陳琦，遲之東

(蘇州有色金屬研究院有限公司，江蘇蘇州215026)

鎂及鎂合金具有密度低、比強(qiáng)度高、比剛度高等優(yōu)點(diǎn)，在3C電子、汽車、航天航空和國(guó)防軍事工業(yè)領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景［1－2］。大部分鎂合金為密排六方晶體結(jié)構(gòu)，在常溫下塑性變形能力差，加工產(chǎn)品較少，尤其是鎂合金板材，其加工工藝復(fù)雜，成材率低，成本居高不下，而且鎂的化學(xué)性質(zhì)活潑，標(biāo)準(zhǔn)電極電位低(－2.37V)，氧化膜疏松多孔，導(dǎo)致其耐蝕性能差，從而嚴(yán)重制約了鎂合金板材的應(yīng)用和市場(chǎng)擴(kuò)大。

為了降低制造成本，研究者將鑄軋技術(shù)引入了鎂合金板材的生產(chǎn)，成功制備出了規(guī)格1.5～7.0mm×400～1800mm的鑄軋板材，然后再熱溫軋制加工生產(chǎn)出各類薄板。而在改善鎂合金板材耐腐蝕性能方面，可隔絕空氣及腐蝕介質(zhì)與金屬鎂接觸，參考鋼、鋁行業(yè)中已成熟應(yīng)用的板材復(fù)合工藝，將耐腐蝕和加工性能優(yōu)異的鋁合金板材包覆在鎂合金板材表面制備出鎂/鋁復(fù)合板，也可能是一種提高鎂合金板材耐蝕性能的方法。

軋制復(fù)合是一種常見(jiàn)的復(fù)合板材制備工藝，該工藝通過(guò)讓異種金屬相互接觸，在軋機(jī)壓力的作用下，采用熱軋或冷軋或二者結(jié)合的方式，以及軋后退火處理來(lái)實(shí)現(xiàn)異種金屬間冶金結(jié)合。本文采用軋制復(fù)合的方法，將A5052鋁板包覆在鎂合金鑄軋板坯表面，通過(guò)多道次大壓下軋制工藝制備鎂/鋁復(fù)合板，研究軋制工藝、熱處理工藝對(duì)復(fù)合板組織和性能的影響。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用鎂合金鑄軋板材采用雙輥式水平鑄軋機(jī)制備，合金牌號(hào)為AZ31B，經(jīng)均勻化處理后剪切磨削成規(guī)格為6.5mm×200mm×400mm的樣坯。包覆材料為商用 A5052鋁板，規(guī)格為 0.5mm×200mm×400mm。本文軋制試驗(yàn)在四輥軋機(jī)上進(jìn)行，軋輥預(yù)熱溫度為120℃，通過(guò)表面處理→軋制復(fù)合→軋后退火處理三個(gè)步驟制備出鎂/鋁復(fù)合板。試樣取自板坯縱截面，試樣經(jīng)打磨、拋光、腐蝕，腐蝕液配方為3g苦味酸+50ml乙醇 +10ml乙酸 +20ml水，采用 EPI PHOT200光學(xué)顯微鏡進(jìn)行組織觀察，JSM-6480掃描電子顯微鏡對(duì)復(fù)合界面處進(jìn)行形貌和能譜分析，CSS-44100型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度計(jì)對(duì)板材進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 軋制溫度對(duì)復(fù)合效果的影響

軋制溫度是影響鎂合金板材塑形加工性能的一個(gè)重要參數(shù)，也是影響金屬?gòu)?fù)合界面結(jié)合強(qiáng)度的重要因素。軋制溫度的選擇標(biāo)準(zhǔn)是使異種金屬處于熱等強(qiáng)溫度或接近這個(gè)溫度，在此溫度區(qū)間內(nèi)，隨著溫度的升高，異種金屬組元的塑性越好，因而軋制時(shí)其延展性越好，界面上被碾碎的氧化膜越彌散，暴露出的金屬表面就越多，其結(jié)合強(qiáng)度也較高。因此在保證AZ31B鎂合金板材具備適當(dāng)加工性能的前提下，本文選擇軋制溫度300、350、400、450℃進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)軋制溫度為300～400℃，道次壓下率超過(guò)30%時(shí)都能實(shí)現(xiàn)鎂/鋁板材的良好結(jié)合，復(fù)合界面如圖1所示。

