液鍛壓力對(duì)AZ31制件組織及性能的影響

周 穎 馬曉錄 李苘辰

（河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450007）

鎂及鎂合金蘊(yùn)藏豐富，應(yīng)用范圍廣，是繼鋼鐵和鋁合金之后發(fā)展起來(lái)的第三類金屬結(jié)構(gòu)材料。 與其他結(jié)構(gòu)用金屬及合金材料相比，優(yōu)點(diǎn)突出，具有密度小，質(zhì)量輕，比強(qiáng)度、比剛度高，電磁屏蔽性能優(yōu)異，抗輻射，易回收等一系列優(yōu)點(diǎn)，常用在航天、國(guó)防、交通、電子通信設(shè)備、體育用品、辦公用品等領(lǐng)域[1]。

目前，在金屬加工工藝中，隨著制件復(fù)雜程度、質(zhì)量和尺寸精度要求的提高，加工工藝逐步由連續(xù)鑄造、壓力鑄造轉(zhuǎn)變?yōu)榫苣ｅ?、等溫模鍛、超塑性加工，如今為液態(tài)模鍛。 液態(tài)模鍛工藝綜合吸收了鑄造的充填方式及壓力加工的壓力要素， 利用該技術(shù)生產(chǎn)出的產(chǎn)品具有更優(yōu)越的性能[2]。 液態(tài)模鍛技術(shù)及其產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)良、節(jié)約能源、改善壞境、成本低，可以加工性能要求高、形狀較復(fù)雜的產(chǎn)品。 除了材料本身外，液態(tài)模鍛參數(shù)的設(shè)置是影響其品質(zhì)性能的主要因素。本文主要研究了液鍛壓力對(duì)AZ31 鎂合金制件組織性能的影響， 確定出鎂合金的最佳液鍛壓力。

1 樣件制備

1.1 液態(tài)模鍛工藝流程

液態(tài)模鍛成型工藝是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種后續(xù)加工量較少或無(wú)需加工的新型金屬加工工藝， 該工藝的主要特點(diǎn)是省力、節(jié)能、材料利用率較高[3]。 液態(tài)模鍛的工藝過(guò)程相對(duì)比較簡(jiǎn)單， 把金屬液直接澆注到經(jīng)過(guò)預(yù)熱并噴刷潤(rùn)滑劑的液鍛模具模腔中，然后，在金屬液處于熔融或半熔融狀態(tài)時(shí)，通過(guò)沖頭施加機(jī)械靜壓力，使金屬液在壓力下結(jié)晶凝固。

1.2 液鍛壓力選擇

液鍛壓力簡(jiǎn)稱比壓，比壓P 是指合模施壓時(shí)，液鍛力P0 作用在金屬液上形成的壓強(qiáng)。 比壓過(guò)小達(dá)不到組織密實(shí)的效果，比壓過(guò)大時(shí)，液鍛件性能的改善不明顯。 鍛件的外形越復(fù)雜，金屬澆注溫度越低，所需的比壓也越大。一般有色金屬鍛件的比壓大于50MPa， 圓柱形鋼鍛件的比壓為250MPa。 液態(tài)模鍛低限比壓值為40MPa～60MPa，密實(shí)比壓值為60MPa～100MPa，成形時(shí)比壓的選用常采用以下經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，K1為合金種類系數(shù)，K2為液鍛方式系數(shù)，H為制件的最大高度 （mm），a 為H 處相對(duì)應(yīng)的平均厚度（mm）。經(jīng)綜合分析，比壓參數(shù)范圍選擇為40MPa～80MPa。

1.3 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料：AZ31 鎂合金。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：JSXZ-40T 液壓機(jī)（圖1）、MXD-10M 熔煉爐（圖2）、Leica-DMILM 型顯微鏡（圖3）、ZEISS 掃描電鏡（圖4）。

圖1 JSXZ 液壓機(jī)

