楊成曦，張 凱，袁家偉

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

0 前言

在現有的金屬結構材料中，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量。同時，鎂合金比強度高，導電導熱性能優(yōu)良，電磁屏蔽性能好，易于回收利用，可實現結構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率的變化息息相關，因此開展鎂合金材料導電性能的研究具有重要的理論參考和工程應用意義。

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

目前對Mg-Zn-Mn鎂合金的研究更多關注的是材料的力學性能、顯微組織、失效行為、導熱性能等，而關于導電性能的研究報道相對較少。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電性能的影響規(guī)律。

1 實驗方案

本文實驗用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℃下對該合金進行充分的均勻化處理，最長保溫時間為24 h。冷卻方式均為水冷。

采用光學顯微鏡、掃描電鏡、XRD物相分析以及電導率測試等手段對鑄態(tài)及均勻化態(tài)合金進行分析。其中金相組織采用Carl Zeiss Axiocert 200MAT光學顯微鏡進行觀察；利用ZEISS掃描電子顯微鏡進行高倍數的組織形貌觀察，同時利用能譜儀（EDS）進行元素面分布掃描和微區(qū)成分分析；采用X’pert PRO MPD進行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；電導率測試采用WD-Z渦流電導儀進行；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個值，合金電導率為3個數的平均值。

2 結果與討論

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生的樹枝晶，且在晶粒內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?？梢钥闯觯琙n原子呈現明顯的偏聚現象，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)合金進行XRD物相分析，結果如圖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，細小的顆粒狀第二相增多，但仍存在溶質原子的偏析；合金在370℃下保溫24 h后，同保溫4 h合金金相相比，偏析現象消失，晶界處析出更多細小的第二相顆粒。對均勻化態(tài)合金中的第二相進行EDS能譜分析，結果如圖5所示。從分析數據中可以看出，ZM51均勻化態(tài)合金中存在的細小顆粒狀第二相中的Mn元素含量遠遠超過合金設計的Mn元素的平均成分，由此推測，圖5中所標記的第二相均為α-Mn單質相。對均勻化態(tài)的ZM51鎂合金進行XRD物相分析，結果如圖6所示。從衍射圖譜可以發(fā)現，合金經均勻化后，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，圖譜中出現了α-Mn的衍射峰。根據Mg-Mn二元相圖可以發(fā)現，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，根據相關研究，并將XRD物相檢測結果同顯微組織照片及EDS點分析結果相結合，我們可以發(fā)現：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原子從基體內析出形成α-Mn單質的過程。

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點分析結果

圖6 ZM51均勻化態(tài)XRD圖譜

對均勻化過程中的合金電導率變化進行了測量，電導率變化曲線如圖7所示。從中我們可以發(fā)現，合金電導率在經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，隨后隨著保溫時間的延長，合金電導率小幅度下降至16.7 MS/m，最后趨于平穩(wěn)。

圖7 ZM51均勻化電導率變化曲線

從前面合金顯微組織、EDS點分析以及XRD物相分析可知，ZM51鎂合金在均勻化過程中存在兩個相反的過程，即Zn原子的回溶和Mn原子的析出。溶質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進行計算，結果如表1所示。從表1可以看出，合金經過均勻化處理后，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鎂合金晶格常數及電導率

當電子通過一個理想晶體時，不會受到散射，只有當晶格點陣受到破壞時才會對電子產生散射作用[9]。一般情況下，溶質原子或雜質、空位、位錯、晶界與界面等晶體缺陷的存在，對純金屬中的周期勢場產生了干擾，增加了電子被散射的概率，從而降低電導率，而溶質原子正是影響合金電導率的主要因素[10]。當溶質原子溶入基體時，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，合金電導率越低。

當合金經均勻化處理后，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，自由電子運動的平均自由程縮短，從而造成合金電導率降低。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，從而造成合金電導率升高。因此，合金電導率的上升是由于Mn原子的析出抵消了Zn原子回溶而導致的合金電導率的降低。

同時，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，這更加證明了溶質原子與基體原子半徑差值的大小是影響合金導電性的主要因素。

3 結論

（1）合金基體晶格畸變量越大，合金的導電性能越低。

（2）合金的導電性能受合金顯微組織變化的影響。ZM51合金經均勻化處理后電導率明顯升高。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，導致Mn原子析出使合金電導率的提升抵消了因Zn原子回溶引起的合金電導率的下降，最終導致ZM51合金在經均勻化處理后其電導率上升。