ZK61M鎂合金大扁錠熱軋開(kāi)裂成因分析

馬寶平，肖瑞雪，譚勁峰

(中鋁洛陽(yáng)銅業(yè)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000)

ZK61M鎂合金作為一種高強(qiáng)度鎂合金，其比強(qiáng)度超過(guò)了高強(qiáng)度的7075鋁合金，只要解決其變形成形等關(guān)鍵問(wèn)題，極有可能取代相當(dāng)部分的鋁合金制品，為材料領(lǐng)域帶來(lái)繼鋁合金之后的又一次革命。但ZK61M鎂合金塑性差，熱加工溫度范圍窄，扁錠熱軋開(kāi)裂和裂邊傾向性大，軋制板材生產(chǎn)難度較大，限制了其進(jìn)一步推廣應(yīng)用。因此，如何防止或減少熱軋ZK61M合金扁鑄錠時(shí)的開(kāi)裂和裂邊，是目前的技術(shù)難題。

為了解決ZK61M合金熱軋開(kāi)裂問(wèn)題，本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)影響ZK61M合金熱軋開(kāi)裂的可能因素即鑄錠質(zhì)量、鑄錠均勻化退火工藝、熱軋溫度、軋制工藝及化學(xué)成分等進(jìn)行了研究，對(duì)熱軋開(kāi)裂的原因進(jìn)行分析。

1 ZK61M合金的化學(xué)成分和板材生產(chǎn)工藝流程

ZK61M合金的化學(xué)成分如表1所示。

表1 ZK61M合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Tab.1 Chemical composition of ZK61M alloy(wt.%)

板材生產(chǎn)工藝流程為原始錠坯采用半連續(xù)鑄造扁錠250mm×800mm×4000mm，熱軋至20mm厚，軋制工藝為鑄造扁錠→鋸切→銑面→鑄錠檢測(cè)→均勻化處理→加熱→熱軋→矯直→(熱處理)→鋸切→驗(yàn)收。

2 ZK61M鑄錠熱軋開(kāi)裂情況

熱軋ZK61M合金扁鑄錠開(kāi)裂主要有兩種形式，一種是鑄錠整體開(kāi)裂(圖1(a))，鑄錠被軋至200～150mm厚時(shí)，發(fā)生整個(gè)鑄錠裂碎現(xiàn)象;另一種是板帶裂邊，軋至50～30mm厚時(shí)，板帶兩側(cè)出現(xiàn)垂直于板側(cè)、向板材中部擴(kuò)展的裂紋，裂紋嚴(yán)重程度不同，輕者裂紋長(zhǎng)5～10mm，重者達(dá)150mm，板帶裂邊見(jiàn)圖1(b)。

3 ZK61M鑄錠熱軋開(kāi)裂原因分析

3.1 鑄錠內(nèi)部質(zhì)量的影響

鎂化學(xué)性質(zhì)活潑，熔融狀態(tài)下極易與氧、氮和水汽反應(yīng)，因此極易形成熔劑夾渣和氧化夾渣缺陷。ZK61M合金中的夾渣，在金屬變形過(guò)程中阻礙位錯(cuò)滑移，產(chǎn)生應(yīng)力集中，所以有夾渣的地方容易形成裂紋源，軋制時(shí)使錠坯開(kāi)裂并嚴(yán)重影響軋件的機(jī)械性能。

圖1 扁錠開(kāi)裂形式Fig.1 Cracked patterns of ingot

鑄錠晶粒的粗細(xì)和均勻程度是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)板材的前提，鎂合金鑄錠晶粒度分為細(xì)、中、粗三種，粗大的晶粒組織不僅容易導(dǎo)致厚板形成粗大的片層粗晶組織［1］，降低產(chǎn)品性能，而且還顯著降低軋制性能，容易出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，因此必須嚴(yán)格控制與檢驗(yàn)鑄錠夾渣和晶粒度。對(duì)ZK61M鑄錠內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 鑄錠內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Test results of ingot internal quality

按照鎂合金鑄錠的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)(企業(yè)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn))，鑄錠內(nèi)部質(zhì)量較好，全部合格。730、733熔次經(jīng)探傷雖發(fā)現(xiàn)有輕微缺陷(在缺陷處取高倍檢測(cè)也發(fā)現(xiàn)局部晶界處存在疏松缺陷)，見(jiàn)圖2，但從現(xiàn)場(chǎng)軋制情況看該熔次均軋制成功，因此可確定局部疏松不是熱軋開(kāi)裂的主要因素。

