均勻化熱處理對Mg-5Zn-1Mn鎂合金導(dǎo)電性能的影響

楊成曦，張 凱，袁家偉

（1.西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶 401326；2.有研工程技術(shù)研究院有限公司，北京 101407）

0 前言

在現(xiàn)有的金屬結(jié)構(gòu)材料中，鎂合金的密度最低，常規(guī)鎂合金重量僅為鋁合金的70%，僅為鋼鐵的30%左右，可大大減輕工件的質(zhì)量。同時(shí)，鎂合金比強(qiáng)度高，導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)良，電磁屏蔽性能好，易于回收利用，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與電磁屏蔽功能一體化[1]。對于追求輕量化又需考慮電磁輻射的領(lǐng)域，鎂合金是一種潛力很大的新型電磁屏蔽輕量化材料。根據(jù)等效傳輸線屏蔽理論，鎂合金材料的電磁屏蔽性能與其電導(dǎo)率的變化息息相關(guān)，因此開展鎂合金材料導(dǎo)電性能的研究具有重要的理論參考和工程應(yīng)用意義。

潘[2]等人對Mg-Zn及Mg-Al二元合金進(jìn)行固溶處理，并在25℃、75℃、125℃以及175℃溫度下對其進(jìn)行電導(dǎo)率測試。結(jié)果表明，鎂基二元合金導(dǎo)電性能的高低主要取決于測試溫度以及溶質(zhì)原子的種類和含量。隨著測試溫度的升高，Mg-Zn及Mg-Al合金的電導(dǎo)率均呈下降趨勢，同時(shí)，溶質(zhì)原子在鎂基體內(nèi)的過飽和度越高，合金電導(dǎo)率越低。潘[3-4]等人還研究了Sn、Zr、Mn、Ca等元素對鎂合金導(dǎo)電性能的影響。結(jié)果表明，合金元素的原子體積、化合價(jià)以及核外電子均是影響二元鎂合金導(dǎo)電性能的因素，對鎂合金導(dǎo)電性能影響程度的大小順序?yàn)閆n＜Al＜Ca＜Sn＜Mn＜Zr。同時(shí)Mg-Zn系合金還具有良好的時(shí)效強(qiáng)化特性、高的屈服強(qiáng)度和抗蠕變性能、易加工以及焊接性能好等優(yōu)點(diǎn)。Mg-Zn二元合金中加入Mn元素，由于Mn不與合金中其它元素反應(yīng)，故以單質(zhì)形式存在于基體中；在熔煉過程中，Mn可與Fe、Al等雜質(zhì)元素反應(yīng)生成高熔點(diǎn)化合物，從而有效凈化熔體，提高合金的耐腐蝕抗力。同時(shí)，合金中添加Mn元素能夠改善合金鑄造性能，使合金晶粒細(xì)化，另外一方面，合金的擠壓成型性能也有一定程度的提高[5-8]。因此，新型Mg-Zn-Mn高強(qiáng)變形鎂合金具有可時(shí)效強(qiáng)化、擠壓溫度低、耐蝕性較好以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因而其應(yīng)用前景廣闊。

目前對Mg-Zn-Mn鎂合金的研究更多關(guān)注的是材料的力學(xué)性能、顯微組織、失效行為、導(dǎo)熱性能等，而關(guān)于導(dǎo)電性能的研究報(bào)道相對較少。本文以ZM51鎂合金為研究對象，研究其均勻化熱處理制度對其導(dǎo)電性能的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)方案

本文實(shí)驗(yàn)用Mg-5Zn-1Mn（ZM51）鎂合金鑄錠由純Mg、純Zn、Mg-3Mn中間合金熔煉而成。在370℃下對該合金進(jìn)行充分的均勻化處理，最長保溫時(shí)間為24 h。冷卻方式均為水冷。

