新型雙襯板軋制制備ZK60鎂合金

布如宇

（茅臺學(xué)院，貴州 仁懷 564500）

為了更好地應(yīng)對日益加劇的資源緊缺問題，人們對輕質(zhì)金屬材料的要求越來越高[1]。鎂合金作為最輕的結(jié)構(gòu)金屬材料，在輕量化方面具有非常大的發(fā)展?jié)摿2-3]。不僅如此，鎂合金還擁有高比強(qiáng)度、高導(dǎo)電導(dǎo)熱性、易于回收等優(yōu)點(diǎn)，在各個領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景[4-6]。

在眾鎂合金中，有較高強(qiáng)塑性的ZK60鎂合金受到越來越廣泛的關(guān)注。生產(chǎn)鎂合金板材重要的加工手段是軋制[7]。然而，鎂合金在普通軋制過程中極易開裂。不僅如此，鎂合金軋板通常還會形成基面織構(gòu)，嚴(yán)重影響板材后續(xù)成型能力。

為改善普通軋制過程中單向?qū)ΨQ的剪切應(yīng)力狀態(tài)，在軋制試樣上下表面各添加一塊硬質(zhì)合金襯板，即雙襯板軋制。該襯板的存在能使試樣在軋制過程中承受的力變?yōu)閴簯?yīng)力，能顯著提高板材的成型性能。

1 試驗(yàn)材料和方法

原材料為自行制備的ZK60鎂合金鑄錠。澆鑄的圓棒直徑尺寸為140 mm。軋制板的尺寸為45 mm×30 mm×4.2 mm。軋制前試樣在325℃下保溫，軋輥不加熱。顯微組織分析在Zeiss光學(xué)顯微鏡上進(jìn)行，室溫力學(xué)性能試驗(yàn)在MTS-810上進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 雙襯板軋制對顯微組織和力學(xué)性能的影響

鑄態(tài)ZK60的顯微組織如圖1所示，可以看出晶粒不均勻，平均晶粒尺寸為67.9 μm。其屈服強(qiáng)度為80 MPa，抗拉強(qiáng)度為222 MPa，斷裂延伸率為15%。

圖1 鑄態(tài)ZK60鎂合金顯鏡組織

ZK60板材雙襯板軋制只進(jìn)行一道次（壓下量分別為55%、65%和75%）。軋制后試樣表面平整，僅邊緣有少量裂紋，可以看出該雙襯板軋制法具有非常好的成型能力。

圖2為軋制后未進(jìn)行退火再結(jié)晶處理的組織圖，可以看出晶粒出現(xiàn)明顯的細(xì)化，且大晶粒內(nèi)部出現(xiàn)大量孿晶。筆者認(rèn)為，軋制過程中發(fā)生孿生和動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象。隨著軋制壓下量的增大，細(xì)小晶粒明顯增多，說明動態(tài)再結(jié)晶隨著變形量的增大，進(jìn)行得越發(fā)徹底，同時屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度也出現(xiàn)明顯增大。與壓下量為55%時相比，其屈服強(qiáng)度由149 MPa增大到234～265 MPa，如圖3所示。當(dāng)壓下量為75%時，斷裂應(yīng)變僅為6.7%。其較低的延伸率與軋制后未進(jìn)行退火再結(jié)晶、內(nèi)部存在應(yīng)力集中有關(guān)。從其力學(xué)性能的變化可以看出，雙襯板軋制不進(jìn)行任何處理，能顯著提高鑄態(tài)ZK60鎂合金的強(qiáng)度，但塑性有所降低。

圖2 雙襯板軋制ZK60未退火微觀組織

圖3 雙襯板軋制ZK60未退火時力學(xué)性能曲線

2.2 退火對ZK60鎂合金顯微組織和力學(xué)性能的影響

為了充分發(fā)揮雙襯板軋制ZK60鎂合金板材的力學(xué)性能，消除變形過程中內(nèi)部存在的應(yīng)力集中等缺陷，人們對軋制后的板材進(jìn)行退火再結(jié)晶處理。為了更好地確定最佳的退火溫度，筆者選取了兩組退火溫度（分別為325℃、30 min以及375℃、30 min）。

