时效时间对Mg-3Sn-1Cu合金热导率及硬度的影响

郭会玲 李建文

(太原科技大学材料科学与工程学院，山西030024)

时效时间对Mg-3Sn-1Cu合金热导率及硬度的影响

郭会玲 李建文

(太原科技大学材料科学与工程学院，山西030024)

研究了不同时效时间对Mg-3Sn-1Cu合金显微组织、热导率及其硬度的影响。结果表明，时效处理后Mg-3Sn-1Cu合金晶粒以等轴晶形式存在，在晶界和晶粒内部弥散析出Mg2Sn相和Mg2Cu相，合金的热导率随时效时间的增长逐渐增加，合金的布氏硬度随时效时间增加呈先升高后下降的趋势。

Mg-3Sn-1Cu合金；时效时间；热导率；硬度

关于Sn元素与Cu元素对镁合金热导率的影响的研究目前还比较少。根据热导率相关理论，时效处理能显著降低固溶原子造成的晶格畸变对热导率的不利影响。基于此，本实验研究了时效处理时间对Mg-3Sn-1Cu合金的显微组织、热导率以及力学性能的影响，为导热镁合金的实际应用提供初步的理论参考。

1 实验方法

本实验以纯镁、纯锡和纯铜为原料，按比例熔配成Mg-3Sn-1Cu合金，并在金属型模具中浇铸成圆柱形试棒，然后通过机加工将试棒加工成尺寸为∅10 mm×200 mm的圆柱试样。

将试棒进行固溶+时效处理，固溶处理温度是460℃，时间是10 h，之后分别进行4 h、12 h、24 h、36 h、48 h、60 h、72 h、84 h、96 h、108 h和120 h的时效处理。时效处理结束后从炉中取出试棒空冷至室温。

时效处理结束后测量计算不同时效处理时间的合金热导率，测量得到的是合金的电阻，然后通过魏德曼-弗兰兹定律计算出合金的热导率变化规律。魏德曼-弗兰兹定律[1]数学表达式为：

式中，λ是金属的热导率，单位是W/(m·K)；σ是金属的电导率，单位是S/m；T是绝对温度，单位是K；L0是洛伦兹数，L0=2.45×10-8W·Ω/K2。

在圆柱形试棒上分别取小块试样进行显微组织观测和硬度测试。硬度测试在华银HBS-62.5布氏硬度计上进行，实验所选用的加载载荷是10 kgf，加载时间是15 s，硬度仪通过测量试样上打出的圆形直径计算得出布氏硬度值。每个试样打5个点取其平均值作为最后的实验数据。

2 结果与讨论

2.1 时效处理后Mg-3Sn-1Cu合金的显微组织

不同时间时效处理之后Mg-3Sn-1Cu合金的显微扫描组织如图1所示。由图1可知，合金的显微组织主要由等轴晶组成，沿晶界及晶粒内部分布着白亮色的第二相组织。刚开始时效处理12 h时(图1a)，析出的第二相数量较少，几乎全部以球状或杆状形式沿晶界分布；时效处理36 h时(图1b)，除了在晶界上继续析出外，第二相开始在晶粒内部析出，晶粒内部的第二相几乎全部以球状形式存在；随着时效时间的继续增加，达到72 h时(图1c)，第二相依然以球状或杆状形式在晶界和晶粒内部析出，但其体积较之前有了明显的长大；到时效处理120 h时(图1d)，第二相的体积继续长大，在某些部位发生了聚集，这时可能到了过时效时期。总体而言，随着时效时间的增加，合金中的第二相逐渐长大，含量逐渐增多。

(a)12h(b)36h(c)72h(d)120h

图1 不同时效时间处理后Mg-3Sn-1Cu合金的SEM照片

Figure 1 The SEM picture of Mg-3Sn-1Cu alloys after different ageing time treatment

对合金进行了EDS检测，检测结果如表1所示。

为了进一步确定合金中的第二相组成，对合金进行了XRD检测分析，结果如图2所示。可以发现，经过不同时间时效处理之后，合金中的第二相为Mg2Sn相和Mg2Cu相。

2.2 时效处理后Mg-3Sn-1Cu合金的热导率变化

经过不同时间时效处理之后Mg-3Sn-1Cu合金的热导率变化规律如图3所示。未时效处理时合金的热导率是95.34 W/(m·K)，时效处理24 h以后，热导率大幅提高，可以达到112.29 W/(m·K)，提高了17.78%；当时效时间增加到96 h的时候，合金的热导率缓慢提升，达到120.31 W/(m·K)，比时效24 h的时候提高了7.14%；继续增加时效时间，合金的热导率曲线呈平缓状态，基本不再上升。合金的热导率在时效处理120 h后达到120.60 W/(m·K)，比铸态Mg-3Sn-1Cu合金的热导率提高了16.34 W/(m·K)。

表1 Mg-3Sn-1Cu合金EDS检测结果(质量分数，%)

