一种ZK60镁合金热处理工艺及其性能研究的制作方法

本发明属于镁合金热处理
技术领域：
，具体涉及一种zk60镁合金热处理工艺及其性能研究。
背景技术：
镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料，与其它金属结构材料相比，镁合金具有密度小，比强度、比刚度高，减震性、电磁屏蔽性和抗辐射能力强，易切削加工、易回收等一系列优点，在汽车、电子、电器、交通、航天、航空和国防军事等领域中具有广阔的应用前景，被誉为21世纪的“绿色工程材料”，成为21世纪重要的商用轻质结构材料。zk60属于高强度变形镁合金，是mg-zn-zr合金系中性能很优越的一种，镁合金由于其优异的综合性能,广泛地应用于航空工业、汽车运输工业、结构材料工业、电子工业、精密机械工业等领域。然而，目前大部分镁合金产品为铸造镁合金，由于目前尚无mg-zn-zr三元合金相图，所以人们对其组织的研究只能依靠mg-zn、mg-zr、zn-zr二元合金相图进行分析，对于变形镁合金的研究和应用都还处于基础阶段，因此作为新型高强度变形镁合金zk60合金应用还不广泛。zk60合金之所以受到人们的青睐，是因为它是现在所有商用镁合金中强度最高的一种，又由于镁合金本身轻的缘故，因此zk60合金几乎是所有材料中比强度最高的一种。然而zk60合金并不是无懈可击的材料，它还存在如热裂倾向严重、塑性差等诸多缺点，对于zk60镁合金的研究主要集中在对其力学性能研究、超塑性研究以及表面处理研究等方面。技术实现要素：根据以上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出一种zk60镁合金热处理工艺及其性能研究，通过采用固溶处理和时效处理相结合的方法，研究zk60镁合金合金相的形成和转变规律，解决了现有技术中关于新型高强度变形镁合金zk60热处理工艺研究缺乏的缺点。为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种zk60镁合金热处理工艺，该工艺包括固溶处理和时效处理，具体步骤如下：1)固溶处理：将zk60镁合金样品放入加热容器中，覆盖石墨粉，密封加热容器，将加热容器放入加热箱内，进行一次保温处理，保温结束后，取出加热容器进行空冷；2)时效处理：将步骤(1)空冷处理后的样品，放入加热箱内，进行二次保温处理，温度为150-210℃，时长8-16h，保温结束后，取出加热容器进行空冷；3)样品制备：将处理后的样品在水砂纸上研磨，然后在金相砂纸上研磨，最后用人造金刚石研磨膏抛光至镜面。优选的，所述合金样品的包括如下质量百分比成分：zn4.8-6.2％，zr0.3-0.9％，cu≤0.05％，si≤0.05％，fe≤0.05％，ni≤0.005％，al≤0.05％，mg余量，zn是zk60合金的第一主加元素。优选的，所述一次保温处理的温度为380-520℃，时长为1-5h，由于镁合金中原子扩散较慢，因而需要较长的固溶时间以保证强化相充分固溶，固溶加热温度通常只比固相线低5-10k，这样才能使第二相充分溶解到基体中形成固溶体，在后续时效过程中析出更多的沉淀相来增强合金。优选的，所述二次保温处理的温度为150-210℃，时长8-16h，在149℃以及更高的温度范围内形成过渡析出相β1′(mgzn′)保证析出强化效应。优选的，所述加热箱为箱式电阻炉，额定功率2.5kw，额定电压220v，最高温度1200℃。一种对zk60镁合金的研究，研究表明，所述zk60镁合金铸态由α-mg、mgzn和mgzn2三种合金相组成。zk60合金中各元素的作用：(1)zn是zk60合金的第一主加元素，其重量百分比为5％～6％,因此zn的含量直接影响zk60合金的组织和性能。根据mg-zn二元相图，平衡结晶时340℃发生共晶反应l→α-mg+mg7zn3。mg7zn3属于亚稳相，在随后的冷却过程中分解成α-mg和mgzn。zk60合金的主要时效强化相也是由mg-zn二元相组成的，有研究认为时效硬化相是细而长的杆状mgzn相,它是由结构与它相似的亚稳相mgzn相转变而来的。