李建文 郭會(huì)玲 胡延昆

(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024)

熱處理對(duì)Mg-3Sn-xCu合金熱導(dǎo)率及其力學(xué)性能的影響

李建文 郭會(huì)玲 胡延昆

(太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西030024)

研究了熱處理對(duì)Mg-3Sn-xCu合金熱導(dǎo)率及其力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，固溶處理之后合金的熱導(dǎo)率會(huì)降低，時(shí)效處理之后合金的熱導(dǎo)率會(huì)提高并高于鑄態(tài)合金的熱導(dǎo)率；固溶處理和時(shí)效處理能提高合金的抗拉強(qiáng)度，時(shí)效處理后合金的抗拉強(qiáng)度高于固溶處理之后合金的抗拉強(qiáng)度。

Mg-3Sn-xCu合金；熱導(dǎo)率；力學(xué)性能；固溶處理；時(shí)效處理

近年來(lái)，隨著電子、電力、汽車(chē)制造以及航空航天等行業(yè)的迅速發(fā)展，零部件的散熱性能成為急需解決的問(wèn)題[1-3]。鎂合金因其優(yōu)良的導(dǎo)熱性能和較輕的密度成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。袁家偉[4]在研究高導(dǎo)熱Mg-Zn-Mn合金時(shí)發(fā)現(xiàn)，固溶原子對(duì)合金的熱導(dǎo)率有重要影響，合金元素固溶于鎂中，會(huì)造成鎂的晶格畸變，使自由電子定向流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生波散射，增大合金電阻率和熱阻率，溶質(zhì)原子與溶劑原子半徑相差越大，造成的晶格畸變?cè)酱?。Wang Chunming等人[5]研究了時(shí)效處理對(duì)Mg-5Sn合金電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)時(shí)效處理會(huì)提高M(jìn)g-5Sn合金的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。Yang Mingbo等人[6]研究了熱處理對(duì)Mg-3Sn-1Mn合金顯微組織和力學(xué)性能的影響，研究認(rèn)為時(shí)效處理能提高M(jìn)g-3Sn-1Mn合金的拉伸強(qiáng)度，且拉伸強(qiáng)度的提高跟Mg2Sn相在α-Mg基體中的彌散分布有關(guān)。Sn在Mg中的固溶度極低，Mg的原子半徑是1.6 ?，Sn的原子半徑是1.58 ?，因此Sn元素加入鎂中造成的晶格畸變比較有限，對(duì)熱阻的貢獻(xiàn)較少，是制造導(dǎo)熱鎂合金的理想元素。Cu是熱導(dǎo)率最高的金屬，Mg與Cu形成的Mg2Cu相屬于高溫穩(wěn)定相，能提高鎂合金的高溫強(qiáng)度[7-8]。固溶、時(shí)效處理能改變Sn原子和Cu原子在Mg基體中的存在形式，因此，本文研究了熱處理對(duì)Mg-3Sn-xCu合金熱導(dǎo)率及其力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)以純鎂(99.95%)、純錫(99.95%)、純銅(99.9%)為原材料，首先按比例熔配出不同成分的Mg-3Sn-xCu合金(x分別是0、0.5%、1%、2%、3%)，并澆注成尺寸為?12 mm×300 mm的圓柱試樣。

通過(guò)魏德曼-弗蘭茲定律，使用TH2512型智能直流低電阻測(cè)試儀測(cè)量出試樣的電阻，并據(jù)此計(jì)算出熱導(dǎo)率數(shù)值。魏德曼-弗蘭茲定律數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中，λ是金屬的熱導(dǎo)率；σ是金屬的電導(dǎo)率；T是絕對(duì)溫度；L0是洛倫茲數(shù)，L0=2.45×10-8W·Ω/K2。

將Mg-3Sn-xCu合金分別進(jìn)行固溶、時(shí)效處理，將其加工成?10 mm×200 mm規(guī)格的圓柱試棒，分別進(jìn)行熱導(dǎo)率測(cè)試實(shí)驗(yàn)，然后跟鑄態(tài)試棒熱導(dǎo)率變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比。固溶處理溫度是460℃，時(shí)間是10 h，時(shí)效處理溫度是200℃，時(shí)間是24 h。

