AZ31B薄板材中夹杂物的控制对性能的影响.pdf

第5 8 卷第3 期 2006 年8 月 有 色 金 属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 8 ．N o ．3 A u g u s t 2 0 0 6 A Z 3 1 B 薄板材中夹杂物的控制对性能的影响 徐卓辉，唐国翌 清华大学深圳研究生院新材料研究所，广东深圳 5 18 0 5 5 摘 要通过对两种典型镁合盒化学成分、力学性能、热轧试验及内部微观组织特别是夹杂物金相和S E M 观察等的对比分 析，研究A Z 3 I B 变形镁合金薄板在主要化学成分十分接近的情况下，夹杂物种类、形貌、大小、分布对变形与使用过程中的力学及 耐蚀性能上的影响。结果表明，细小、球形而又弥散分布的含硅夹杂相有利于细化基体晶粒，改善材料的内部微观组织结构。因 此夹杂物的控制对提高A z 3 1 B 的强度、轧薄极限、耐蚀性等综合性能十分重要。 荚键词金属材料；A Z 3 1 B 镁合金；热轧；夹杂；微观组织结构 中图分类号T G l 4 6 ．2 2 ；T G l l 3 ．2 ；T G 3 3 9文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 6 0 3 0 0 0 l 一0 5 镁合金以其资源丰富、密度小、比强度高、导热 好、回收容易等特点，被称为2 1 世纪“绿色”金属材 料，特别是M g A 1 一Z n 系 简称A Z 系列 材料，为变 形镁合金的典型代表。目前风靡全球的3 C 电子产 品 如手机、手提电脑、数码相机 等的外壳的设计与 制造，要求材料环保、质轻、美观、散热性能好，镁合 金恰好是这种材料的最佳选择。A Z 3 1 B 材料的薄 板材 0 ．5 r a m 以下 在近几年已经开始被日本、美国 等国家广泛采用于3 C 产品的外壳用材。国内开发 的A Z 3 1 B 薄板材料，虽然在化学成分上与国外基本 相同，但在强度、加工性能、耐蚀性等性能方面存在 较明显的差异，尚未能批量化用于3 C 产品外壳的 制造。因此广泛开展国内外镁合金薄板材的微观组 织结构与性能关系的对比研究，对中国从镁大国 资 源优势 向镁强国 技术优势 的转化，具有重要意 义。通过分析A Z 3 1 B 薄板材中的夹杂物对性能的 影响，得到了一些有益于提高材料综合性能的部分 参考依据。 1实验方法 试验原料N 0 1 一国内典型A Z 3 1 B 板材 厚度 1 ．0 r a m ，退火态 ；N 0 2 ～国外某公司生产的A Z 3 1 B 板材 厚度1 ．1 I n m ，退火态 。对比两者的化学成 分、力学性能、热轧试验及内部微观组织，特别是夹 杂物的观察与分析。 收稿日期2 0 0 5 一1 1 一0 7 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 5 7 1 0 4 8 作者简介徐卓辉 1 9 7 1 一 。男，广东佛山市人，高级工程师，博士 生，主要从事变形镁合金加工技术等方面的研究。 其中微观组织观察采用O L Y M P U SB X 5 0 反射 式金相显微镜结合S E M C S M 9 5 0 扫描电镜 分析， 微区物相成分采用扫描电镜附带的E D X 手段。块 状材料的化学成分主要采用化学分析法和原子吸收 光谱 W F X 一1 2 0 原子吸收分光光度计 法。金相微 观组织试样的制备，取平行镁板面方向的截面冷镶 制样，按粗到细 3 2 0 ，6 4 0 ，1 0 0 0 的粒度顺序水 磨砂纸磨样，然后用酒精混合2 ．5 t L m 和l 肛m 的金 刚石研磨膏抛光，最后酒精清洗吹干。用1 0 m L 醋 酸、4 ．2 9 苦味酸、1 0 m L 蒸馏水以及7 0 m L 乙醇组成 的溶液进行浸蚀，可观察到理想的晶粒及其晶界浸 蚀效果。原料力学性能采用L G 。1 0 0 0 拉伸试验机 按镁合金试验标准取样测得。 热轧过程所采用的试验设备为 2 0 0 r a m 3 0 0 m m 两辊热轧机 轧制速度0 ．2 6 1 m ／s 和箱式电 阻炉 控温精度5 ℃ 。热轧时，先在箱式电阻炉内 按加热制度加热保温 ，然后迅速用铁钳夹出送人轧 辊，出辊后快速水淬，然后再加热，进入下一道次热 轧，如此循环。