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鎂合金板材軋制工藝及組織性能分析

2019-12-06 15:34 ?瀏覽:

在室溫下,鎂合金的塑性很低。當變形溫度達到225℃時,高溫滑移面(棱柱面)被激活,鎂合金的塑性有所改善[1~3]。 
鎂及其合金的另一個重要特征是加熱升溫與散熱降溫比其他金屬都快。因此,在塑性加工過程中,溫度下降很快且不均勻,則易發生邊裂和裂紋,相對于其它金屬材料而言,鎂及其合金的熱加工溫度范圍較窄。 
本文通過對AZ31B鎂合金鑄錠、軋制、熱處理等工序的研究,并結合各工序中材料組織和織構的分析,找出軋制鎂合金板材的合理工藝,為生產鎂合金的寬板提供技術依據。

實  驗 
所用原料為Mg(一級),Al(一級),Zn(一級),Ca(一級),Ca(含量≥98%),Sr(含量≥99.5%)和Al-10% Mn中間合金。熔爐為40 kW的SG2型電阻爐。熔煉坩堝為10 mm厚的20#鋼板焊接而成,其有效容量為80 kg。采用模鑄成型,鑄模用中碳鋼通過加工制成。熔鑄時采用2號熔劑保護,其成分如表1所示。熔鑄過程中為防止Ca,Sr與熔劑發生置換反應,采用了SF6與Ar氣的混合氣體進行保護,其中SF6的含量為1.0%~2.0%。為了改善鑄錠的成分和組織的不均勻性,提高鑄錠的抗拉強度和延伸率,對鑄錠進行了均勻化處理,其均勻化退火為420℃下保溫15 h[1,3]。
在軋輥上增加了軋輥控溫裝置,使得在軋制過程中軋輥的溫度始終控制在100~160℃℃左右。實驗開軋溫度為450~460℃℃,終軋溫度為260~300℃℃,道次變形量控制在15%~20%,終軋壓下量為5%~10%[2,5]。采用測溫儀隨時測量板料溫度,當板料溫度低于260℃時,對板材進行回爐加熱,保溫溫度為430~450℃℃,保溫時間為0.5 h。采用軋制溫度在再結晶溫度以下而又高于冷軋溫度的軋制方式。這種方式能夠在一定程度上提高材料的塑性,降低加工硬化。實驗中采用的溫軋溫度低于260℃,溫軋變形量控制在為25%~30%。冷軋階段采用多道次小變形量的方法軋制板料。單道次變形量控制在5%以內,2次中間退火間累計變形量不大于25%。中間退火制度采用300℃下保溫1 h。實驗時在熱軋、溫軋和冷軋終了時的板材進行了0°,45°和90° 3個方向的取樣并進行單向拉伸試驗。

