简介概要

铝镁包覆挤压材料界面微观组织与力学性能研究

来源期刊：稀有金属2015年第6期

论文作者：乔及森聂书才张涵赵文军夏天东

文章页码：481 - 486

关键词：AZ31镁合金;纯铝;包覆技术;反向热挤压;微观组织;

摘要：采用反向挤压技术将AZ31镁合金和纯铝材料在不同温度下挤压形成包覆棒材。挤压过程中纯铝包覆在镁合金外侧,镁铝间形成冶金结合界面,实现了镁铝双金属的复合。挤压完成后使用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)及能谱(EDS)分析技术对镁铝包覆挤压合金进行了组织及力学性能分析,重点研究了铝镁合金结合界面处化学成分过渡及相结构的演化与分布,同时采用显微硬度计测试了镁铝结合界面的显微硬度。结果表明,通过反向热挤压工艺可以得到表面光洁、无明显缺陷的铝镁合金包覆挤压制品。在高温高压条件下,镁铝复合金属在界面结合区发生了元素扩散,铝镁合金浓度出现明显的梯度变化,进而在结合界面上发生冶金反应,形成约350μm厚的金属间化合物层,物相分析表明在靠近镁合金基体一侧生成富镁相Al12Mg17,靠近纯铝一侧生成富铝相Al3Mg2,主要为脆性相生成。沿包覆棒材横截面直径方向从边部到芯部进行显微硬度测试,结果表明,该合金包覆型材具有明显的力学不均匀性,在铝镁结合界面处的硬度高于两侧基体材料,其峰值硬度可达HV 200以上,包覆型材在结合界面的组织差异和强度、硬度失配导致结合界面的力学性能急剧弱化,容易产生开裂。

稀有金属 2015,39(06),481-486 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2015.06.001

铝镁包覆挤压材料界面微观组织与力学性能研究

乔及森聂书才张涵赵文军夏天东

兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室

摘要：

采用反向挤压技术将AZ31镁合金和纯铝材料在不同温度下挤压形成包覆棒材。挤压过程中纯铝包覆在镁合金外侧,镁铝间形成冶金结合界面,实现了镁铝双金属的复合。挤压完成后使用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)及能谱(EDS)分析技术对镁铝包覆挤压合金进行了组织及力学性能分析,重点研究了铝镁合金结合界面处化学成分过渡及相结构的演化与分布,同时采用显微硬度计测试了镁铝结合界面的显微硬度。结果表明,通过反向热挤压工艺可以得到表面光洁、无明显缺陷的铝镁合金包覆挤压制品。在高温高压条件下,镁铝复合金属在界面结合区发生了元素扩散,铝镁合金浓度出现明显的梯度变化,进而在结合界面上发生冶金反应,形成约350μm厚的金属间化合物层,物相分析表明在靠近镁合金基体一侧生成富镁相Al12Mg17,靠近纯铝一侧生成富铝相Al3Mg2,主要为脆性相生成。沿包覆棒材横截面直径方向从边部到芯部进行显微硬度测试,结果表明,该合金包覆型材具有明显的力学不均匀性,在铝镁结合界面处的硬度高于两侧基体材料,其峰值硬度可达HV 200以上,包覆型材在结合界面的组织差异和强度、硬度失配导致结合界面的力学性能急剧弱化,容易产生开裂。

关键词：

AZ31镁合金;纯铝;包覆技术;反向热挤压;微观组织;

中图分类号： TG379;TB331

收稿日期：2013-11-28

Microstructure and Mechanical Properties of Interfaces of Extruded Cladding Mg-Al Rods

Qiao Jisen Nie Shucai Zhang Han Zhao Wenjun Xia Tiandong

State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Nonferrous Metals,Lanzhou University of Technology