其中，№1 料与N 0 2 料均选择3 5 0 ℃ 为热轧温度，保温时间则根据厚度分为两种0 ．5 ～ l m m 加热时间为2 m i n ，0 ．5 r a m 以下则采用 1 ．5 r a i n 。热轧按1 0 ％～4 0 ％的不等的道次压下率 逐次压下，直至轧机不能压下为止。热轧过程中取 不同厚度的样品进行S E M 或光学显微镜观察微观 组织，并测试显微硬度。测试显微硬度的载荷为 1 ．9 6 N ，加载时间为1 0 s 。 2 试验结果及讨论 测得№1 料与N 0 2 料化学成分如表1 所示，两者 的化学成分均符合A Z 3 1 B 材料的成分要求，且主要 万方数据 2有色金属第5 8 卷 注意硅用化学分析方法检测。 两种原料沿轧制方向均各取三个样测室温下的 力学性能，结果取平均值。N o _ 2 料抗拉强度为 2 6 0 M P a ，延伸率为1 2 ．5 ％。№1 料抗拉强度 2 4 6 M P a ，延伸率为1 0 ．5 ％。即N 0 2 料在原始力学性 能上要优于N 0 1 料，不但强度高，且韧性好。 热轧试验可得到两种原料的硬度与压下率的关 系曲线，见图1 。从图1 可以看出，在同样状态或轧 制变形率的情况下，N 0 2 料硬度较N 0 1 料偏大，即强 度更高。此外发现№1 料在轧薄至一定厚度 ≤ 0 ．2 r a m 时，容易出现脱皮、针眼等表面缺陷而无法 继续轧制，N 0 2 料则最终轧制厚度至0 ．0 6 5 m m 时仍 保持了良好的表面质量。 浸蚀金相组织条件下，取多个视场按截线法 轧制变形翠，％ 图1A Z 3 1 B 硬度与轧制变形率关系曲线 F i g ．1P l o t so fh a r d n e s sV Sr o l l i n gr e d u c t i o n sf o rA Z 3 1 B 计算两原料的晶粒尺寸，如图2 所示。结果表明， N 0 2 原材料的晶粒明显细小 平均直径约1 0 t - m ，而 №1 料的晶粒粗大 平均直径约2 0 肛m 。 图2 材料的金相浸蚀组织 F i g ．2M e t a l l o g r a p h ym i c r o s t r u c t u r eo fr a wm a t e r i a l sa f t e re t c h i n g 用金相结合S E M 观察及E D X 分析N O l 料与程中经常出现的无规律表面点蚀现象应与此密切相 N 0 2 料，发现在夹杂物的种类、形貌、大小、分布等方关。 2 典型不规整的中国汉字形夹杂相[ 图3 中箭 面存在较大差异。用背散射电子像发现№1 料中大 头所指 b 类] ，尺寸 直径 均在5 肚m 以上。经E D X 量存在着两种夹杂。 1 具备一定热变形能力而沿 微区分析，结合文献【2 _ 4 ] 报道，推断其为M g z S i 相。 轧制方向排列的夹杂[ 图3 中箭头所指 a 类] ，其微这种M 9 2 S i 相会降低材料的延伸率，导致加工过程 区E D X 分析结果为A J4 1 ．7 8 ％；M n3 0 ．6 6 ％；N i的开裂。试验中N 0 1 料轧至0 ．2 m m 时，表面空洞 3 ．2 7 ％。估计此夹杂为含N i 的M n ．A 1 中间化合 见图4 附近微区E D X 的分析结果 均含有较高的 物，这种夹杂周围虽然未发现裂纹，但其中的N i 会S i 也得到了类似上述文献的结论不规整的该类夹 急剧降低该镁合金的耐蚀性⋯1 。而在前述块状材杂在变形过程中，在尖锐部较易产生局部应力集中， 料的化学成分分析中并没有发现N i ，这可能是№1再加上含S i 相与基体在热膨胀系数方面存在较大 料中存在较严重的成分偏析。№1 薄板料在使用过差异形成残余应力，导致夹杂与基体交界处产生裂 万方数据 第3 期 徐卓辉等A Z 3 1 B 薄板材中夹杂物的控制对性能的影响3 图3 №1 料断口 a 第一类和 b 第二类夹杂背散射图像 F i g ．3S E Mu s i n gb a e k s c a t t e r e de l e c t r o n so f a f i r s t a n d b s e c o n dt y p eo fi n c l u s i o no f №1m a t e r i a l ’sc r o s s - s e c t i o n 纹甚至发展成为空洞。