鎂合金管材包覆擠壓界面特性研究

譚明 權(quán)高峰 劉趙銘

摘要： ?采用5083鋁合金和純銅為包覆材料，AZ31鎂合金為基體材料擠壓出鎂合金復(fù)合管材。當(dāng)擠壓比為23.0時(shí)，鋁外包覆鎂管界面與銅內(nèi)包覆鎂管界面均結(jié)合良好，鎂鋁界面結(jié)合強(qiáng)度大于鎂銅界面結(jié)合強(qiáng)度。界面研究結(jié)果表明，鋁包鎂與銅包鎂界面兩側(cè)元素均未發(fā)生明顯遠(yuǎn)程擴(kuò)散。鎂鋁雙金屬界面層主要是化學(xué)反應(yīng)形成Al3Mg2，鎂銅雙金屬界面層無化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生， 屬于固相擴(kuò)散，元素?cái)U(kuò)散層較薄。

關(guān)鍵詞： ?鎂合金管材;包覆擠壓;界面特性;結(jié)合機(jī)理

中圖分類號(hào)： TG 115.28

Study on the interface characteristics of magnesium alloy pipe cladding extrution

Tan Ming 1，2， Quan Gaofeng 3， Liu Zhaoming 2

（1.Yangzhou Chende Heavy Industries Co. ，Ltd. ，Yangzhou 225000，China; 2.Dalian Jiaotong University， Dalian 116021， China; 3.Southwest Jiaotong University， Chengdu 611756， China）

Abstract： ?In this paper， 5083 aluminum alloy and pure copper are used as cladding materials， AZ31 magnesium alloy is used as matrix material to extrude magnesium alloy composite pipe. When the extrusion ratio is 23.0， the interface between the aluminum clad magnesium tube and the copper clad magnesium tube is well bonded， and the bonding strength of the magnesium aluminum interface is greater than that of the magnesium copper interface. The results of interface study show that there is no significant remote diffusion of elements on both sides of the interface. The interface layer of magnesium and aluminum is mainly formed by chemical reaction of Al3Mg2， and there is no chemical reaction in the interface layer of magnesium and copper， which belongs to solid-phase diffusion， and element diffusion layer is thin.

Key words： ?magnesium alloy pipe;? cladding extrution; interface characteristics; bonding mechanism

0 前言

鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)工程材料，近年來逐漸成為研究的熱點(diǎn)，并以其豐富的資源和潛在的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在航空航天、國防武器裝備 、軌道交通等領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用前景 [1-2]。目前，鎂合金的應(yīng)用主要以壓鑄件為主 [3]，其力學(xué)性能遠(yuǎn)差于變形鎂合金。但是變形鎂合金研發(fā)相對(duì)落后，還遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求等 [4-8]。另 外，由于鎂的化學(xué)活性，鎂合金耐蝕性能很差，這就嚴(yán)重阻礙了鎂合金的廣泛應(yīng)用。

一般來講，雙金屬復(fù)合加工方法有鍛造、軋制、擠壓、爆炸等。雙金屬間的復(fù)合機(jī)理主要有：再結(jié)晶理論、擴(kuò)散理論、能量理論、金屬鍵理論、薄膜理論等 [9]。目前，有關(guān)鋁鎂、鋁銅包覆擠壓的相關(guān)研究報(bào)道比較少，未有比較深入的研究。文中針對(duì)以上問題提出分別采用5083鋁合金、純銅這兩種包覆材料與基體材料鎂合金進(jìn)行包覆擠壓，制備出同時(shí)兼具鎂合金與鋁合金、銅性能優(yōu)勢(shì)的層狀復(fù)合材料，并研究包覆材料5083鋁合金、銅和基體材料鎂合金與之間的界面結(jié)合問題，對(duì)于進(jìn)一步了解鋁鎂、銅鎂之間的復(fù)合機(jī)理具有十分重要的科學(xué)意義。通過鋁、銅包覆材料來提高鎂合金抗腐蝕能力，為鋁鎂及銅鎂的復(fù)合產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用提供理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)，可拓寬鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的包覆材料為厚3 mm的5083鋁薄板和厚度2 mm的純銅板?；腁Z31鎂合金鑄錠規(guī)格為125 mm×200 mm。3種材料的化學(xué)成分見表1。

