热轧过程中压下量对AZ61镁合金组织与性能的影响

王宏岩，梁海成

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159)

镁合金具有低密度、高比刚度、高比强度和机械加工方便等优点，广泛应用于电子、汽车和航空等行业。常温条件下镁合金强度低、塑性变形能力差。因此，优化镁合金的可加工性能，提高镁合金板材的生产效率，探讨镁合金轧制工艺参数对于工程应用具有重要意义。

AZ61是典型成形性能较好的变形镁合金之一，具有良好的综合性能。目前，部分学者对AZ31、AZ80等变形镁合金轧制工艺进行了大量研究，获得了轧制温度、变形量、退火温度等参数对材料组织性能的影响规律[1-3]。嵇文凤等研究轧制温度对AZ61镁合金板材的显微组织和力学性能的影响[4]。El-Morsy等研究在300℃时AZ61的轧制性能，发现在该温度下AZ61板材成材率较差，但在总压下量达到90%时能够获得大量细小的等轴晶粒[5]。J.A.del Valle 等分析AZ61在375℃温度下大应变热轧过程中的组织结构演化规律[6]。由于镁合金的耐蚀性较差，使其工程应用受到严重限制，近年来许多学者对此进行了深入研究。李凌杰等对轧制AZ61镁合金表面、侧面和截面进行耐蚀性研究，影响耐蚀性能的根本原因是轧制处理引起的材料微观组织各向异性[7]。李连强等对AZ61镁合金在人造海水溶液中的腐蚀及放电行为进行了研究，发现大电流放电时表现出良好的耐蚀性能[8]。汪利娜等研究了腐蚀液浓度对AZ61镁合金耐蚀性能的影响[9]。然而，热轧过程中压下量会对镁合金的微观组织结构和综合性能产生重要影响，目前有关此方面的研究报道甚少。基于以上分析，本文以AZ61镁合金为研究对象，探讨热轧过程中压下量对其显微组织、力学性能和耐蚀性能的影响规律，促进AZ61变形镁合金产品的推广应用。

1 实验

实验所用材料为铸态AZ61镁合金板材，其化学成分(质量分数，%)为：6.859Al、1.226Zn、0.188Mn、0.1Si、0.007Fe、0.002Ni、0.004Cu、0.003S、余量为Mg。轧制开始前，将规格为100mm×100mm×50mm试样放置在VTHK-500K真空电阻炉内，炉温升至380℃时保温10 h进行退火处理，然后将试样切成尺寸为100mm×25mm×25mm的板坯。实验采用φ230mm×200mm双棍可逆式轧机，对退火后试样进行不同压下量的多道次轧制实验，轧制温度为350℃，轧制过程中首道次试样保温时间为30min，其他道次之间保温时间为20min，轧制总变形量分别为20%、40%和60%，板材最终厚度为10mm。对原始坯料和轧后镁合金板材1/2位置进行切割取样，3000#SiC砂纸打磨和呢绒精抛，采用蒸馏水(10mL)+醋酸(5g)+苦味酸(5g)+乙醇(100mL)混合溶液浸蚀。利用光学显微镜和维氏硬度计对样品进行显微组织观察和硬度测试。电化学测试试样尺寸为10mm×10mm×10mm，工作面积为100mm2，非工作面用环氧树脂封装，试样表面依次采用400#、600#、800#和1200#SiC砂纸打磨，用丙酮除油，乙醇洗涤，冷风吹干。利用PATSTAT2273电化学工作站对试样进行极化曲线测量实验。电化学测试系统为传统的三电极体系，饱和甘汞电极(SCE)和铂电极分别作为参比电极和辅助电极，AZ61镁合金为工作电极，腐蚀溶液为3.5%NaCl中性溶液，温度为25℃。

2 实验结果与分析

2.1 原始坯料显微组织分析

AZ61镁合金均匀化退火后的显微组织如图1所示，晶体结构呈网格状分布且晶粒尺寸比较粗大，横向长度约为200μm，晶体内部有少量的未固溶β相，晶界处断续分布着大尺寸的白色条状和呈细小层片状的β相(Mg17Al12)晶粒。在两个晶粒交界处断续分布的β相尺寸较小，在Y形晶界处残存的呈细小层片状β相尺寸较大。

