AZ31鎂合金異齒復(fù)合形變工藝的研究

高升棟，王忠堂

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

AZ31鎂合金異齒復(fù)合形變工藝的研究

高升棟，王忠堂

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

研究了爐內(nèi)保溫溫度、爐內(nèi)保溫時(shí)間、保壓時(shí)間對鎂合金板材微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，爐內(nèi)溫度為300℃、爐內(nèi)保溫時(shí)間為20min、壓下量為3mm、模具溫度為150℃、保壓時(shí)間為10s時(shí)，異齒復(fù)合形變后的鎂合金板材的平均晶粒尺寸為6.5μm、顯微硬度為68.12HV。在室溫條件下拉伸時(shí)，屈服強(qiáng)度為215MPa、抗拉強(qiáng)度為320MPa、延伸率為17.6%，與等齒復(fù)合形變相比，晶粒細(xì)化了16.6%，屈服強(qiáng)度提高了1.4%，抗拉強(qiáng)度提高了7.4%，延伸率提高了3.5%。

鎂合金；異齒復(fù)合形變；微觀組織；力學(xué)性能

隨著全球能源緊張和汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，汽車輕量化問題日益成為研究的焦點(diǎn)。輕量化金屬的應(yīng)用也隨之變得重要[1]。目前，由于鎂合金在實(shí)現(xiàn)輕量化、降低能源消耗、減少環(huán)境污染等方面具有良好的作用，在軍工領(lǐng)域、家庭用品及運(yùn)動器材方面已經(jīng)得到應(yīng)用[2-4]。然而鎂合金的密排六方結(jié)構(gòu)導(dǎo)致鎂合金滑移系較少，室溫塑性較差，通過塑性加工方法提高鎂合金塑性已經(jīng)成為重要的研究課題。

提高鎂合金塑性，主要是通過細(xì)化晶粒和弱化織構(gòu)來實(shí)現(xiàn)[5-6]。在鎂合金塑性成形的研究中，強(qiáng)烈塑性形變是實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化，獲得細(xì)小晶粒從而提高金屬塑性的有效方法[7-8]。Y.Saito等[9]提出連續(xù)剪切形變可以細(xì)化晶粒，但該項(xiàng)技術(shù)在形變過程中模具底部存在死區(qū)，板材形變不充分。通過復(fù)合形變工藝，使鎂合金板材產(chǎn)生大角度的形變誘使晶粒細(xì)化，具有良好的細(xì)化晶粒的作用[10]。在引入剪切形變，改變再結(jié)晶晶?；嫒∠蚍矫?，可以通過異步軋制和等徑角軋制的加工方法實(shí)現(xiàn)，從而弱化形變鎂合金織構(gòu)[11-12]。朱素琴等人[13]的研究表明異步軋制能減少鎂合金板材中的孿晶并促進(jìn)動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，使板材的晶粒組織細(xì)化和均勻化。通過降低基面織構(gòu)的強(qiáng)度使鎂合金板材獲得非基面織構(gòu)，提高鎂合金塑性[14]。

鎂合金板材多道次軋制過程中或者軋制后一般都需進(jìn)行退火處理，退火工藝對形變鎂合金的織構(gòu)有一定弱化效果[15]。采用固溶強(qiáng)化、時(shí)效析出相、復(fù)合強(qiáng)韌化等手段，可以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和高韌性的鎂合金材料的制備[16]。

本文以AZ31鎂合金板材為研究對象，在等齒復(fù)合形變的基礎(chǔ)上，借鑒異步軋制弱化織構(gòu)的特性，采用異齒形變和整平的復(fù)合形變工藝來提高鎂合金材料的成形性能和力學(xué)性能。研究不爐內(nèi)加熱溫度、爐內(nèi)保溫時(shí)間、保壓時(shí)間等復(fù)合形變工藝參數(shù)對AZ31鎂合金板材的顯微組織和力學(xué)性能的影響，獲得合理的工藝參數(shù)。

