鎂/鋁復(fù)合板材制備工藝及性能研究

陳琦，遲之東

(蘇州有色金屬研究院有限公司，江蘇蘇州215026)

鎂及鎂合金具有密度低、比強度高、比剛度高等優(yōu)點，在3C電子、汽車、航天航空和國防軍事工業(yè)領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景［1－2］。大部分鎂合金為密排六方晶體結(jié)構(gòu)，在常溫下塑性變形能力差，加工產(chǎn)品較少，尤其是鎂合金板材，其加工工藝復(fù)雜，成材率低，成本居高不下，而且鎂的化學(xué)性質(zhì)活潑，標準電極電位低(－2.37V)，氧化膜疏松多孔，導(dǎo)致其耐蝕性能差，從而嚴重制約了鎂合金板材的應(yīng)用和市場擴大。

為了降低制造成本，研究者將鑄軋技術(shù)引入了鎂合金板材的生產(chǎn)，成功制備出了規(guī)格1.5～7.0mm×400～1800mm的鑄軋板材，然后再熱溫軋制加工生產(chǎn)出各類薄板。而在改善鎂合金板材耐腐蝕性能方面，可隔絕空氣及腐蝕介質(zhì)與金屬鎂接觸，參考鋼、鋁行業(yè)中已成熟應(yīng)用的板材復(fù)合工藝，將耐腐蝕和加工性能優(yōu)異的鋁合金板材包覆在鎂合金板材表面制備出鎂/鋁復(fù)合板，也可能是一種提高鎂合金板材耐蝕性能的方法。

軋制復(fù)合是一種常見的復(fù)合板材制備工藝，該工藝通過讓異種金屬相互接觸，在軋機壓力的作用下，采用熱軋或冷軋或二者結(jié)合的方式，以及軋后退火處理來實現(xiàn)異種金屬間冶金結(jié)合。本文采用軋制復(fù)合的方法，將A5052鋁板包覆在鎂合金鑄軋板坯表面，通過多道次大壓下軋制工藝制備鎂/鋁復(fù)合板，研究軋制工藝、熱處理工藝對復(fù)合板組織和性能的影響。

1 試驗方法

試驗用鎂合金鑄軋板材采用雙輥式水平鑄軋機制備，合金牌號為AZ31B，經(jīng)均勻化處理后剪切磨削成規(guī)格為6.5mm×200mm×400mm的樣坯。包覆材料為商用 A5052鋁板，規(guī)格為 0.5mm×200mm×400mm。本文軋制試驗在四輥軋機上進行，軋輥預(yù)熱溫度為120℃，通過表面處理→軋制復(fù)合→軋后退火處理三個步驟制備出鎂/鋁復(fù)合板。試樣取自板坯縱截面，試樣經(jīng)打磨、拋光、腐蝕，腐蝕液配方為3g苦味酸+50ml乙醇 +10ml乙酸 +20ml水，采用 EPI PHOT200光學(xué)顯微鏡進行組織觀察，JSM-6480掃描電子顯微鏡對復(fù)合界面處進行形貌和能譜分析，CSS-44100型電子萬能試驗機和HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度計對板材進行力學(xué)性能測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 軋制溫度對復(fù)合效果的影響

軋制溫度是影響鎂合金板材塑形加工性能的一個重要參數(shù)，也是影響金屬復(fù)合界面結(jié)合強度的重要因素。軋制溫度的選擇標準是使異種金屬處于熱等強溫度或接近這個溫度，在此溫度區(qū)間內(nèi)，隨著溫度的升高，異種金屬組元的塑性越好，因而軋制時其延展性越好，界面上被碾碎的氧化膜越彌散，暴露出的金屬表面就越多，其結(jié)合強度也較高。因此在保證AZ31B鎂合金板材具備適當(dāng)加工性能的前提下，本文選擇軋制溫度300、350、400、450℃進行了試驗。試驗結(jié)果表明，當(dāng)軋制溫度為300～400℃，道次壓下率超過30%時都能實現(xiàn)鎂/鋁板材的良好結(jié)合，復(fù)合界面如圖1所示。

