包鋁鎂合金復(fù)合板軋制制備新工藝

劉鵬濤，馬立峰，2，賈偉濤，龐志寧

（1.太原科技大學(xué)山西省冶金設(shè)備設(shè)計(jì)理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030024；2.吉林大學(xué)超塑性研究所，吉林長(zhǎng)春130025）

包鋁鎂合金復(fù)合板軋制制備新工藝

劉鵬濤1，馬立峰1，2，賈偉濤1，龐志寧1

（1.太原科技大學(xué)山西省冶金設(shè)備設(shè)計(jì)理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030024；2.吉林大學(xué)超塑性研究所，吉林長(zhǎng)春130025）

本研究采用澆鑄預(yù)復(fù)合+熱軋新工藝成功地制備了包鋁鎂合金復(fù)合板。借助金相顯微鏡和顯微硬度測(cè)試儀分析了澆鑄預(yù)復(fù)合+熱軋新工藝對(duì)包鋁鎂合金復(fù)合板的微觀組織形貌特征和顯微硬度的變化情況。研究表明：由于澆鑄預(yù)復(fù)合的鋁液溫度較高，使得Mg/Al復(fù)合界面上形成較多數(shù)量的“熔池”，有效地提高了軋前Mg/Al金屬預(yù)復(fù)合的結(jié)合強(qiáng)度;熱軋制復(fù)合工藝下的大壓下量有效地細(xì)化了Mg/Al結(jié)合層的組織，增強(qiáng)了復(fù)合界面的結(jié)合強(qiáng)度。

鑄造復(fù)合;熱軋;鎂鋁復(fù)合板;結(jié)合層

1 前 言

鎂合金的塑形變形能力較差、鎂元素非?；顫?，容易被空氣中的氧氣氧化，生成疏松的氧化膜，因此鎂合金存在耐腐蝕能力較低的問(wèn)題［1-5］。由于鋁合金具有塑性好、耐腐蝕能力強(qiáng)的特點(diǎn)，因此可以考慮將鋁包覆在鎂合金的表面。這一方面基于鋁在鎂合金表面形成負(fù)拉應(yīng)力，減少鎂合金在變形過(guò)程中表面小裂紋的產(chǎn)生，從而提高鎂合金的加工變形能力;另一方面鋁的包覆能夠防止鎂在空氣中易被氧化的問(wèn)題，提高鎂合金的耐腐蝕能力［6-9］。

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和各種新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)，人們對(duì)材料性能的要求日益增高，單一材料己經(jīng)很難滿足要求。復(fù)合材料由于在設(shè)計(jì)上綜合了各組元的優(yōu)點(diǎn)，并彌補(bǔ)了各自的不足，具有單一金屬或合金無(wú)法比擬的優(yōu)異綜合性能。復(fù)合材料一般可分為層狀復(fù)合材料、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其中層狀復(fù)合材料比顆粒增強(qiáng)、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于宇航、機(jī)械、石油、冶金等領(lǐng)域。目前，金屬層狀復(fù)合材料已成為當(dāng)今材料科學(xué)的研究熱點(diǎn)之一［11-16］。

