馬寶平，肖瑞雪，譚勁峰

(中鋁洛陽銅業(yè)有限公司，河南 洛陽 471000)

ZK61M鎂合金作為一種高強度鎂合金，其比強度超過了高強度的7075鋁合金，只要解決其變形成形等關(guān)鍵問題，極有可能取代相當部分的鋁合金制品，為材料領(lǐng)域帶來繼鋁合金之后的又一次革命。但ZK61M鎂合金塑性差，熱加工溫度范圍窄，扁錠熱軋開裂和裂邊傾向性大，軋制板材生產(chǎn)難度較大，限制了其進一步推廣應(yīng)用。因此，如何防止或減少熱軋ZK61M合金扁鑄錠時的開裂和裂邊，是目前的技術(shù)難題。

為了解決ZK61M合金熱軋開裂問題，本文結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)實際，對影響ZK61M合金熱軋開裂的可能因素即鑄錠質(zhì)量、鑄錠均勻化退火工藝、熱軋溫度、軋制工藝及化學成分等進行了研究，對熱軋開裂的原因進行分析。

1 ZK61M合金的化學成分和板材生產(chǎn)工藝流程

ZK61M合金的化學成分如表1所示。

表1 ZK61M合金的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Tab.1 Chemical composition of ZK61M alloy(wt.%)

板材生產(chǎn)工藝流程為原始錠坯采用半連續(xù)鑄造扁錠250mm×800mm×4000mm，熱軋至20mm厚，軋制工藝為鑄造扁錠→鋸切→銑面→鑄錠檢測→均勻化處理→加熱→熱軋→矯直→(熱處理)→鋸切→驗收。

2 ZK61M鑄錠熱軋開裂情況

熱軋ZK61M合金扁鑄錠開裂主要有兩種形式，一種是鑄錠整體開裂(圖1(a))，鑄錠被軋至200～150mm厚時，發(fā)生整個鑄錠裂碎現(xiàn)象;另一種是板帶裂邊，軋至50～30mm厚時，板帶兩側(cè)出現(xiàn)垂直于板側(cè)、向板材中部擴展的裂紋，裂紋嚴重程度不同，輕者裂紋長5～10mm，重者達150mm，板帶裂邊見圖1(b)。

3 ZK61M鑄錠熱軋開裂原因分析

3.1 鑄錠內(nèi)部質(zhì)量的影響

鎂化學性質(zhì)活潑，熔融狀態(tài)下極易與氧、氮和水汽反應(yīng)，因此極易形成熔劑夾渣和氧化夾渣缺陷。ZK61M合金中的夾渣，在金屬變形過程中阻礙位錯滑移，產(chǎn)生應(yīng)力集中，所以有夾渣的地方容易形成裂紋源，軋制時使錠坯開裂并嚴重影響軋件的機械性能。

圖1 扁錠開裂形式Fig.1 Cracked patterns of ingot

鑄錠晶粒的粗細和均勻程度是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)板材的前提，鎂合金鑄錠晶粒度分為細、中、粗三種，粗大的晶粒組織不僅容易導(dǎo)致厚板形成粗大的片層粗晶組織［1］，降低產(chǎn)品性能，而且還顯著降低軋制性能，容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，因此必須嚴格控制與檢驗鑄錠夾渣和晶粒度。對ZK61M鑄錠內(nèi)部質(zhì)量進行了檢測，檢測結(jié)果見表2。

表2 鑄錠內(nèi)部質(zhì)量檢測結(jié)果Tab.2 Test results of ingot internal quality

按照鎂合金鑄錠的驗收標準(企業(yè)內(nèi)控標準)，鑄錠內(nèi)部質(zhì)量較好，全部合格。730、733熔次經(jīng)探傷雖發(fā)現(xiàn)有輕微缺陷(在缺陷處取高倍檢測也發(fā)現(xiàn)局部晶界處存在疏松缺陷)，見圖2，但從現(xiàn)場軋制情況看該熔次均軋制成功，因此可確定局部疏松不是熱軋開裂的主要因素。

圖2 730、733熔次高倍顯微組織(圖中箭頭所示為顯微縮松缺陷)Fig.2 Micrographs showing microstructure of ingot with Melt No.730 and 733