圖1 鎂/鋁復(fù)合板復(fù)合界面形貌Fig.1 Interface morphology of Mg/Al composite sheet

鎂合金屬于密排六方晶體結(jié)構(gòu)，其塑性與溫度緊密相關(guān)，由于不同滑移系之間臨界剪切應(yīng)力(CRSS)差異很大，當(dāng)溫度達到573K時，柱面滑移與基面滑移的CRSS值才基本相近，因此溫度較低時，鎂合金滑移系少、塑形差、變形難，易開裂。軋制溫度低于300℃時，鎂、鋁板材力學(xué)性能差異較大，變形程度不均勻，大部分軋制能消耗在了加工性能良好的鋁板上，鎂合金板材暴露的新生面較少，復(fù)合效果不好，而且在此溫度下采用30%以上的道次壓下率可能會導(dǎo)致板材邊裂嚴重。當(dāng)軋制溫度高于400℃時，鎂合金板材的氧化情況比較嚴重，較厚的氧化膜極大地降低了金屬表面間的有效接觸面積，從而降低了復(fù)合界面的結(jié)合強度，復(fù)合效果也較差。因此AZ31B與A5052板材的軋制復(fù)合溫度選擇在300～400℃之間。

2.2 道次壓下率對復(fù)合效果的影響

軋制復(fù)合過程是在軋制壓力的作用下，使異種金屬實現(xiàn)達到原子間引力作用范圍內(nèi)的物理接觸，從而建立起牢固的結(jié)合，因此為了獲得良好的結(jié)合需要對金屬施加足夠大的變形率。據(jù)文獻資料表明［3］，道次壓下率的大小近似等于新鮮金屬表面的暴露率。ε＜ε臨時，金屬表面膜的破裂程度小，新鮮表面產(chǎn)生較少，結(jié)合點的鍵合力不足以抵消表面膜的阻礙作用和復(fù)合組元間的彈性恢復(fù)作用，異種金屬難以復(fù)合;ε＞ε臨時，則情況相反。AZ31B鎂合金板材在300～450℃溫度區(qū)間的加工性能良好，因此本文選擇了25%、30%、35%、40%和45%的道次壓下率進行了試驗。

試驗結(jié)果表明，鎂/鋁板材軋制復(fù)合的臨界道次壓下率約為30%。當(dāng)?shù)来螇合侣实陀?0%時，復(fù)合效果較差，表層鋁板很容易剝離。當(dāng)?shù)来螇合侣食^30%后，鎂、鋁板材均可實現(xiàn)良好復(fù)合。但是當(dāng)?shù)来螇合侣蔬_到40%后，板材邊裂嚴重，不利于后序軋制過程。因此在保證AZ31B板材在軋制過程中不產(chǎn)生開裂的前提下，可以在30% ～40%范圍內(nèi)選擇較大的道次壓下率進行軋制復(fù)合，使鎂/鋁板材結(jié)合面上的氧化膜盡量碎裂，提高新生面比率以獲得較好的復(fù)合效果。

2.3 熱處理工藝對復(fù)合界面的影響

為了研究熱處理制度對鎂/鋁板材復(fù)合界面的影響，本文采用掃描電鏡對軋制態(tài)、H24態(tài)(175℃ ×45min)和O態(tài)(350℃ ×120min)的復(fù)合板進行了形貌觀察和成分分析，檢測結(jié)果如圖2所示。

圖2 軋制態(tài)、H24、O態(tài)包鋁鎂合金板材的復(fù)合界面Fig.2 Comparison of composite interface of as－rolled，H24，O aluminum clad magnesium sheets