1 異齒復(fù)合形變概念

等齒形變和異齒形變模具結(jié)構(gòu)如圖1所示。等齒形變時(shí)，上模具和下模具的齒間距相同，見圖1a,因此鎂合金板材上下表面產(chǎn)生的材料流動規(guī)律是對稱的。而對于異齒形變時(shí)，上模具和下模具的齒間距不同，見圖1b,因此鎂合金板材上下表面產(chǎn)生的材料流動規(guī)律不對稱，這樣就產(chǎn)生鎂合金板材上下表面形變的不均勻性，這樣有利于弱化鎂合金材料的織構(gòu)，以改善材料的組織性能，進(jìn)而提高材料的成形性能。

圖1 復(fù)合形變模具結(jié)構(gòu)(1上模板，2上壓平模具，3下壓平模具，4下模板，5上固定板，6上凸齒，7下凸齒，8下固定板)

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)采用商用鎂合金AZ31 板材，原始板材厚度為7mm，平均晶粒尺寸為30μm。上模具和下模具的齒間距分別為5mm和6mm，加熱保溫時(shí)間分別為200℃、225℃、250℃、300℃、350℃和400℃，板材爐內(nèi)保溫時(shí)間分別為5min、10min、20min、30min和60min。異齒復(fù)合形變保壓時(shí)間為10s、20s和30s。采用加熱棒加熱方法，使異齒復(fù)合形變模具保持150℃恒溫，齒半徑為2mm，實(shí)驗(yàn)在1000kN的四柱萬能液壓機(jī)上進(jìn)行，液壓機(jī)速度為10mm/s。工藝流程見圖2。

圖2 異齒模具復(fù)合形變工藝流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 爐內(nèi)加熱溫度對AZ31鎂合金板材組織的影響

圖3為原始坯料晶粒組織，晶粒尺寸為30μm，組織較為均勻。

爐內(nèi)保溫溫度對鎂合金板料的顯微組織的影響如圖4所示。在圖4a中，在爐內(nèi)保溫溫度為200℃時(shí)， 鎂合金的形變以孿生為主，在圖4b中225℃時(shí)孿生逐漸出現(xiàn)動態(tài)再結(jié)晶，孿生組織被再結(jié)晶晶粒逐漸代替。在圖4d爐內(nèi)保溫溫度為300℃時(shí)，鎂合金組織變得均勻，晶粒相比原始組織得到細(xì)化，平均晶粒尺寸為6.5μm。隨著溫度的增加，晶粒繼續(xù)長大，組織變得粗大。

圖3 原始坯料晶粒組織

圖4 爐內(nèi)保溫溫度對復(fù)合形變后鎂合金組織的影響

3.2 保溫時(shí)間對鎂合金晶粒的影響

在相同的形變溫度下，不同的保溫時(shí)間對晶粒大小的影響也不同。圖5為在保溫溫度為300℃，保溫時(shí)間分別為10min、30min和60min，相同的形變位置處的晶粒情況。由圖5可以看出，保溫時(shí)間10min時(shí)晶粒組織比較粗大。保溫時(shí)間30min時(shí)，晶粒尺寸略有減小，但是減小幅度不大。保溫時(shí)間60min后，組織又變得粗大，平均晶粒尺寸為62.6μm。

圖5 不同的保溫時(shí)間下鎂合金對應(yīng)的組織

晶粒尺寸隨保溫時(shí)間、保溫溫度的變化規(guī)律如圖6所示。晶粒尺寸先減小后增大是由于在保溫溫度300℃時(shí)，材料發(fā)生了再結(jié)晶，在保溫時(shí)間20min左右，再結(jié)晶完成，晶粒得到細(xì)化，而后隨著保溫時(shí)間的增長，晶粒開始長大，組織變得粗大。