图1 退火后AZ61镁合金的显微组织

2.2 不同压下量对镁合金板材显微组织的影响

图2为AZ61镁合金板材经多道次不同压下量的热轧后显微组织，可以发现随着变形程度的增加，镁合金板材的晶粒尺寸逐渐减小，组织均匀性越来越好。图2a为变形程度20%第一道次轧制样品的显微组织，轧制变形使晶粒沿轧制方向拉长，横向长度减小到125μm，α-Mg相晶体内出现变形带，部分晶粒出现碎化现象，晶粒尺寸明显细化。大尺寸的β-Mg17Al12相在轧制应力的作用下发生了破碎，沿轧制方向趋于离散分布，转化为较小颗粒结构。图2b为总压下量40%的显微组织，主要为高密度再结晶晶粒构成的细晶带和变形粗晶，被再次细化的α-Mg相晶粒中出现了孪晶组织，β相分布更加弥散。图2c为总压下量60%试样结构图，可以发现细晶带区域逐渐减少，α-Mg相晶粒横向长度达到了20μm，晶粒明显被细化，基体中弥散分布着均匀细小的颗粒状β相。

实验表明，在350℃条件下对AZ61镁合金进行轧制变形，随着总压下量的增大，α-Mg相晶粒逐渐被拉长，晶体内部出现的变形带和碎化裂纹促使其分解为多个小尺寸晶粒。此外，热轧变形过程逐渐增大了晶格的畸变程度及在第二相颗粒周围产生大量的高密度位错和大取向梯度区域，增多了再结晶形核数目。

2.3 不同压下量对镁合金板材硬度的影响

利用HVS-30维氏硬度计测量AZ61变形镁合金硬度值，测量结果见表1。结合微观结构图2可知，20%轧制变形条件下形成的大尺寸拉长晶粒和变形带结构在一定程度上提高了母材强度，但尺寸较大的β相易成为裂纹源，对材料力学性能不利；40%压下率样品的再结晶区域呈带状分布，α相晶粒呈长条状，这种双模尺寸晶粒的组织形态不利于大幅度提升材料的力学性能[10]；变形程度为60%时，α相晶粒尺寸细化程度最大，颗粒状的β相弥散分布，细晶强化和β相的钉扎作用在很大程度上提高了材料的硬度[11]。可见AZ61镁合金随着轧制变形量的加大，材料的硬度值逐渐上升，适量的轧制变形可以明显改善材料的力学性能。

表1 不同压下量镁合金的维氏硬度平均值

图2 不同压下量时的镁合金微观组织

2.4 不同压下量对镁合金腐蚀性能的影响

图3为AZ61镁合金在3.5% NaCl溶液中的动电位极化曲线，极化曲线重合度较高，走势大致相似，点蚀特征明显，可见实验数据具有一定的可比性。

图3 镁合金的动电位极化曲线

测试样品的腐蚀电流密度(I)和腐蚀电位(E)数据如表2所示。通常认为在其他条件不变的情况下，材料的腐蚀电位越高，其耐腐蚀性能越好。由于60%压下率样品的自腐蚀电位上升至-1.5241V，且腐蚀电流密度最小，因此具有良好的耐蚀性能。

表2 镁合金的腐蚀电流密度和腐蚀电位

随着轧制总变形量的增加，基体相晶粒细化程度逐渐增强，β相碎化程度逐渐加大。当总压下率达到60%时，AZ61合金由于轧制产生的大尺寸变形晶粒、带状细晶组织和粗大的β相晶粒逐渐消失，α-Mg相晶粒已经细化到20μm，尺寸较小β相在晶界处断续分布，颗粒状β相晶粒在基体中弥散分布。由于细小的基体相晶粒和弥散分布的β相有利于在腐蚀过程中生成比较致密的氧化膜层，提高材料的耐蚀能力[12]，因此，通过控制显微组织来改善AZ61镁合金的耐蚀性能具有重要的现实意义。

3 结论

(1)在350℃温度下轧制AZ61变形镁合金，随着变形程度的增加，α-Mg相晶粒细化程度逐渐升高，β-Mg17Al12相晶粒逐渐碎化且分布更加弥散。

(2)弥散分布于金属基体的第二相颗粒对材料有着一定的强化作用，大幅度提高了60%压下率样品的维氏硬度。

(3)通过电化学腐蚀行为研究，发现60%压下率样品的腐蚀电流密度最小，具有较好的耐蚀性能。

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