從圖2中可以看出，用掃描電鏡對復(fù)合界面進行EDS成分分析后，復(fù)合界面上存在一層金屬化合物。據(jù)文獻資料表明，這是在高溫軋制和中間退火過程中通過原子擴散形成的金屬間化合物，主要包含Mg17Al12、MgAl及 Al3Mg2這三種金屬間化合物［4］，這些鎂鋁中間相硬而脆，對板材性能不利。鎂/鋁復(fù)合板材經(jīng)過H24熱處理后，與軋制態(tài)相比，復(fù)合界面形貌變化不大，但是金屬間化合物層的厚度明顯增加了，且出現(xiàn)了分層現(xiàn)象。這說明在H24熱處理溫度下，Al、Mg元素的擴散速度較室溫時大幅加快，從而導(dǎo)致復(fù)合界面上金屬間化合物層厚度的增加，這對鎂/鋁復(fù)合板材的結(jié)合強度也將帶來負面影響。經(jīng)過O態(tài)熱處理后，鎂鋁復(fù)合界面上部分出現(xiàn)了裂紋情況。這是由于在高溫退火過程中，脆性的金屬間化合物層厚度顯著增大，當(dāng)其超過一定厚度后，復(fù)合界面上的殘余應(yīng)力使其發(fā)生了破裂，從而引發(fā)裂紋的產(chǎn)生［5］，最終導(dǎo)致復(fù)合失效。

2.4 熱處理溫度對復(fù)合板材力學(xué)性能的影響

為了考察熱處理溫度對板材力學(xué)性能的影響，本文對兩種熱處理制度的復(fù)合板材(厚度1mm)進行了拉伸性能測試，其結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，隨著熱處理溫度的升高，鎂/鋁復(fù)合板材的抗拉強度呈明顯下降趨勢，特別是經(jīng)過完全退火后，抗拉強度損失很大，這可能是O態(tài)板材中出現(xiàn)了部分裂紋所致。經(jīng)H24處理后，伸長率較軋制態(tài)有所提高，但是經(jīng)O態(tài)熱處理后，其延伸率出現(xiàn)了一定程度的下降，其原因是在高溫狀態(tài)下金屬間化合物的數(shù)量增多，厚度加大，導(dǎo)致復(fù)合界面脆化，板材塑性下降。因此鎂鋁復(fù)合板材為了避免材料綜合性能降低，不適合進行高溫?zé)崽幚怼?/p>

表1 不同熱處理制度對鎂/鋁復(fù)合板材力學(xué)性能的影響Fig.2 Effect of different heat treatment processes on mechanical properties of Mg/Al composite sheet

3 結(jié)論

為了改善鎂合金板材的耐腐蝕性能，本文采用了軋制復(fù)合工藝制備了包鋁鎂合金板材，并對影響復(fù)合板材力學(xué)性能的主要軋制工藝進行了研究。試驗結(jié)果表明:當(dāng)軋制溫度為300～400℃、道次壓下率30% ～40%時，鎂、鋁板材可以實現(xiàn)良好的復(fù)合;復(fù)合板材的退火工藝會對板材性能產(chǎn)生較大的影響，鎂鋁復(fù)合板材的熱處理溫度應(yīng)控制在H24溫度以下。

［1］Hoy-Petersen N.Proc.47th Annual World Magnesium Conference［C］. Cannes， France:InternationalMagnesium Association，1990.18.

［2］Michael M Avedesian，Baker H.ASM Speciality Handbook Magnesium and Magnesium alloys［M］.ASM International Materials Park，1999.

［3］鄧華，姚若浩，楊建武.銅－鋁軋制復(fù)合工藝研究［J］.南方冶金學(xué)院學(xué)報，1999，18(2):120 －121.

［4］Y.G.Li，J.Wang，et al.XRD and SEM analysis near the diffusion bonding interface of Mg/Al dissimilar materials［J］.VACUUM.2008.82:15.

［5］吳樹森，嚴有為.材料成型界面工程［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.