1.2 試驗(yàn)過程

該試驗(yàn)采用LSL-72鏈?zhǔn)诫娮杓訜釥t和800 t 臥式擠壓機(jī)。5083鋁合金外包覆AZ31鎂合金的擠壓試驗(yàn)在擠壓溫度為380 ℃、擠壓速率為30 mm/min的條件下進(jìn)行，擠壓比分別為8.4，23.0，49.8，純銅內(nèi)包覆AZ31鎂合金的擠壓試驗(yàn)在擠壓溫度為380 ℃、擠壓速率為30 ?mm/min、擠壓比為23.0的條件下進(jìn)行，包覆擠壓結(jié)束后，分別采用掃描電鏡、能譜分析、顯微硬度計(jì)和電子剝離試驗(yàn)機(jī)等儀器對(duì)兩種包覆擠壓管材進(jìn)行雙金屬界面的成分組成、成分分布、界面硬度和界面結(jié)合強(qiáng)度的分析檢測(cè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 包覆擠壓管材宏觀形貌

圖1為不同擠壓比條件下的5083鋁合金外包覆AZ31鎂合金擠壓管材實(shí)物照片。當(dāng)擠壓比為8.4時(shí)，鋁合金包覆鎂合金的包覆未能良好的結(jié)合，可明顯看出出現(xiàn)“起皮”現(xiàn)象;當(dāng)擠壓比為23.0時(shí)，擠壓管材外表面情況良好，目視未見包覆不良的缺陷。當(dāng)擠壓比為49.8時(shí)，鋁包覆層也出現(xiàn)“起皮”現(xiàn)象，但是與擠壓比為8.4的管材外觀相比，有較大改觀。

當(dāng)擠壓比為23.0時(shí)純銅內(nèi)包覆AZ31鎂合金擠壓管材實(shí)物照片如圖2所示，目視包覆情況良好。

2.2 鋁鎂界面形貌和成分分布

圖3為擠壓比23.0時(shí)鋁鎂界面的SEM掃描成分分布。由圖3可知，5083鋁合金外和AZ31鎂合金之間處形成了寬度約為10 μm的界面層，這說明在包覆擠壓過程中兩種材料界面結(jié)合良好。

兩種合金界面層的兩側(cè)與界面層相比，Al元素和Mg元素的含量存在明顯的突變，由此可知，在包覆擠壓的過程中，兩種合金中主要合金元素的互相擴(kuò)散不明顯，擴(kuò)散層較薄，結(jié)合Mg-Al二元相同可以判斷出界面層主要是化學(xué)反應(yīng)形成。圖4為鋁鎂界面區(qū)域掃描成分分布情況。如圖4b所示，界面層的化學(xué)組成為：Al元素含量為60.12%（原子分?jǐn)?shù)），Mg元素含量為 39.88%（原子分?jǐn)?shù)），由此可以判斷出界面層為Al3Mg2。 說明在特定的擠壓溫度、擠壓比和擠壓時(shí)間下，兩側(cè)合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成中間化合物，但是由于整個(gè)包覆擠壓時(shí)間較短，所以兩側(cè)合金的主要元素未能發(fā)生明顯遠(yuǎn)程擴(kuò)散。

2.3 銅鎂界面形貌及成分分布研究

圖5是當(dāng)擠壓比為23.0時(shí)，銅鎂界面的SEM掃描成分分布。由圖5可知，純銅與鎂合金之間的界面層比較窄，但是兩種材料界面結(jié)合情況良好。