3.2 鑄錠均勻化工藝的影響

圖3 原始鑄態(tài)組織Fig.3 Primary as-cast structure

ZK61M變形鎂合金板材的生產(chǎn)采用的是半連續(xù)鑄造生產(chǎn)鑄坯，鑄造過程中，由于非平衡結(jié)晶產(chǎn)生微觀偏析，在晶界及枝晶網(wǎng)絡(luò)上往往存在粗大的共晶化合物(圖3)。ZK61M合金鑄態(tài)組織由粗大的α(Mg)基體和呈連續(xù)網(wǎng)狀分布于晶界上的粗大共晶組織組成，共晶組織的存在造成成分不均勻，塑性變形時，各相變形性能不同，因此易在各相之間存在不均勻變形并導(dǎo)致附加內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生，引起大量晶間裂紋的萌生，使變形不均勻，材料綜合力學性能下降［2］。為改善鑄錠化學成分和組織的不均勻性，避免熱軋開裂，必須要在鑄造后對鑄坯進行均勻化退火處理。

均勻化過程中擴散系數(shù)與均勻化溫度的關(guān)系為:

式中，D0為與溫度無關(guān)的系數(shù)，Q為擴散激活能，R為氣體常數(shù)，T為絕對溫度。從(1)式中可以看出，溫度越高，T值越高，擴散系數(shù)越大，原子擴散速度越快。因此，為了加速均勻化的過程，應(yīng)盡可能提高均勻化處理溫度。但是溫度過高易出現(xiàn)過燒，使力學性能下降，造成廢品。

參照公式(1)并結(jié)合現(xiàn)場情況，斷面為250mm×800mm的ZK61M扁錠均勻化退火制度為均熱溫度390℃，保溫15h。從現(xiàn)場實測得知，金屬溫度已經(jīng)達到了工藝要求。經(jīng)顯微組織檢查(圖4(a))，均勻化后，合金組織中大部分的非平衡共晶物已經(jīng)溶解，晶界變得細小，但在晶界上仍然殘留部分黑色的非平衡相，呈斷續(xù)狀分布，說明均勻化還不夠充分。

選取部分鑄錠進行二次均熱。研究表明，均勻化溫度在均勻化過程中起主導(dǎo)作用，在同一溫度下過度增加保溫時間作用不大［3］?？紤]到增加均熱溫度容易引起過燒，因此選用同樣均勻化制度再次進行均熱，如圖4(b)所示，黑色的非平衡相已基本溶解于α(Mg)基體中，使晶界變得清晰和細小，枝晶偏析得到了很好的解決。

經(jīng)現(xiàn)場驗證，均熱一次的鑄錠開裂率遠遠高于均熱而次的鑄錠。由此說明，均勻化是否充分是影響熱軋開裂的主要因素之一。

圖4 不同均熱制度效果對比Fig.4 Micrographs showing comparison of different soaking systems

3.3 熱軋溫度的影響

軋制溫度是軋制參數(shù)中最主要的因素，它不但影響軋制過程的進行，還影響成品率、產(chǎn)品質(zhì)量以及組織和力學性能等。根據(jù)合金相圖、塑性圖和再結(jié)晶圖等來確定坯料的加熱溫度。ZK61M合金的熔化溫度是640℃，從230℃開始合金中有第二相析出，因此，ZK61M鎂合金軋制溫度為230～603℃。結(jié)合Mg-Zn、Mg-Zr二元合金相圖可知，合金在300～400℃塑性最好［4］。結(jié)合高溫塑形圖確定ZK61M合金扁鑄錠的熱軋溫度為380～410℃［5］。生產(chǎn)實踐表明，軋制溫度超過410℃時，往往造成錠坯斷裂軋制無法進行，其原因為［5］:①合金的熱效應(yīng)較大，高溫軋制時的變形熱可使錠坯溫度超過合金的塑性溫度范圍，從而降低了合金的熱塑性;②熱軋溫度過高，會導(dǎo)致晶間氧化和鋅的蒸發(fā)，使合金強度和塑性降低，造成熱軋開裂。

