復(fù)合軋制工藝對(duì)Al/Mg復(fù)合板冶金結(jié)合層組織和性能的影響

張翼航, 陳飛帆

(1.中色科技股份有限公司, 河南 洛陽(yáng) 471039; 2.一拖(洛陽(yáng))中成機(jī)械有限公司, 河南 洛陽(yáng) 471004)

復(fù)合軋制工藝對(duì)Al/Mg復(fù)合板冶金結(jié)合層組織和性能的影響

張翼航1, 陳飛帆2

(1.中色科技股份有限公司, 河南 洛陽(yáng)471039;2.一拖(洛陽(yáng))中成機(jī)械有限公司, 河南 洛陽(yáng)471004)

采用AZ31鎂合金和純鋁進(jìn)行高溫復(fù)合軋制制備鎂-鋁復(fù)合板,使其兼具鋁的表面耐蝕性和鎂合金的高比強(qiáng)度特性.采用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡和電子萬(wàn)能拉伸機(jī)等設(shè)備,研究了不同熱軋溫度及退火工藝參數(shù)對(duì)鋁-鎂復(fù)合界面的顯微組織和結(jié)合強(qiáng)度的影響.結(jié)果表明:300℃軋制,鎂-鋁復(fù)合板出現(xiàn)嚴(yán)重邊裂;450℃軋制,邊裂消失;在軋制溫度為400℃、壓下率為50%、300℃退火2h的條件下得到的復(fù)合板界面結(jié)合強(qiáng)度最大,為7.5MPa.

鎂-鋁復(fù)合板; 軋制復(fù)合; 顯微組織; 界面結(jié)合強(qiáng)度

0 前 言

鎂合金因其眾多的優(yōu)點(diǎn),在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,但絕大多數(shù)商用鎂合金的耐腐蝕性較差.純鋁有較高的抗腐蝕性能,采用軋制方法制成Mg/Al疊層復(fù)合板,使純鋁薄板包覆在鎂合金表面,可以使其表面具有鋁的耐腐蝕性能,又可以使其心部具有鎂合金良好的阻尼減震、抗沖擊和高比強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn).這種鎂-鋁復(fù)合板在汽車及航空領(lǐng)域會(huì)有很大的應(yīng)用潛力.另外,由于包覆鋁層具有良好的塑性和一定的變形抗力,在變形過(guò)程中能有效阻止鎂合金中的裂紋擴(kuò)展,因此采用純鋁包覆在鎂合金表面進(jìn)行復(fù)合軋制,能改善鎂合金的塑性變形能力.可以預(yù)言,這種Mg/Al疊層復(fù)合材料具有單一合金無(wú)法比擬的優(yōu)異綜合性能.

本文采用高溫軋制的方法將AZ31鎂合金和純鋁復(fù)合到一起,得到性能優(yōu)良的復(fù)合板.對(duì)于提高鎂-鋁復(fù)合板的生產(chǎn)技術(shù)水平、推動(dòng)鎂合金產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化、拓寬鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域具有重大的科學(xué)和現(xiàn)實(shí)意義.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)采用AZ31鎂合金熱擠壓板材作為基材.化學(xué)成分見表1.AZ31鎂合金為Mg-Al-Zn三元系合金,具有良好的強(qiáng)度、塑性和耐蝕性[1],其典型的室溫力學(xué)性能見表2.將熱擠壓AZ31鎂合金制成長(zhǎng)100 mm、寬50 mm、高10 mm的復(fù)合板基.試驗(yàn)采用厚度為0.5 mm的工業(yè)級(jí)1060純鋁箔作為復(fù)合板的覆材,化學(xué)成分見表3.將純鋁箔裁剪成長(zhǎng)150 mm、寬50 mm的薄片.

表1 AZ31鎂合金主要成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表2 AZ31鎂合金的室溫力學(xué)性能

表3 工業(yè)級(jí)純鋁1060中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

1.2 方法

試驗(yàn)采用傳統(tǒng)的三步法軋制復(fù)合工藝,即表面處理→軋制復(fù)合→軋后熱處理.