而与№1 料的夹杂形成鲜明 对比的是，№2 料基本上只有一种方向性不明显基 本呈球形 见图5 、弥散分布的夹杂，大部分直径只 有2 ～3 弘m ，少数为5 ～7 肚m 。E D X 分析该类夹杂物 的成分有s i ，灿，C a ，M g 。该球形夹杂在热轧过程中 基本不变形 对比图6 中左右图，材料厚度从 图4N 0 1 料轧至0 ．2 m m 厚度表面 缺陷S E I 二次电子 像 F i g ．4 S E Io fs u r f a c ed e f e c ta p p e a r e da f t e rr o i l i n g t ot h i c k n e s so f0 ．2 r a mf o r №1m a t e r i a l 0 ．6 1 r a m 轧制至0 ．3 1 r a m 时夹杂直径基本无变化 且无开裂现象。可见№2 料的这种夹杂具有较高的 热硬度，即使尺寸稍大但其球状形貌也有利于减小 轧制变形过程中沿第二相与基体交界处的局部应力 集中，可达到降低材料轧薄开裂可能性的效果。 图5 №2 料的球形夹杂S E I 二次电子 图像及其E D X 能谱分析结果 F i g ．5S E Io fs p h e r i ci n c l u s i o n so fN 0 2m a t e r i a l ’sa n di t sE D Xr e s u l t s 图6热轧过程中№2 料含S i 相夹杂的纵截面金相 F i g ．6O p t i c a lm i c r o g r a p h yo fi n c l u s i o nc o n t a i n e ds i l i c o no fN 0 2m a t e r i a ls e c t i o na l o n gr o l l i n gd i r e c t i o n 综合上述试验对比的结果与现象观察，可以看 出№1 料虽然在宏观化学主要成分上保证了与N 0 2 万方数据 4有色金属第5 8 卷 料基本一致性，但在夹杂物的控制上存在较大差距， 这可能正是造成两种材料相应强度、加工性能、耐蚀 性等方面存在较大差异的关键原因。一方面，减少 有害夹杂物的形成可从保证原料品位 如严格限制 N i ，F e ，C u 等不利于抗蚀性的元素含量 、控制好熔 炼及浇注过程 如加入熔剂精炼、除气处理、洗涤熔 炼和浇注工具 等方面人手引5 ；另一方面，控制夹杂 物的种类、形貌、大小、分布均与熔炼过程中的变质 处理有着密切关系。 N 0 2 料中细化球形夹杂物的形成仍与变质处理 一异质形核机制作用有关。异质形核能力的大小取 决于形核基底与结晶相之间的界面能，影响界面能 的因素主要包括基底与结晶相问的点阵错配度、基 底的表面形态、化学性质以及基底与结晶相间的静 电位。当点阵错配引起弹性能急剧升高时，则错配 度是决定界面能的主要因素。这种错配度的计算应 使晶核的低指数基面与基底物质的低指数面重合， B r a m f i t t 建立了相应二维点阵错配度模型№] 。 艿{ 缁过 l ／3 ∑{ Id [ u 删] j c o s 0 一d [ u v w ] l 绍[ “可训] } 1 0 0 ％ i 1 ～3 式中 h k l ，为基底的低指数晶面；[ 1 t V W ] ，为 h k l ；晶面上的低指数晶向； h k l 。为晶核的低指 数晶面；[ U V W ] 。为 h k l 。晶面上的低指数晶向； d [ “可叫] ，和d [ U V W ] 。分别是[ U T O W ] 。和[ U V W ] n 晶 向的阵点间距；0 为[ U 7 2 W ] 。和[ I I V W ] 。的夹角。 B r a m f i t t 的结果表明，在非均质形核时，艿 1 5 ％的核心则无效。异质核心 有相应提高夹杂物与金属基体界面能的作用，从而 达到球化夹杂相形状的效果。C a 的有效加入就能 起到细化和球化镁合金中含S i 相夹杂，改善和减缓 变形过程中的应力集中，提高材料延伸率的作用。 此时C a 2 S i 为六方结构，a 0 ．6 2 3 n m ，C 0 ．4 5 2 n m ， 而M 9 2 S i 为面心立方，a 0 ．6 3 4 7 n m ，按B r a m f i t t 模 型计算，C a 2 S i 与M 9 2 S i 的 0 0 1 面的错配度最小艿 1 ．