鑄錠加熱時間的控制。鎂合金導(dǎo)熱系數(shù)高，沒有相變過程，所以軋制前采取快速加熱不會產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，為縮短加熱時間，加熱時應(yīng)先將爐溫升高至工作溫度再行裝料。坯料在爐中的加熱溫度和保溫時間必須嚴加控制，因ZK61M合金在加熱軟化后，雖然可以用熱處理方法加以強化，但其強化效果不太明顯。因此軋前加熱溫度太高，保溫時間太長，會使合金產(chǎn)生再結(jié)晶和晶粒長大，從而造成合金軟化，使軋件機械性能降低。為了獲得較高的機械性能，避免加熱軟化，ZK61M鎂合金總的加熱時間最好不大于6h，一次加熱時間超過10h，應(yīng)停止加熱。

ZK61M合金鑄錠是在雙膛鏈式空氣循環(huán)電阻加熱爐中加熱，溫度可控精度±5℃以內(nèi)。在生產(chǎn)現(xiàn)場應(yīng)嚴格控制熱軋溫度。為防止軋件急劇降溫，將熱軋前和熱軋過程中軋件的停留時間降到最短。

終軋溫度的控制，軋制溫度過低時，軋制后期合金的硬化傾向增大，塑性也大大下降，軋制困難，往往會出現(xiàn)裂紋;終軋溫度一般控制在320～350℃。

所統(tǒng)計的7塊熱軋開裂鑄錠，有2塊是因軋機故障致使鑄錠在輥道停留時間過長，溫降較多，導(dǎo)致板表面和邊部出現(xiàn)裂紋。如果現(xiàn)場的鑄錠加熱工序嚴格執(zhí)行工藝操作規(guī)程，可以認定熱軋溫度也不是ZK61M熱軋開裂的主要原因。

3.4 熱軋制度的影響

ZK61M合金工藝塑性不好，流動性差，抗剪強度低，對缺口十分敏感，所以熱軋時道次軋制率小、軋制速度低、軋制道次多，其熱軋制度如下:

①軋制速度。熱軋速度高時，變形過程中合金回復(fù)和再結(jié)晶不充分，使合金產(chǎn)生加工硬化，塑性進一步降低，更易軋裂，且較大的變形熱又會使溫度升高，降低合金的抗拉強度，從而造成鑄錠開裂或表面裂紋。這種現(xiàn)象在鑄錠厚度較大和鑄錠質(zhì)量較差的情況下更為明顯，所以，一般將軋制速度控制在0.2～0.8m/s。由于變形速度慢，變形過程中合金再結(jié)晶溫度低，來得及回復(fù)和再結(jié)晶，使塑性得到恢復(fù)，裂紋缺陷大大減少;

②道次加工率。頭兩道軋制時坯料溫度很高，若道次加工率過大，變形熱效應(yīng)會使合金超出熱軋溫度范圍而惡化軋制性能，因此頭兩道次的加工率應(yīng)控制在10%以內(nèi);隨著鑄錠組織的改善(頭兩道次過后)，在設(shè)備負荷允許的條件下，可充分利用金屬的高溫塑性，盡可能地加大道次壓下量，以減少軋制道次，但不宜超過20%。

現(xiàn)場驗證軋制制度合理，由此可見熱軋制度不是鑄錠開裂的主要因素。

4 化學成分對鑄錠熱軋性能的影響

從以上三方面對ZK61M合金扁鑄錠熱軋開裂影響的分析表明，試驗范圍內(nèi)，熱軋溫度和軋制制度均不是此次統(tǒng)計過程中熱軋開裂的主要原因，而鑄錠均勻化處理對熱軋開裂有一定影響，故有必要對鑄錠成分進行分析。

4.1 Zn含量

從現(xiàn)場統(tǒng)計來看(圖5)，在不考慮元素Zr的影響時，當Zn含量達到5.61%時已經(jīng)開始出現(xiàn)邊部裂紋，達到5.71%時已出現(xiàn)全部開裂，達到5.85%時全部裂碎。由此可以認為，Zn含量過高是造成ZK61M合金熱軋開裂的主要因素。

