Zn添加對擠壓態(tài)Mg-Al-Ca-Mn合金微觀組織和力學(xué)性能的影響

王麗娟，牛瑞利

Zn添加對擠壓態(tài)Mg-Al-Ca-Mn合金微觀組織和力學(xué)性能的影響

王麗娟，牛瑞利

（鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，鄭州 451100）

研究不同含量Zn元素對鎂合金塑性、強(qiáng)度的改良效果。以Mg-Al-Ca-Mn合金為基礎(chǔ)，采用熱擠壓成形加工方法，分析不同Zn含量對其顯微組織和力學(xué)性能的影響。Zn元素可以改變擠壓態(tài)鎂合金的顯微組織，對其主合金相影響不大，但可以改變衍射峰強(qiáng)度。Zn元素可以提高擠壓態(tài)鎂合金的屈服強(qiáng)度和伸長率，提高鎂合金韌性；ACMZ2合金綜合性能最佳。熱擠壓成形能夠細(xì)化鎂合金晶粒，Zn元素含量可以改善鎂合金微觀組織和力學(xué)性能，可在實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)需求調(diào)整Zn元素含量以獲得最佳性能。

Mg-Al-Ca-Mn合金；熱擠壓成形；微觀組織；力學(xué)性能

鎂合金作為最輕的結(jié)構(gòu)材料，被稱為“21世紀(jì)的綠色工程材料”。鎂合金具有高比剛度、高比強(qiáng)度以及良好的機(jī)械加工性能，在輕量化生產(chǎn)等方面前景廣闊[1—2]。鎂合金分子結(jié)構(gòu)為密排六方形，室溫下其塑性較低、成形性不夠理想，在很大程度上限制了鎂合金的應(yīng)用。眾多研究表明，可通過細(xì)化晶粒來改善鎂合金的綜合性能。目前，比較常用的晶粒細(xì)化方法包括合金化和塑性變形，例如摩擦加工、軋制、擠壓等[3—5]。以擠壓為例，可將鎂合金坯料放在擠壓筒內(nèi)，通過施加外力使其從?？字辛鞒觯M(jìn)而獲取一定尺寸、形狀的產(chǎn)品?？傮w來說，鎂合金擠壓成形優(yōu)點(diǎn)比較多，既可以提高鎂合金塑性確保產(chǎn)品綜合質(zhì)量，又不會(huì)提高加工成本或加工難度，因此許多學(xué)者在鎂合金擠壓成形方面進(jìn)行了大量研究。Y. J. Wang等[6]以擠壓態(tài)Mg-8Sn-2Zn合金為例，探討了Cu對其微觀組織、力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，Cu可使合金相細(xì)化，進(jìn)而導(dǎo)致晶粒細(xì)化、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減弱。楊明波等[7]以Mg-5Zn-5Sn合金為例，探討了Ca對其微觀組織、力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，Ca可提高合金抗蠕變性和輕度。T. T. Sasaki等[8]則探討了Mg-Sn-Zn-Al合金的擠壓工藝，認(rèn)為擠壓溫度為250 ℃，擠壓比為20，擠壓速率為0.1 mm/s時(shí)，合金強(qiáng)度最優(yōu)。

文中以ACMZ系列鎂合金為研究對象，其基體合金為Mg-Al-Ca-Mn，介紹熱擠壓成形方法以及不同含量Zn元素對該鎂合金微觀組織、力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

先熔煉鎂合金，然后進(jìn)行均勻化處理，最后對鎂合金進(jìn)行擠壓實(shí)驗(yàn)。通過微觀組織觀察和力學(xué)性能測試，探討Zn含量對鎂合金綜合性能的影響。

1.1 材料

選定的實(shí)驗(yàn)材料為ACMZ，基體合金為Mg-Al- Ca-Mn，其中Mg為主體元素，Al為1%，Ca為0.3%，Mn為0.3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），Zn含量會(huì)發(fā)生變化，ACMZ0，ACMZ2，ACMZ4，ACMZ6型號的Zn元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0，0.2%，0.4%，0.6%。

合金熔煉原材料包括工業(yè)純鎂、工業(yè)純鋁、Mg-20%Ca中間合金以及Mg-10%Mn中間合金。具體步驟可描述為：首先，按照不同成分進(jìn)行配料；其次，將預(yù)熱到150 ℃左右的工業(yè)純鎂放入電阻爐并加熱至720 ℃，此時(shí)鎂錠會(huì)變成熔體；然后，將其他合金原料加入鎂熔體，完全熔化后添加精煉劑精煉并打碎攪拌，將溫度提高至740 ℃并保溫40 min左右；最后，通過金屬模鑄造得到實(shí)驗(yàn)原材料——鎂合金鑄錠。整個(gè)熔煉過程需要在惰性氣體（如二氧化碳、SF6）下進(jìn)行。