圖2 730、733熔次高倍顯微組織(圖中箭頭所示為顯微縮松缺陷)Fig.2 Micrographs showing microstructure of ingot with Melt No.730 and 733

3.2 鑄錠均勻化工藝的影響

圖3 原始鑄態(tài)組織Fig.3 Primary as-cast structure

ZK61M變形鎂合金板材的生產(chǎn)采用的是半連續(xù)鑄造生產(chǎn)鑄坯，鑄造過(guò)程中，由于非平衡結(jié)晶產(chǎn)生微觀偏析，在晶界及枝晶網(wǎng)絡(luò)上往往存在粗大的共晶化合物(圖3)。ZK61M合金鑄態(tài)組織由粗大的α(Mg)基體和呈連續(xù)網(wǎng)狀分布于晶界上的粗大共晶組織組成，共晶組織的存在造成成分不均勻，塑性變形時(shí)，各相變形性能不同，因此易在各相之間存在不均勻變形并導(dǎo)致附加內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生，引起大量晶間裂紋的萌生，使變形不均勻，材料綜合力學(xué)性能下降［2］。為改善鑄錠化學(xué)成分和組織的不均勻性，避免熱軋開(kāi)裂，必須要在鑄造后對(duì)鑄坯進(jìn)行均勻化退火處理。

均勻化過(guò)程中擴(kuò)散系數(shù)與均勻化溫度的關(guān)系為:

式中，D0為與溫度無(wú)關(guān)的系數(shù)，Q為擴(kuò)散激活能，R為氣體常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。從(1)式中可以看出，溫度越高，T值越高，擴(kuò)散系數(shù)越大，原子擴(kuò)散速度越快。因此，為了加速均勻化的過(guò)程，應(yīng)盡可能提高均勻化處理溫度。但是溫度過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)燒，使力學(xué)性能下降，造成廢品。

參照公式(1)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，斷面為250mm×800mm的ZK61M扁錠均勻化退火制度為均熱溫度390℃，保溫15h。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得知，金屬溫度已經(jīng)達(dá)到了工藝要求。經(jīng)顯微組織檢查(圖4(a))，均勻化后，合金組織中大部分的非平衡共晶物已經(jīng)溶解，晶界變得細(xì)小，但在晶界上仍然殘留部分黑色的非平衡相，呈斷續(xù)狀分布，說(shuō)明均勻化還不夠充分。

選取部分鑄錠進(jìn)行二次均熱。研究表明，均勻化溫度在均勻化過(guò)程中起主導(dǎo)作用，在同一溫度下過(guò)度增加保溫時(shí)間作用不大［3］?？紤]到增加均熱溫度容易引起過(guò)燒，因此選用同樣均勻化制度再次進(jìn)行均熱，如圖4(b)所示，黑色的非平衡相已基本溶解于α(Mg)基體中，使晶界變得清晰和細(xì)小，枝晶偏析得到了很好的解決。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，均熱一次的鑄錠開(kāi)裂率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于均熱而次的鑄錠。由此說(shuō)明，均勻化是否充分是影響熱軋開(kāi)裂的主要因素之一。

圖4 不同均熱制度效果對(duì)比Fig.4 Micrographs showing comparison of different soaking systems

3.3 熱軋溫度的影響

軋制溫度是軋制參數(shù)中最主要的因素，它不但影響軋制過(guò)程的進(jìn)行，還影響成品率、產(chǎn)品質(zhì)量以及組織和力學(xué)性能等。根據(jù)合金相圖、塑性圖和再結(jié)晶圖等來(lái)確定坯料的加熱溫度。ZK61M合金的熔化溫度是640℃，從230℃開(kāi)始合金中有第二相析出，因此，ZK61M鎂合金軋制溫度為230～603℃。結(jié)合Mg-Zn、Mg-Zr二元合金相圖可知，合金在300～400℃塑性最好［4］。結(jié)合高溫塑形圖確定ZK61M合金扁鑄錠的熱軋溫度為380～410℃［5］。生產(chǎn)實(shí)踐表明，軋制溫度超過(guò)410℃時(shí)，往往造成錠坯斷裂軋制無(wú)法進(jìn)行，其原因?yàn)椋?］:①合金的熱效應(yīng)較大，高溫軋制時(shí)的變形熱可使錠坯溫度超過(guò)合金的塑性溫度范圍，從而降低了合金的熱塑性;②熱軋溫度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致晶間氧化和鋅的蒸發(fā)，使合金強(qiáng)度和塑性降低，造成熱軋開(kāi)裂。