表面處理流程如下:用丙酮將金屬表面的油污清洗干凈→酒精沖洗→超聲波清洗機(jī)浸洗10 min→吹風(fēng)機(jī)吹干→用金屬表面清刷機(jī)刷去金屬待復(fù)合表面的氧化膜,在表面形成砂面效果.

根據(jù)純鋁和鎂合金的變形特性及Mg-Al二元相圖[2],選擇熱軋復(fù)合溫度為300,350,400和450 ℃;根據(jù)資料[3-4],隨著退火溫度升高,擴(kuò)散速率增加,復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度亦會(huì)提高;但溫度過(guò)高,會(huì)導(dǎo)致生成的金屬間化合物厚度增加,令結(jié)合強(qiáng)度迅速下降.故試驗(yàn)選用的退火溫度為300 ℃.

軋制復(fù)合工藝流程為:金屬表面預(yù)處理→加熱爐中保溫1 h→角磨機(jī)快速去除金屬待復(fù)合表面氧化層→一道次熱軋(壓下率25%)→回爐保溫1 h→二道次軋制(壓下率25%)→退火.

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 顯微組織

圖1為各軋制溫度下鎂合金組織500倍下的金相照片.從圖1(a)中可以發(fā)現(xiàn)軋制前鎂合金基體的晶粒最大;從圖1(b)～(c)可以看出,經(jīng)過(guò)熱軋變形及退火處理后,其晶粒明顯細(xì)化,說(shuō)明材料內(nèi)部發(fā)生了明顯再結(jié)晶.從圖1中還看到,在300 ℃和350 ℃熱軋,復(fù)合板基體鎂合金晶粒相對(duì)較小,晶粒尺寸分別約為40 μm和35 μm;400 ℃和450 ℃熱軋條件下的晶粒較大,晶粒尺寸分別約為70 μm和80 μm.

不同溫度下熱軋,晶粒尺寸的上述變化是因?yàn)檐堉茰囟仍礁?原子活動(dòng)能力越強(qiáng),晶粒越容易長(zhǎng)大.

2.2 軋制溫度對(duì)復(fù)合板結(jié)合面強(qiáng)度的影響

軋制溫度決定AZ31鎂合金基體的塑性變形能力,也是影響復(fù)合板結(jié)合強(qiáng)度的一個(gè)重要因素;另一個(gè)影響復(fù)合板結(jié)合強(qiáng)度的熱軋參數(shù)是軋制壓下率.當(dāng)壓下率過(guò)低時(shí),鎂-鋁板不能實(shí)現(xiàn)有效軋制復(fù)合.因?yàn)槠滠堉屏Σ蛔阋允勾龔?fù)合表面的金屬氧化膜及加工硬化層破裂,從而無(wú)法使待復(fù)合界面兩側(cè)的金屬原子擠出,形成原子擴(kuò)散層[5].

圖2為熱軋溫度對(duì)復(fù)合板形邊裂的影響照片.從圖2中可以看出,當(dāng)軋制溫度為450 ℃時(shí),沒有邊裂形成;但在300～400 ℃溫度下軋制,邊緣均有明顯裂紋,溫度越低,邊裂越嚴(yán)重.邊裂形成的主要原因?yàn)殒V合金密排六方結(jié)構(gòu)在低溫下位錯(cuò)滑移系較少,塑性較差,變形困難.

圖1 各軋制溫度下鎂合金組織500倍金相照片

圖2 不同軋制溫度下復(fù)合板邊裂照片

圖3為復(fù)合軋制壓下率為50%、軋制溫度范圍為300～450 ℃、退火溫度為300 ℃時(shí),鎂-鋁復(fù)合板復(fù)合界面剪切強(qiáng)度隨軋制溫度變化的關(guān)系曲線.在上述試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi),鎂-鋁復(fù)合板均能實(shí)現(xiàn)有效復(fù)合.軋制溫度為400 ℃時(shí)獲得的鎂-鋁復(fù)合板復(fù)合界面的剪切強(qiáng)度最高,在退火2 h后的剪切強(qiáng)度可達(dá)最大,約為7.5 MPa;其次為350 ℃及450 ℃,軋制溫度為300 ℃時(shí),復(fù)合板的界面剪切強(qiáng)度最低.