9 ％，远小于6 ％，即M 9 2 S i 的异质核心很可能 就是C a 2 S i r 卜9 | 。这一点从试验中球形夹杂的E D X 微区分析中含有C a 以及该含C a 量较N o l 明显偏多 得到了证实。此外文献[ 1 0 - 1 1 ] 指出，一旦细小弥散 的含S i 相 其熔点一般都在1 0 0 0 ℃以上 结构形成， 它容易富集于镁合金液固相凝固界面前沿，阻碍A l 和Z n 等原子的扩散，从而也能起到细化基体晶粒 的作用。 基体细晶化的微观组织结构有利于提高材料的 强度，改善室温韧性，增加抗蚀能力。由H a l l P e r c h 公式HJ 可知，合金强度随晶粒尺寸的减小而增加，d d o K d _ 1 ／2 ，式中d o 和K 为常数，d 为晶粒直 径。一般而言，常数K 。CM 2 M 为T a y l o r 因子 ， 常数K 随T a y l o r 因子的增大而增大，而T a y l o r 因 子通常取决于滑移系数目。相对其他晶体结构而 言，密排六方结构晶体滑移系少，相应的T a y l o r 因 子大 镁为6 ．5 ，而铝只有3 ．0 6 ，因此镁合金晶粒细 化对提高强度的效果尤其明显。一般认为，细晶化 有利于韧性的提高与晶界滑移机制有关。K o i k e [ 1 2 J 等曾对A Z 3 1 B 镁合金轧制板在室温到5 2 3 K 温度范 围内进行拉伸试验，变形样品表面的刻线位移证明 在室温下发生了晶界滑移 G B S 。在室温时这种 G B S 属于滑移诱导G B S ，它是由晶界所表现的各向 异性塑性相容条件和在晶界发生的晶格位错的吸收 与分解所引起的，其机理类似于位错滑移。正是由 于细晶化极大地增加了晶界面积，从而通过增大晶 界滑移降低和释缓晶界附近的应力集中，减少了加 工过程中沿晶开裂的可能性。另外在试验过程中发 现N 0 2 料在金相浸蚀过程中其浸蚀速度远较№1 料 慢，这也应是其细小均匀晶粒形态有利于降低平均 腐蚀速度所起到的效果。 总之，变质剂的球化夹杂物与细化基体晶粒的 综合作用根本性地改善了镁合金内在的微观组织结 构，是提高材料加工及应用性能的关键性因素之一。 3结论 通过镁合金A Z 3 1 B 轧制薄板的化学成分、微观 组织结构 包括夹杂 观察及力学性能测试和分析， 找出造成两种不同材料性能差异形成的原因。即使 两种镁合金材料化学成分十分接近，但由于在夹杂 物的控制方面存在差距，会造成性能上较大的差异。 镁合金中大量存在的两种类型夹杂对其应用性能会 产生负面影响，夹杂中含杂质元素如N i 等会降低材 料抗蚀性能，不规整形态且尺寸较大的含S i 相夹杂 则会严重破坏材料的加工性能。A Z 3 1 B 材料中可 通过加入合适的包含有C a 元素的晶粒细化变质剂， 起到球化夹杂物和细化基体晶粒的双重作用，最终 达到优化微观组织结构，实现机械性能、加工性能、 耐蚀性的最优组合。 万方数据 第3 期 徐卓辉等A Z 3 1 B 薄板材中夹杂物的控制对性能的影响 5 参考文献 [ 1 ] S o n gG ，A t r e n sA ，J o h nS TD ， 1 9 9 7 ，3 9 1 0 ／1 1 1 9 8 1 2 0 0 4 [ 2 ] S o n gG ，A t r e n sA ，D a r g u s c hM 2 4 9 2 7 3 ． e ta 1 ．T h ea n o d i cd i s s o l u t i o no fm a g n e s i u mi nc h l o r i d ea n ds u l p h a t es o l u t i o n s [ J ] ．C o r r o sS c i ， I n f l u e n c eo fm i c r o s t r u e t u r eo nt h ec o r r o s i o no fd i ec a s tA Z 9 1 D [ J ] ．C o r r o sS c i ，1 9 9 9 ，4 1 2 [ 3 ] S 0 n gG ，A t r e n sA ，W uX ，e ta 1 ．C o r r o s i o nb e h a v i o ro fA Z 2 l ，A Z 5 0 1a n dA Z 9 1i ns o d i u mc h l o r i d e [ J ] ．