熱軋過程中壓下量對AZ61鎂合金組織與性能的影響

王宏巖，梁海成

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

鎂合金具有低密度、高比剛度、高比強度和機械加工方便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于電子、汽車和航空等行業(yè)。常溫條件下鎂合金強度低、塑性變形能力差。因此，優(yōu)化鎂合金的可加工性能，提高鎂合金板材的生產(chǎn)效率，探討鎂合金軋制工藝參數(shù)對于工程應(yīng)用具有重要意義。

AZ61是典型成形性能較好的變形鎂合金之一，具有良好的綜合性能。目前，部分學(xué)者對AZ31、AZ80等變形鎂合金軋制工藝進行了大量研究，獲得了軋制溫度、變形量、退火溫度等參數(shù)對材料組織性能的影響規(guī)律[1-3]。嵇文鳳等研究軋制溫度對AZ61鎂合金板材的顯微組織和力學(xué)性能的影響[4]。El-Morsy等研究在300℃時AZ61的軋制性能，發(fā)現(xiàn)在該溫度下AZ61板材成材率較差，但在總壓下量達到90%時能夠獲得大量細小的等軸晶粒[5]。J.A.del Valle 等分析AZ61在375℃溫度下大應(yīng)變熱軋過程中的組織結(jié)構(gòu)演化規(guī)律[6]。由于鎂合金的耐蝕性較差，使其工程應(yīng)用受到嚴重限制，近年來許多學(xué)者對此進行了深入研究。李凌杰等對軋制AZ61鎂合金表面、側(cè)面和截面進行耐蝕性研究，影響耐蝕性能的根本原因是軋制處理引起的材料微觀組織各向異性[7]。李連強等對AZ61鎂合金在人造海水溶液中的腐蝕及放電行為進行了研究，發(fā)現(xiàn)大電流放電時表現(xiàn)出良好的耐蝕性能[8]。汪利娜等研究了腐蝕液濃度對AZ61鎂合金耐蝕性能的影響[9]。然而，熱軋過程中壓下量會對鎂合金的微觀組織結(jié)構(gòu)和綜合性能產(chǎn)生重要影響，目前有關(guān)此方面的研究報道甚少。基于以上分析，本文以AZ61鎂合金為研究對象，探討熱軋過程中壓下量對其顯微組織、力學(xué)性能和耐蝕性能的影響規(guī)律，促進AZ61變形鎂合金產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。

1 實驗

實驗所用材料為鑄態(tài)AZ61鎂合金板材，其化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)為：6.859Al、1.226Zn、0.188Mn、0.1Si、0.007Fe、0.002Ni、0.004Cu、0.003S、余量為Mg。軋制開始前，將規(guī)格為100mm×100mm×50mm試樣放置在VTHK-500K真空電阻爐內(nèi)，爐溫升至380℃時保溫10 h進行退火處理，然后將試樣切成尺寸為100mm×25mm×25mm的板坯。實驗采用φ230mm×200mm雙棍可逆式軋機，對退火后試樣進行不同壓下量的多道次軋制實驗，軋制溫度為350℃，軋制過程中首道次試樣保溫時間為30min，其他道次之間保溫時間為20min，軋制總變形量分別為20%、40%和60%，板材最終厚度為10mm。對原始坯料和軋后鎂合金板材1/2位置進行切割取樣，3000#SiC砂紙打磨和呢絨精拋，采用蒸餾水(10mL)+醋酸(5g)+苦味酸(5g)+乙醇(100mL)混合溶液浸蝕。利用光學(xué)顯微鏡和維氏硬度計對樣品進行顯微組織觀察和硬度測試。電化學(xué)測試試樣尺寸為10mm×10mm×10mm，工作面積為100mm2，非工作面用環(huán)氧樹脂封裝，試樣表面依次采用400#、600#、800#和1200#SiC砂紙打磨，用丙酮除油，乙醇洗滌，冷風(fēng)吹干。利用PATSTAT2273電化學(xué)工作站對試樣進行極化曲線測量實驗。電化學(xué)測試系統(tǒng)為傳統(tǒng)的三電極體系，飽和甘汞電極(SCE)和鉑電極分別作為參比電極和輔助電極，AZ61鎂合金為工作電極，腐蝕溶液為3.5%NaCl中性溶液，溫度為25℃。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 原始坯料顯微組織分析

AZ61鎂合金均勻化退火后的顯微組織如圖1所示，晶體結(jié)構(gòu)呈網(wǎng)格狀分布且晶粒尺寸比較粗大，橫向長度約為200μm，晶體內(nèi)部有少量的未固溶β相，晶界處斷續(xù)分布著大尺寸的白色條狀和呈細小層片狀的β相(Mg17Al12)晶粒。在兩個晶粒交界處斷續(xù)分布的β相尺寸較小，在Y形晶界處殘存的呈細小層片狀β相尺寸較大。