從不同試棒上取樣加工成規(guī)格相同的拉伸試棒，在WDW-E100D微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

在每根試棒的相同部位取金相試樣，在拋光機(jī)上拋光之后，用4%的硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，觀察其顯微組織。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱導(dǎo)率結(jié)果討論

圖1所示為不同成分的Mg-3Sn-xCu合金分別在鑄態(tài)、固溶態(tài)和時(shí)效態(tài)下的熱導(dǎo)率變化規(guī)律。由圖1可知，鑄態(tài)Mg-3Sn-xCu合金經(jīng)過(guò)固溶處理后熱導(dǎo)率分別由103.47 W/(m·K)、104.26 W/(m·K)、106.41 W/(m·K)、107.03 W/(m·K)下降到96.47 W/(m·K)、95.34 W/(m·K)、93.50 W/(m·K)、90.30 W/(m·K)，經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后合金熱導(dǎo)率上升到112.21 W/(m·K)、112.29 W/(m·K)、111.36 W/(m·K)、110.59 W/(m·K)。

圖1 Mg-3Sn-xCu合金在鑄態(tài)、固溶態(tài)和時(shí)效態(tài)下的熱導(dǎo)率變化規(guī)律

固溶、時(shí)效處理對(duì)合金熱導(dǎo)率的影響可結(jié)合合金顯微組織進(jìn)行分析，以Mg-3Sn-1Cu合金為例進(jìn)行分析。圖2所示為Mg-3Sn-1Cu合金XRD衍射圖譜。由2圖可知，合金中的第二相只有Mg2Sn相和Mg2Cu相。圖3是Mg-3Sn-1Cu合金在不同狀態(tài)下的顯微組織。從圖3可以看出，鑄態(tài)合金第二相從晶界大量析出，連成網(wǎng)狀組織，少部分從晶界內(nèi)部彌散析出，見(jiàn)圖3(a)。經(jīng)過(guò)固溶處理之后，合金中的第二相基本消失，只在某些三角晶界處殘留少量未溶的第二相，見(jiàn)圖3(b)。經(jīng)過(guò)時(shí)效處理之后，合金中的第二相在晶界內(nèi)部均勻彌散析出，見(jiàn)圖3(c)。圖4及表1是鑄態(tài)Mg-3Sn-1Cu合金在掃描電鏡下的組織及能譜結(jié)果，圖片中晶界上的白色析出物即第二相，能譜顯示這些白色析出物的成分只有Mg、Sn和Cu三種元素，結(jié)合圖2分析，可以說(shuō)明這些白色析出物是由Mg2Sn相和Mg2Cu相組成。

圖2 Mg-3Sn-xCu合金在鑄態(tài)、固溶態(tài)和時(shí)效態(tài)下的XRD衍射圖譜

圖3 Mg-3Sn-1Cu合金顯微組織

圖4 鑄態(tài)Mg-3Sn-1Cu合金SEM及能譜結(jié)果

表1 鑄態(tài)Mg-3Sn-1Cu合金能譜結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

經(jīng)過(guò)固溶處理之后，合金熱導(dǎo)率均低于鑄態(tài)合金熱導(dǎo)率，這主要跟合金中的固溶原子有關(guān)[9-10]。由圖3(b)可知，固溶處理之后合金中第二相基本消失，消失的第二相中的Sn元素和Cu元素固溶進(jìn)Mg基體中，這樣就會(huì)產(chǎn)生大量的晶格畸變，合金元素原子半徑與Mg原子半徑相差越大，含量越高，造成的晶格畸變?cè)絿?yán)重。一方面，這些晶格畸變會(huì)形成散射中心，阻礙電子在晶粒內(nèi)部的自由穿行，另一方面，這種缺陷對(duì)聲子傳熱也會(huì)造成影響?？梢园崖曌釉O(shè)想成一鏈狀結(jié)構(gòu)，在各自位置做熱振動(dòng)，類(lèi)似于簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，在振動(dòng)傳熱過(guò)程中，突然在某一位置出現(xiàn)一缺陷(如固溶原子造成的晶格畸變)，熱傳遞就會(huì)受到干擾，從而產(chǎn)生熱阻[11]。熱導(dǎo)率主要是由電子和聲子共同決定，電子和聲子傳熱受到干擾后，造成熱導(dǎo)率下降，所以固溶處理會(huì)降低合金熱導(dǎo)率。從圖1還可以看出，隨著Cu含量增加，固溶態(tài)Mg-3Sn-xCu合金熱導(dǎo)率下降比較明顯，這進(jìn)一步說(shuō)明了固溶原子對(duì)合金熱導(dǎo)率影響很大，因?yàn)樵跍囟群蜁r(shí)間相同的情況下，Cu含量越高，固溶動(dòng)力就越大，固溶進(jìn)Mg基體的原子數(shù)量就越多，從而造成更嚴(yán)重的晶格畸變，使合金熱導(dǎo)率下降。