為降低成分偏析的影響、提高鎂合金鑄錠的熱擠壓性能，需要對其進(jìn)行均勻化處理。參考相關(guān)文獻(xiàn)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，文中選取的均勻化處理工藝為：在330 ℃下保溫24 h，然后取出室溫空冷，最后將其加工成80 mm×70 mm的合金錠。

1.2 熱擠壓成形

鎂合金熱擠壓成形系統(tǒng)如圖1所示，主要由擠壓模具、反擠壓裝置、液壓動(dòng)力裝置、壓力監(jiān)測系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)等組成[9—10]。液壓動(dòng)力裝置可驅(qū)動(dòng)擠壓軸運(yùn)動(dòng)，為擠壓裝置提供充足動(dòng)力；溫度控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)擠壓模具和坯料的實(shí)時(shí)加熱、溫度監(jiān)控；壓力監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測擠壓軸的位置和擠壓載荷。一般情況下，擠壓裝置多采用四柱型壓機(jī)。擠壓模具固定在壓機(jī)工作臺(tái)上，壓機(jī)主軸帶動(dòng)模具運(yùn)動(dòng)進(jìn)而擠壓坯料，實(shí)現(xiàn)鎂合金的熱擠壓成形[11—13]。

圖1 鎂合金熱擠壓成形系統(tǒng)

熱擠壓設(shè)備為500 t臥式擠壓機(jī)，文中選擇正向擠壓，擠壓筒直徑為80 mm，長度為450 mm。需要先將已均勻化處理的合金錠預(yù)熱，同時(shí)模具也要預(yù)熱至相同溫度。預(yù)熱完成后，立即放入擠壓筒完成擠壓。熱擠壓工藝參數(shù)如下：預(yù)熱溫度為280 ℃，擠壓溫度為260 ℃，擠壓比為22，擠壓速度為2 mm/min。

1.3 微觀形貌

文中選擇型號為Olympus BX53M的設(shè)備觀察鎂合金微觀組織。具體步驟可描述為：① 將不同成分的鎂合金截取為數(shù)段16 mm×10 mm樣品；② 制樣處理，利用280#~1000#水磨兩用砂紙將樣品表面打磨成鏡面；③ 腐蝕處理，打磨好的樣品需要進(jìn)行腐蝕處理，腐蝕后用酒精沖洗表面并用冷風(fēng)吹干；④ 挑選晶界或枝晶清晰的樣品觀察并拍照[14—15]。

采用Ultima Ⅳ型X射線衍射儀對不同成分鎂合金進(jìn)行物相分析。首先，要將樣品打磨至金相水準(zhǔn)進(jìn)行測試；然后，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，例如：掃描角度為10°~90°、掃描速度為4（°）/min、Cu靶材、加速電壓和電流分別為45 kV和200 mA。

采用掃描電鏡（SEM）觀測鎂合金樣品，掃描電鏡型號為JSM-6360。

2 微觀組織及力學(xué)性能分析

2.1 微觀組織

擠壓態(tài)ACMZ沿?cái)D壓方向的微觀組織如圖2所示，可以看出，不同成分鎂合金均出現(xiàn)了不完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，鎂合金出現(xiàn)細(xì)小再結(jié)晶組織，沿?cái)D壓方向被拉長部分未出現(xiàn)再結(jié)晶組織，ACMZ0和ACMZ2的晶粒細(xì)化現(xiàn)象比較明顯；如果Zn含量進(jìn)一步增加，未出現(xiàn)再結(jié)晶的區(qū)域會(huì)增加，另外，ACMZ6出現(xiàn)晶粒粗大現(xiàn)象。還可以看出，再結(jié)晶的晶粒大小不同，說明再結(jié)晶不是同時(shí)發(fā)生，而是個(gè)別區(qū)域先出現(xiàn)再結(jié)晶；上述再結(jié)晶晶粒會(huì)優(yōu)先生長，之后再結(jié)晶區(qū)域的晶粒尺寸要小一些，部分長大晶粒會(huì)出現(xiàn)二次再結(jié)晶的情況。