采用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、XRD物相分析以及電導(dǎo)率測試等手段對鑄態(tài)及均勻化態(tài)合金進(jìn)行分析。其中金相組織采用Carl Zeiss Axiocert 200MAT光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察；利用ZEISS掃描電子顯微鏡進(jìn)行高倍數(shù)的組織形貌觀察，同時(shí)利用能譜儀（EDS）進(jìn)行元素面分布掃描和微區(qū)成分分析；采用X’pert PRO MPD進(jìn)行XRD物相分析，靶材為Cu，電壓為40 kV，電流為40 mA，掃描范圍為10°～90°，掃描速度為0.017°/min；電導(dǎo)率測試采用WD-Z渦流電導(dǎo)儀進(jìn)行；試樣尺寸為20 mm×20 mm×10 mm。試樣處理與金相樣相同，均用砂紙手磨至5 000#，每次測量3個(gè)值，合金電導(dǎo)率為3個(gè)數(shù)的平均值。

2 結(jié)果與討論

ZM51鎂合金鑄態(tài)顯微組織如圖1所示。從圖中可以看出，合金中存在著因典型的非平衡凝固而產(chǎn)生的樹枝晶，且在晶粒內(nèi)及晶界處彌散分布著大量的第二相顆粒。圖2為鑄態(tài)ZM51鎂合金元素分布圖?？梢钥闯?，Zn原子呈現(xiàn)明顯的偏聚現(xiàn)象，大部分偏聚在晶界和第二相中，而Mn原子則較均勻地分布在基體中。對ZM51鑄態(tài)合金進(jìn)行XRD物相分析，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，鑄態(tài)ZM51合金主要由α-Mg基體、Mg7Zn3相以及MgZn2相組成。

圖1 ZM51鑄態(tài)顯微組織

圖2 ZM51鑄態(tài)元素面分布圖

圖3 ZM51鑄態(tài)XRD圖譜

ZM51鑄態(tài)合金經(jīng)均勻化處理后的顯微組織如圖4所示。從圖中可以看出，合金在370℃下保溫4 h后，粗大的第二相組織基本回溶，細(xì)小的顆粒狀第二相增多，但仍存在溶質(zhì)原子的偏析；合金在370℃下保溫24 h后，同保溫4 h合金金相相比，偏析現(xiàn)象消失，晶界處析出更多細(xì)小的第二相顆粒。對均勻化態(tài)合金中的第二相進(jìn)行EDS能譜分析，結(jié)果如圖5所示。從分析數(shù)據(jù)中可以看出，ZM51均勻化態(tài)合金中存在的細(xì)小顆粒狀第二相中的Mn元素含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過合金設(shè)計(jì)的Mn元素的平均成分，由此推測，圖5中所標(biāo)記的第二相均為α-Mn單質(zhì)相。對均勻化態(tài)的ZM51鎂合金進(jìn)行XRD物相分析，結(jié)果如圖6所示。從衍射圖譜可以發(fā)現(xiàn)，合金經(jīng)均勻化后，同鑄態(tài)合金相比，Mg7Zn3相的衍射峰消失且MgZn2相的衍射峰減少，圖譜中出現(xiàn)了α-Mn的衍射峰。根據(jù)Mg-Mn二元相圖可以發(fā)現(xiàn)，在370℃溫度下，Mn原子在Mg基體中的最大固溶度在0.2%～0.3%左右。同時(shí)，根據(jù)相關(guān)研究，并將XRD物相檢測結(jié)果同顯微組織照片及EDS點(diǎn)分析結(jié)果相結(jié)合，我們可以發(fā)現(xiàn)：ZM51鎂合金在均勻化過程中除Mg-Zn共晶組織會逐漸回溶至基體中以外，還存在著Mn原子從基體內(nèi)析出形成α-Mn單質(zhì)的過程。