zn在zk60合金中既可以提高强度，又可以提高抗腐蚀性能,但只有当zn的质量百分含量在一定的范围之内才可以获得优良的综合性能，当zn％>2.5％时就对金属的防腐性能有负面影响。当zn％<6％时,随zn含量增加，抗拉强度和屈服强度升高，延伸率降低；当zn％>6％时抗拉强度和屈服强度反而降低,延伸率降低更多，因此工业上使用的mg-zn合金中的zn含量一般都小于6％。(2)zr是zk60合金的第二主加元素,其重量百分比一般为0.3％～0.9％。zr可以强烈地细化晶粒、降低显微疏松倾向，因而它也是影响zk60合金的组织和性能的关键元素。zr在镁合金中易形成偏析,有研究表明，在zk60合金中zr主要分布在晶粒中心，由中心向晶粒边缘逐渐减低,侵蚀后偏析区呈年轮状或花朵状。zr对zk60合金的力学性能非常大，zr在镁合金中的存在形式有两种：一种是与其它元素形成化合物，分布在枝晶网边界，易造成偏析；另一种是固溶到镁基体中的zr，形成α-zr相，在络和滴定法中溶于盐酸，称之为酸溶性zr。而起强化作用的正是酸溶性zr。与现有技术相比，本发明有益效果是:1.本发明研究的是高强度变形镁合金zk60的热处理工艺，从固溶处理和时效处理相结合的热处理方法研究zk60镁合金合金相的形成和转变规律，以及热处理工艺对合金组织和性能的影响，为制定最佳的热处理工艺提供依据，从而促进整个变形镁合金领域的迅速发展，使镁合金的发展摆脱长期以来主要以铸造镁合金为主的现状，加大变形镁合金在工业产品中的应用，推进镁合金产业化进程。2.本发明根据mg-zn二元合金相图和mg-zr二元合金相图相结合确定高强度变形镁合金zk60热处理的最佳工艺条件，研究镁合金zk60力学性能变化和析出相变化，为扩宽镁合金的应用领域，提高塑性、韧性提供技术基础。附图说明图1mg-zn二元合金相图；图2mg-zr和zn-zr二元合金相图；图3不同固溶温度固溶处理工艺曲线；图4不同保温时间固溶处理工艺曲线；图5不同时效温度时效工艺曲线；图6不同保温时间时效工艺曲线；图7为显微硬度与固溶处理工艺参数关系曲线；图8为显微硬度与时效处理工艺参数关系曲线；图9为经过不同固溶处理后的zk60镁合金的金相图；图10为不同时效工艺下的金相图；图11不同固溶温度固溶处理x-ray衍射图谱；图12不同保温时间固溶处理x-ray衍射图谱；图13不同时效温度时效处理x-ray衍射图谱；图14不同时效时间时效处理x-ray衍射图谱；图15铸态zk60镁合金x-ray衍射图谱。β、mg7zn3，γ、mgzn，δ、mg2zn3，ε、mgzn2，δ、mg2zn，a、显微硬度与固溶温度关系曲线，b、显微硬度与保温时间关系曲线，c、显微硬度与时效时间关系曲线，d、显微硬度与时效温度关系曲线，9-1、520℃固溶3h，9-2、500℃固溶3h，9-3、460℃固溶3h，9-4、420℃固溶3h，9-5、380℃固溶3h，9-6、500℃固溶1h，9-7、520℃固溶5h，10-1、210℃时效12h，10-2、180℃时效12h，10-3、150℃时效12h，10-4、180℃时效8h，10-5、210℃时效16h。具体实施方式下面通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。实施例11)热处理工艺参数的确定：从zk60镁合金铸态组织的研究结果可以看出，其晶界和枝晶边界存在大量共晶组织，且主要以富zn相为主。可以推测zn元素在晶界的偏聚必然会降低其在基体中的固溶度，从而影响材料的性能。同时，zk60镁合金还是一种可以热处理强化的合金材料。为此，实验进行了固溶和多种条件下的时效处理，研究各种热处理工艺下的合金的力学性能变化和析出相变化，从而选取最佳的热处理方案，得到最佳的使用组织和力学性能。图1为mg-zn二元合金相图，图2为mg-zr二元合金相图和zn-zr二元合金相图。2)固溶处理工艺参数的确定：由于镁合金中原子扩散较慢，因而需要较长的固溶时间以保证强化相充分固溶。