圖2 擠壓態(tài)ACMZx微觀組織

擠壓態(tài)ACMZ合金的XRD圖譜如圖3所示?？梢钥闯?，不同成分ACMZ合金經(jīng)熱擠壓處理后，其主要相都是-Mg和A12Ca，但是衍射峰強(qiáng)度發(fā)生變化，表明熱擠壓并不會(huì)生成新相，但可以改變相衍射峰強(qiáng)度。

圖3 擠壓態(tài)ACMZx合金的XRD圖譜

2.2 力學(xué)性能

擠壓態(tài)ACMZ合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示，可以看出，Zn元素含量對鎂合金最大抗拉強(qiáng)度幾乎沒有影響；Zn元素含量增加時(shí)，合金屈服強(qiáng)度先變大后變小，ACMZ2合金的屈服強(qiáng)度最大，約為257 MPa；ACMZ4和ACMZ6合金的屈服強(qiáng)度只有170 MPa和165 MPa。說明Zn元素可以提高鎂合金的屈服強(qiáng)度和伸長率，伸長率會(huì)隨Zn含量的增加而變大。特別地，ACMZ2的伸長率并沒有因?yàn)閺?qiáng)度變大而減小，即ACMZ2合金綜合性能最佳。

圖4 擠壓態(tài)ACMZx合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線

擠壓態(tài)ACMZ合金斷口掃描結(jié)果如圖5所示，可以看出，ACMZ0—ACMZ6合金斷口均包括韌窩、撕裂棱，是比較典型的韌性斷裂。其中ACMZ0合金的韌窩比較少，因此其韌性最差；Zn含量增加，合金斷口韌窩數(shù)量也會(huì)增加，深度也會(huì)增加，即韌性變好。

圖5 擠壓態(tài)ACMZx合金斷口形貌特征

綜上所述，Zn元素可以改變擠壓態(tài)鎂合金的顯微組織，Zn元素對擠壓態(tài)鎂合金的主合金相影響不大，但可以改變衍射峰強(qiáng)度；Zn元素可以提高擠壓態(tài)鎂合金的屈服強(qiáng)度和伸長率，Zn含量增加會(huì)提高鎂合金韌性，ACMZ2合金綜合性能最佳。

3 結(jié)論

1）隨著Zn含量增加，鎂合金會(huì)出現(xiàn)細(xì)小再結(jié)晶組織，ACMZ0和ACMZ2晶粒細(xì)化現(xiàn)象比較明顯，但是Zn含量進(jìn)一步增加，未出現(xiàn)再結(jié)晶的區(qū)域會(huì)增加。

2）熱擠壓并不會(huì)使鎂合金生成新相，但可以改變相衍射峰強(qiáng)度。

3）隨著Zn元素含量增加，合金屈服強(qiáng)度先變大后變小，伸長率會(huì)變大；隨著Zn含量增加，鎂合金韌性會(huì)變好，ACMZ2合金綜合性能最佳。

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Effect of Zn Addition on Microstructure and Mechanical Properties of Extruded Mg-Al-Ca-Mn Alloy

WANG Li-juan, NIU Rui-li

(Zhengzhou University of Industrial Technology, Zhengzhou 451100, China)

In order to study the improvement effect of different Zn content on the plasticity and strength of magnesium alloy, the influence of different Zn content on the microstructure and mechanical properties of Mg-Al-Ca-Mn alloy is analyzed by hot extrusion process. The results show that Zn element can change the microstructure of extruded Mg alloy. It has little effect on the main alloy phase, but it can change the diffraction peak intensity. Zn element can improve the yield strength and elongation of extruded magnesium alloy, and improve the toughness of magnesium alloy. ACMZ2alloy has the best comprehensive properties. Hot extrusion can refine the grain size of magnesium alloy, and Zn content can improve the microstructure and mechanical properties of magnesium alloy. Therefore, the content of Zn element can be adjusted according to the demand in actual production to obtain the best performance.

Mg-Al-Ca-Mn alloy; hot extrusion forming; microstructure; mechanical properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.04.020

TG146

A

1674-6457(2021)04-0139-05

2021-04-29

河南省重點(diǎn)研發(fā)與推廣（科技攻關(guān)）項(xiàng)目（192102210224）；河南省教育廳民辦普通高等學(xué)校品牌專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目（教政法[2019]527號）

王麗娟（1984—），女，講師，主要研究方向?yàn)椴牧系奈⒂^組織和力學(xué)性能分析。