新型雙襯板軋制制備ZK60鎂合金

布如宇

（茅臺學院，貴州 仁懷 564500）

為了更好地應對日益加劇的資源緊缺問題，人們對輕質金屬材料的要求越來越高[1]。鎂合金作為最輕的結構金屬材料，在輕量化方面具有非常大的發展潛力[2-3]。不僅如此，鎂合金還擁有高比強度、高導電導熱性、易于回收等優點，在各個領域具有極其重要的應用價值和廣闊的應用前景[4-6]。

在眾鎂合金中，有較高強塑性的ZK60鎂合金受到越來越廣泛的關注。生產鎂合金板材重要的加工手段是軋制[7]。然而，鎂合金在普通軋制過程中極易開裂。不僅如此，鎂合金軋板通常還會形成基面織構，嚴重影響板材后續成型能力。

為改善普通軋制過程中單向對稱的剪切應力狀態，在軋制試樣上下表面各添加一塊硬質合金襯板，即雙襯板軋制。該襯板的存在能使試樣在軋制過程中承受的力變為壓應力，能顯著提高板材的成型性能。

1 試驗材料和方法

原材料為自行制備的ZK60鎂合金鑄錠。澆鑄的圓棒直徑尺寸為140 mm。軋制板的尺寸為45 mm×30 mm×4.2 mm。軋制前試樣在325℃下保溫，軋輥不加熱。顯微組織分析在Zeiss光學顯微鏡上進行，室溫力學性能試驗在MTS-810上進行。

2 試驗結果及分析

2.1 雙襯板軋制對顯微組織和力學性能的影響

鑄態ZK60的顯微組織如圖1所示，可以看出晶粒不均勻，平均晶粒尺寸為67.9 μm。其屈服強度為80 MPa，抗拉強度為222 MPa，斷裂延伸率為15%。

圖1 鑄態ZK60鎂合金顯鏡組織

ZK60板材雙襯板軋制只進行一道次（壓下量分別為55%、65%和75%）。軋制后試樣表面平整，僅邊緣有少量裂紋，可以看出該雙襯板軋制法具有非常好的成型能力。

圖2為軋制后未進行退火再結晶處理的組織圖，可以看出晶粒出現明顯的細化，且大晶粒內部出現大量孿晶。筆者認為，軋制過程中發生孿生和動態再結晶現象。隨著軋制壓下量的增大，細小晶粒明顯增多，說明動態再結晶隨著變形量的增大，進行得越發徹底，同時屈服強度和抗拉強度也出現明顯增大。與壓下量為55%時相比，其屈服強度由149 MPa增大到234～265 MPa，如圖3所示。當壓下量為75%時，斷裂應變僅為6.7%。其較低的延伸率與軋制后未進行退火再結晶、內部存在應力集中有關。從其力學性能的變化可以看出，雙襯板軋制不進行任何處理，能顯著提高鑄態ZK60鎂合金的強度，但塑性有所降低。

圖2 雙襯板軋制ZK60未退火微觀組織

圖3 雙襯板軋制ZK60未退火時力學性能曲線

2.2 退火對ZK60鎂合金顯微組織和力學性能的影響

為了充分發揮雙襯板軋制ZK60鎂合金板材的力學性能，消除變形過程中內部存在的應力集中等缺陷，人們對軋制后的板材進行退火再結晶處理。為了更好地確定最佳的退火溫度，筆者選取了兩組退火溫度（分別為325℃、30 min以及375℃、30 min）。

圖4為325℃、30 min退火后雙襯板軋制ZK60的顯微組織，可以發現其部分區域仍有少部分孿晶存在。壓下量較小時（55%），出現大小晶粒混雜的組織，但以粗大的晶粒為主，說明其變形量較小，軋制過程中沒有充分發生動態再結晶。隨著壓下量的增大，晶粒逐漸細化，壓下量為65%時，細小晶粒區域所占的比例已超過50%。當壓下量為75%時，只有少部分區域存在孿晶，其余區域均為細小均勻的晶粒組織。

圖4 325℃、30 min退火后光鏡組織

圖5所示為375℃、30 min退火后雙襯板軋制ZK60鎂合金的顯微組織。由此可以看出，相比于325℃、30 min退火組織，此時沒有孿晶存在，說明發生了完全的再結晶。但壓下量為55%的晶粒組織仍呈現出沿軋制方向被拉長的樣貌，壓下量為75%的晶粒組織較細小均勻。相比于325℃、30 min退火，其屈服強度、抗拉強度降低，但斷裂應變顯著提高，同樣55%壓下量下，375℃退火處理后屈服強度、抗拉強度和斷裂延伸率由325℃的110 MPa、304 MPa和11%變為149 MPa、278 MPa和30%。筆者認為，由于375℃退火時發生完全的再結晶，內部應力集中完全釋放。隨著壓下量增大，強度增加，但延伸率降低。ZK60鎂合金375℃、30 min退火后力學性能曲線如圖6所示。與初始鑄態ZK60鎂合金相比，其屈服強度、抗拉強度和延展性都出現顯著提高，屈服強度由80 MPa提高為壓下量75%時的208 MPa，抗拉強度由222 MPa提高為壓下量75%時的314 MPa，斷裂伸長率由15%提高為壓下量75%時的25%。同時，晶粒也出現明顯細化，此時平均晶粒尺寸為 7.3 μm。

通過32℃、30 min退火和375℃、30 min退火后組織和力學性能對比，人們發現，在375℃、30 min下壓下量為75%出現較優的力學性能（屈服強度208 MPa、抗拉強度314 MPa、斷裂伸長率25%）。

圖5 375℃、30 min退火后光鏡組織

圖6 ZK60鎂合金375℃、30 min退火后力學性能曲線

3 結論

采用雙襯板軋制新技術實現ZK60鎂合金冷輥單道次大壓下量軋制（壓下量可達75%）。通過雙襯板軋制制備的ZK60能顯著細化晶粒，375℃、30 min退火后，晶粒尺寸能細化到7.3 μm。375℃、30 min退火再結晶后，ZK60鎂合金能獲得較優異的力學性能（屈服強度208 MPa、抗拉強度314 MPa、斷裂伸長率25%）。該性能指標可以與普通軋制ZK60鎂合金板材性能相媲美，但雙襯板軋制更加簡便經濟。

1 陳振華.變形鎂合金[M].北京：化學工業出版社，2004.

2 ASM International.Magnesium an Magnesium Alloy[M].Ohio：Metal Park，1999.

3 Lou X，Li M，Boger R，etal.Hardening evolution of AZ31B Mg sheet[J].International Journal of Plasticity，2007，23（1）：44-86.

4 Starosel sky A，Anand L.A constitutive model for hcp materials deforming by slip and twinning：application to magnesium alloy AZ31B[J].International Journal of Plasticity.2003，19（10）：1843-1864.

5 Yoo M H，Agnew S R，Morris J R，etal.Nonbasal slip systems in hcp metals and alloys：source mechanisms Mater[J].Materials Science and Engineering A，2001，319（15）：87-92.

6 Wan G，Wu B L，Zhang Y D，etal.Anisotropy of dynamic behavior of extruded AZ31 magnesium alloy[J].Material Science and Engineering A，2010，527（12）：2915-2924.

7 張 磊.Mg-6Al-3Sn鎂合金變形行為及襯板軋制組織與力學性能[D].長春：吉林大學，2015.