AZ31B 镁合金挤压工艺研究

AZ31B 镁合金挤压工艺研究

黄光胜, 汪凌云, 范永革金属成形工艺Vol. 20 №. 5 2002:11-14

镁及镁合金是所有金属结构材料中最轻的,其密度只有1. 74g/ cm3 ,是铝的2/ 3 ,比钢轻78.

1 %。与其它金属材料以及工程塑料相比,镁合金具有很高的比强度和比钢度。镁合金已被誉为21 世纪的金属,近年来在汽车、航空航天、电子工业领域获得了迅速的发展,而且发展前景越来越好[1 ,

2 ] 。作为一种新兴金属材料,镁的现有使用状况远没有充分发挥镁合金材料的潜在优势,

镁合金在实际工业应用方面的发展远不及铝合金和钢铁工业,其规模只有铝业的1/ 50 ,钢铁工业的1/ 160[3 ] 。其主要原因是: (1) 作为工程材料,大多数的镁结构件都来自压铸这一种加工方式,限制了产品品种和类型; (2) 应用范围小,镁压铸件的80 %来自汽车工业,而且90 %又是室温使用的结构件,且主要局限于小体积零件。

由于镁的晶体结构为密排六方,塑性不及面心立方结构的铝,塑性成形能力差[4 ] ,因而镁合金在压铸成形领域优先得到重视和发展。变形镁合金与铸造镁合金相比,有更优良的综合力学性能,因此为了推动镁合金在航空、航天、汽车、摩托车等领域内的大量应用,发展我国的镁工业,必须大力开发变形镁合金及其生产工艺。对镁合金的挤压工艺进行了生产性试验研究。

1 实验方法及挤压参数的确定

1. 1 实验方法

试验合金为AZ31B ,其成分为表1。在油炉中熔炼,所用原料为Mg(1 级) ,Al (1 级) ,Zn (1

级) ,Al-10 %Mn 中间合金。熔炼过程中采用熔剂保护,石墨模铸造。棒材与型材铸锭尺寸为

<108mm ×250mm ,管材铸锭的尺寸为( <117mm/ <35mm) ×260mm。铸锭均匀化处理温度为400 ℃,保温时间为12h。铸锭均匀化处理后,车外皮,再挤压。

棒材与型材在1250t 卧式挤压机上成形,管材在600t 的立式挤压机上成形。挤压温度定为400 ℃,挤压筒和模具温度比挤压温度低,取380 ℃。为满足组织和力学性能要求,一般挤压比λ≥8 ,棒材的λ为10 ～25 ,管材、型材的λ为10 ～45。选择挤压速度为1 ～2. 5 m/ min。对铸锭和挤压出的棒材、管材、型材取样,在OLYMPUS 金相显微镜上进行微观组织观察。在WE2100 万能材料试验机上对棒材、管材、型材进行室温力学性能测试。

1. 2 挤压参数的确定

(1)挤压温度的确定。

挤压温度是挤压参数中最活跃的因素,它不但影响挤压过程的进行,还影响收得率、产品的质量以及力学性能等。从理论上考虑,应根据合金的相图、塑性图、和再结晶图[5 ] ,即挤压温度应低于合金的固相线高于再结晶温度,并且是塑性较好的温度,但实际上远比此复杂,尤其对镁合金而言,它易烧、易爆,需要格外注意。根据以上因素综合考虑,将镁合金的挤压温度定为300～450 ℃

[6 ] ,挤压筒、垫片、模具的温度一般比挤压温度低25 ℃,以补偿由于摩擦热、变形热而引起的温升。考虑到以上情况, 对AZ31B 而言, 取挤压温度为400 ℃。

(2)挤压速度的确定。

选择挤压速度的原则是,在保证制品不产生表面裂纹毛刺和扭拧、弯曲、波浪、间隙、扩(并) 口以及尺寸等重量问题的前提下,当挤压机能力允许时,速度越快越好。但挤压速度的确定同挤压温度一样,也十分复杂。挤压速度的大小受合金、状态、毛料、尺寸、挤压方法、挤压力、工具、制品复杂程度、挤压温度、模孔数量、润滑条件等的影响[7 ,8 ] 。因此综合考虑,AZ31B 的挤压速度定为1～2. 5m/ min。

(3)挤压比的确定。

为使镁合金在挤压过程中达到正常的加工效果,必须使断面减缩率保持在一定的范围内[6 ] 。试验的挤压比确定为:棒材的λ为10～25 ,管材、型材的λ为10～45 。

2 试验结果

2. 1 铸锭组织

铸锭的铸态组织如图1 ,基体为α固溶体,在基体上存在大量粗大枝晶, 少量的第二相

Mg17Al12呈骨骼状分布于枝晶间和晶界处。均匀化处理后的组织如图2 ,在基体上的枝晶数量大大减少,在枝晶之间以及基体上还存在着少量的Mg17Al12 第二相,Mg17Al12 相是在均匀化处理冷却过程中析出。枝晶数目的减少,说明在均匀化过程中,凝固期间产生的枝晶偏析减少,枝晶与基体的成分分布更均匀。

图1 AZ31B 铸锭显微组织

图2 AZ31B 铸锭均匀化后显微组织

2. 2 挤压材的组织与性能

表2 AZ31B 棒材、管材、型材的室温力学性能

试验中共挤出了11 种规格的棒材、管材和型材,其力学性能见表2。加工态纵向面的组织如图3所示,该组织为等轴晶,是典型的再结晶组织。由于加工温度高,在加工过程中已发生了动态再结晶。