經(jīng)過(guò)時(shí)效處理之后，合金的熱導(dǎo)率明顯上升，高于鑄態(tài)合金的熱導(dǎo)率。從圖3(c)可以看出，時(shí)效處理使之前固溶進(jìn)Mg基體內(nèi)的Sn原子和Cu原子大量析出，形成Mg2Sn和Mg2Cu相，均勻分布在基體中。通過(guò)Mg-Sn二元相圖和Mg-Cu二元相圖可知，Sn和Cu在Mg中的固溶度極低，經(jīng)過(guò)200℃時(shí)效處理24 h后，合金中的Sn原子和Cu原子基本以第二相形式存在。這樣，Mg基體中固溶的原子含量特別少，晶格畸變大量消失，從而使熱導(dǎo)率上升。

2.2 力學(xué)性能結(jié)果討論

圖5為經(jīng)過(guò)固溶、時(shí)效熱處理后Mg-3Sn-xCu合金的抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律。由圖5可知，經(jīng)過(guò)固溶處理后，合金的抗拉強(qiáng)度有小幅度上升，Mg-3Sn-0.5Cu合金的抗拉強(qiáng)度由156.33 MPa提高到161.13 MPa，Mg-3Sn-1Cu合金的抗拉強(qiáng)度由167.10 MPa提高到169.32 MPa，Mg-3Sn-2Cu合金的抗拉強(qiáng)度由138.85 MPa提高到146.13 MPa，Mg-3Sn-3Cu合金的抗拉強(qiáng)度由120.16 MPa提高到139.41 MPa。經(jīng)過(guò)時(shí)效處理后，合金的抗拉強(qiáng)度高于固溶處理后合金的抗拉強(qiáng)度，Mg-3Sn-0.5Cu合金的抗拉強(qiáng)度提高至182.24 MPa，Mg-3Sn-1Cu合金的抗拉強(qiáng)度提高至184.69 MPa，Mg-3Sn-2Cu合金的抗拉強(qiáng)度提高至180.23 MPa，Mg-3Sn-3Cu合金的抗拉強(qiáng)度提高至167.81 MPa。

圖5 Mg-3Sn-xCu合金在鑄態(tài)、固溶態(tài)和時(shí)效態(tài)下的抗拉強(qiáng)度

固溶處理后合金抗拉強(qiáng)度升高是因?yàn)樵诟邷叵拢T態(tài)合金中的Mg2Sn相和Mg2Cu相大量溶入基體，固溶原子會(huì)造成晶格畸變，同時(shí)會(huì)對(duì)位錯(cuò)產(chǎn)生釘扎作用[12]，固溶強(qiáng)化效果明顯，所以合金抗拉強(qiáng)度升高。時(shí)效處理后，合金抗拉強(qiáng)度顯著提高，這是因?yàn)闀r(shí)效處理使之前固溶進(jìn)基體內(nèi)部的固溶原子以第二相的形式彌散析出，析出的第二相不同于鑄態(tài)合金的第二相，鑄態(tài)合金第二相大部分在晶界形成了共晶組織，而時(shí)效處理后第二相彌散析出，根據(jù)第二相強(qiáng)化機(jī)理，當(dāng)位錯(cuò)移動(dòng)遇到第二相時(shí)，遵循切過(guò)或繞過(guò)機(jī)制[13-14]，從而提高合金強(qiáng)度。