C o r r o sS e i ，1 9 9 8 ，4 0 1 0 1 7 6 9 1 7 9 1 ． [ 4 ] C a h nRW ．非铁合金的结构与性能[ M ] ．丁道云等译．北京科学出版社，1 9 9 9 1 2 8 1 3 5 ． [ 5 ] 刘正，张奎，曾小勤．镁基轻质合金理论基础及其应用[ M ] ．北京机械工业出版社，2 0 0 2 8 1 8 9 ． 【6 ] Y u a nGY ，L i uZL ，W a n gQD ，e ta 1 ．M i c r o s t r u c t u r er e f i n e m e n to fM g A 1 一Z n - S ia l l o y s [ J ] ．M a t e r i a l sL e t t e r s ，2 0 0 2 ，5 6 9 5 3 5 8 ． [ 7 ] L e eYC ，D a h l eAK ，S t J o h nDH ．T h er o l eo fs o l u t ei ng r a i nr e f i n e m e n to fm a g n e s i u m [ J ] ．M e t a l l u r g i c a la n dM a t e r i a l sT r a n s a c t i o n A ，2 0 0 0 ，3 1 A 1 1 2 8 9 5 2 9 0 6 ． [ 8 ] L u oA ，P e k g u l e r y u zMO ．R e v i e wc a s tm a g n e s i u ma l l o y sf o re l e v a t e dt e m p e r a t u r e sa p p l i c a t i o n s [ J ] ．J o u r n a lo fM a t e r i a l sS c i e n e e s ，1 9 9 4 ，2 9 2 0 5 2 5 9 5 2 7 1 ． [ 9 ] P e k g u l e r y u zMO ，A d e d e s i a nMM ．M a g n e s i u ma l l o y i n g ，s o m ep o t e n t i a l sf o ra l l o yd e v e l o p m e n t [ J ] ．轻金属，1 9 9 2 ，4 2 1 2 6 7 9 6 8 6 ． [ 1 0 ] M u k a iT ，W a t a n a b eH ，H i g a s h iK 。G r a i nr e f i n e m e n to fc o m m e r c i a lm a g n e s i u ma l l o y sf o rh i g h s t r a i n - s u p e r p l a s t i e f o r m i n g [ J ] ． M a t e r i a l sS c i e n c eF o r u m ，2 0 0 0 ，3 5 0 ／3 5 1 1 5 9 1 7 0 ． [ 1 1 ] T a m u r aY ，K o n oN ，M o t e iT ，e ta 1 ．G r a i nr e f i n i n gm e c h a n i s ma n dc a s t i n gs t r u c t u r eo fM g Z ra U o y [ J ] ．J o u r n a lo fJ a p a nI n s t i t u t eo fL i g h tM e t a l s ，1 9 9 8 ，4 8 4 1 8 5 1 8 9 ． [ 1 2 ] K o i k eJ ，O h y a m aR ，K o b a y a s h iT ，e ta 1 ．