圖4 ZM51均勻化態(tài)顯微組織

圖5 ZM51均勻化態(tài)SEM照片和EDS點(diǎn)分析結(jié)果

圖6 ZM51均勻化態(tài)XRD圖譜

對均勻化過程中的合金電導(dǎo)率變化進(jìn)行了測量，電導(dǎo)率變化曲線如圖7所示。從中我們可以發(fā)現(xiàn)，合金電導(dǎo)率在經(jīng)過均勻化后不但沒下降，反而大幅度上升。在370℃下保溫4 h后，合金電導(dǎo)率從鑄態(tài)的14.7 MS/m迅速升高至16.8 MS/m，隨后隨著保溫時(shí)間的延長，合金電導(dǎo)率小幅度下降至16.7 MS/m，最后趨于平穩(wěn)。

圖7 ZM51均勻化電導(dǎo)率變化曲線

從前面合金顯微組織、EDS點(diǎn)分析以及XRD物相分析可知，ZM51鎂合金在均勻化過程中存在兩個(gè)相反的過程，即Zn原子的回溶和Mn原子的析出。溶質(zhì)原子的回溶或析出會造成合金基體晶格畸變，而基體晶格畸變的大小受溶質(zhì)和基體原子半徑差值的影響。Mg原子、Zn原子和Mn原子的半徑分別為1.59?、1.53?和1.79?，Mg與Mn的原子半徑差值遠(yuǎn)大于Mg與Zn的原子半徑差值，即Mn原子對合金晶格畸變的影響程度大于Zn原子的影響程度。對鑄態(tài)及均勻化態(tài)ZM51合金基體的晶格常數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，合金經(jīng)過均勻化處理后，其基體晶格畸變降低。因此，雖然在均勻化過程中Zn原子回溶會造成Mg基體晶格畸變增大，但Mn原子的析出則抵消了由于Zn原子回溶而造成的合金晶格畸變程度的增大。

表1 ZM51鎂合金晶格常數(shù)及電導(dǎo)率

當(dāng)電子通過一個(gè)理想晶體時(shí)，不會受到散射，只有當(dāng)晶格點(diǎn)陣受到破壞時(shí)才會對電子產(chǎn)生散射作用[9]。一般情況下，溶質(zhì)原子或雜質(zhì)、空位、位錯(cuò)、晶界與界面等晶體缺陷的存在，對純金屬中的周期勢場產(chǎn)生了干擾，增加了電子被散射的概率，從而降低電導(dǎo)率，而溶質(zhì)原子正是影響合金電導(dǎo)率的主要因素[10]。當(dāng)溶質(zhì)原子溶入基體時(shí)，基體的晶格會發(fā)生扭曲畸變，晶格畸變越大，對自由電子的散射能力越強(qiáng)，合金電導(dǎo)率越低。

當(dāng)合金經(jīng)均勻化處理后，Zn原子回溶，會造成合金基體的晶格畸變增大，對自由電子的散射能力增強(qiáng)，自由電子運(yùn)動的平均自由程縮短，從而造成合金電導(dǎo)率降低。而Mn原子析出會造成合金基體的晶格畸變降低，減弱了自由電子的散射能力，從而造成合金電導(dǎo)率升高。因此，合金電導(dǎo)率的上升是由于Mn原子的析出抵消了Zn原子回溶而導(dǎo)致的合金電導(dǎo)率的降低。

同時(shí)，ZM51合金中Zn含量約為2%（原子百分比）左右，而Mn含量則僅為0.4%左右，這更加證明了溶質(zhì)原子與基體原子半徑差值的大小是影響合金導(dǎo)電性的主要因素。

3 結(jié)論

（1）合金基體晶格畸變量越大，合金的導(dǎo)電性能越低。

（2）合金的導(dǎo)電性能受合金顯微組織變化的影響。ZM51合金經(jīng)均勻化處理后電導(dǎo)率明顯升高。在均勻化過程中發(fā)生Zn原子的回溶以及Mn原子的析出兩個(gè)相反的過程，Mn與Mg的原子半徑差大于Zn與Mg的原子半徑差，導(dǎo)致Mn原子析出使合金電導(dǎo)率的提升抵消了因Zn原子回溶引起的合金電導(dǎo)率的下降，最終導(dǎo)致ZM51合金在經(jīng)均勻化處理后其電導(dǎo)率上升。