徐春森

(北京國信安科技術(shù)有限公司，北京 100160)

鎂合金具有密度小，比強度、比剛度高、散熱性和屏蔽性好，能回收、無污染、資源豐富等一系列優(yōu)點，在汽車、摩托車、航空航天、兵器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，成為減重節(jié)能、保護環(huán)境的首選材料。由于鎂及常用鎂合金是密排六方結(jié)構(gòu)(HCP)，塑性成形能力差，所以鑄造鎂合金得到了大量應(yīng)用。而變形鎂合金比鑄造鎂合金具有更優(yōu)良的性能、更多樣的型式、更高的生產(chǎn)率、更便于連續(xù)化自動化生產(chǎn)，因此研究變形鎂合金及其晶粒細化具有十分重要的實際意義和理論意義[1]。

晶粒細化不僅可以提高材料強度還可提高其塑性，對于AZ31鎂合金而言更是如此，因為AZ31鎂合金既不能靠熱處理強化也不能靠應(yīng)變強化，細晶強化幾乎是提高AZ31鎂合金強度的唯一方法。近年來，人們對Mg-Al系合金晶粒細化技術(shù)做了大量工作，主要分為兩部分，一是鑄造鎂合金的晶粒細化，即通過合金化和添加變質(zhì)劑來達到晶粒細化的效果；另一部分是變形鎂合金的晶粒細化，可通過大擠壓比擠壓、等徑角擠壓和動態(tài)再結(jié)晶等方法來實現(xiàn)，本文論論后者。

材料的屈服強度與晶粒大小存在函數(shù)關(guān)系即Hall-Petch公式，σs=σ0+Kd-1/2，式中σs為屈服強度，σ0為單晶體的屈服極限，K為常數(shù)，d為晶粒大小。K值隨泰勒系數(shù)的增加而增加，通常泰勒系數(shù)取決于滑移系數(shù)的多少。由于鎂是密排六方結(jié)構(gòu)，與面心立方和體心立方金屬相比鎂的泰勒系數(shù)大，因此其K值也大，鎂合金晶粒大小對屈服強度的影響比鐵合金和鋁合金的都大[2]。本文作者從生產(chǎn)現(xiàn)場的操作工藝出發(fā)，研究了AZ31鎂合金獲得細晶組織的最佳操作工藝，為變形鎂合金擠壓加工提供實踐經(jīng)驗和理論依據(jù)。

1 試驗方法和過程

1.1 試驗材料

AZ31鎂合金元素含量見表1，原材料由山西廣靈精華集團鎂業(yè)公司提供。熔煉用電阻爐容量為30kg、鋼質(zhì)坩堝，熔煉用合金為二級鎂錠(w(Mg)≥99.95%)、一級鋁錠(w(Al)≥99.99%)和高純鋅錠(w(Zn)≥99.99%)，保護氣氛是SF6、CO2和空氣(經(jīng)干燥機干燥)的混合氣體。在半連續(xù)拉鑄設(shè)備上拉制成長6m的鎂棒，經(jīng)切割剝皮加工成Φ92mm、長350～400mm的擠壓用鎂棒。配制合金錠時已加入晶粒細化劑，鑄錠晶粒度已降至100～200μm，且加入的細化劑具有遺傳效應(yīng)，為后續(xù)擠壓工藝創(chuàng)造了良好的加工條件。

表1 AZ31鎂合金鑄錠化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)%)

1.2 模具設(shè)計

試驗在630T的臥式擠壓機上進行， AZ31合金棒材直徑Φ92mm。圖1是試驗型材橫截面尺寸圖，由于橫截面只有一個對稱軸，所以?？讕缀沃行牡呐渲帽仨毻ㄟ^型材對稱軸并位于其幾何中心上。為了使金屬流動均勻，采用不等尺寸工作帶。型材截面在各部位的截面積不等擠壓比也不一樣，因此采取阻礙角和促流角[3,4]，同時在導(dǎo)流模上也采取了相應(yīng)措施。薄壁處金屬流速較慢而厚壁處流速較快，因此，模具設(shè)計采取多種限流措施設(shè)計流線型模，保證合金各處的流速均勻。

圖1 擠壓型材的橫截面示意圖

1.3 試驗過程

生產(chǎn)現(xiàn)場所用原材料相同，不斷改變擠壓工藝參數(shù)，并對擠壓產(chǎn)品分別進行金相分析和力學(xué)性能測試，通過研究分析確定最佳擠壓工藝。

試驗分多組進行，每組4個樣品均按照每根熔煉鎂棒擠壓一根型材時前、中、后各個部位截取，對樣品進行金相分析和力學(xué)性能檢測后，選擇晶粒度最小、力學(xué)性能最好的一組，按照這一組的操作工藝參數(shù)制定實際生產(chǎn)工藝流程。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗結(jié)果

通過生產(chǎn)現(xiàn)場的試驗研究，證明在合金化時加入晶粒細化劑，可以降低擠壓溫度(包括鎂棒溫度、模具溫度和擠壓筒溫度等)提高擠壓速度。確定的主要擠壓參數(shù)為(稱之為“精華工藝”)擠壓筒溫度250～300℃，鎂錠預(yù)熱溫度300～350℃，模具預(yù)熱溫度350～380℃，擠壓速度2.5～3m/min，各參數(shù)都比未加晶粒細化劑時優(yōu)越。

根據(jù)上述模具設(shè)計原則和試驗工藝，擠壓出的型材外形輪廓完美，表面質(zhì)量好，薄壁處外形也很規(guī)則，表面沒有任何劃痕、裂紋和燒損現(xiàn)象，通過專門的平直度和扭曲度檢測設(shè)備檢驗完全合格，能夠滿足客戶要求，生產(chǎn)的樣品如圖2所示。通過對生產(chǎn)產(chǎn)品做金相分析和力學(xué)性能檢測，得到的實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