鑄錠加熱時(shí)間的控制。鎂合金導(dǎo)熱系數(shù)高，沒(méi)有相變過(guò)程，所以軋制前采取快速加熱不會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，為縮短加熱時(shí)間，加熱時(shí)應(yīng)先將爐溫升高至工作溫度再行裝料。坯料在爐中的加熱溫度和保溫時(shí)間必須嚴(yán)加控制，因ZK61M合金在加熱軟化后，雖然可以用熱處理方法加以強(qiáng)化，但其強(qiáng)化效果不太明顯。因此軋前加熱溫度太高，保溫時(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)使合金產(chǎn)生再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大，從而造成合金軟化，使軋件機(jī)械性能降低。為了獲得較高的機(jī)械性能，避免加熱軟化，ZK61M鎂合金總的加熱時(shí)間最好不大于6h，一次加熱時(shí)間超過(guò)10h，應(yīng)停止加熱。

ZK61M合金鑄錠是在雙膛鏈?zhǔn)娇諝庋h(huán)電阻加熱爐中加熱，溫度可控精度±5℃以內(nèi)。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)嚴(yán)格控制熱軋溫度。為防止軋件急劇降溫，將熱軋前和熱軋過(guò)程中軋件的停留時(shí)間降到最短。

終軋溫度的控制，軋制溫度過(guò)低時(shí)，軋制后期合金的硬化傾向增大，塑性也大大下降，軋制困難，往往會(huì)出現(xiàn)裂紋;終軋溫度一般控制在320～350℃。

所統(tǒng)計(jì)的7塊熱軋開(kāi)裂鑄錠，有2塊是因軋機(jī)故障致使鑄錠在輥道停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，溫降較多，導(dǎo)致板表面和邊部出現(xiàn)裂紋。如果現(xiàn)場(chǎng)的鑄錠加熱工序嚴(yán)格執(zhí)行工藝操作規(guī)程，可以認(rèn)定熱軋溫度也不是ZK61M熱軋開(kāi)裂的主要原因。

3.4 熱軋制度的影響

ZK61M合金工藝塑性不好，流動(dòng)性差，抗剪強(qiáng)度低，對(duì)缺口十分敏感，所以熱軋時(shí)道次軋制率小、軋制速度低、軋制道次多，其熱軋制度如下:

①軋制速度。熱軋速度高時(shí)，變形過(guò)程中合金回復(fù)和再結(jié)晶不充分，使合金產(chǎn)生加工硬化，塑性進(jìn)一步降低，更易軋裂，且較大的變形熱又會(huì)使溫度升高，降低合金的抗拉強(qiáng)度，從而造成鑄錠開(kāi)裂或表面裂紋。這種現(xiàn)象在鑄錠厚度較大和鑄錠質(zhì)量較差的情況下更為明顯，所以，一般將軋制速度控制在0.2～0.8m/s。由于變形速度慢，變形過(guò)程中合金再結(jié)晶溫度低，來(lái)得及回復(fù)和再結(jié)晶，使塑性得到恢復(fù)，裂紋缺陷大大減少;

②道次加工率。頭兩道軋制時(shí)坯料溫度很高，若道次加工率過(guò)大，變形熱效應(yīng)會(huì)使合金超出熱軋溫度范圍而惡化軋制性能，因此頭兩道次的加工率應(yīng)控制在10%以內(nèi);隨著鑄錠組織的改善(頭兩道次過(guò)后)，在設(shè)備負(fù)荷允許的條件下，可充分利用金屬的高溫塑性，盡可能地加大道次壓下量，以減少軋制道次，但不宜超過(guò)20%。

現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證軋制制度合理，由此可見(jiàn)熱軋制度不是鑄錠開(kāi)裂的主要因素。

4 化學(xué)成分對(duì)鑄錠熱軋性能的影響

從以上三方面對(duì)ZK61M合金扁鑄錠熱軋開(kāi)裂影響的分析表明，試驗(yàn)范圍內(nèi)，熱軋溫度和軋制制度均不是此次統(tǒng)計(jì)過(guò)程中熱軋開(kāi)裂的主要原因，而鑄錠均勻化處理對(duì)熱軋開(kāi)裂有一定影響，故有必要對(duì)鑄錠成分進(jìn)行分析。

