鍛造溫度對ZK61M 鎂合金顯微組織和力學性能的影響

王海彬，王智勇，趙盛榮

（山西聞喜銀光華盛鎂業股份有限公司，山西 聞喜 043800）

0 引言

鎂合金材料密度約1.83g/m3，比鋁合金小36%，具有非常明顯的輕量化優勢，在工業領域具有巨大的應用潛力。ZK61M 鎂合金是典型的Mg-Zn-Zr 系鎂合金，是目前商用鎂合金比強度較高的一種合金材料，ZK61M鎂合金鍛件廣泛應用于航空工業、汽車運輸工業、結構材料工業、電子工業、精密機械工業等領域。但是，其本身還存在熱裂傾向重、塑性較差等缺點[1-3]。為了提高ZK61M鎂合金鍛件的力學性能，進一步拓寬它的應用領域，需要對其進行提高性能的工藝研究。ZK61M鎂合金在低溫鍛造容易脆裂，鍛造溫度通常控制在250～400℃[4-5]，考慮到低溫開裂風險和鎂合金在高溫下易發生腐蝕性氧化，鍛造溫度過高會使材料產生再結晶和晶粒長大，致使材料軟化，降低材料性能。Sturkey 和Clark 等人[6]認為Mg-Zn 系合金在149℃以及更高的溫度形成過渡析出相β1＇（Mg Zn＇）保證析出強化效應。另外，相關研究表明[7-11]，ZK61M的最佳時效溫度在180℃左右，最佳的時效時間是12h 左右。因此本文通過對ZK61M合金鍛件鍛造溫度工藝研究，分析不同鍛造溫度下鍛坯的合金硬度、力學性能、金相顯微組織，并對鍛坯進行T6 處理系統尋找ZK61M鎂合金鍛件最佳的鍛造溫度工藝，從而獲得最佳力學性能的組織。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選用的ZK61M合金棒料的化學成分如表1所示。

表1 ZK61M 鎂合金的主要化學成分(質量分數，wt.%)

1.2 試驗方法

本次試驗鍛造溫度定在300～400℃，試驗在此區間展開；鍛造完成后對不同鍛造溫度鍛坯進行T6 熱處理，固溶溫度選取505℃，保溫時間2h 出爐空冷，并在180℃下時效12h。對鍛態、T6 試樣進行硬度、拉伸試驗、金相檢測，分析討論總結最佳性能方案。金相試樣依次從600#砂紙、2000#砂紙進行預磨，然后進行拋光機器粗、精細拋光，金相腐蝕液采用配制的硝酸酒精溶液；拉伸試樣尺寸符合GB/T 228.1-2010；硬度執行GB/T 231-2002《金屬布氏硬度檢測方法》。試驗所用試樣尺寸形狀如圖1 所示，所有試驗樣品取樣方向均為流線方向；具體鍛造試驗及熱處理工藝參數見表2。

圖1 試樣尺寸形狀示意圖

2 試驗結果與分析

圖2 為不同鍛造溫度下鍛態金相顯微組織，由圖2 可看出，鍛態顯微組織在300、320℃由于組織變化不均勻，組織較為粗大，見圖2a、b，鍛造有可能發生開裂，340℃動態再結晶原始晶粒破碎，圖譜顯微組織規整見圖2c，原因是高溫下原子擴散程度增大，動態再結晶傾向增大；360℃～400℃，原始破碎晶粒和再結晶晶粒繼續長大見圖2d、e、f，沿晶粒變形方向再結晶晶粒進一步長大。圖3 為不同鍛造溫度下T6 態金相顯微組織，可以看出，由于經過高溫固溶處理，殘余的未溶相進一步溶解，合金發生再結晶，晶粒趨向于等軸化。另外，T6 態合金的晶粒尺寸開始長大，且不均勻，主要是由于變形態晶粒組織很不均勻。在鍛造溫度300℃、320℃組織比較粗大不均勻，這是由于鍛造溫度偏低，組織破碎不均勻導致，當鍛造溫度為340℃，組織變的均勻，再結晶晶粒細小均勻趨于等軸化，當鍛造溫度360℃～400℃，再結晶晶粒逐漸變大，這是由于鍛造時鍛造溫度過高，再結晶傾向進一步加大，晶粒也有所長大。