圖2 MXD-10M 熔煉爐

圖3 Leica 顯微鏡

圖4 ZEISS 掃描電鏡

1.4 鎂合金液熔煉試樣制備

液態(tài)模鍛工藝參數(shù)：模具澆注溫度690℃；靜置時(shí)間3s； 保壓時(shí)間15s 時(shí)。 比壓從左至右分別選取40MPa、50MPa、60MPa、70MPa、80MPa 制得制件的宏觀圖片如圖5 所示。

圖5 不同液鍛壓力下的鎂合金制件

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 不同液鍛壓力下制件的抗拉強(qiáng)度

圖6 不同液鍛壓力下制件的抗拉強(qiáng)度

試樣尺寸如圖7 所示，試樣厚度5mm，采用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)。 拉伸速度設(shè)置為2mm/min，拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)矩形試樣兩端緩慢地施加載荷，使試樣受軸向伸長(zhǎng)，一直到拉斷為止，不同澆注溫度條件下試樣的抗拉強(qiáng)度如圖6 所示。

圖7 拉伸試樣尺寸

測(cè)試結(jié)果分析： 液鍛壓力下鎂合金試樣的抗拉強(qiáng)度相比普通金屬型重力鑄造試樣明顯增加。 在一定范圍內(nèi)，鎂合金試樣抗拉強(qiáng)度隨壓力的增加而增大， 當(dāng)壓力為70MPa 左右時(shí)，試樣的強(qiáng)度達(dá)到最高值296MPa，當(dāng)壓力超過(guò)70MPa 后，試樣抗拉強(qiáng)度隨壓力增加有所下降。 合金液在壓力作用下結(jié)晶，出現(xiàn)強(qiáng)制對(duì)流現(xiàn)象，促使結(jié)晶出的枝晶斷裂，增加了晶粒密度。同時(shí)，鎂合金中各元素分布也變得更加均勻，避免了偏析現(xiàn)象，進(jìn)而提高鎂合金的強(qiáng)度。

2.2 不同液鍛壓力下試樣的致密度分析

通過(guò)對(duì)其質(zhì)量測(cè)量可以看出澆注溫度對(duì)其致密度的影響，結(jié)果如表1 所示，直觀圖如圖8 所示。

表1 鎂合金試樣致密度

圖8 液鍛壓力對(duì)試樣硬度的影響

從測(cè)試結(jié)果分析，液鍛壓力從40MPa 升到70MPa 的過(guò)程中，液鍛件密度明顯升高，80MPa 左右壓力下試樣的致密度比70MPa 升高程度小，說(shuō)明70MPa～80MPa 液鍛壓力下鎂合金試樣已經(jīng)達(dá)到密實(shí)程度。 壓力較小時(shí)，合金液凝固得不到及時(shí)的補(bǔ)縮，升高液鍛壓力，不僅可使晶粒細(xì)化，而且合金液凝固產(chǎn)生的收縮能夠得到及時(shí)的補(bǔ)縮，成形件致密度高，表面光滑致密，可減少或消除缺陷。

2.3 不同液鍛壓力下試樣的金相組織觀察與斷口分析

2.3.1 液鍛壓力為40MPa、70MPa、80Mpa 時(shí)的金相如圖9（a）、（b）、（c）所示。

圖9 鎂合金試樣金相圖

觀察液鍛壓力在40MPa 下試樣的金相圖， 晶粒明顯較為粗大。70MPa、80MPa 壓力下組織較為細(xì)密。鎂合金液鍛件的金相組織隨液鍛壓力的增大而變細(xì)密。 根據(jù)金屬液結(jié)晶動(dòng)力學(xué)理論，在施加壓力的情況下，金屬液固相線會(huì)向著高溫方向做移動(dòng)， 與原本固相線溫度有一個(gè)溫度差，施加壓力越大，溫度差也越大。 在固相線附近的液態(tài)金屬，在受到外加壓力時(shí)，變?yōu)檫^(guò)冷態(tài)。 過(guò)冷度較大時(shí)，合金液內(nèi)成核并生長(zhǎng)，阻止了枝晶的延伸長(zhǎng)大，生成等軸晶結(jié)構(gòu)。壓力越高，凝固速度越快，結(jié)晶后的組織越細(xì)密。同時(shí)，施加壓力使合金液在壓力下凝固，也防止因組織成分不同而形成偏析現(xiàn)象，提高其力學(xué)性能。 80MPa 左右壓力下，從金相圖上看不出明顯的差別，此時(shí)試樣抗拉強(qiáng)度有所下降。