Abstract：

The rods of aluminum cladding magnesium alloys AZ31 were fabricated by cladding extrusion at different temperatures.During the process,the AZ31 magnesium alloys were coated by the aluminum. The composite,with bonding interface between aluminum and magnesium forming,was obtained. After the extrusion process,the microstructure evolution and mechanical properties of the cladding materials were analyzed by the optical microscope( OM) observation,scanning electronic microscopy( SEM) and energy dispersive spectrometer( EDS) tests. Emphasis was put on the microstructure and chemical composition distribution of the interface between aluminum and magnesium. Meanwhile,the microhardness was tested. The results showed that qualified products with smooth surface and no obvious defects could be made by extrusion. Elements diffusion in the composite layer occurred during the extrusion process,which caused a change of gradient of the element concentrations. An intermetallic layer was formed with thickness of 350 μm.Phase identification showed that the magnesium-rich phase close to the side of magnesium alloy was Al12Mg17 and the aluminum-rich phase close to the aluminum side was Al3Mg2,which were all brittle phases. Therefore,the hardness of Mg-Al bonding interface could be up to HV 200 or more compared to that of base metals. The inhomogeneous properties of the interface for the extrusion profiles caused poor load ability and the cracks to occur in the composites.

Keyword：

AZ31 magnesium alloy; pure aluminum; cladding technology; indirect extrusion; microstructure;

Received： 2013-11-28

铝和镁均属于轻合金材料,在结构轻量化技术及环保问题的需求下加快了这两种金属的应用^[1]。镁合金是目前密度最小的金属结构材料,具有良好的导热性、导电性、电磁屏蔽性、机加工性及比强度高和可再循环利用等特性,这些特性使其在汽车、航空及电子工业领域中得到较多的关注和应用,特别是目前能源枯竭、环境污染等问题亟待解决,镁及镁合金的研发成为当今材料领域的热点之一。然而,镁及镁合金的耐腐蚀性能很差,限制了它的进一步应用^[2,3,4,5,6]。由于铝表面易生成一层薄而致密的自然氧化膜,使铝及铝合金在大气及中性介质中具有很好的耐蚀性,同时具有自我修复功能^[7]。因此,在镁合金外表面包覆一层铝合金,可制备出具备镁合金及铝合金优异性能的复合材料^[8]。

金属包覆材料以单一材料所不具有的综合性能受到了广泛重视,具有广阔的应用前景^[9,10]。铝包镁合金应用于交通运输领域,对于减轻汽车质量,提高燃料的经济性,保护环境,提高安全性和驾驶舒适程度,增强竞争能力等方面都有显著效果^[11]。

包覆挤压法是先把清洁的组元金属组装成挤压坯,选定合适的挤压比和温度、速度等参数挤压成型,使清洁金属表面在压力的作用下实现界面的冶金结合,主要用于生产双金属的管、棒、线材及简单断面的型材^[12]。本文铝镁包覆挤压是以镁为芯体,在其表面覆盖一层铝合金形成的复合材料。铝包镁挤压在性能上兼备镁的质量轻和铝的比强度高、耐腐蚀性好等特点,提高了镁合金的加工变形能力和耐腐蚀能力,因而材料有望应用于航空、航天等领域。

采用外包覆纯铝挤压的方法制备包铝镁棒能极大地改善AZ31镁合金的塑性变形能力,提高其耐腐蚀性能。因此,本文重点研究了铝镁包覆反向挤压工艺,以及挤压制品中铝镁异种金属结合界面的微观组织结构和力学性能。

1 实验

1.1 坯料制备

试验所用的材料为纯铝和AZ31镁合金,化学成分如表1所示。

如图1所示,将纯铝坯锭经过加工获得规格为Φ39 mm×35 mm的外套杯体,而AZ31镁合金铸锭经过加工获得规格合格的芯料,二者经去污处理后过盈装配成复合挤压坯料。

1.2 试验方法

镁铝合金在室温下塑性比较低,变形能力差,加工难度比较大^[13],图2为铝包镁热挤压用模具结构及挤压控温试验装置示意图。

挤压在改装后的万能材料试验机上进行,挤压速度为1 mm·s^-1,挤压比16,挤出料尺寸为Φ10 mm,模具温度450℃,坯料温度选择如下:450,470,490℃,坯料表面涂少量石墨润滑。