为了获得最大的过饱和固溶度，固溶加热温度通常只比固相线低5-10k，这样才能使第二相充分溶解到基体中形成固溶体，在后续时效过程中析出更多的沉淀相来增强合金。从表1zk60的合金元素含量得到，含zn的量为4.8％-6.2％之间，结合图1mg-zn二元合金相图可以知道固相线的温度范围在340℃-460℃之间，故最佳的固溶温度应该在330℃-450℃之间。但是由于合金中加入了熔点较高的zr元素，所以对于zk60来说其固相线温度会相应提高，最佳固溶温度也提高。3)时效工艺参数的确定：sturkey和clark等人认为mg-zn系合金中存在两种不同的沉淀过程：在70℃-100℃的温度范围内首先形成g.p.区进行强化，而在149℃以及更高的温度范围内形成过渡析出相β1′(mgzn′)保证析出强化效应，所以对于zk60来说，时效处理的温度在149℃以上。实施例2实施例中zk60镁合金的主要元素质量分数(％)如表1。表1zk60镁合金的主要元素质量分数(％)元素znzr杂质mg质量分数4.8-6.2>0.45<0.30余量其他杂质元素如fe、ni、cu、co这4种元素在镁中的固溶度很小，在其浓度的质量分数小于0.2％时就对mg耐蚀性产生非常有害的影响，发生严重的电偶腐蚀，加速了mg的腐蚀。ni常与镁形成mg2ni等金属间化合物，以网状形式分布于晶界，降低了镁的耐蚀性能。当ni含量大于0.016％时，镁合金的腐蚀速率显著加快。fe不溶于固态镁，以金属fe的形式分布于晶界，降低镁的耐腐蚀性。当fe含量大于0.0165％时，镁合金的腐蚀速率显著加快。zk60合金中一般cu、si、fe质量百分含量≤0.05％，ni≤0.005％。另外，al虽然不是有害的元素，但它会与zr发生反应，形成稳定化合物，降低zr的细化晶粒作用，因此zk60合金中al≤0.05％。1)固溶处理：取铸态zk60镁合金试样七个，分为七组实验，序号1-7，每组的热处理工艺如表2所示，由于镁合金热处理过程中易于空气发生反应生成mgo，使试样氧化，故实验过程中采取保护措施，具体实验方法是：将试样放入加热容器坩埚中，覆盖石墨粉，再盖紧坩埚盖，石墨粉和坩埚盖都起到隔绝空气的作用，从而能防止试样氧化，将额定功率2.5kw，额定电压220v，最高温度1200℃，炉膛尺寸200×120×80mm的箱式电阻炉在设定加热温度为380℃、420℃、460℃、500℃和520℃下进行固溶试验，当温度稳定时用钳子将装有覆盖石墨粉的试样的坩埚夹入炉子中，保温3h后，取出坩埚空冷，再将电阻炉设定加热温度为到500℃，温度稳定后，同样的方法放入试样，分别保温1h和5h后，取出坩埚空冷；图3为不同固溶温度的热处理工艺曲线，图4为不同保温时间的热处理工艺曲线。表2固溶处理的工艺参数及试样编号试样编号固溶温度(℃)保温时间(h)152032500334603442035380365001750052)时效处理：固溶处理完成后，将电阻炉分别降温至210℃、180℃和150℃，温度稳定后将步骤(1)处理后的试样用钳子夹住放入电阻炉中，待温度稳定至设定温度时开始计时，保温12h后取出试样空冷，表2为时效处理的工艺参数。考虑时效时间的影响，选取的时效温度是一样的，都选在180℃，将两电阻炉分别加热至180℃稳定后，分别放入试样温度稳定时开始计时，分别保温8h和16h后，取出试样空冷至室温。图5为不同时效温度时效工艺曲线，图6为不同时效时间时效工艺曲线。3)样品制备：将铸态试样和热处理后的各个试样依次在800，1200，2000号的水砂纸上研磨，然后再依次在p800、p1000的金相砂纸上研磨，最后用粒度为0.5的人造金刚石研磨膏抛光至镜面。表3时效处理工艺参数和试样编号试样编号固溶温度(℃)固溶保温时间(h)时效温度(℃)时效保温时间(h)1520321012250031801235003150124500318085500318016实施例3性能测试：1、显微硬度分析，试验力(载荷)为9.8n，保压时间为15s；2、金相分析：对各种热处理状态下的合金的金相组织进行了金相观察，研究铸态组织的均匀性，热处理之后材料析出相的形态、大小、数量和分布，从而定性的说明材料的性能。