新型双衬板轧制制备ZK60镁合金

布如宇

（茅台学院，贵州 仁怀 564500）

为了更好地应对日益加剧的资源紧缺问题，人们对轻质金属材料的要求越来越高[1]。镁合金作为最轻的结构金属材料，在轻量化方面具有非常大的发展潜力[2-3]。不仅如此，镁合金还拥有高比强度、高导电导热性、易于回收等优点，在各个领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景[4-6]。

在众镁合金中，有较高强塑性的ZK60镁合金受到越来越广泛的关注。生产镁合金板材重要的加工手段是轧制[7]。然而，镁合金在普通轧制过程中极易开裂。不仅如此，镁合金轧板通常还会形成基面织构，严重影响板材后续成型能力。

为改善普通轧制过程中单向对称的剪切应力状态，在轧制试样上下表面各添加一块硬质合金衬板，即双衬板轧制。该衬板的存在能使试样在轧制过程中承受的力变为压应力，能显著提高板材的成型性能。

1 试验材料和方法

原材料为自行制备的ZK60镁合金铸锭。浇铸的圆棒直径尺寸为140 mm。轧制板的尺寸为45 mm×30 mm×4.2 mm。轧制前试样在325℃下保温，轧辊不加热。显微组织分析在Zeiss光学显微镜上进行，室温力学性能试验在MTS-810上进行。

2 试验结果及分析

2.1 双衬板轧制对显微组织和力学性能的影响

铸态ZK60的显微组织如图1所示，可以看出晶粒不均匀，平均晶粒尺寸为67.9 μm。其屈服强度为80 MPa，抗拉强度为222 MPa，断裂延伸率为15%。

图1 铸态ZK60镁合金显镜组织

ZK60板材双衬板轧制只进行一道次（压下量分别为55%、65%和75%）。轧制后试样表面平整，仅边缘有少量裂纹，可以看出该双衬板轧制法具有非常好的成型能力。

图2为轧制后未进行退火再结晶处理的组织图，可以看出晶粒出现明显的细化，且大晶粒内部出现大量孪晶。笔者认为，轧制过程中发生孪生和动态再结晶现象。随着轧制压下量的增大，细小晶粒明显增多，说明动态再结晶随着变形量的增大，进行得越发彻底，同时屈服强度和抗拉强度也出现明显增大。与压下量为55%时相比，其屈服强度由149 MPa增大到234～265 MPa，如图3所示。当压下量为75%时，断裂应变仅为6.7%。其较低的延伸率与轧制后未进行退火再结晶、内部存在应力集中有关。从其力学性能的变化可以看出，双衬板轧制不进行任何处理，能显著提高铸态ZK60镁合金的强度，但塑性有所降低。

图2 双衬板轧制ZK60未退火微观组织

图3 双衬板轧制ZK60未退火时力学性能曲线

2.2 退火对ZK60镁合金显微组织和力学性能的影响

为了充分发挥双衬板轧制ZK60镁合金板材的力学性能，消除变形过程中内部存在的应力集中等缺陷，人们对轧制后的板材进行退火再结晶处理。为了更好地确定最佳的退火温度，笔者选取了两组退火温度（分别为325℃、30 min以及375℃、30 min）。

图4为325℃、30 min退火后双衬板轧制ZK60的显微组织，可以发现其部分区域仍有少部分孪晶存在。压下量较小时（55%），出现大小晶粒混杂的组织，但以粗大的晶粒为主，说明其变形量较小，轧制过程中没有充分发生动态再结晶。随着压下量的增大，晶粒逐渐细化，压下量为65%时，细小晶粒区域所占的比例已超过50%。当压下量为75%时，只有少部分区域存在孪晶，其余区域均为细小均匀的晶粒组织。

图4 325℃、30 min退火后光镜组织

图5所示为375℃、30 min退火后双衬板轧制ZK60镁合金的显微组织。由此可以看出，相比于325℃、30 min退火组织，此时没有孪晶存在，说明发生了完全的再结晶。但压下量为55%的晶粒组织仍呈现出沿轧制方向被拉长的样貌，压下量为75%的晶粒组织较细小均匀。相比于325℃、30 min退火，其屈服强度、抗拉强度降低，但断裂应变显著提高，同样55%压下量下，375℃退火处理后屈服强度、抗拉强度和断裂延伸率由325℃的110 MPa、304 MPa和11%变为149 MPa、278 MPa和30%。笔者认为，由于375℃退火时发生完全的再结晶，内部应力集中完全释放。随着压下量增大，强度增加，但延伸率降低。ZK60镁合金375℃、30 min退火后力学性能曲线如图6所示。与初始铸态ZK60镁合金相比，其屈服强度、抗拉强度和延展性都出现显著提高，屈服强度由80 MPa提高为压下量75%时的208 MPa，抗拉强度由222 MPa提高为压下量75%时的314 MPa，断裂伸长率由15%提高为压下量75%时的25%。同时，晶粒也出现明显细化，此时平均晶粒尺寸为 7.3 μm。

通过32℃、30 min退火和375℃、30 min退火后组织和力学性能对比，人们发现，在375℃、30 min下压下量为75%出现较优的力学性能（屈服强度208 MPa、抗拉强度314 MPa、断裂伸长率25%）。

图5 375℃、30 min退火后光镜组织

图6 ZK60镁合金375℃、30 min退火后力学性能曲线

3 结论

采用双衬板轧制新技术实现ZK60镁合金冷辊单道次大压下量轧制（压下量可达75%）。通过双衬板轧制制备的ZK60能显著细化晶粒，375℃、30 min退火后，晶粒尺寸能细化到7.3 μm。375℃、30 min退火再结晶后，ZK60镁合金能获得较优异的力学性能（屈服强度208 MPa、抗拉强度314 MPa、断裂伸长率25%）。该性能指标可以与普通轧制ZK60镁合金板材性能相媲美，但双衬板轧制更加简便经济。

1 陈振华.变形镁合金[M].北京：化学工业出版社，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 张 磊.Mg-6Al-3Sn镁合金变形行为及衬板轧制组织与力学性能[D].长春：吉林大学，2015.