图2 不同时效时间处理后Mg-3Sn-1Cu合金的XRD衍射图谱

图3 Mg-3Sn-1Cu合金的热导率随时效时间变化规律

时效处理导致Mg-3Sn-1Cu合金的热导率的提高主要是与固溶原子的减少和第二相的析出有关[2-3]。时效处理之前，Sn元素和Cu元素大部分以固溶原子的形式存在于Mg基体中，与Mg形成固溶体，Mg基体中的固溶原子会造成大量的晶格畸变，这些晶格畸变对于热传导过程中的电子和声子而言，相当于一个个散射中心，阻碍电子和声子在金属中的自由穿行，对合金的热导率有不利影响。而时效处理使Sn和Cu从Mg过饱和固溶体中析出来，形成Mg2Sn相和Mg2Cu相，大大减少了Mg基体中固溶原子的含量。虽然第二相对电子和声子而言也属于起阻碍作用的散射中心，但相对于固溶原子来说，第二相的阻碍作用特别小。随着时效时间的增加，第二相析出的越来越多，Mg基体中的固溶原子含量越来越少，所以合金的热导率一直上升。

在时效处理24 h时合金热导率提高迅速，这是因为Sn和Cu大部分以固溶原子的形式存在于Mg基体中，第二相的析出动力比较大，此时析出的Mg2Sn相和Mg2Cu相含量较多，所以合金的热导率迅速提高；之后继续增加时效处理的时间，合金中的固溶原子含量较时效初期有明显的下降，第二相的析出动力减弱，析出速率下降，所以热导率提高比较缓慢；时效处理后期，合金的热导率基本呈平缓状态，这是因为：一方面，此时第二相的析出速率极为缓慢，增加的幅度较小；另一方面，结合SEM图片(图1d)可以发现，第二相明显长大，体积分数大大提高，其作为散射中心对电子和声子的阻碍作用被放大了，这也是热导率不再显著提高的原因之一。

2.3 时效处理后Mg-3Sn-1Cu合金的硬度变化

不同时间时效处理之后Mg-3Sn-1Cu合金的布氏硬度变化规律如图4所示。从图4可以看出，合金的布氏硬度随时效时间整体呈先升高后下降的趋势，在时效36 h时达到时效硬度峰值，此时的硬度是53.6HBW。Mg-3Sn-1Cu合金的这种变化规律与第二相的沉淀强化有关，时效析出的Mg2Sn相和Mg2Cu相弥散分布在晶界和晶粒内部，当合金受到外力作用发生塑性变形的时候，这些第二相能有效地阻碍位错的运动，使合金抵抗外力变形的能力增强，从而起到沉淀强化的作用[4-5]，使合金硬度提高。当合金时效时间过长的时候，进入过时效阶段，合金的硬度逐渐下降。

图4 Mg-3Sn-1Cu合金的硬度随时效时间变化规律

3 结论

(1)经过不同时间时效处理之后，Mg-3Sn-1Cu合金晶粒以等轴晶形式存在，在晶界和晶粒内部弥散析出Mg2Sn相和Mg2Cu相，且随时效时间的延长，Mg2Sn相和Mg2Cu相逐渐长大，含量逐渐增多。

(2)Mg-3Sn-1Cu合金的热导率随时效时间的增长逐渐增加，由未时效时的95.34 W/(m·K)提高到时效120 h时的120.60 W/(m·K)。热导率在时效初期增长速度较快，在时效96 h之后增长趋于平缓。

(3)Mg-3Sn-1Cu合金的布氏硬度随时效时间呈先升高后下降的趋势，合金的硬度在时效36 h时达到时效峰值53.6HBW。

[1] 袁家伟. 高导热Mg-Zn-Mn合金及其性能研究[D]. 北京：北京有色金属研究总院，2013.

[2] Zhong L，Peng J，Sun Y，et al. Microstructure and thermal conductivity of as-cast and as-extruded binary Mg-Mn alloys[J]. Materials Science & Technology，2016：1-6.

[3] Peng J，Zhong L，Wang Y，et al. Effect of extrusion temperature on the microstructure and thermal conductivity of Mg-2.0Zn-1.0Mn-0.2Ce alloys[J]. Materials and Design，2015，87：914-919.

[4] 李爱文. 铸造Mg-3Zn-xCu-0.6Zr镁合金时效行为的研究[D]. 广州：华南理工大学，2010.

[5] 彭丽梅. 时效Mg-4Y-3Nd合金微观组织转变及性能研究[D]. 长春：吉林大学，2015.

编辑 杜青泉

Effects of Ageing Time on Thermal Conductivity and Hardness of Mg-3Sn-1Cu Alloy

Guo Huiling，Li Jianwen

This paper studies the effect of different ageing time on microstructure, thermal conductivity and its hardness of Mg-3Sn-1Cu alloy.The results show that the microstructure of Mg-3Sn-1Cu alloy after ageing treatment is composed of equiaxed grains, Mg2Sn phase and Mg2Cu phase are separated out at grain boundaries and the inside of the grains, the thermal conductivity of alloy increases with the ageing time, the Brinell hardness of the alloy was increased at first and then decreased with ageing time.

Mg-3Sn-1Cu alloy, ageing time, thermal conductivity, hardness

2017—03—06

郭会玲(1991—)，女，主要从事轻质合金结构材料组织和性能研究。

TG146.2

A