3、x-ray衍射分析：扫描角度：30°～80°；扫描速度：5°/min；靶材：cu靶；加速电压：40kv；灯丝电流：200ma；石墨单色器滤波。实施例4结果分析：1、固溶处理的显微硬度分析：表4为铸态和固溶处理的显微硬度测量结果，显微硬度与固溶处理工艺参数关系曲线见图7。表4铸态和固溶处理的显微硬度测量结果比较铸态和固溶处理后的合金显微硬度值可以得到，固溶处理使合金的硬度下降很多；比较相同保温时间下不同固溶温度的合金显微硬度值可以看出，随着固溶温度的升高硬度基本呈下降趋势，在380℃时达到最大值，520℃时达到最小值；比较相同固溶温度下不同保温时间的合金显微硬度值可以看出，随保温时间的延长，硬度先下降后上升，当保温时间为3h时硬度达到最小值，造成这种结果的原因是：固溶处理使铸态组织中的部分强化相溶入基体中形成过饱和固溶体，从而使固溶处理后的显微硬度值相比于铸态下降很大；同时，由于镁合金原子扩散慢，温度高可以提高原子的扩散速率，使铸态组织强化相溶解多，所以温度固溶越高硬度下降越快，即硬度随温度上升基本呈下降趋势；原子扩散量，即溶解的强化相的量，与扩散时间有关，时间越长长溶解越多，从而硬度下降越多多，当强化相不再溶解时，硬度达到最小值，不再减小，同时随着保温时间的进一步延长，可能析出其他的强化相使硬度又略微提高。综上所述，对于zk60镁合金而言，最佳的固溶处理温度在500℃到520℃之间，最佳的保温时间为3h左右。2、时效处理的显微硬度结果与分析：表5为铸态和时效处理的显微硬度测量结果，显微硬度与时效处理工艺参数关系曲线见图8。表5铸态和时效处理的显微硬度测量结果比较时效处理和固溶处理的合金显微硬度值可以看出，时效处理使合金的硬度有了较大程度的提高；比较相同保温时间不同时效温度的硬度值可以看出，随时效温度的增大，硬度曲线先上升后下降，在180℃时硬度达到一个最大值，同时180℃时的最大硬度值接近于铸态时的硬度；比较相同时效温度不同保温时间的硬度值可以看出，随着保温时间的延长，硬度值先增大后减小，到12h时达到最大值，而且硬度下降的趋势较为平缓。造成以上结果的原因可能是：由于在时效处理时过饱和固溶体分解，有弥散的强化相析出，产生第二相强化，使时效处理的硬度比固溶处理后有较大的提高。在150℃时，由于温度低，合金可能发生了欠时效，强化相析出速度慢，析出数量少，造成硬度较低；同时，在210℃时，由于温度高，强化相析出速度快，强化相聚集长大快，合金可能发生了过时效，也使硬度也下降；在180℃时，强化相析出速度和长大速度适中，产生良好的综合效应，使硬度达到最大值。随着保温时间的增大析出的强化相的量增加导致硬度值上升，但增大到一定程度时，由于析出相的量不再增加，硬度值也将不再增大，同时保温时间过长也可能使析出相聚集长大，或者产生过时效，从而硬度有略微下降，所以在保温12h时硬度达到最大值。由上表数据和关系曲线及分析可得出，对于zk60镁合金而言最佳的时效处理温度范围是180℃左右，最佳的保温时间为12h左右。3、固溶处理后金相组织分析：固溶处理是获得沉淀硬化的有利条件，需要产生一个过饱和固溶体。形成过饱和固溶体的过程就是固溶处理。温度和保温时间都对过饱和固溶体的产生有很大的影响，合理的固溶温度和保温时间会使材料获得最佳的组织和性能，从而满足使用的需要。从图9可以看到，zk60镁合金经固溶处理后，共晶组织和第二相小颗粒都基本溶入基体之中，只有少量的第二相存在于晶界处，基体比较干净，晶界得到明显净化，达到了消除枝晶偏析的目的，得到几乎单相固溶体，同时起到类似于均匀化处理的效果。从图上可以看出，随固溶温度的升高和保温时间的延长，溶入基体的共晶组织和第二相颗粒越多，当固溶温度为500℃时，几乎完全溶解。4、时效处理后金相组织分析：固溶处理获得的过饱和固溶体在人工时效的过程中发生了分解并析出了第二相。人工时效工艺也与时效温度和保温时间有关，通过金相组织观察和性能测试可以得到最佳的人工时效工艺参数。