基于上述思路，為進(jìn)一步提高鎂合金的塑性變形能力，降低生產(chǎn)成本，并且改善變形鎂合金制品的耐腐蝕性能，本研究采用溶鑄法在鎂合金表層澆注熔融的鋁合金液，制備成包鋁鎂合金板坯，再通過(guò)后續(xù)的熱軋工藝制成包鋁鎂板。并應(yīng)用金相顯微鏡（OM）、顯微硬度測(cè)試儀探討了包覆軋制對(duì)復(fù)合板界面顯微組織和界面結(jié)合強(qiáng)度的影響，以確定最行之有效的包鋁鎂板軋制復(fù)合工藝。本研究對(duì)于提高鎂板的生產(chǎn)技術(shù)水平、推動(dòng)鎂合金板帶材的產(chǎn)業(yè)化、拓寬鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用AZ31B（成分如表1）和5052AL（Al：余量，Si：≤0.25，Cu：≤0.10，Mg：2.2～2.8，Zn：≤0.10，Mn：≤0.10，Cr：0.15～0.35，F(xiàn)e：≤0.40，wt.％），先將準(zhǔn)備好的5052Al鋁合金和AZ31B鎂合金分別放入坩堝內(nèi)熔煉。以10℃/min的加熱速率均勻加熱，將鋁合金加熱到650～700℃;等到兩種合金都成為熔融狀態(tài)后，使用鉬棒慢慢攪拌直至完全熔化，然后靜置10分鐘;保持溫度在650～700℃，開(kāi)始精煉，精煉到一定程度，再靜置10min。整個(gè)熔煉過(guò)程都在保護(hù)氣氛下進(jìn)行。待兩種熔融態(tài)的合金準(zhǔn)備好后，先將熔融的液態(tài)鎂合金引流到結(jié)晶器中，結(jié)晶器中通入冷卻液，慢慢形成半固態(tài)漿料。接著將鋁合金熔液導(dǎo)入，利用模具慢慢覆蓋到鎂合金的表層，直到兩種合金在保護(hù)氣氛下慢慢冷卻，得到包覆鋁合金的鎂合金板坯，最后對(duì)板坯進(jìn)行軋制。然后通過(guò)光學(xué)顯微鏡（OM）觀察軋制后的板坯組織。并用金相顯微硬度儀測(cè)定兩種金屬結(jié)合部位的顯微硬度，測(cè)得結(jié)合層和各基層的硬度值。

表1 AZ31B鎂合金板材的化學(xué)成分Table 1 Contents of AZ31BB magnesium alloy sheet

圖1 軋制后AZ31B鎂合金基材的顯微組織Fig.1 Microstructure of AZ31B magnesium alloy substrate after rolling

3 結(jié)果和討論

3.1 軋制復(fù)合對(duì)AZ31B鎂合金顯微組織及界面結(jié)構(gòu)的影響

3.1.1 軋制復(fù)合對(duì)AZ31B鎂合金基材顯微組織的影響 圖1為鑄造Al/AZ31B包鋁鎂合金鑄錠經(jīng)過(guò)400℃復(fù)合軋制，累積壓下量ε=80％的AZ31B鎂合金基材顯微組織圖片。AZ31B鎂合金是鑄態(tài)枝晶結(jié)構(gòu)，從圖1-a、b可以明顯看出。經(jīng)過(guò)澆鑄鋁合金、復(fù)合軋制等工藝得到復(fù)合中間層，該復(fù)合層的晶體結(jié)構(gòu)比較均勻，從圖1-c、d中可以明顯觀察得到。說(shuō)明經(jīng)過(guò)復(fù)合軋制后，組織得到較好的改善。

3.1.2 軋制復(fù)合對(duì)Al/Mg復(fù)合界面顯微組織的影響 在軋制壓力作用下，擴(kuò)散連接處（即結(jié)合層）由于受到高溫性能的影響，會(huì)產(chǎn)生一定的宏觀變形，影響結(jié)合層的組織性能。因此，擴(kuò)散界面的結(jié)合狀況是決定Mg/Al異質(zhì)材料結(jié)合性能能否滿足使用要求的關(guān)鍵。

圖2為鑄造Al/AZ31BB包鋁鎂合金鑄錠經(jīng)過(guò)400°C復(fù)合軋制，累積壓下量80％時(shí)Al/Mg復(fù)合界面的顯微組織。從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)大變形量的軋制變形之后，原來(lái)存在于復(fù)合界面的α-Mg+Mg17Al12共晶組織層、Mg17Al12化合物層及Al Mg化合物層均在軋制力的作用下被破碎、細(xì)化。隨著軋制壓下量的增大，Al/Mg復(fù)合板尺寸在長(zhǎng)度和寬度方向不斷伸長(zhǎng)，界面處破碎的金屬間化合物在切應(yīng)力作用下發(fā)生“流變”，均勻分布在Al/Mg結(jié)合界面處，并在軋制力作用下最終實(shí)現(xiàn)Al/Mg界面的完整結(jié)合。累積壓下量越大，Al/Mg復(fù)合界面面積越大，界面金屬間化合物分布越均勻，金屬間化合物層的厚度越小。在80％的壓下量下，Al/Mg結(jié)合界面較為完整，但仍然存在少量的孔洞，如圖（b）所示。此外，在（b）中Al/Mg結(jié)合界面處仍可觀察到未完全破碎、細(xì)化的金屬間化合物層。因此，在累計(jì)大壓下率下復(fù)合軋制，可以使金屬間化合物進(jìn)一步破碎、細(xì)化、分散，同時(shí)使局部的裂紋彌合，最終得到較好的鎂鋁金屬間結(jié)合組織［8］。