图3 挤压材纵向显微组织

3 分析与讨论

镁合金在凝固过程中,当熔融的金属凝固成铸锭时,其化学成分与组织是不均匀的。在铸造过程中,由于快速冷却和非平衡结晶的结果,常在铸锭中造成晶内偏析及区域偏析,并在铸锭内形成很大的内应力[8 ] 。由于偏析和在晶界以及枝晶间存在Mg17Al12 第二相,使镁合金的热塑性降低,

加工性能变坏。在400 ℃×15h 的均匀化处理过程中,通过原子扩散,可在很大程度上消除晶内偏析和内应力。改善了铸锭化学成分与组织的不均匀性,提高其工艺塑性。

滑移沿原子密度最大的面和此面上原子密度最大的方向进行滑移时,所需能量最小,因此只有原子排列最密或较密的面以及这些面上原子排列最密或较密的方向才能发生滑移[9 ] 。室温下,镁的塑性变形限于基面{0001} < 112 -0 > 滑移及锥面{101 -2} <1 > 孪生[4 ,5 ] ;高温下,纯镁可沿{101 -1} < 112 -0 >滑移[5 ] 。因此与铝晶体的12 个几何滑移系及5个独立滑移系相比,镁塑性比铝差。所以为使镁合金能实现塑性变形,笔者采用了热挤压,通过提高温度来激活{101 -1} < 112 -0 > 滑移系,增加镁合金的塑性。

金属在挤压变形区中处于强烈的三向压应力状态可以充分发挥其塑性,提高其变形能力,获得大变形量,因此,对于镁合金这类塑性较差的金属,挤压成形是最容易实现的塑性变形[10 ] 。挤压时的应力状态为三向压缩,应变状态为两向缩短一向伸长。在一般冷挤压以及温挤压时,沿挤压方向的晶粒应该是拉长。但实际情况是沿挤压方向的晶粒是等轴状晶粒(图3) ,这说明在挤压过程中发生了动态再结晶。

在塑性变形过程中总存在一定的加工硬化,因此金属变形的流变应力会随应变的增加而增加。当变形温度很低时应力基本上随应变呈线性增长。当较高温度(0. 5 T m) 变形时,材料处于高塑性状态,这样就会同时进行着加工硬化和动态软化两个矛盾的过程。加工硬化是由于在外加应力作用下增大了位错密度和由于位错之间的交互作用而形成各种稳定、非稳定的位错组态,动态软化包括位错密度的降低和位错重新排列成低能量状态组织[11 ] 。在热变形过程中,主要的软化过程为动态回复和动态再结晶。镁合金的层错能低[4 ] ,因此400 ℃下挤压时,其回复过程并不很强,主要是动态再结晶。加工温度较高,在加工过程中发生了动态再结晶,从图3 中可知,加工态的组织为细小的等轴晶,因此挤压材呈现出良好的力学性能。

4 结论

(1) 铸锭经400 ℃×12h 的均匀化处理后,进行热挤压,其挤压温度为400 ℃,挤压速度为1～

2.5m/ min ,挤压比为10～45 。共挤出了11 种规格的棒材、管材、型材(工字型、槽型、角形、方形、T 形等) 。

(2) 压出的棒材、管材、型材有较好的力学性能,抗拉强度σb 在275～285MPa 之间,屈服强度σ0. 2 在220～225MPa 之间,延伸率δ在15 %～17 %之间。

(3) Z31B 镁合金在400 ℃挤压时,发生了动态再结晶,其挤压材的显微组织为细小的等轴晶。参考文献

[1 ] Kojima Y. Platform Science and Technology for Advanced Magnesium Alloy[J ] . Material Science Forum , 2000 , (350～351) : 3 - 18.

[2 ] E Aghion , B Bronfin. Magnesium alloys Development towards the 21’st Century[J ] . Material Science Forum , 2000 , (350-351) : 19 - 28.

[3 ] Robert E , Bob Brown. MagCon 2000 , 2’nd Australasian Magnesium Conference[J ] . Light metal age , 2000 , 58(9/10) : 44 - 46.

[4 ] Cahn RW. 非铁合金的结构与性能[M] . 丁道云等译. 北京: 科学出版社, 1999 :109 - 115.

[5 ] John Wiley. Magnesium and its alloys [M] . USA: Sons ,Inc. , 1960 :108 - 125.

[6 ] M M Avedesian , H Baker , etc. . ASM Speicalty Handbook Magnesium and Magnesium Alloys[M] . ASM International , 1999 :165 - 166.

[7 ]王祝堂, 田荣璋. 铝合金及其加工手册[M] . 湖南: 中南工业大学出版社, 1989 :4692479.

[8 ]《轻金属材料加工手册》编写组. 轻金属材料加工手册(上册) [M] . 北京: 冶金工业出版社, 1980 :200 - 203.

[9 ]汪凌云. 实用金属塑性成形物理冶金学[M] . 重庆: 科学技术文献出版社重庆分社, 1990 :4 - 19.

[10 ]谢建新, 刘静安. 金属挤压理论与技术[M] . 北京:冶金工业出版社, 2001 :1 - 7.

[11 ]毛卫民, 赵新兵. 金属的再结晶与晶粒长大[M] . 北京:冶金工业出版社, 1994 :197 - 213.