李建文 郭會玲 胡延昆

(太原科技大學材料科學與工程學院，山西030024)

熱處理對Mg-3Sn-xCu合金熱導率及其力學性能的影響

李建文 郭會玲 胡延昆

(太原科技大學材料科學與工程學院，山西030024)

研究了熱處理對Mg-3Sn-xCu合金熱導率及其力學性能的影響。結果表明，固溶處理之后合金的熱導率會降低，時效處理之后合金的熱導率會提高并高于鑄態(tài)合金的熱導率；固溶處理和時效處理能提高合金的抗拉強度，時效處理后合金的抗拉強度高于固溶處理之后合金的抗拉強度。

Mg-3Sn-xCu合金；熱導率；力學性能；固溶處理；時效處理

近年來，隨著電子、電力、汽車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題[1-3]。鎂合金因其優(yōu)良的導熱性能和較輕的密度成為人們關注的焦點。袁家偉[4]在研究高導熱Mg-Zn-Mn合金時發(fā)現(xiàn)，固溶原子對合金的熱導率有重要影響，合金元素固溶于鎂中，會造成鎂的晶格畸變，使自由電子定向流動過程中產生波散射，增大合金電阻率和熱阻率，溶質原子與溶劑原子半徑相差越大，造成的晶格畸變越大。Wang Chunming等人[5]研究了時效處理對Mg-5Sn合金電導率和熱導率的影響，發(fā)現(xiàn)經過時效處理會提高Mg-5Sn合金的電導率和熱導率。Yang Mingbo等人[6]研究了熱處理對Mg-3Sn-1Mn合金顯微組織和力學性能的影響，研究認為時效處理能提高Mg-3Sn-1Mn合金的拉伸強度，且拉伸強度的提高跟Mg2Sn相在α-Mg基體中的彌散分布有關。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，對熱阻的貢獻較少，是制造導熱鎂合金的理想元素。Cu是熱導率最高的金屬，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度[7-8]。固溶、時效處理能改變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Mg-3Sn-xCu合金熱導率及其力學性能的影響。

1 實驗方法

本實驗以純鎂(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。

通過魏德曼-弗蘭茲定律，使用TH2512型智能直流低電阻測試儀測量出試樣的電阻，并據此計算出熱導率數值。魏德曼-弗蘭茲定律數學表達式如下：

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

將Mg-3Sn-xCu合金分別進行固溶、時效處理，將其加工成?10 mm×200 mm規(guī)格的圓柱試棒，分別進行熱導率測試實驗，然后跟鑄態(tài)試棒熱導率變化規(guī)律進行對比。固溶處理溫度是460℃，時間是10 h，時效處理溫度是200℃，時間是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微機控制電子式萬能試驗機上進行拉伸試驗。

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

2 結果與討論

2.1 熱導率結果討論

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)和時效態(tài)下的熱導率變化規(guī)律。由圖1可知，鑄態(tài)Mg-3Sn-xCu合金經過固溶處理后熱導率分別由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)，經過時效處理后合金熱導率上升到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)和時效態(tài)下的熱導率變化規(guī)律

固溶、時效處理對合金熱導率的影響可結合合金顯微組織進行分析，以Mg-3Sn-1Cu合金為例進行分析。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，連成網狀組織，少部分從晶界內部彌散析出，見圖3(a)。經過固溶處理之后，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，見圖3(b)。經過時效處理之后，合金中的第二相在晶界內部均勻彌散析出，見圖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，結合圖2分析，可以說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及能譜結果

表1 鑄態(tài)Mg-3Sn-1Cu合金能譜結果(質量分數，%)

經過固溶處理之后，合金熱導率均低于鑄態(tài)合金熱導率，這主要跟合金中的固溶原子有關[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Mg基體中，這樣就會產生大量的晶格畸變，合金元素原子半徑與Mg原子半徑相差越大，含量越高，造成的晶格畸變越嚴重。一方面，這些晶格畸變會形成散射中心，阻礙電子在晶粒內部的自由穿行，另一方面，這種缺陷對聲子傳熱也會造成影響?？梢园崖曌釉O想成一鏈狀結構，在各自位置做熱振動，類似于簡諧運動，在振動傳熱過程中，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)，熱傳遞就會受到干擾，從而產生熱阻[11]。熱導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，造成熱導率下降，所以固溶處理會降低合金熱導率。從圖1還可以看出，隨著Cu含量增加，固溶態(tài)Mg-3Sn-xCu合金熱導率下降比較明顯，這進一步說明了固溶原子對合金熱導率影響很大，因為在溫度和時間相同的情況下，Cu含量越高，固溶動力就越大，固溶進Mg基體的原子數量就越多，從而造成更嚴重的晶格畸變，使合金熱導率下降。

經過時效處理之后，合金的熱導率明顯上升，高于鑄態(tài)合金的熱導率。從圖3(c)可以看出，時效處理使之前固溶進Mg基體內的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，經過200℃時效處理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，從而使熱導率上升。

2.2 力學性能結果討論

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

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

固溶處理后合金抗拉強度升高是因為在高溫下，鑄態(tài)合金中的Mg2Sn相和Mg2Cu相大量溶入基體，固溶原子會造成晶格畸變，同時會對位錯產生釘扎作用[12]，固溶強化效果明顯，所以合金抗拉強度升高。時效處理后，合金抗拉強度顯著提高，這是因為時效處理使之前固溶進基體內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，而時效處理后第二相彌散析出，根據第二相強化機理，當位錯移動遇到第二相時，遵循切過或繞過機制[13-14]，從而提高合金強度。

3 結論

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

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

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

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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