Zn添加對擠壓態Mg-Al-Ca-Mn合金微觀組織和力學性能的影響

王麗娟，牛瑞利

Zn添加對擠壓態Mg-Al-Ca-Mn合金微觀組織和力學性能的影響

王麗娟，牛瑞利

（鄭州工業應用技術學院，鄭州 451100）

研究不同含量Zn元素對鎂合金塑性、強度的改良效果。以Mg-Al-Ca-Mn合金為基礎，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性能的影響。Zn元素可以改變擠壓態鎂合金的顯微組織，對其主合金相影響不大，但可以改變衍射峰強度。Zn元素可以提高擠壓態鎂合金的屈服強度和伸長率，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性能，可在實際生產中根據需求調整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；力學性能

鎂合金作為最輕的結構材料，被稱為“21世紀的綠色工程材料”。鎂合金具有高比剛度、高比強度以及良好的機械加工性能，在輕量化生產等方面前景廣闊[1—2]。鎂合金分子結構為密排六方形，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用。眾多研究表明，可通過細化晶粒來改善鎂合金的綜合性能。目前，比較常用的晶粒細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，通過施加外力使其從模孔中流出，進而獲取一定尺寸、形狀的產品。總體來說，鎂合金擠壓成形優點比較多，既可以提高鎂合金塑性確保產品綜合質量，又不會提高加工成本或加工難度，因此許多學者在鎂合金擠壓成形方面進行了大量研究。Y. J. Wang等[6]以擠壓態Mg-8Sn-2Zn合金為例，探討了Cu對其微觀組織、力學性能的影響，結果表明，Cu可使合金相細化，進而導致晶粒細化、結構強度減弱。楊明波等[7]以Mg-5Zn-5Sn合金為例，探討了Ca對其微觀組織、力學性能的影響，結果表明，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，認為擠壓溫度為250 ℃，擠壓比為20，擠壓速率為0.1 mm/s時，合金強度最優。

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、力學性能的影響。

1 實驗

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

1.1 材料

選定的實驗材料為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%（質量分數），Zn含量會發生變化，ACMZ0，ACMZ2，ACMZ4，ACMZ6型號的Zn元素的質量分數分別為0，0.2%，0.4%，0.6%。

合金熔煉原材料包括工業純鎂、工業純鋁、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，按照不同成分進行配料；其次，將預熱到150 ℃左右的工業純鎂放入電阻爐并加熱至720 ℃，此時鎂錠會變成熔體；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驗原材料——鎂合金鑄錠。整個熔煉過程需要在惰性氣體（如二氧化碳、SF6）下進行。

為降低成分偏析的影響、提高鎂合金鑄錠的熱擠壓性能，需要對其進行均勻化處理。參考相關文獻以及實驗結果，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如圖1所示，主要由擠壓模具、反擠壓裝置、液壓動力裝置、壓力監測系統、溫度控制系統等組成[9—10]。液壓動力裝置可驅動擠壓軸運動，為擠壓裝置提供充足動力；溫度控制系統可實現擠壓模具和坯料的實時加熱、溫度監控；壓力監測系統可實時監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。擠壓模具固定在壓機工作臺上，壓機主軸帶動模具運動進而擠壓坯料，實現鎂合金的熱擠壓成形[11—13]。

圖1 鎂合金熱擠壓成形系統

熱擠壓設備為500 t臥式擠壓機，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熱，同時模具也要預熱至相同溫度。預熱完成后，立即放入擠壓筒完成擠壓。熱擠壓工藝參數如下：預熱溫度為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行腐蝕處理，腐蝕后用酒精沖洗表面并用冷風吹干；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行物相分析。首先，要將樣品打磨至金相水準進行測試；然后，設置相關參數，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 微觀組織及力學性能分析

2.1 微觀組織

擠壓態ACMZ沿擠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了不完全動態再結晶，鎂合金出現細小再結晶組織，沿擠壓方向被拉長部分未出現再結晶組織，ACMZ0和ACMZ2的晶粒細化現象比較明顯；如果Zn含量進一步增加，未出現再結晶的區域會增加，另外，ACMZ6出現晶粒粗大現象。還可以看出，再結晶的晶粒大小不同，說明再結晶不是同時發生，而是個別區域先出現再結晶；上述再結晶晶粒會優先生長，之后再結晶區域的晶粒尺寸要小一些，部分長大晶粒會出現二次再結晶的情況。

圖2 擠壓態ACMZx微觀組織

擠壓態ACMZ合金的XRD圖譜如圖3所示。可以看出，不同成分ACMZ合金經熱擠壓處理后，其主要相都是-Mg和A12Ca，但是衍射峰強度發生變化，表明熱擠壓并不會生成新相，但可以改變相衍射峰強度。

圖3 擠壓態ACMZx合金的XRD圖譜

2.2 力學性能

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

圖4 擠壓態ACMZx合金應力-應變曲線

擠壓態ACMZ合金斷口掃描結果如圖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，合金斷口韌窩數量也會增加，深度也會增加，即韌性變好。

圖5 擠壓態ACMZx合金斷口形貌特征

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

3 結論

1）隨著Zn含量增加，鎂合金會出現細小再結晶組織，ACMZ0和ACMZ2晶粒細化現象比較明顯，但是Zn含量進一步增加，未出現再結晶的區域會增加。

2）熱擠壓并不會使鎂合金生成新相，但可以改變相衍射峰強度。

3）隨著Zn元素含量增加，合金屈服強度先變大后變小，伸長率會變大；隨著Zn含量增加，鎂合金韌性會變好，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

河南省重點研發與推廣（科技攻關）項目（192102210224）；河南省教育廳民辦普通高等學校品牌專業建設項目（教政法[2019]527號）

王麗娟（1984—），女，講師，主要研究方向為材料的微觀組織和力學性能分析。