圖1 退火后AZ61鎂合金的顯微組織

2.2 不同壓下量對鎂合金板材顯微組織的影響

圖2為AZ61鎂合金板材經(jīng)多道次不同壓下量的熱軋后顯微組織，可以發(fā)現(xiàn)隨著變形程度的增加，鎂合金板材的晶粒尺寸逐漸減小，組織均勻性越來越好。圖2a為變形程度20%第一道次軋制樣品的顯微組織，軋制變形使晶粒沿軋制方向拉長，橫向長度減小到125μm，α-Mg相晶體內(nèi)出現(xiàn)變形帶，部分晶粒出現(xiàn)碎化現(xiàn)象，晶粒尺寸明顯細化。大尺寸的β-Mg17Al12相在軋制應(yīng)力的作用下發(fā)生了破碎，沿軋制方向趨于離散分布，轉(zhuǎn)化為較小顆粒結(jié)構(gòu)。圖2b為總壓下量40%的顯微組織，主要為高密度再結(jié)晶晶粒構(gòu)成的細晶帶和變形粗晶，被再次細化的α-Mg相晶粒中出現(xiàn)了孿晶組織，β相分布更加彌散。圖2c為總壓下量60%試樣結(jié)構(gòu)圖，可以發(fā)現(xiàn)細晶帶區(qū)域逐漸減少，α-Mg相晶粒橫向長度達到了20μm，晶粒明顯被細化，基體中彌散分布著均勻細小的顆粒狀β相。

實驗表明，在350℃條件下對AZ61鎂合金進行軋制變形，隨著總壓下量的增大，α-Mg相晶粒逐漸被拉長，晶體內(nèi)部出現(xiàn)的變形帶和碎化裂紋促使其分解為多個小尺寸晶粒。此外，熱軋變形過程逐漸增大了晶格的畸變程度及在第二相顆粒周圍產(chǎn)生大量的高密度位錯和大取向梯度區(qū)域，增多了再結(jié)晶形核數(shù)目。

2.3 不同壓下量對鎂合金板材硬度的影響

利用HVS-30維氏硬度計測量AZ61變形鎂合金硬度值，測量結(jié)果見表1。結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)圖2可知，20%軋制變形條件下形成的大尺寸拉長晶粒和變形帶結(jié)構(gòu)在一定程度上提高了母材強度，但尺寸較大的β相易成為裂紋源，對材料力學(xué)性能不利；40%壓下率樣品的再結(jié)晶區(qū)域呈帶狀分布，α相晶粒呈長條狀，這種雙模尺寸晶粒的組織形態(tài)不利于大幅度提升材料的力學(xué)性能[10]；變形程度為60%時，α相晶粒尺寸細化程度最大，顆粒狀的β相彌散分布，細晶強化和β相的釘扎作用在很大程度上提高了材料的硬度[11]?？梢夾Z61鎂合金隨著軋制變形量的加大，材料的硬度值逐漸上升，適量的軋制變形可以明顯改善材料的力學(xué)性能。

表1 不同壓下量鎂合金的維氏硬度平均值

圖2 不同壓下量時的鎂合金微觀組織

2.4 不同壓下量對鎂合金腐蝕性能的影響

圖3為AZ61鎂合金在3.5% NaCl溶液中的動電位極化曲線，極化曲線重合度較高，走勢大致相似，點蝕特征明顯，可見實驗數(shù)據(jù)具有一定的可比性。

圖3 鎂合金的動電位極化曲線

測試樣品的腐蝕電流密度(I)和腐蝕電位(E)數(shù)據(jù)如表2所示。通常認為在其他條件不變的情況下，材料的腐蝕電位越高，其耐腐蝕性能越好。由于60%壓下率樣品的自腐蝕電位上升至-1.5241V，且腐蝕電流密度最小，因此具有良好的耐蝕性能。

表2 鎂合金的腐蝕電流密度和腐蝕電位

隨著軋制總變形量的增加，基體相晶粒細化程度逐漸增強，β相碎化程度逐漸加大。當(dāng)總壓下率達到60%時，AZ61合金由于軋制產(chǎn)生的大尺寸變形晶粒、帶狀細晶組織和粗大的β相晶粒逐漸消失，α-Mg相晶粒已經(jīng)細化到20μm，尺寸較小β相在晶界處斷續(xù)分布，顆粒狀β相晶粒在基體中彌散分布。由于細小的基體相晶粒和彌散分布的β相有利于在腐蝕過程中生成比較致密的氧化膜層，提高材料的耐蝕能力[12]，因此，通過控制顯微組織來改善AZ61鎂合金的耐蝕性能具有重要的現(xiàn)實意義。

3 結(jié)論

(1)在350℃溫度下軋制AZ61變形鎂合金，隨著變形程度的增加，α-Mg相晶粒細化程度逐漸升高，β-Mg17Al12相晶粒逐漸碎化且分布更加彌散。

(2)彌散分布于金屬基體的第二相顆粒對材料有著一定的強化作用，大幅度提高了60%壓下率樣品的維氏硬度。

(3)通過電化學(xué)腐蝕行為研究，發(fā)現(xiàn)60%壓下率樣品的腐蝕電流密度最小，具有較好的耐蝕性能。

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