圖3 復(fù)合界面剪切強(qiáng)度隨軋制溫度變化的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between composite interfacial shear strength and the rolling temperature

2.3 鎂-鋁熱軋復(fù)合板的退火

圖4為熱軋復(fù)合板中鎂合金基體在300 ℃退火不同時(shí)間的金相組織照片.

從圖4(a)中可以看到,退火前的顯微組織尚處于加工硬化狀態(tài),晶粒沿軋制方向被明顯拉長(zhǎng),在晶界上觀察到密集的細(xì)小晶粒,可能是熱軋過(guò)程中的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成的.從圖4(b)～(d)中可以看出,隨著退火時(shí)間的延長(zhǎng),條狀的晶粒趨于等軸化.表明在退火過(guò)程中發(fā)生了靜態(tài)再結(jié)晶.退火時(shí)間從1 h延長(zhǎng)到3 h時(shí),等軸晶粒的尺寸并沒有明顯的長(zhǎng)大,說(shuō)明退火1 h內(nèi),基體鎂合金的再結(jié)晶已完成,加工硬化儲(chǔ)能已消耗殆盡,并且隨后發(fā)生的晶粒長(zhǎng)大速率很小.但在退火2 h和3 h的金相照片中觀察到個(gè)別粗大的晶粒,說(shuō)明300 ℃退火、時(shí)間≥2 h時(shí),會(huì)發(fā)生二次再結(jié)晶.

圖5為退火溫度為300 ℃時(shí),退火時(shí)間對(duì)鎂-鋁復(fù)合板結(jié)合面強(qiáng)度的影響曲線.從圖5中可以看出無(wú)論是哪種軋制溫度,保溫2 h時(shí),鎂-鋁復(fù)合板界面剪切強(qiáng)度較大.軋制溫度為400 ℃、壓下率為50%時(shí)達(dá)到最大,約為7.5 MPa;其次為退火1 h;退火3 h、軋制溫度300 ℃、壓下率50%時(shí),界面結(jié)合強(qiáng)度最小,約為4.3 MPa.

圖4 熱軋復(fù)合板中基體鎂合金顯微組織在300 ℃退火過(guò)程中的演變Fig.4 Microstructural evolution of the base magnesium alloy of the hot rolled composite plate during annealing at 300 ℃

圖5中復(fù)合界面剪切強(qiáng)度隨退火時(shí)間變化的原因?yàn)?退火可以促進(jìn)金屬原子的激活過(guò)程,使原子的活性增大,促使復(fù)合表面原子加速向金屬內(nèi)部擴(kuò)散,復(fù)合界面由物理接觸進(jìn)入到化學(xué)結(jié)合過(guò)程,形成冶金結(jié)合,生成金屬間化合物Al12Mg17和Al3Mg2.溫度對(duì)元素?cái)U(kuò)散有著顯著的影響,溫度越高、元素的擴(kuò)散活化能越低、元素的濃度梯度越大,元素的擴(kuò)散速度越快,越有利于兩層金屬之間形成金屬間的牢固結(jié)合[6];另一方面,金屬間化合物Al12Mg17和Al3Mg2的塑性差,不利于復(fù)合板的復(fù)合強(qiáng)度,所以隨著退火時(shí)間的延長(zhǎng),Mg、Al原子互擴(kuò)散程度加深,化合物層厚度的增加,復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度逐漸減小.

圖5 復(fù)合界面剪切強(qiáng)度隨退火時(shí)間變化的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between composite interfacial shear strength and annealing time

3 結(jié) 論

(1) 在300～450 ℃、總壓下率為50%的條件下,復(fù)合軋制的AZ31鎂合金/鋁復(fù)合板均能得到較好的復(fù)合強(qiáng)度;300 ℃時(shí),復(fù)合軋制的鎂-鋁復(fù)合板出現(xiàn)嚴(yán)重邊裂,但隨著軋制溫度的升高,邊裂情況逐漸好轉(zhuǎn),至450 ℃時(shí),復(fù)合板的邊裂現(xiàn)象消失.