从图10对比各时效处理，在时效温度一定时，随保温时间的延长，可以看出析出的第二相颗粒明显增多，当保温时间为12h时，析出相均匀细小且弥散分布，当保温时间为16h时，析出相的数量也挺多，但是比较粗大，分析可能发生过时效。当保温时间一定时，随着时效温度的升高，组织有明显的变化。150℃时效的样品中，几乎看不到晶界，有大量团状组织附着于表面；180℃时效样品中，可以看到细而清晰的晶界，而且在晶内也可以看到大量弥散析出相；210℃时效样品中，晶界似乎变得粗了，而晶内的弥散析出相数量减少了。5、固溶处理试样的x-ray衍射分析：比较不同固溶处理温度下的x-ray衍射图谱见图11可得，在500℃时合金相的衍射峰强度最小，表明在该温度下的第二相含量最少，即固溶处理时第二相溶解最多，产生的过饱和固溶体多。温度在500℃以下时，随着固溶温度的升高第二相的衍射峰强度基本呈微弱的减小趋势，表明第二相的含量也呈微弱的减小趋势，即固溶产生的过饱和固溶体量有所增加。原因可能是镁合金中原子的扩散较慢，而原子的扩散与温度有关，温度越高原子扩散快，所以随着温度的升高扩散的程度增大，导致溶解的第二相多，产生的过饱和固溶体量减少。比较500℃和520℃处理的衍射图谱可得520℃时存在一个较为明显的mgzn2衍射峰，其原因可能是因为温度高冷速快，一些mgzn2相保留了下来。所以500℃固溶处理能获得最佳的固溶效果。比较不同的保温时间见图12可以得出，在保温1h时合金相衍射峰强度最大，合金相的含量最多，随着保温时间的延长第二相的衍射峰减小，3h以后变化较小。其原因可能是时间越长扩散越充分，溶解的第二相多，产生的过饱和固溶体含量多，但是到达一定程度时变化程度很小。所以保温3小时就能获得较佳的效果。6、时效处理试样的x-ray衍射分析：通过比较不同时效温度下的衍射图谱见图13可以看出，在180℃时脱溶析出相的峰值达到最大，即析出相的含量达到最大值，温度升高或降低，都会使析出相的含量有所减少。150℃时可能产生欠时效，析出的强化相少；210℃时由于温度较高，可能发生过时效，析出的部分强化相又溶解。故在180℃时时效时析出强化相的量达到最大，时效处理达到较佳的效果。通过比较不同保温时间时的衍射图谱见图14可以看出，随着保温时间的延长，合金相mgzn和mgzn2的衍射峰强度有所增强，当保温时间12h后，mgzn和mgzn2的强度趋于稳定。随着保温时间的延长，刚开始时析出越充分，析出相的含量不断增加，当增加到一定的程度时会达到饱和的状态，故以后不再增加，所以在保温12小时范围时，析出相的含量达到最大值，达到较佳的时效效果。对照固溶处理后的x-射线图谱发现：在固溶处理过程中，由于合金相发生了溶解，mgzn几乎全部溶解到基体中，mgzn2的含量降低，但仍有部分未溶，而在随后的时效过程中，析出mgzn和mgzn2，且衍射峰强度增强，说明组织中有二次相的析出。7、铸态试样的x-ray衍射分析：图15为铸态zk60镁合金的x-衍射分析图谱，经寻峰标定发现，该铸态zk60镁合金中主要有α-mg，mgzn，mgzn2三种合金相。通过寻查pdf卡片，得到几种合金相的晶格常数为：1)α-mg：密排六方晶系，a＝0.32nm，c＝0.521nm，c/a＝1.624；2)mgzn:密排六方晶系，a＝2.558nm，c＝1.815nm，c/a＝0.709；3)mgzn2：密排六方晶系，a＝0.522nm，c＝0.857nm，c/a＝1.64。通过比较峰值强度的大小，我们可以发现铸态zk60镁合金中的合金相mgzn含量较少，mgzn2最少，不存在其他合金相或其他合金相的含量相当少，如α-mg基体相平衡的共晶组织mg7zn3。可能存在的原因是由于这种共晶组织是一种中间相，具有不稳定性，铸造过程中在冷却过程阶段完全分解，即使在快的冷却速度下会保留一部分，其含量也会很少，所以x-射线未能够检测出来。上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。当前第1页12