A-T5

603

60

挤压件

ZK21A-F

473

60

AZ31B-F

533

15

ZK60A-F

533

15

AZ61A-F

533

15

ZK60AT5

423

60

注：

只有含铝且大于l・5mass.%的合金在焊接后需要去应力退火來防止应力腐蚀开裂。

国内牌号变形镁合金常用的去应力退火工艺见表5-4o

表5」变形镂合金常用的去应力退火工艺[2]

合金牌号

板

材

挣挤压件和锻件

温度/K

时间/h

温度/K

时间/h

MB1

478

1

533

0.25

MB2

423

1

533

0.25

MB3

523〜553

0.5

—

—

MB15

—

—

533

0.25

5.1.1.2铸造镁合金的去应力退火

凝固过程中模具的约朿、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惮性应变。

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、避免苴翘曲和变形以及防止Mg-Al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山

合金

状态

I艺

合金

状态

X艺

Mg-Al-Mn

所有

533K/lh

ZK61K

T5

603K/2h+403K/48h

Mg-Al-Zn

所有

533K/lh

ZE41A

所有

603K/2h

5.1.3固溶和时效

5.13.1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，英次是薄壁铸件或金属型铸件，变形镁合金的最短。

Mg-Al-Zn合金经过固溶处理后Mg“Ah2相溶解到基体镁中，合金性能得到较大幅度提髙丄.M.Pcng等研究了固溶处理对添加了稀丄元素的AM60B合金显微组织和力学性能的影响。

结果表明含有稀上元素的AM60B合金的显微组织由a-Mg固溶体、棒状AlnEr3相、粒状AlK>Ce2Mn7,相以及网状和（或）岛状Mgi7AlI2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MgrAh?

相溶入基体镁中，但是稀上化合物AlHEr3和Ali（）Ce2Mn7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。

5.1.33固溶处理+人工时效

固溶处理后人工时效（T6）可以提髙镁合金的屈服强度，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，含锌量髙的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。

保温时间的长短根拯晶粒尺寸和工件尺寸大小来确定。

髙铝低锌镁合金晶粒长大倾向严重，其时效温度为458M73K.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岀第二相。

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岀相见表

5-6o

表5・6典型镁合金的时效析出相[4]

合金茶

时效初期（G・P・区等）

时效中期（中间相）

时效后期（稳定相）

Mg-Al

—

—

P相:

MgpAin（立方晶）连

续析出和不连续析岀

Mg-Zn

G・P・区，板状（共格）

&相:

MgZn2（六方品，共格）角相:

MgZn2（六方晶■共格）

P相:

Mg2Zn3（三方晶，非共

格）

Mg-Mn

—

—

a-Mn（立方晶）棒状

Mg-Y

F相，D0i9型规则结构

0相，底心正交晶

P相:

Mg24Ys（体心立方晶）

Mg-Nd

G・P・区：

梯状（共格〉用相:

D0|9型规则结构

0相：

面心立方晶

P相:

MguNd（体心正方晶）

Mg-Y-Nd

目相：

O0i9«规则结构

0相:

Mg12NdY（底心正交晶）

P相耐N&Y（面心立方晶）

Mg-Ce

—

中间相（？

〉

P相:

Mgi2Ce（A方晶〉

Mg-Gd

Mg-Dy

F相:

DO”型规则结构

P相x正交晶

P相:

Mg24Dy$（立方晶）

Mg-Th

F相:

D019型规则结构

—

B相:

Mfe'Ths（面心立方⑷

Mg-Ca

Mg-Ca-Zn

—

—

Mg2Ca（六方品），添加Zn

微细析出

Mg-Ag-RE（Nd）

G・P・区：

棒状及椭圆状

7相：

棒状（六方晶，共格）

B相:

等轴状（六方晶，半共格〉

Mgl2Nd2Ag：

复杂板状（六方晶，非共格）

Mg-Sc

—

—

MgSc

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髙（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。