G r a i n b o u n d a r ys l i d i n gi nA Z 3 1m a g n e s i u ma l l o y sa tr o o mt e m p e r a t u r et O5 2 3K [ J ] ． M e tT r a r t s ，2 0 0 3 ，4 4 4 4 4 5 4 5 1 ． E f f e c t so fC o n t r o lI n c l u s i o no nP r o p e r t i e so fA Z 3 1 BM g - a l l o yT h i nS h e e t X UZ h u o - h u i ． A d v a n c e dM a t e r i a l sI n s t i t u t e ，G r a d u a t eS c h o o la tS h e n z h e n ， T A N GG u o - y i T s i n g h u aU n i v e r s i t y ，S h e n z h e n5 1 8 0 5 5 ，C _ m a n g d o n g ，C h i n a A b s t r a e t T h ee f f e c t so ft h ei n c l u s i o nt y p e ，m o r p h o l o g y ，s i z ea n dt h ed i s t r i b u t i o ni nA Z 3 1 Bt h i ns h e e t so nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n da n t i c o r r o s i o na b i l i t yd u r i n gt h ep r o c e s s i n ga n da p p l i c a t i o na r ei n v e s t i g a t e dw i t ht h em a t e r i a l sa l m o s ts a m ei nm a i nc o m p o s i t i o n sb yc o m p a r i s o no ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fc h e m i c a lc o m p o s i t i o n s ，m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，h o t r o l l i n gp r o c e s sa n di n t e r n a lm i c r o s t r u c t u r ee s p e c i a l l yi n c l u s i o n so b s e r v e db yo p t i c a lm i c r o s c o p e a n dS E Mf o rd i f f e r e n ta s r e c e i v e dm a g n e s i u ma l l o y s ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef i n e ，s p h e r i c a la n dd i s p e r s e di n c l u s i o nc o n t a i n e dS ii si nf a v o r e do fr e f i n i n gm a t r i xc r y s t a l sa n do p t i n f i z i n gi n t e r n a lm i c r o s t r u c t u r eo ft h ea l l o y ． S oc o n t r o lo ft h ei n c l u s i o n si si m p o r t a n tf o ri m p r o v i n gt h eu n i t a r yp r o p e r t i e so fA Z 31 Bt h i ns h e e ti n c l u d i n g s t r e n g t h ，r o l l i n gl i m i t a t i o na n da n t i c o r r o s i o na b i l i t y ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；A Z 31 Bm a g n e s i u ma l l o y ；h o tr o l l i n g ；i n c l u s i o n ；m i c r o s t r u c t u r e 万方数据