圖1 鎂/鋁復(fù)合板復(fù)合界面形貌Fig.1 Interface morphology of Mg/Al composite sheet

鎂合金屬于密排六方晶體結(jié)構(gòu)，其塑性與溫度緊密相關(guān)，由于不同滑移系之間臨界剪切應(yīng)力(CRSS)差異很大，當(dāng)溫度達(dá)到573K時(shí)，柱面滑移與基面滑移的CRSS值才基本相近，因此溫度較低時(shí)，鎂合金滑移系少、塑形差、變形難，易開(kāi)裂。軋制溫度低于300℃時(shí)，鎂、鋁板材力學(xué)性能差異較大，變形程度不均勻，大部分軋制能消耗在了加工性能良好的鋁板上，鎂合金板材暴露的新生面較少，復(fù)合效果不好，而且在此溫度下采用30%以上的道次壓下率可能會(huì)導(dǎo)致板材邊裂嚴(yán)重。當(dāng)軋制溫度高于400℃時(shí)，鎂合金板材的氧化情況比較嚴(yán)重，較厚的氧化膜極大地降低了金屬表面間的有效接觸面積，從而降低了復(fù)合界面的結(jié)合強(qiáng)度，復(fù)合效果也較差。因此AZ31B與A5052板材的軋制復(fù)合溫度選擇在300～400℃之間。

2.2 道次壓下率對(duì)復(fù)合效果的影響

軋制復(fù)合過(guò)程是在軋制壓力的作用下，使異種金屬實(shí)現(xiàn)達(dá)到原子間引力作用范圍內(nèi)的物理接觸，從而建立起牢固的結(jié)合，因此為了獲得良好的結(jié)合需要對(duì)金屬施加足夠大的變形率。據(jù)文獻(xiàn)資料表明［3］，道次壓下率的大小近似等于新鮮金屬表面的暴露率。ε＜ε臨時(shí)，金屬表面膜的破裂程度小，新鮮表面產(chǎn)生較少，結(jié)合點(diǎn)的鍵合力不足以抵消表面膜的阻礙作用和復(fù)合組元間的彈性恢復(fù)作用，異種金屬難以復(fù)合;ε＞ε臨時(shí)，則情況相反。AZ31B鎂合金板材在300～450℃溫度區(qū)間的加工性能良好，因此本文選擇了25%、30%、35%、40%和45%的道次壓下率進(jìn)行了試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，鎂/鋁板材軋制復(fù)合的臨界道次壓下率約為30%。當(dāng)?shù)来螇合侣实陀?0%時(shí)，復(fù)合效果較差，表層鋁板很容易剝離。當(dāng)?shù)来螇合侣食^(guò)30%后，鎂、鋁板材均可實(shí)現(xiàn)良好復(fù)合。但是當(dāng)?shù)来螇合侣蔬_(dá)到40%后，板材邊裂嚴(yán)重，不利于后序軋制過(guò)程。因此在保證AZ31B板材在軋制過(guò)程中不產(chǎn)生開(kāi)裂的前提下，可以在30% ～40%范圍內(nèi)選擇較大的道次壓下率進(jìn)行軋制復(fù)合，使鎂/鋁板材結(jié)合面上的氧化膜盡量碎裂，提高新生面比率以獲得較好的復(fù)合效果。

2.3 熱處理工藝對(duì)復(fù)合界面的影響

為了研究熱處理制度對(duì)鎂/鋁板材復(fù)合界面的影響，本文采用掃描電鏡對(duì)軋制態(tài)、H24態(tài)(175℃ ×45min)和O態(tài)(350℃ ×120min)的復(fù)合板進(jìn)行了形貌觀察和成分分析，檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 軋制態(tài)、H24、O態(tài)包鋁鎂合金板材的復(fù)合界面Fig.2 Comparison of composite interface of as－rolled，H24，O aluminum clad magnesium sheets