圖5 Zn含量對熱軋開裂的影響Fig.5 Effect of Zn content on cracking in hot rolling

Zn是ZK61M鎂合金的第一主加元素，因此Zn含量直接影響ZK61M鎂合金鑄錠的組織和性能。根據(jù)Mg-Zn二元相圖，平衡結(jié)晶時，340℃發(fā)生共晶反應(yīng)L→α-Mg+Mg7Zn3。Mg7Zn3屬于亞穩(wěn)相，在隨后的冷卻過程中分解成α-Mg和MgZn。ZK61M鎂合金的主要時效強化相也是由Mg-Zn二元相組成的。Zn在ZK61M鎂合金中既可以提高強度，又可以提高抗腐蝕性能，但只有當Zn含量在一定范圍內(nèi)才可獲得優(yōu)良的綜合性能。如圖6所示，當ω(Zn)＜6%時，隨Zn含量增加，抗拉強度升高，屈服強度和伸長率先升高后降低;當ω(Zn)大于6%時，抗拉強度仍升高，屈服強度降低，而伸長率降低得更多。因此工業(yè)上使用的Mg-Zn合金通常ω(Zn)＜6% 。但實踐證明，用于壓力加工的ZK61M合金鑄錠中Zn的含量應(yīng)控制在5.0% ～5.6%，超出5.6%即有可能出現(xiàn)裂邊，一旦超出5.71%即出現(xiàn)熱軋開裂現(xiàn)象。

圖6 Zn對Mg-Zn二元合金性能的影響［1］Fig.6 Effect of Zn on properties of Mg-Zn binary alloy

4.2 Zr元素

Zr是ZK61M鎂合金的第二主加元素，起變質(zhì)劑的作用，其含量一般為 ω(Zr)=0.3% ～0.9%。Zr既可以強烈細化晶粒、降低顯微疏松傾向，又能縮小脆性區(qū)溫度范圍，因而它也是影響ZK61M鎂合金組織和性能的關(guān)鍵元素［1］。

由圖7可看出，隨著Zr含量的增加，晶粒不斷細化，抗拉強度和屈服強度也不斷提高。Zr含量達到0.6% ～0.8%(不小于0.5%)時，具有最大細化晶粒和提高機械性能的作用，細小的晶粒組織有助于改善ZK61M鑄錠熱軋性能，減少熱軋開裂。本次生產(chǎn)中Zr含量普遍偏低(圖5)，軋制時出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，結(jié)合ZK61M合金的成分要求，Zr含量控制在0.5% ～0.8%。

綜上所述，Zn含量高是造成ZK61M鑄錠熱軋開裂的主要因素，而Zr在ZK61M合金中能有效細化晶粒，改善熱軋性能，減少熱軋開裂傾向。因此，Zn含量應(yīng)該控制在5.0% ～5.6%，Zr含量應(yīng)控制在0.5% ～0.8%。

圖7 Zr含量對MgZn6合金機械性能及晶粒度的影響［1］Fig.7 Effect of Zr content on mechanical properties and grain size of MgZn6alloy

5 結(jié)論

1)試驗時合理控制軋制溫度、軋制制度和均勻化退火制度均可有效降低開裂現(xiàn)象。本次試驗中軋制溫度、軋制制度均比較合理，均勻化退火是否充分是影響本次熱軋試驗中ZK61M板材是否開裂的主要因素之一，合理的均勻化退火制度應(yīng)為390℃/15h，均熱兩次;

2)Zn含量高是造成鑄錠軋制開裂的主要因素，Zn含量應(yīng)該控制在5.0% ～5.6%之間;Zr在ZK61M合金中能有效細化晶粒，改善熱軋性能，減少鑄錠開裂，Zr含量應(yīng)控制在0.5% ～0.8%。

［1］輕金屬材料加工手冊(上冊)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1979.

［2］張召春.鑄態(tài)ZK60鎂合金鍛造及壓縮變形規(guī)律的研究［D］.重慶:重慶大學，2006.

［3］彭建.ZK60鎂合金鑄坯均勻化退火研究［J］.材料工程，2004，

［4］林巍.ZK60鎂合金熱擠壓變形組織及力學性能研究［D］.武漢:武漢理工大，2009.

［5］譚勁峰，等.ZK61M鎂合金熱軋板生產(chǎn)工藝研究［J］.有色金屬加工，2008，