圖6 AZ31鎂合金晶粒尺寸與保溫溫度和保溫時(shí)間關(guān)系

3.3 復(fù)合形變參數(shù)對AZ31鎂合金硬度的影響

未經(jīng)處理的試樣硬度為52.77HV，處理之后，相同的保溫溫度和保壓時(shí)間下，硬度的變化如圖7所示。由圖7可知，隨著溫度的升高，硬度總體先升高后降低。250℃時(shí)硬度最高，在保溫20min，應(yīng)力時(shí)效30s的試樣中，硬度高達(dá)104.32HV。250℃后，隨著保溫溫度的升高，硬度反而降低，在400℃時(shí)，硬度最低達(dá)到59.89HV，但是仍然比未經(jīng)處理的試樣硬度要高。

圖7 AZ31鎂合金硬度與保溫溫度的關(guān)系

圖8為鎂合金材料復(fù)合形變后硬度與保壓時(shí)間和爐內(nèi)保溫溫度的關(guān)系曲線。由圖8a可以看出，AZ31鎂合金的硬度值隨著保壓時(shí)間的增長而增大。在10～20s的區(qū)間，保壓時(shí)間對鎂合金的硬度影響較大；在30～60s的時(shí)間段內(nèi)，保壓對硬度的影響減弱，趨于平穩(wěn)。這是由于鎂合金的傳熱速率較快，在前30s，溫度降低非?？?，對鎂合金的硬度產(chǎn)生影響，隨著板材與模具溫度的接近，鎂合金溫度變化減緩，硬度變化也變得不明顯。

圖8 AZ31鎂合金材料硬度與保溫時(shí)間的關(guān)系

在10～20s的保壓時(shí)間里，由于鎂合金板材溫度較高，鎂合金第二相析出速度較快，強(qiáng)化相的析出導(dǎo)致了硬度的提高。而隨著時(shí)間的增長，鎂合金板材與空氣進(jìn)行了熱傳遞而導(dǎo)致溫度的降低，強(qiáng)化相析出速度減小，硬度的變化速度減慢，趨于平穩(wěn)。由圖8b可以看出，隨著保溫時(shí)間的增加，板材的硬度隨著下降。在10～30min的區(qū)間，變化幅度較大。

3.4 復(fù)合形變參數(shù)對板材拉伸性能的影響

圖9為鎂合金試樣在室溫條件下的拉伸曲線。圖9a表示不同爐內(nèi)保溫溫度、相同爐內(nèi)保溫時(shí)間和相同保壓時(shí)間下的試件在室溫下的拉伸曲線。圖中，如200-10-10表示爐內(nèi)保溫溫度為200℃，爐內(nèi)保溫時(shí)間10min，復(fù)合形變時(shí)保壓時(shí)間10s，其他類似。由圖9a可看出，隨著板材形變溫度的提高，AZ31鎂合金板材的強(qiáng)度先升高后下降。在300℃時(shí)應(yīng)變值最大，強(qiáng)度也最高，屈服強(qiáng)度達(dá)到215MPa，拉伸強(qiáng)度達(dá)到320MPa，延伸率達(dá)到17.6%。由圖9b可看出，在300℃不同的保溫時(shí)間下，板材的塑性隨著保溫時(shí)間的增長而先增強(qiáng)后降低，在保溫20min時(shí)，塑性最高，應(yīng)變值為0.14，延伸率在17.6%；保溫10min時(shí)，抗拉強(qiáng)度最高，但塑性相比保溫20min略有下降。由圖9c可以看出，隨著保壓時(shí)間的增加，屈服強(qiáng)度增加，但是塑性降低，保壓時(shí)間10s時(shí)塑性較好。綜合比較，選擇形變溫度為300℃，爐內(nèi)保溫時(shí)間20min，復(fù)合形變時(shí)保壓時(shí)間10s。