圖2 擠壓型材產(chǎn)品示意圖

表2 AZ31合金型材力學(xué)性能(“精華工藝”試樣)

同樣原材料擠壓參數(shù)為(稱之為“高溫工藝”)擠壓筒溫度400～450℃，鎂錠預(yù)熱溫度450～500℃，模具預(yù)熱溫度450～500℃，擠壓速度1.5～2.5m/min，擠壓型材的力學(xué)性能如表3所示。

表3 AZ31合金型材的力學(xué)性能(“高溫工藝”試樣)

圖3是兩種擠壓工藝的產(chǎn)品金相照片，圖3(a)為“精華工藝”，圖3(b)為“高溫工藝”。從圖3中看出，前者的晶粒度比后者細很多，分布也較均勻，通過金相分析軟件處理后，評定級別并計算出晶粒直徑，各項指標和計算結(jié)果如表4所示。

表4 合金的晶粒度評定指標

圖3 不同擠壓工藝下AZ31合金型材的金相組織

工業(yè)生產(chǎn)的鑄態(tài)AZ31鎂合金晶粒粗大，同時晶界上有隨機分布的二次相，在大變形擠壓后，鑄態(tài)AZ31鎂合金的晶粒明顯細化且呈等軸狀[5]，合金的力學(xué)性能明顯提高，特別是延伸率可達到17%。這可以從擠壓比的大小進行判定，根據(jù)動態(tài)再結(jié)晶原理，當(dāng)變形程度超過臨界變形程度時，變形程度越大，晶粒越小，當(dāng)達到一定變形時，晶粒不再增大，發(fā)生超塑變形[6,7]。細小晶粒和織構(gòu)強度提高是屈服強度和抗拉強度增大的主要原因。因此，該工藝可以生產(chǎn)擠壓比≤70、薄壁端厚≥1.5mm的各種鎂合金型材，也可以生產(chǎn)方管等。

2.2 討論

2.2.1 鎂棒質(zhì)量對擠壓型材質(zhì)量的影響

鑄態(tài)熔煉鎂棒的質(zhì)量對擠壓型材的質(zhì)量有決定性影響，如果鎂棒有縮松、夾雜、偏析和組織成份等缺陷，會嚴重影響型材的表面質(zhì)量和力學(xué)性能。試驗和生產(chǎn)所用原料都來自山西廣靈精華集團鎂業(yè)公司，組織均勻，經(jīng)檢測質(zhì)量可靠。因此試驗鎂合金擠壓型材的質(zhì)量主要取決于加工工藝。

2.2.2 擠壓筒和鎂棒溫度對擠壓型材質(zhì)量的影響

擠壓筒和鎂棒溫度過高將使擠壓型材的表面出現(xiàn)燒損、橫裂紋和各種劃痕等缺陷。降低擠壓筒溫度和鎂棒的預(yù)熱溫度可減少裂紋和劃痕的形成，并能減輕型材的表面氧化，但如果不降低擠壓速度，則可能加大擠壓設(shè)備的磨損，增加折舊成本。

2.2.3 擠壓速度對擠壓型材質(zhì)量的影響

不論擠壓鎂合金還是鋁合金，材料本身的變形能力決定了擠壓速度的大小，也決定了擠壓時的工作溫度。在金屬擠壓過程中，金屬材料變形本身會釋放大量擠壓熱，所以在模具中金屬變形時的實際工作溫度并不會降低。但是由于鎂合金熔點低、易氧化，所以擠壓速度過快又會引起型材表面快速升溫，導(dǎo)致表面燒損，如果擠壓速度超過鎂合金材料本身變形能力，則會出現(xiàn)表面裂紋等缺陷。擠壓速度過低，擠壓熱釋放少模具溫度低，容易發(fā)生擠不動的現(xiàn)象，并降低產(chǎn)量，增加生產(chǎn)成本。

2.2.4 模具預(yù)熱溫度對擠壓型材質(zhì)量的影響

模具預(yù)熱溫度過低將導(dǎo)致鎂棒溫度快速下降，發(fā)生擠不動現(xiàn)象，設(shè)備磨損嚴重；而溫度過高也會使型材表面出現(xiàn)燒損、橫裂紋和黑褐色。出現(xiàn)擠不動現(xiàn)象時，有兩種方法解決模具內(nèi)殘料問題，一是用鋁合金將剩余的鎂合金擠出來，然后在堿液中溶解并清洗模具；另一種是將殘余鎂合金和模具一起加熱再繼續(xù)擠壓。

2.2.5 細小晶粒度對擠壓型材質(zhì)量的影響

通過對擠壓型材各種情況下產(chǎn)品顯微組織分析和力學(xué)性能檢測，可以看出晶粒越細小、產(chǎn)品力學(xué)性能越好。

3 結(jié) 論

AZ31鎂合金在擠壓成形時，擠壓模具的設(shè)計極為重要，只有設(shè)計合理的工作帶尺寸和采取相應(yīng)的限流措施，才能擠壓出合格的型材產(chǎn)品。

在合金化時加入晶粒細化劑，并設(shè)置合理的擠壓工藝，不僅可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，而且還能提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。主要生產(chǎn)工藝參數(shù)為擠壓筒溫度250～300℃，鎂錠預(yù)熱溫度300～350℃，模具預(yù)熱溫度350～380℃，擠壓速度2.5～3m/min。

通過顯微組織分析和力學(xué)性能檢測，證明晶粒細小對鎂合金型材的力學(xué)性能影響很大。晶粒度越小，型材的力學(xué)性能就越好，特別是塑性有明顯提高，

延伸率可達到17%。

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