稀土增強型Mg-10Gd-8Y-1.5Nd-0.5Zr合金擠壓工藝研究

韓修柱，徐文臣，單德彬

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)金屬精密熱加工家國家級重點實驗室，哈爾濱 150001)

鎂及其合金是目前工業(yè)應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，以其出色的性能贏得廣泛青睞，被認(rèn)為是21世紀(jì)有色金屬材料中最具開發(fā)和應(yīng)用前途的金屬材料［1-2］.然而，由于鎂合金具有密排六方結(jié)構(gòu)，其塑性變形能力差，被認(rèn)為是一種難以塑性加工的金屬材料.目前，具有標(biāo)準(zhǔn)牌號的國內(nèi)鎂合金的強度均不高且耐高溫性能較差，限制了其廣泛的應(yīng)用于航空航天等急需輕量化的構(gòu)件的領(lǐng)域.為了提高鎂合金的強度，通過在合金中添加稀土元素是目前增強鎂合金強度，提高耐熱性能的主要途徑.稀土元素與鎂形成的金屬間化合物在鑄態(tài)熔煉和隨后的塑性加工過程中均大量的分布在基體上，且具有較高的熔點和耐熱性.因此，稀土的加入可以充分地提高鎂基體的強度和耐熱性能［3-5］.但是，由于獨特的物理和化學(xué)性能使得稀土元素在鎂合金熔煉過程中很容易產(chǎn)生偏析和減損，從而導(dǎo)致鑄造稀土鎂合金在隨后的塑性加工過程中變形困難，很容易產(chǎn)生裂紋.另外，鎂合金的變形溫度區(qū)間窄是目前鎂合金構(gòu)件成形過程中的首要克服的問題，如何通過改變模具和工藝參數(shù)使得稀土鎂合金變形容易，增加其變形溫度區(qū)間一直以來均是研究的熱點.

擠壓工藝是成形管材、棒材等的一種主要的變形方式.由于在擠壓過程中，坯料處在三向壓應(yīng)力狀態(tài)下，因而擠壓工藝最適合應(yīng)用與低塑性的材料的成形.鎂合金的塑性較低，大部分鎂合金如AZ31B、ZM21、ZK60A、HK31 等均可用擠壓生產(chǎn).鎂及鎂合金的典型擠壓溫度為573～723 K，擠壓的溫度取決于合金種類和擠壓件形狀.鎂合金的擠壓比在(10∶1)～(100∶1)變化，預(yù)擠壓的錠坯擠壓比可適當(dāng)?shù)脑龃螅V合金通過熱態(tài)的大擠壓比可以細化晶粒，擠壓比越大晶粒越細.Mukai等［6］在350℃條件下，將 AZ31鎂合金鑄錠按100∶1的擠壓比進行大比率擠壓，其晶粒尺寸由15 μm細化5 μm.采用半連續(xù)鑄造 AZ31 鎂合金在360℃經(jīng)過45∶1的擠壓比，晶粒可以細化到10.2 μm［7］.由此可見，擠壓工藝對稀土鎂合金的強度和韌性的改善非常明顯［10-11］.

目前，由于開發(fā)的稀土鎂合金的多樣化，不同牌號的稀土鎂合金的擠壓溫度均不一樣.本文擬選擇新研制的高強度稀土Mg-10Gd-8Y-1.5Nd-0.5Zr作為材料，研究其在不同擠壓比下的擠壓工藝，初步分析其擠壓過程中的變形機理.獲得該種稀土鎂合金的優(yōu)化的擠壓工藝參數(shù).

1 實驗

實驗材料為已經(jīng)購買的Mg-10Gd-8Y-1.5Nd-0.5Zr(GWNK108)合金，初始狀態(tài)為鑄態(tài)組織，其掃描微觀組織如圖1所示.大量的第二相在晶界析出，晶粒的平均尺寸為43 μm.采用兩種擠壓比對GWNK108合金的擠壓工藝進行對比研究.擠壓坯料為直徑φ74 mm×25 mm和φ48 mm×30 mm的兩種坯料，通過擠壓獲得φ12.5 mm、φ10 mm 的棒材，擠壓比分別為36∶1 和25∶1.擠壓實驗在5 000 kN液壓機上進行，采用石墨油基潤滑，擠壓時利用石墨墊塊將棒料順利擠出凹模.

圖1 GWNK108合金的原始鑄態(tài)組織

2 擠壓模具設(shè)計

根據(jù)本文對不同的擠壓比的模具的需要，采用5CrNiMo材料設(shè)計了兩個擠壓分瓣凹模，如圖2所示.兩個凹模共用同一模座，在擠壓過程中，凹?，F(xiàn)在電阻爐加熱，當(dāng)溫度達到所設(shè)定的溫度后，將凹模取出.隨后，把在油基石墨里面浸泡的圓柱型坯料放入凹模，再放入石墨墊.將凹模重新放入加熱爐進行保溫10分鐘后，將凹模夾出放入模座后放入凸模進行擠壓實驗，橫梁運動速度為2 mm/s.