(2) 350 ℃熱軋后的復(fù)合板中鎂合金基體的晶粒最小,晶粒尺寸約為35 μm;熱軋復(fù)合板鎂合金基體300 ℃退火1 h即能達(dá)到完全再結(jié)晶.

(3) 軋制溫度為400 ℃、總壓下率為50%、300 ℃退火2 h得到的復(fù)合板界面結(jié)合強(qiáng)度最大,為7.5 MPa;該條件下得到的復(fù)合板復(fù)合層厚度適中,兩側(cè)Mg、Al原子擴(kuò)散進(jìn)基體形成一定比例的固溶體.

[1]陳孝先,李秋書,范艷艷.AZ31鎂合金的研究現(xiàn)狀[J].太原科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009(1):1-3.

[2]王宏,張十慶,鄒興政,等.包鋁鎂合金的工藝特點(diǎn)及應(yīng)用前景[J].功能材料,2011,42:788-790.

[3]張毅斌,王群驕.包鋁鎂板軋制復(fù)合機(jī)理的研究[J].材料開發(fā)與應(yīng)用,2009,24(6):72-75.

[4]劉理.銅/鋁復(fù)合板軋制工藝與理論研究[D].沈陽(yáng):東北大學(xué),2006.

[5]張青來(lái),盧晨,朱燕萍,等.軋制方式對(duì)AZ31鎂合金薄板組織和性能的影響[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2004,14(3):391-397.

[4]劉理.銅/鋁復(fù)合板軋制工藝與理論研究[D].沈陽(yáng):東北大學(xué),2006.

[6]馬闖.不銹鋼-鋼復(fù)合薄鋼板生產(chǎn)工藝特性及鈦鋼復(fù)合新工藝研究[D].沈陽(yáng):東北工學(xué)院,1990.

祥光銅業(yè)年產(chǎn)40萬(wàn)t陰極銅工程投產(chǎn)

據(jù)中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)信息,近日山東祥光銅業(yè)公司閃速熔煉爐、閃速吹煉爐相繼投料,標(biāo)志著祥光銅業(yè)年產(chǎn)40萬(wàn)t陰極銅工程全面建成投產(chǎn).

祥光銅業(yè)二期工程成功對(duì)接后,產(chǎn)能可提高50%,可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)陰極銅60萬(wàn)t、黃金20 t、白銀600 t、硫酸170萬(wàn)t以及其他稀有金屬1 000 t的目標(biāo).祥光銅業(yè)是繼美國(guó)肯尼柯特公司之后,世界上第二座采用閃速熔煉和閃速吹煉工藝的銅冶煉廠.祥光銅業(yè)二期工程的建成,使企業(yè)在技術(shù)、安全、環(huán)保、節(jié)能和高效等方面走在世界前列.

(摘自《中國(guó)銅業(yè)》網(wǎng))

TheEffectofCompositeRollingProcessontheMicrostructureandPropertiesoftheMetallurgicalBondingofAlandMg

ZHANGYi-hang1,CHENFei-fan2

(1.ChinaNonferrousMetalsProcessingTechnologyCo.,Ltd.,Luoyang471039,China; 2.YTO(Luoyang)ZhongchengMachineryCo.,Ltd.,Luoyang471004,China)

Pure aluminum and AZ31 magnesium alloy were combined,using high temperature rolling,to make magnesium-aluminum composite plate,which will have a good surface corrosion resistant of aluminum and an excellent specific strength of magnesium.Metallographic microscope,scanning electron microscopy,electronic universal tensile machine and other equipment were used to test the effect of hot rolling temperature and the processing parameters of the annealing on the microstructure and the binding strength of the magnesium-aluminum composite plate.

magnesium-aluminum composite plate; rolled composite; microstructure; interfacial binding strength

1005-2046(2014)03-0105-05

10．13258／j．cnki．snm．2014．03．003

2014-05-08

張翼航(1986-)，男，助理工程師,主要從事有色金屬設(shè)備設(shè)計(jì)及軋制工藝的研究.E-mail:zhangyihang1986@163.com

TB331

A