圖4為325℃、30 min退火后雙襯板軋制ZK60的顯微組織，可以發(fā)現(xiàn)其部分區(qū)域仍有少部分孿晶存在。壓下量較小時（55%），出現(xiàn)大小晶?；祀s的組織，但以粗大的晶粒為主，說明其變形量較小，軋制過程中沒有充分發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。隨著壓下量的增大，晶粒逐漸細(xì)化，壓下量為65%時，細(xì)小晶粒區(qū)域所占的比例已超過50%。當(dāng)壓下量為75%時，只有少部分區(qū)域存在孿晶，其余區(qū)域均為細(xì)小均勻的晶粒組織。

圖4 325℃、30 min退火后光鏡組織

圖5所示為375℃、30 min退火后雙襯板軋制ZK60鎂合金的顯微組織。由此可以看出，相比于325℃、30 min退火組織，此時沒有孿晶存在，說明發(fā)生了完全的再結(jié)晶。但壓下量為55%的晶粒組織仍呈現(xiàn)出沿軋制方向被拉長的樣貌，壓下量為75%的晶粒組織較細(xì)小均勻。相比于325℃、30 min退火，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度降低，但斷裂應(yīng)變顯著提高，同樣55%壓下量下，375℃退火處理后屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷裂延伸率由325℃的110 MPa、304 MPa和11%變?yōu)?49 MPa、278 MPa和30%。筆者認(rèn)為，由于375℃退火時發(fā)生完全的再結(jié)晶，內(nèi)部應(yīng)力集中完全釋放。隨著壓下量增大，強(qiáng)度增加，但延伸率降低。ZK60鎂合金375℃、30 min退火后力學(xué)性能曲線如圖6所示。與初始鑄態(tài)ZK60鎂合金相比，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延展性都出現(xiàn)顯著提高，屈服強(qiáng)度由80 MPa提高為壓下量75%時的208 MPa，抗拉強(qiáng)度由222 MPa提高為壓下量75%時的314 MPa，斷裂伸長率由15%提高為壓下量75%時的25%。同時，晶粒也出現(xiàn)明顯細(xì)化，此時平均晶粒尺寸為 7.3 μm。

通過32℃、30 min退火和375℃、30 min退火后組織和力學(xué)性能對比，人們發(fā)現(xiàn)，在375℃、30 min下壓下量為75%出現(xiàn)較優(yōu)的力學(xué)性能（屈服強(qiáng)度208 MPa、抗拉強(qiáng)度314 MPa、斷裂伸長率25%）。

圖5 375℃、30 min退火后光鏡組織

圖6 ZK60鎂合金375℃、30 min退火后力學(xué)性能曲線

3 結(jié)論

采用雙襯板軋制新技術(shù)實(shí)現(xiàn)ZK60鎂合金冷輥單道次大壓下量軋制（壓下量可達(dá)75%）。通過雙襯板軋制制備的ZK60能顯著細(xì)化晶粒，375℃、30 min退火后，晶粒尺寸能細(xì)化到7.3 μm。375℃、30 min退火再結(jié)晶后，ZK60鎂合金能獲得較優(yōu)異的力學(xué)性能（屈服強(qiáng)度208 MPa、抗拉強(qiáng)度314 MPa、斷裂伸長率25%）。該性能指標(biāo)可以與普通軋制ZK60鎂合金板材性能相媲美，但雙襯板軋制更加簡便經(jīng)濟(jì)。

1 陳振華.變形鎂合金[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

2 ASM International.Magnesium an Magnesium Alloy[M].Ohio：Metal Park，1999.

3 Lou X，Li M，Boger R，etal.Hardening evolution of AZ31B Mg sheet[J].International Journal of Plasticity，2007，23（1）：44-86.

4 Starosel sky A，Anand L.A constitutive model for hcp materials deforming by slip and twinning：application to magnesium alloy AZ31B[J].International Journal of Plasticity.2003，19（10）：1843-1864.

5 Yoo M H，Agnew S R，Morris J R，etal.Nonbasal slip systems in hcp metals and alloys：source mechanisms Mater[J].Materials Science and Engineering A，2001，319（15）：87-92.

6 Wan G，Wu B L，Zhang Y D，etal.Anisotropy of dynamic behavior of extruded AZ31 magnesium alloy[J].Material Science and Engineering A，2010，527（12）：2915-2924.

7 張 磊.Mg-6Al-3Sn鎂合金變形行為及襯板軋制組織與力學(xué)性能[D].長春：吉林大學(xué)，2015.