2.3.2 液鍛壓力為40MPa、70MPa、80Mpa 時(shí)的斷口形貌如圖10（a）、（b）、（c）所示。

圖10 鎂合金試樣金相圖

試樣拉斷后的宏觀斷口呈暗灰色，圖10（a）、（b）、（c）分別為40MPa、70MPa、80MPa 壓力下液態(tài)模鍛試樣拉伸斷口掃描電鏡圖。 從圖片中可以明顯觀察到韌窩的形成，尤其壓力為70Mpa 的試樣斷口中， 分布著不同深淺的韌窩，表明發(fā)生了較大的塑性變形。 與此相比，40MPa 試樣斷口中韌窩較為粗大，拉伸時(shí)對(duì)外力的變形抗力稍差，試樣的塑性和抗拉強(qiáng)度也較低。壓力為80MPa 左右的試樣，斷口出現(xiàn)部分準(zhǔn)解理臺(tái)階，有脆斷傾向，壓力過(guò)高，導(dǎo)致液態(tài)模鍛后期液鍛件表面和試樣內(nèi)部塑性變形量不同，內(nèi)部出現(xiàn)顯微裂紋，影響其力學(xué)性能。

2.4 對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行Matlab 處理

抗拉強(qiáng)度是評(píng)價(jià)試樣力學(xué)性能的重要指標(biāo)，用Matlab 處理該組實(shí)驗(yàn)得到的抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)， 處理結(jié)果如圖11 所示。 分析壓力的變化對(duì)液態(tài)模鍛件抗拉強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)最佳的壓力參數(shù)為65～70MPa。 綜合分析擬合圖結(jié)果，可以獲得在40～80MPa 區(qū)間液態(tài)模鍛鎂合金抗拉強(qiáng)度σb 與液鍛壓力P 的關(guān)系，得出表征方程式。

圖11 液鍛比壓與抗拉強(qiáng)度關(guān)系擬合曲線

圖中的折線點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的實(shí)際數(shù)據(jù)， 光滑曲線為Matlab 擬合曲線， 表征方程式為：y=-0.771x2+10.3971x-58.0857。

3 結(jié)論

3.1 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的數(shù)據(jù)使用Matlab 軟件進(jìn)行處理，找出實(shí)驗(yàn)參數(shù)與試樣力學(xué)性能的表征關(guān)系式。 綜合分析，得出AZ31 液態(tài)模鍛壓力為65MPa～70MPa 左右。

3.2 與普通金屬型鑄造工藝相比， 液態(tài)模鍛工藝能大幅提高鎂合金件力學(xué)性能， 普通鑄件的抗拉強(qiáng)度一般為200MPa～225MPa， 而液鍛件抗拉強(qiáng)度達(dá)到了280Mpa左右。

液態(tài)模鍛工藝中，工藝參數(shù)的合理控制尤為重要，直接關(guān)系到液鍛件質(zhì)量的好壞。本文以AZ31 鎂合金的直接液鍛為例，對(duì)液鍛工藝最佳參數(shù)進(jìn)行了探索分析，為在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用鎂合金液態(tài)模鍛提供參考。 從實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的研究中發(fā)現(xiàn)，影響規(guī)律比較明顯。 但由于研究條件有限， 只對(duì)鎂合金液態(tài)模鍛工藝中最重要的參數(shù)進(jìn)行了研究，還需繼續(xù)完善。

［1］王渠東，丁文江.鎂合金研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀與展望［J］.世界有色金屬，2004（7）:8-11.

［2］羅守靖，陳炳光.液態(tài)模鍛與擠壓鑄造技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006，12.

［3］宋鑫，張會(huì)，周揚(yáng)，等.液態(tài)模鍛技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.鑄造技術(shù)，2012（06）：715-717.