圖2 兩種擠壓比的擠壓凹模剖面圖

3 GWNK108擠壓工藝研究

根據(jù)已有的擠壓MB26稀土鎂合金的溫度(210℃)，對GWNK108合金在擠壓比36的擠壓溫度初步定為260℃.擠壓后的坯料如圖3所示.可以看出:由于只有部分的擠壓頭部進入凹模的工作帶，說明260℃擠壓溫度對于該種GWNK108合金來說較低.分析認(rèn)為，由于模具工作帶附近的圓角太小有可能是導(dǎo)致擠壓失敗的主要原因.為此進行修模處理.工作帶部分的圓角由R9修改為R30，修后的凹模如圖4(a)所示.隨后在260℃再次對GWNK108合金進行擠壓，擠壓后的坯料如圖4(b)，說明260℃對于GWNK108合金擠壓來說過于偏低.

圖3 GWNK108合金260℃擠壓后坯料

圖4 修改后凹模和GWNK108合金260℃擠壓后坯料

為了節(jié)省試驗次數(shù)，選取較高的350℃作為第三次擠壓的溫度，擠壓后的坯料如圖5(a)和(b)所示.可以看出，在坯料剛從凹模里面被擠出時，并沒有產(chǎn)生裂紋，隨著擠壓過程的進行，有較多的細密的裂紋出現(xiàn)，這說明由于大擠壓比的擠壓過程中產(chǎn)生的熱效應(yīng)非常明顯，使得坯料的后半部分溫度過高，產(chǎn)生裂紋.由圖5(b)坯料的斷口顏色可以看出，該種溫度下擠壓后坯料存在輕微過燒的痕跡.由此可以判斷，350℃擠壓溫度對于GWNK108合金來說溫度稍微過高.綜上，GWNK108合金的大致變形溫度區(qū)間為260～350℃.由于鎂合金變形溫度區(qū)間窄，為了進一步確定GWNK108合金的變形溫度，在260～350℃之間每20℃分一個層級各自進行一次擠壓試驗.圖6為擠壓溫度分別為330、310、290℃擠壓后的坯料.可以看出，在290℃擠壓GWNK108合金時出現(xiàn)擠不動的現(xiàn)象，而在310和320℃擠壓后的棒材完整無裂紋出現(xiàn).說明GWNK108合金的最優(yōu)擠壓溫度區(qū)間為310～330℃.

圖5 GWNK108合金350℃擠壓棒材及其斷口

圖6 GWNK108合金330、310、290℃擠壓后棒材

根據(jù)GWNK108合金在擠壓比為36時的擠壓溫度，選擇在擠壓比分別為較小的25時的擠壓溫度為270℃.擠壓后的坯料如圖7(a)所示.可以看出，坯料表面出現(xiàn)較大的撕裂的裂紋，斷口并沒有呈現(xiàn)出過燒的情況，由此可以判斷，該種擠壓溫度對于合金來說較低.裂紋形成的主要原因是由于溫度較低且擠壓比較小，較大的壓力迫使大部分的坯料進入工作帶.稀土鎂合金塑性較差，雖然棒料成功擠出凹模，但是由于坯料的心部和邊緣流動速度相差較大，最終導(dǎo)致坯料在大的壓力下表面撕裂，形成裂紋.隨后，每20℃分一個層級各自進行一次擠壓試驗.310、330和350℃擠壓溫度下擠壓后的坯料如圖7(b)、(c)和(d)所示.可以看出，在310～330℃之間坯料擠壓棒材成功，可以確定在較小的兩種擠壓比下GWNK108合金的變形適應(yīng)區(qū)間仍為310～330℃.

圖7 GWNK108合金290、310、330和350 ℃擠壓棒材

鎂合金由于其特有的晶格結(jié)構(gòu)使得在變形過程中溫度對其的影響非常重要.稀土的加入使得鎂合金的變形溫度變得更窄，另外由于稀土元素強化了鎂基體，因而稀土鎂合金變形困難，很容易產(chǎn)生裂紋.在擠壓比為36的擠壓變形工藝過程中，在凹模圓角大幅度變大之后，GWNK108合金在290℃仍然沒有擠壓成功.說明此溫度不足以使得該種合金產(chǎn)生明顯的塑性變形，因此這時候溫度就成為影響稀土GWNK108合金擠壓變形的關(guān)鍵因素.而在較小擠壓比為25的情況下，在沒有修改模具圓角的情況下一次擠壓成功，且擠壓溫度也在310～330℃之間.可以看出，溫度對于稀土GWNK108合金的變形起到關(guān)鍵性的作用，雖然通過修理模具圓角半徑等措施可以使得金屬在變形過程流動的更加順利，但是擠壓溫度的合理選擇才可以使得金屬變形抗力大幅度下降，流動順利，從而大擠壓比工藝過程才可以順利進行.

4 結(jié)論

1)凹模的圓角半徑由R9修改為R30后，稀土GWNK108合金在擠壓比為36的情況下仍然不能成功基礎(chǔ)凹模.稀土GWNK108合金在擠壓比為36大變形條件下最合適的變形溫度為310～330℃.

2)擠壓比為25時，在未修改凹模圓角尺寸的情況下，稀土GWNK108合金可以順利的被擠出凹模，且此種擠壓比下GWNK108合金的最優(yōu)擠壓溫度仍然為310～330℃.

3)變形量對稀土GWNK108合金的擠壓變形具有重要的影響，但是溫度才是影響稀土鎂合金能否成功成形的主要因素.綜合兩種擠壓比下的稀土GWNK108合金的擠壓工藝研究，該種合金的最適合變形溫度區(qū)間為310～330℃.

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