圖2 不同鍛造溫度下鍛態金相顯微組織

圖3 不同鍛造溫度下T6 態金相顯微組織

鍛態與T6 處理后金相顯微組織的變化具有高度的關聯性，在不同的鍛造溫度下，ZK61M合金中的粗大晶粒在垂直壓力的方向被壓扁、破碎，成為細的晶粒，沿晶粒變形的方向上破碎的小晶粒開始出現重組，并且出現動態再結晶晶粒。隨著鍛造溫度的增加晶界擴散和晶界遷移能力增加，但是隨著鍛造溫度增加組織內部又發生原始破裂的晶粒和再結晶的晶粒慢慢長大，各晶粒間變形趨勢趨于均勻，動態再結晶晶粒顯著粗化，在鍛造溫度340℃時金相顯微組織相對均勻規整。

圖4 為不同鍛造溫度下ZK61M 鍛件不同狀態硬度分布折線圖，測量時，選取試樣上三個不同位置進行硬度測量，取平均值。比較不同鍛造溫度硬度變化可以看出，隨鍛造溫度的增加，鍛態、T6 態硬度均先上升后下降，硬度在300℃～340℃區間內逐步升高，在340℃達到最大值，隨后在360℃～400℃區間內逐步降低。這主要是由于鍛態硬度變化隨著鍛造溫度的升高在變形過程中組織內原始晶粒破碎，發生動態再結晶，同時第二相也慢慢析出，隨著鍛造溫度進一步升高，再結晶晶粒繼續長大，材料開始軟化，材料硬度降低。此外，T6 狀態高溫固溶處理后冷卻時會形成不穩定的過飽和固溶體，晶粒發生再結晶，在不同的鍛造溫度下，再結晶晶粒出現了大小形狀上的差異，導致硬度出現差異，在低溫長時間時效處理時，大量的溶質原子從基體中以大量細小分散的析出相形式析出，析出相與滑移位錯作用，使合金具有較高的硬度，平均硬度比鍛態高出12.64%，在鍛造溫度340℃時出現硬度峰值。

圖4 不同鍛造溫度下ZK61M鍛件不同狀態硬度分布折線圖

圖5 為不同鍛造溫度試樣室溫拉伸試驗結果折線圖。由圖5 折鍛態線圖可以看出隨著鍛造溫度的升高抗拉和屈服出現先升高在降低的特點，而斷后伸長率呈現一直升高的趨勢，理論上分析，隨著鍛造溫度的提高，組織發生以下幾個階段的變化，剛開始在300℃，由于鍛造溫度偏低，組織變形變形不均勻，晶粒破碎不充分，存在未破碎原始粗大晶粒，導致抗拉、屈服、偏低，隨著鍛造溫度的升高晶界擴散和晶界遷移能力增加在340℃力學性能達到峰值，之后隨著鍛造溫度升高，鍛造過程動態再結晶趨勢增強，原始破碎的小晶粒再結晶晶粒進一步長大導致抗拉屈服降低，斷后伸長率升高。另外，從圖5 不同鍛造溫度拉伸試驗結果T6 態折線圖可以看出抗拉屈服呈現出先增大后減小的趨勢，在鍛造溫度340℃力學性能達到峰值，這與鍛態抗拉屈服變化趨勢一致，力學性能抗拉較鍛態提升7.14%，屈服提升8.16%，斷后伸長率呈現先增大后減小的趨勢，這是由于隨著高溫固溶再結晶晶粒進一步長大，導致斷后伸長率降低。

圖5 不同鍛造溫度試樣拉伸試驗結果折線圖

圖6 為ZK61M鍛件340℃，T6 處理SEM組織。通過對鍛造溫度340℃鍛態、T6 處理樣進行SEM 分析發現，鍛態析出相沿晶粒變形方向均勻分布，經過固溶處理后晶界上的第二相基本溶解，固溶強化效果明顯，在后續時效強化后又發生脫溶強化，此時晶界的第二相彌散的分布于晶界周圍，硬度、強度得到了很大的提升。

圖6 ZK61M鍛件340℃、T6 處理SEM組織

3 結論

（1）ZK61M 鎂合金鍛件的性能隨鍛造溫度的升高，硬度和強度先增大后減小，鍛造溫度在340℃硬度和強度斷后伸長率達到最大值。

（2）鍛造溫度為340℃工藝條件下，材料在鍛態、T6 處理狀態下均達到高強度的力學性。