從圖2中可以看出，用掃描電鏡對(duì)復(fù)合界面進(jìn)行EDS成分分析后，復(fù)合界面上存在一層金屬化合物。據(jù)文獻(xiàn)資料表明，這是在高溫軋制和中間退火過(guò)程中通過(guò)原子擴(kuò)散形成的金屬間化合物，主要包含Mg17Al12、MgAl及 Al3Mg2這三種金屬間化合物［4］，這些鎂鋁中間相硬而脆，對(duì)板材性能不利。鎂/鋁復(fù)合板材經(jīng)過(guò)H24熱處理后，與軋制態(tài)相比，復(fù)合界面形貌變化不大，但是金屬間化合物層的厚度明顯增加了，且出現(xiàn)了分層現(xiàn)象。這說(shuō)明在H24熱處理溫度下，Al、Mg元素的擴(kuò)散速度較室溫時(shí)大幅加快，從而導(dǎo)致復(fù)合界面上金屬間化合物層厚度的增加，這對(duì)鎂/鋁復(fù)合板材的結(jié)合強(qiáng)度也將帶來(lái)負(fù)面影響。經(jīng)過(guò)O態(tài)熱處理后，鎂鋁復(fù)合界面上部分出現(xiàn)了裂紋情況。這是由于在高溫退火過(guò)程中，脆性的金屬間化合物層厚度顯著增大，當(dāng)其超過(guò)一定厚度后，復(fù)合界面上的殘余應(yīng)力使其發(fā)生了破裂，從而引發(fā)裂紋的產(chǎn)生［5］，最終導(dǎo)致復(fù)合失效。

2.4 熱處理溫度對(duì)復(fù)合板材力學(xué)性能的影響

為了考察熱處理溫度對(duì)板材力學(xué)性能的影響，本文對(duì)兩種熱處理制度的復(fù)合板材(厚度1mm)進(jìn)行了拉伸性能測(cè)試，其結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，隨著熱處理溫度的升高，鎂/鋁復(fù)合板材的抗拉強(qiáng)度呈明顯下降趨勢(shì)，特別是經(jīng)過(guò)完全退火后，抗拉強(qiáng)度損失很大，這可能是O態(tài)板材中出現(xiàn)了部分裂紋所致。經(jīng)H24處理后，伸長(zhǎng)率較軋制態(tài)有所提高，但是經(jīng)O態(tài)熱處理后，其延伸率出現(xiàn)了一定程度的下降，其原因是在高溫狀態(tài)下金屬間化合物的數(shù)量增多，厚度加大，導(dǎo)致復(fù)合界面脆化，板材塑性下降。因此鎂鋁復(fù)合板材為了避免材料綜合性能降低，不適合進(jìn)行高溫?zé)崽幚怼?/p>

表1 不同熱處理制度對(duì)鎂/鋁復(fù)合板材力學(xué)性能的影響Fig.2 Effect of different heat treatment processes on mechanical properties of Mg/Al composite sheet

3 結(jié)論

為了改善鎂合金板材的耐腐蝕性能，本文采用了軋制復(fù)合工藝制備了包鋁鎂合金板材，并對(duì)影響復(fù)合板材力學(xué)性能的主要軋制工藝進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)軋制溫度為300～400℃、道次壓下率30% ～40%時(shí)，鎂、鋁板材可以實(shí)現(xiàn)良好的復(fù)合;復(fù)合板材的退火工藝會(huì)對(duì)板材性能產(chǎn)生較大的影響，鎂鋁復(fù)合板材的熱處理溫度應(yīng)控制在H24溫度以下。

［1］Hoy-Petersen N.Proc.47th Annual World Magnesium Conference［C］. Cannes， France:InternationalMagnesium Association，1990.18.

［2］Michael M Avedesian，Baker H.ASM Speciality Handbook Magnesium and Magnesium alloys［M］.ASM International Materials Park，1999.

［3］鄧華，姚若浩，楊建武.銅－鋁軋制復(fù)合工藝研究［J］.南方冶金學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，18(2):120 －121.

［4］Y.G.Li，J.Wang，et al.XRD and SEM analysis near the diffusion bonding interface of Mg/Al dissimilar materials［J］.VACUUM.2008.82:15.

［5］吳樹(shù)森，嚴(yán)有為.材料成型界面工程［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.