如圖5所示，兩種合金界面層的兩側(cè)與界面層相比，Cu元素和Mg元素的百分含量存在明顯的突變。由此可知，在包覆擠壓的過程中，純銅和鎂合金的主要元素互相擴(kuò)散不明顯且擴(kuò)散層較薄。結(jié)合Mg-Cu二元相圖可以判斷出，界面層是由固相擴(kuò)散形成。兩種金屬在擠壓過程中產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相互擠壓，在熱擠壓充型階段結(jié)束后，在相互擠壓的情況下產(chǎn)生劇烈的摩擦，形成圖中所示界面。圖6為銅鎂界面區(qū)域成分分布情況。對(duì)界面層進(jìn)行區(qū)域能譜掃描可知（圖6b），界面化學(xué)組成為：Mg元素含量為76.54%（原子分?jǐn)?shù)），Cu元素含量為23.46%（原子分?jǐn)?shù)），說明在特定的擠壓溫度、擠壓比和擠壓時(shí)間的條件下，純銅與鎂合金中的主要合金元素未能互相擴(kuò)散進(jìn)入對(duì)方基體，即未發(fā)生明顯的遠(yuǎn)程擴(kuò)散。

2.4 鋁鎂及銅鎂界面性能

2.4.1? 基體及界面的顯微硬度

由表2可知，AZ31鎂合金基體和5083鋁合金的顯微硬度隨著擠壓比的增大而增加。這是因?yàn)樵囼?yàn)溫度下，隨著擠壓比的增大，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的軟化效果不能抵消金屬變形所產(chǎn)生的加工硬化。整體來講，鋁鎂和銅鎂兩種包覆界面處的顯微硬度一般低于兩側(cè)金屬。

2.4.2? 界面剝離強(qiáng)度

界面剝離強(qiáng)度是判定包覆界面結(jié)合效果最重要的依據(jù)之一。如表3所示，隨著擠壓比的增大，鋁鎂界面結(jié)合強(qiáng)度先增大后減小，這是因?yàn)殡S著擠壓比的增大，兩種合金的外力作用下相互擠壓摩擦，導(dǎo)致內(nèi)部新鮮金屬接觸并且相互結(jié)合。但是隨著擠壓比的進(jìn)一步增大，過分的摩擦可能導(dǎo)致已經(jīng)相互結(jié)合的部位發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，造成一定程度的剝離，進(jìn)而削弱了界面結(jié)合強(qiáng)度。當(dāng)擠壓比為23.0時(shí)，鋁鎂界面結(jié)合強(qiáng)度大于銅鎂界面結(jié)合強(qiáng)度。

3 結(jié)論

（1）在擠壓溫度為380 ℃、擠壓速率為30 mm/min的條件下，可以得到5083鋁合金外包覆AZ31鎂合金管材。當(dāng)擠壓比為23.0時(shí)，包覆情況良好，擠壓比過大或過小時(shí)界面都有不良結(jié)合情況產(chǎn)生。純銅內(nèi)包覆AZ31鎂合金管材在擠壓比為23.0時(shí)，包覆情況良好。

（2）鋁鎂界面層主要是化學(xué)反應(yīng)形成，界面層為Al3Mg2。銅鎂界面擴(kuò)散層較薄，屬于固相擴(kuò)散。在擠壓溫度為380 ℃、擠壓速度為30 mm/min的條件下，鋁鎂與銅鎂界面兩側(cè)元素均未發(fā)生明顯遠(yuǎn)程擴(kuò)散。

（3）鋁鎂界面與銅鎂界面硬度均低于兩側(cè)基體硬度，AZ31鎂合金基體和5083鋁合金顯微硬度隨著擠壓比的增大而增大;鋁鎂界面結(jié)合強(qiáng)度隨著擠壓比的增大先增大后減小，當(dāng)擠壓比為23.0時(shí)，鋁鎂合金界面結(jié)合程度較好，且鋁鎂界面結(jié)合強(qiáng)度大于銅鎂界面結(jié)合強(qiáng)度。? [HT5H]參考文獻(xiàn)

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收稿日期： ?2019-09-25

譚明簡介： ?1985年出生，碩士，工程師;主要從事金屬材料加工和熱處理研究;tanmingnc@163.com。