金相显微分析在MEF-3金相显微镜(OM)上进行,主要观察包覆材料界面的宏观组织的形貌与分布。在Quanta FEG-450型扫描电镜(SEM)上应用背散射电子成分衬度成像技术对结合界面进行组织观察。同时利用扫描电镜上附加配置能谱仪(EDS)对组织中的相组成及局部进行成分分析。显微硬度测试在HV-1000型显微硬度计进行,主要测试纯铝基体、过渡层、AZ31基体的显微硬度并分析界面硬度的变化趋势。

表1 纯铝和AZ31镁合金的化学成分Table 1 Nominal chemical compositions of pure aluminum and AZ31 magnesium alloy(%,mass fraction)

(a)Aluminum billet;(b)Magnesium billet

图1 铝包镁复合坯料试样Fig.1 Billets of magnesium/aluminum

图2 挤压试验装置图Fig.2 Device of extrusion test

2 结果与讨论

2.1 挤压结果

图3和4分别为在挤压温度为450,470,490℃时铝镁包覆挤压成形过程的载荷-行程曲线图和挤压成形图。

结果显示,450℃温度挤压时挤压压力超出压力机最大载荷,此时仅挤出一小部分,说明450℃时铝镁合金的变形抗力仍较大,不能顺利挤出;490℃温度挤压时挤压力较小,是因为此时温度超过芯部材料熔点导致AZ31镁合金熔化。470℃能顺利挤出,且挤压制品的质量较好,铝皮分布均匀。由于芯部AZ31镁合金较纯铝软,在挤压过程中流动速度相对更快,因此在挤压过程中有AZ31镁合金先于纯铝流出的现象,并在挤压制品端部形成一小段AZ31镁合金棒区。

图3 载荷-行程曲线Fig.3 Load-stroke curves

(a)450℃;(b)470℃;(c)490℃

图4 不同温度的挤压成形图Fig.4 Extrusion profiles at different temperatures

2.2 界面结合区显微组织表征

选择470℃下挤压的棒料对其界面结合区显微组织进行分析,其截面宏观组织如图5所示。

图6(a)是用背散射电子成像观察得到的铝镁结合界面的微观组织图,为了进一步研究金属间化合物层的组成,根据微观组织形态把铝镁基体间过渡层分为镁侧结合界面区A,铝侧结合界面区B两个区,图6(b)和(c)分别是用背散射观察的A,B区放大的微观组织。为了深入分析界面金属间化合物层的元素分布情况,对图6(a)中结合截面做了线扫描分析,结果如图7所示。

(a)Extruded rod;(b)Cross section;(c)Vertical section

图5 挤压制品Fig.5 Extruded products

(a)Interface zone;(b)Mg side;(c)Al side

图6 界面微观组织Fig.6 SEM images of interface zone

从图6(a)及图7可以看到,经过挤压后,沿线扫描方向Mg的含量减少而Al的含量增加,且在AZ31和纯铝基体间形成了一个厚度为300~350μm的过渡层。

金属基复合材料的界面层包括固溶体和金属间化合物^[14],为了分析界面各相的化学成分,分别对金属间化合物层的各相进行能谱分析,图8为界面金属间化合物层点分析图。结合Al-Mg二元相图^[15],各相的化学成分和可能结果如表2所示。

图7 铝镁界面金属间化合物层线分析Fig.7 Line scanning analysis of Al/Mg interface

由图8各点的能谱分析结果可知,图8(a)中紧靠AZ31镁合金基体的A区主要由Mg和Al₁₂Mg₁₇混合物组成的灰黑色相1,白色Al₁₂Mg₁₇相2和灰色的镁基固溶体相组成。图8(b)中靠近纯铝基体的B区主要包括Mg及Al₁₂Mg₁₇混合物组成的灰黑色相、Al₃Mg₂相、Al₁₂Mg₁₇相和黑色的白色的铝基固溶体相。