3 結(jié)論

(1)固溶處理后Mg-3Sn-xCu合金熱導(dǎo)率均低于鑄態(tài)合金熱導(dǎo)率，時(shí)效處理后Mg-3Sn-xCu合金熱導(dǎo)率都得到提高并高于鑄態(tài)合金熱導(dǎo)率。

(2)Mg-3Sn-xCu合金熱導(dǎo)率跟固溶原子和第二相有關(guān)，Mg基體中的固溶原子越多，合金導(dǎo)熱性越差，反之，合金中析出的第二相越多，固溶原子越少，熱導(dǎo)率越高。

(3)固溶處理和時(shí)效處理都能提高合金的抗拉強(qiáng)度。與固溶處理相比，時(shí)效處理后合金的抗拉強(qiáng)度更高。

[1] 王春明，陳云貴，肖素芬. 導(dǎo)熱鎂合金的研究與開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀[J]. 稀有金屬材料與工程，2015(10)：2596-2600.

[2] 潘虎成. 鎂合金導(dǎo)熱性能的研究[D]. 重慶：重慶大學(xué)，2013.

[3] 嚴(yán)琦琦，張輝，陳振華. 熱處理對(duì)擠壓鎂合金AZ91和ZK60組織與性能的影響[J]. 金屬熱處理，2006，31(11)：71-74.

[4] 袁家偉. 高導(dǎo)熱Mg-Zn-Mn合金及其性能研究[D]. 北京：北京有色金屬研究總院，2013.

[5] Wang Chunming，Cui Zhiming，Liu Hongmei, et al. Electrical and thermal conductivity in Mg-5Sn Alloy at different aging status[J]. Materials and Design，2015，84：48-652.

[6] M B Yang，C Y Qin，F(xiàn) S Pan. Effects of heat treatment on microstructure and mechanical properties of Mg-3Sn-1Mn magnesium alloy[J]. Materials Science and Enginee8ring A，2009，512(1)：132-138.

[7] 張玉華. 含Cu和Sb的ZA105高鋅鎂合金組織和性能研究[D]. 太原：太原理工大學(xué)，2010.

[8] 黃雪飛. Mg-Sn-Mn及Mg-Cu-Mn合金的性能優(yōu)化和顯微結(jié)構(gòu)[D]. 北京：清華大學(xué)，2013.

[9] A.Rudajevova，M.Stanek，P.Lukac. Determination of thermal diffusivity and thermal conductivity of Mg-Al alloys[J]. Materials Science and Engineering，2003，341(1-2)：152-157.

[10] Wang Chunming，Chen Yungui，Xiao Sufen，et al. Thermal Conductivity and Mechanical Properties of as-Cast Mg-3Sn-(0.5-3.5)Sn Alloys[J]. Rare Metal Materials and Engineering，2013，42(10)：2019-2022.

[11] 應(yīng)韜. 純鎂和二元鎂合金的導(dǎo)熱行為研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

[12] 葛凱晨. 固溶時(shí)效處理對(duì)鎂合金組織及力學(xué)性能的影響[D]. 西安：西安理工大學(xué)，2008.

[13] 漆振華，林曉娉，代兆立，等. Ca及時(shí)效處理對(duì)ZA102鎂合金組織和力學(xué)性能的影響[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào)，2011，32(5)：105-109.

[14] 劉紅梅, 陳云貴，唐永柏，等. 鑄態(tài)Mg-Sn二元合金的顯微組織與力學(xué)性能[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，38(2)：90-94.

編輯 杜青泉

Heat Treatment Effect on Thermal Conductivity and Mechanical Property of Mg-3Sn-xCu Alloy

Li Jianwen，Guo Huiling，Hu Yankun

This paper studies the effects of heat treatment on thermal conductivity and mechanical property of Mg-3Sn-xCu alloy. The results show that the thermal conductivity would decrease after solution treatment and increase after ageing treatment, higher than the thermal conductivity of cast alloy. Solution treatment and ageing treatment can improve the tensile strength of alloy, and the tensile strength of alloy after ageing treatment exceeds the tensile strength after solution treatment.

Mg-3Sn-xCu alloy，thermal conductivity，mechanical property，solution treatment，ageing treatment

2017—02—24

TG146.2

A