結果與討論 
3.1  鎂合金板錠及其組織
鎂合金板錠的熔鑄質量對板材的加工質量起著非常重要的作用,在實際生產中,欲得到高性能優質的鎂合金板材,必須實行熔體和鑄錠的三化,即熔體純凈化,鑄錠晶粒細化,鑄錠組織均勻化,以保證鑄錠的質量,在三化中晶粒細化是核心。
3.1.1  鑄錠的晶粒細化[3~5] 
在現有AZ31B鎂合金的基礎上加入微量的Ca,Sr,以達到細化Mg-Al系合金的晶粒,改善其成形性能。微量Ca的加入使得凝固過程中固液界面附近的Ca含量相差懸殊,液相的Ca含量遠遠高于固相中的Ca含量。晶核形成后,原子必須連續進入晶體才能使其生長,固液前沿液相中的高濃度Ca阻礙了Mg原子由液相向固相擴散,從而阻礙晶粒生長,使晶粒細??;Sr的加入也能顯著細化晶粒。Sr在凝固過程中的再分配在一定程度上細化了鎂合金的晶粒,其細化機制是Sr與Mg或Al形成了金屬化合物,這些化合物在凝固過程中起到形核核心的作用,促進非均質形核。圖1為Ca,Sr對AZ31B鎂合金晶粒尺寸的影響。由圖1可知,微量的Ca,Sr的加入能夠使枝晶距與晶粒尺寸明顯變小,當加入量在0.1%(質量分數)左右時,晶粒細化顯著,此后隨Ca,Sr含量的增加,雖然也能進一步細化晶粒,但是其細化程度不大。
3.1.2  鑄錠組織均勻化[3~5] 
圖2為AZ31B鎂合金鑄態顯微組織。從圖2可知,Mg17Al2絕大部分呈粗大的“骨骼”狀,且分布在晶界,只有小量的顆粒狀Mg17Al2分布在晶內。在變形過程中,晶界處粗大的Mg17Al2容易破裂形成裂紋源,易導致變形鎂合金制品形成裂紋。由于非平衡凝固以及溶質再分配,在鑄錠中形成晶內偏析和區域偏析。鑄錠的這種成分和組織上的不均勻性勢必造成材料性能上的不均勻性,為了減少和消除晶內偏析,改善鑄錠化學成分和組織上的不均勻性,提高其工藝塑性,需要對鑄錠進行均勻化退火。
在同一溫度下,隨著保溫時間的延長,枝晶偏析越??;在相同的保溫時間下,退火溫度越高,其枝晶偏析也越小。雖然提高退火溫度和延長保溫時間,均能減少枝晶偏析,但是退火溫度對枝晶偏析的影響較大。圖3為在420℃下均勻退火15 h后的顯微組織。由圖3可知,均勻化退火后,Mg17Al2已由粗大的“骨骼”狀變為細小顆粒均勻分布在α-Mg基體中以及晶界處,枝晶偏析可以完全消失。
3.2  鎂合金的軋制及合金組織 3.2.1  熱軋[4,6,7] 
根據材料動態模型(DMM)和加工圖并結合試驗結果,確定了AZ31B鎂合金的軋制規程和熱力耦合制度。軋制得到的板料邊裂很小,表面光潔度好。當終軋溫度低于260℃,道次變形量高于15%時就出現了嚴重的邊裂,甚至板材中部出現裂紋。 
在熱軋過程中增加了軋輥的控制裝置,使軋輥溫度始終保持在100~160℃℃左右,同時將軋件多次反復加熱,使軋件溫度始終控制在熱軋范圍內,從而減小了裂紋的產生和發展。圖4為AZ31B鎂合金板材在300℃終軋后的顯微組織。從圖4可以看出,AZ31B鎂合金在300℃軋制后,為均勻的再結晶組織。平均晶粒直徑為40µm。熱軋后板材的力學性能見表2。
3.2.2  溫軋[4,6,7] 
熱軋板材的厚度一般大于2 mm。溫軋的目的是在一定的溫度下(高于冷軋低于熱軋),采用較大的變形量,從而得到了抗拉強度比熱軋后高的抗拉強度,厚度比熱軋小的板材。AZ31B鎂合金典型的溫軋工藝為:溫軋溫度不大于260℃,溫軋變形量為25%~30%。由于鎂合金室溫下塑性較差,為了保證壓下量的需要,考慮到軋輥溫度保持在100~160℃℃左右,溫軋的終軋溫度在100℃左右。所以,溫軋工藝的實施主要存在工藝溫度范圍窄、溫度很難保證均勻的缺點,大規模生產時很難控制。而且當溫度低于300℃時,采用大變形量軋制會出現嚴重的邊裂,甚至中部也出現裂紋。圖5為AZ31B鎂合金溫軋后板材顯微組織,其力學性能見  表2。
3.2.3  冷軋[4,5,8] 
雖然鎂合金的冷變形工藝容易滿足工業化大生產的要求,冷軋時采用小變形量多道次軋制能獲得較滿意的結果,冷軋道次變形量一般為5%左右,總變形量約為25%。這樣在軋制過程中不會出現嚴重的邊裂和中部裂紋。但是,當進一步增加變形量時就出現嚴重的邊裂和裂紋,這說明AZ31B鎂合金板材在冷軋時的總變形量不能過大,最好控制在25%~30%左右。AZ31B鎂合金經過冷變形后組織“破碎”,尤其是晶界處的變形量較大,在金相試樣侵蝕時很容易腐蝕而出現溝壑,在晶內則出現了大量的孿晶。冷軋后,形成了加工硬化,延伸率降低,并且由于晶粒轉動產生了大量變形織構,形成了各向異性。冷軋AZ31鎂合金板材的力學性能見表2。

3.3  鎂合金板材的退火[4,6,7,9] 
冷軋后的板材強度指標高于熱軋和溫軋板材的強度指標,但延伸率很低(如表2所示)。為了使板料能夠在后續的沖壓生產中體現出較好的應用價值,就必須采用適當的退火工藝消除冷軋時產生的加工硬化,改變板料冷軋時產生的變形組織,獲得晶粒細小且均勻的組織,從而獲得最佳的綜合力學性能。通過對不同厚度的冷軋板材進行不同工藝制度的退火試驗發現,鎂合金材料在150℃以上即可產生再結晶。實際采用的退火溫度根據冷軋板材的變形量和厚度確定,一般來說,退火溫度在180~260℃℃之間,退火時間為40 min~60 min,退火后板料的組織為平均晶粒直徑14 µm的均勻細晶組織,其強度指標在270 MPa以上,延伸率大于16%。

4  結  論 
1)軋制出寬度為600 mm~1500 mm,厚度為0.18 mm~0.4 mm,σb≥280 MPa,σ0.2≥160 MPa, δ≥16%,滿足德國大眾汽車公司規定的商業鎂合金板材應達到的性能要求。 
2)熔鑄時必須實行熔體和鑄錠的三化,即熔體純凈化,鑄錠晶粒細化,鑄錠組織均勻化。通過在合金中加入微量的Ca,Sr可以細化Mg-Al系合金的晶粒;均勻化退火制度為420℃下保溫15 h以上,可以消除枝晶偏析。 
3)板材軋制需經過熱軋、溫軋和冷軋3個流程。熱軋開軋溫度為450~460℃℃,終軋溫度為260~300℃℃。道次壓下量在15%~20%,終軋壓下量為5%~10%。溫軋溫度不大于260℃,溫軋變形量為25%~30%。冷軋道次變形量一般為5%左右,總變形量約為25%。中間退火制度為300℃下保溫45 min。成品板材退火制度為退火溫度在180~260℃℃,退火時間為40 min~60 min。 
4)熱軋AZ31B鎂合金板材主要織構組分為基面平行于板面,其它的織構組分相對較弱。其基面織構的極密度中心與板法線平行;冷軋板材基面織構的極密度中心在軋制方向呈雙峰分布,極密度中心晶面法向與板法向成大約18°夾角。
5)熱軋鎂合金板材存在較強的塑性各向異性,軋制方向上的延伸率指標較低。而基面向傾斜使軋制方向的塑性顯著改善,而對強度的影響不大。
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