圖2 Al/Mg復(fù)合界面的顯微組織Fig.2 Microstructure of Al/Mg boundary of composite after rolling.

3.2 復(fù)合后板坯的顯微硬度

結(jié)合層的顯微硬度分布反映了該區(qū)域組織性能的變化。用金相顯微硬度計(jì)對(duì)Mg/Al復(fù)合板的兩側(cè)基體、結(jié)合層及滲透層的顯微硬度進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如圖3所示?？梢?jiàn)從滲透層經(jīng)過(guò)結(jié)合層過(guò)渡到基體顯微硬度呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，滲透層和結(jié)合層的顯微硬度較高，為114 Hv～132Hv，向基體過(guò)渡時(shí)顯微硬度逐漸降低，表明在滲透層和結(jié)合層附近存在高硬度的化合物相。這更好地說(shuō)明了復(fù)合界面的α-Mg+Mg17Al12共晶組織層、Mg17Al12化合物層及Al Mg化合物層均在軋制力的作用下被破碎、細(xì)化，使得結(jié)合層的組織更加致密，從而說(shuō)明鎂鋁兩種金屬結(jié)合得較好。

圖3 復(fù)合板坯的顯微硬度Fig.3 Microhardness of composite slab

4 結(jié) 論

1.AZ31B鎂板上澆注5052鋁合金的瞬間結(jié)合面極易形成“熔池”，較高的材料溫度導(dǎo)致雙層金屬液相原子相互擴(kuò)散，有利于后續(xù)軋制復(fù)合成形，此新工藝是液固復(fù)合制坯+固相軋制復(fù)合的初步嘗試和探討。

2.軋制復(fù)合能夠使?jié)沧㈩A(yù)處理得到的結(jié)合層組織在大壓下量的作用下得以破碎、細(xì)化，有效改善結(jié)合層的界面結(jié)合不優(yōu)、強(qiáng)度弱、內(nèi)應(yīng)力高、后續(xù)精整困難等缺陷。

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A New Rolling Technology of Aluminum Covered Magnesium Alloy Composite Sheet

LIU peng-tao1，MA Li-feng1，2，JIA Wei-tao1，p ANG Zhi-ning1
（1.Shanxi provincial Key Laboratory of Metallurgical Equipment Design and Technology of Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China;2.Superplastic Institute of Jilin University，Changchun 130025，China）

Aluminum magnesium alloy composite plate was produced by first casting liquid aluminum onto magnesium alloy and then hot rolling.Then the changes of microstructure and micro hardness of the plate were analyzed by some instruments，including microscope，microhardness tester and others.The research result shows that liquid aluminum casting makes a large number of“baths”form over the magnesium aluminum boundaries.These improved the bonding strength of pre-rolling Mg/Al composite.The organization of Mg-Al bonding layer was refined by the large draft of hot rolling recombination process.The bonding strength of composite interface was further improved.

casting compound;hot-rolling;Mg/Al composite plate;bonding layer

TG146.2+2

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2016.03.033

1673-2812（2016）03-0497-04

2015-05-22;

2015-07-09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51105264），中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2012M520677），山西省攻關(guān)資助項(xiàng)目（20130321010-03），山西省高校青年學(xué)術(shù)帶頭人計(jì)劃資助項(xiàng)目（TYAL），太原科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新資助項(xiàng)目（20145005）。

劉鵬濤（1989-），碩士研究生，從事材料科學(xué)與工程研究。E-mail：pengtao529@163.com。

馬立峰，教授。E-mail：61518633@qq.com。