圖9 鎂合金試樣在室溫條件下應(yīng)力-應(yīng)變曲線

AZ31鎂合金常規(guī)平輥軋制后的顯微組織及力學(xué)性能，如圖10所示，平均晶粒尺寸為10.13μm，屈服強(qiáng)度203MPa，抗拉強(qiáng)度278MPa，伸長率為16.5%，顯微硬度為82.47HV。異齒復(fù)合形變后的板材相對于平輥軋制和等齒復(fù)合形變后的板材，晶粒進(jìn)一步細(xì)化，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率等性能均有所提高，但硬度有所降低，具體參數(shù)見表1。

圖10 AZ31鎂合金常規(guī)平輥軋制后的顯微組織及力學(xué)性能表1 不同狀態(tài)下AZ31鎂合金材料顯微組織和力學(xué)性能

晶粒尺寸/μm顯微硬度/HV屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa延伸率/%原始退火25575430169248156平輥軋制10138247203279165等齒復(fù)合形變7849199212298172異齒復(fù)合形變6546812215320176

4 結(jié)論

(1) 鎂合金板材在形變溫度(爐內(nèi)保溫溫度)為200℃時(shí)，鎂合金的形變以孿生為主，在225℃時(shí)孿生逐漸出現(xiàn)動態(tài)再結(jié)晶，孿生組織被再結(jié)晶晶粒逐漸替代，隨著再結(jié)晶晶粒的長大，原始晶粒形變，再結(jié)晶晶粒長大。在300℃時(shí)，鎂合金組織變得均勻，晶粒相比原始組織得到細(xì)化，平均晶粒尺寸為6.5μm。隨著溫度的增加，晶粒繼續(xù)長大，組織變得粗大。

(2) 異齒復(fù)合形變過程中的保壓時(shí)間對鎂合金材料的硬度和晶粒尺寸都有影響，隨著保壓時(shí)間的增加，鎂合金的硬度得到提高。

(3) 異齒復(fù)合形變后材料的塑性隨著形變溫度的增加先升高后降低，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度在300℃時(shí)最高。隨著保壓時(shí)間的增長，材料的強(qiáng)度提高，但是塑性降低。

(4) 異齒復(fù)合形變的合理的工藝參數(shù)為坯料溫度為300℃，爐內(nèi)保溫時(shí)間為20min，壓下量為3mm，模具溫度為150℃，保壓時(shí)效時(shí)間為10s，此時(shí)AZ31鎂合金平均晶粒尺寸為6.5μm，顯微硬度為68.12HV，屈服強(qiáng)度為215MPa，抗拉強(qiáng)度為320MPa，延伸率為17.6%。

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(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

Different -size -teeth compound deformation technology of AZ31 Magnesium alloy

GAO Shengdong， WANG Zhongtang

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

It had been studied that the influence of deformation temperatures,heating times,and pressing time on microstructure and mechanical properties of AZ31 Magnesium alloy.The results presented that the average grain size of AZ31 Magnesium alloy which deformed by different-size-teeth compound deformation was 6.5μm，and the hardness was 68.15HV.In which,the deformation temperature was 300℃,and holding time was 20minutes,and the reduction was 3mm，and temperature of tools was 150℃,and pressing time was 10 seconds.Under the room temperature,the mechanical properties of AZ31 Magnesium alloy was that yield strength being 215MPa and tensile strength being 320MPa and the elongation ratio being 17.6%.Compared with same-size-teeth compound deformation technology，the grain-size of AZ31 Magnesium alloy which deformed by different-size-teeth compound deformation reduced 16.6%,the yield strength improved 1.4%,tensile strength improved 7.4% and elongation ratio increased 3.5%.

Magnesium alloy;Different-size-teeth compound deformation;microstructure；mechanical properties

2015-11-09

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51575366)；沈陽市科技計(jì)劃項(xiàng)目(F14-231-1-32)

高升棟(1989—)，男，碩士研究生；通訊作者:王忠堂(1962—)，男，教授，工學(xué)博士，研究方向：先進(jìn)塑性成形技術(shù)。

1003-1251(2016)06-0007-06

TG146.22；TG115.21

A