4.1 Zn含量

從現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)來(lái)看(圖5)，在不考慮元素Zr的影響時(shí)，當(dāng)Zn含量達(dá)到5.61%時(shí)已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)邊部裂紋，達(dá)到5.71%時(shí)已出現(xiàn)全部開(kāi)裂，達(dá)到5.85%時(shí)全部裂碎。由此可以認(rèn)為，Zn含量過(guò)高是造成ZK61M合金熱軋開(kāi)裂的主要因素。

圖5 Zn含量對(duì)熱軋開(kāi)裂的影響Fig.5 Effect of Zn content on cracking in hot rolling

Zn是ZK61M鎂合金的第一主加元素，因此Zn含量直接影響ZK61M鎂合金鑄錠的組織和性能。根據(jù)Mg-Zn二元相圖，平衡結(jié)晶時(shí)，340℃發(fā)生共晶反應(yīng)L→α-Mg+Mg7Zn3。Mg7Zn3屬于亞穩(wěn)相，在隨后的冷卻過(guò)程中分解成α-Mg和MgZn。ZK61M鎂合金的主要時(shí)效強(qiáng)化相也是由Mg-Zn二元相組成的。Zn在ZK61M鎂合金中既可以提高強(qiáng)度，又可以提高抗腐蝕性能，但只有當(dāng)Zn含量在一定范圍內(nèi)才可獲得優(yōu)良的綜合性能。如圖6所示，當(dāng)ω(Zn)＜6%時(shí)，隨Zn含量增加，抗拉強(qiáng)度升高，屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率先升高后降低;當(dāng)ω(Zn)大于6%時(shí)，抗拉強(qiáng)度仍升高，屈服強(qiáng)度降低，而伸長(zhǎng)率降低得更多。因此工業(yè)上使用的Mg-Zn合金通常ω(Zn)＜6% 。但實(shí)踐證明，用于壓力加工的ZK61M合金鑄錠中Zn的含量應(yīng)控制在5.0% ～5.6%，超出5.6%即有可能出現(xiàn)裂邊，一旦超出5.71%即出現(xiàn)熱軋開(kāi)裂現(xiàn)象。

圖6 Zn對(duì)Mg-Zn二元合金性能的影響［1］Fig.6 Effect of Zn on properties of Mg-Zn binary alloy

4.2 Zr元素

Zr是ZK61M鎂合金的第二主加元素，起變質(zhì)劑的作用，其含量一般為 ω(Zr)=0.3% ～0.9%。Zr既可以強(qiáng)烈細(xì)化晶粒、降低顯微疏松傾向，又能縮小脆性區(qū)溫度范圍，因而它也是影響ZK61M鎂合金組織和性能的關(guān)鍵元素［1］。

由圖7可看出，隨著Zr含量的增加，晶粒不斷細(xì)化，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度也不斷提高。Zr含量達(dá)到0.6% ～0.8%(不小于0.5%)時(shí)，具有最大細(xì)化晶粒和提高機(jī)械性能的作用，細(xì)小的晶粒組織有助于改善ZK61M鑄錠熱軋性能，減少熱軋開(kāi)裂。本次生產(chǎn)中Zr含量普遍偏低(圖5)，軋制時(shí)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，結(jié)合ZK61M合金的成分要求，Zr含量控制在0.5% ～0.8%。

綜上所述，Zn含量高是造成ZK61M鑄錠熱軋開(kāi)裂的主要因素，而Zr在ZK61M合金中能有效細(xì)化晶粒，改善熱軋性能，減少熱軋開(kāi)裂傾向。因此，Zn含量應(yīng)該控制在5.0% ～5.6%，Zr含量應(yīng)控制在0.5% ～0.8%。

圖7 Zr含量對(duì)MgZn6合金機(jī)械性能及晶粒度的影響［1］Fig.7 Effect of Zr content on mechanical properties and grain size of MgZn6alloy

5 結(jié)論

1)試驗(yàn)時(shí)合理控制軋制溫度、軋制制度和均勻化退火制度均可有效降低開(kāi)裂現(xiàn)象。本次試驗(yàn)中軋制溫度、軋制制度均比較合理，均勻化退火是否充分是影響本次熱軋?jiān)囼?yàn)中ZK61M板材是否開(kāi)裂的主要因素之一，合理的均勻化退火制度應(yīng)為390℃/15h，均熱兩次;

2)Zn含量高是造成鑄錠軋制開(kāi)裂的主要因素，Zn含量應(yīng)該控制在5.0% ～5.6%之間;Zr在ZK61M合金中能有效細(xì)化晶粒，改善熱軋性能，減少鑄錠開(kāi)裂，Zr含量應(yīng)控制在0.5% ～0.8%。

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