吳 丹，盧雅琳，徐文婷

(江蘇理工學(xué)院，江蘇 常州 213100)

0 引言

鎂合金材料是一種新型綠色金屬材料，也是典型的輕量化材料，其重量僅為鋁合金的2/3，用鎂合金做結(jié)構(gòu)件可以大大減輕構(gòu)件重量[1－4]。近年來，隨著紡織機(jī)械向著高速和大寬幅方向發(fā)展，重量輕、強(qiáng)度剛度好的輕合金材料被廣泛應(yīng)用于紡織設(shè)備[5－6]。鎂合金因具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、減震性能好，機(jī)械加工方便等優(yōu)點(diǎn)[7]而成為經(jīng)編機(jī)械的首選。其中AZ31鎂合金為最常用的鎂合金材料。

合適的熱處理工藝是改善和提高鎂合金綜合性能的重要手段[8－10]。因AZ31鎂合金中有Mg17Al12相，強(qiáng)化相較少，固溶強(qiáng)化效果不明顯，所以通過時(shí)效處理改善其組織性能成為最佳選擇。此外，由于經(jīng)編機(jī)械中的針床、梳櫛等關(guān)鍵零件均為尺寸較長的薄板、異型材件，在擠壓成型之后只能通過合適的時(shí)效處理，才能保證其較好的機(jī)械性能和尺寸穩(wěn)定性。時(shí)效處理可以消除AZ3l鎂合金擠壓變形后的缺陷和殘余應(yīng)力，且時(shí)效過程中容易在晶界和接點(diǎn)處形成無畸變的再結(jié)晶晶粒和可移動(dòng)的大角晶界，發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶，使材料性能發(fā)生得以改善[10－12]。本文以紡織機(jī)械用AZ31擠壓型材為研究對(duì)象，通過合適的時(shí)效處理，使其機(jī)械性能和尺寸穩(wěn)定性達(dá)到最優(yōu)，為企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)提供技術(shù)保證。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)采用擠壓的AZ31鎂合金型材為實(shí)驗(yàn)材料，其材料成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為:Al－3.07，Mn－0.28，Zn －0.6，其余為Mg。

實(shí)驗(yàn)所用熱處理設(shè)備為SX.5.12型箱式電阻爐，溫控精度±1℃。熱處理工藝方案如表1所示。

表1 AZ31鎂合金熱處理工藝

對(duì)熱處理前后的AZ31鎂合金試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，試樣為圖1所示的骨樣狀，標(biāo)距為25 mm，厚度為2.5 mm，寬度為8 mm。

圖1 拉伸試樣

熱處理后的試樣經(jīng)磨樣－拋光－腐蝕，通過定量金相分析系統(tǒng)獲得微觀組織照片。在CMT－5105萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸力學(xué)性能測試，拉伸速度為2mm/min。在HVS21000型數(shù)顯顯微硬度計(jì)上進(jìn)行顯微硬度測量，載荷為500g，保壓時(shí)間20s，每個(gè)數(shù)據(jù)測量8個(gè)點(diǎn)，取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖2為擠壓態(tài)AZ31鎂合金的微觀組織照片，從圖中可以看出，擠壓態(tài)組織為大小不一的近球狀組織，晶界比較清晰。小晶粒為晶界清晰的球狀組織，小晶粒出現(xiàn)在大晶粒的晶界處。

圖2 擠壓態(tài)AZ31鎂合金的微觀組織

2.1 微觀組織分析

圖3為AZ31鎂合金在不同熱處理工藝條件下的微觀組織照片。圖3(a)中為時(shí)效溫度200℃、保溫2h的試樣組織。從圖中可以看出，沿粗大晶粒晶界有許多組織細(xì)小的再結(jié)晶晶粒出現(xiàn)，平均晶粒尺寸有所減小。圖3(b)為在200℃、保溫3h時(shí)效后試樣的微觀組織照片，與圖3(a)相比，組織大小形貌變化不大。圖3(c)、(d)為時(shí)效溫度為225℃、保溫時(shí)間分別為2h和3h的試樣組織，可以看出，圖3(c)中組織由細(xì)小均勻的小晶粒組成，晶界不清晰，組織均勻性稍好。隨著保溫時(shí)間的延長，晶粒明顯長大，三角晶界處仍有少量再結(jié)晶組織，如圖3(d)所示。比較圖3(a)和3(c)可以看出，當(dāng)保溫時(shí)間均為2h時(shí)，隨著時(shí)效溫度的升高，三角晶界處的再結(jié)晶晶粒逐漸長大，晶粒趨于均勻、圓整。3(e)、(f)、(g)為時(shí)效溫度250℃下分別保溫0.5h、1h和2h的微觀組織。可以看出，此溫度下的組織均勻細(xì)小，隨著保溫時(shí)間的延長，微觀組織更加細(xì)小和均勻化，尤其當(dāng)保溫時(shí)間為2h時(shí)，大量再結(jié)晶晶粒沿晶界出現(xiàn)，晶界比較清晰，說明250℃時(shí)效溫度下，合金發(fā)生了靜態(tài)再結(jié)晶，保溫時(shí)間越長，再結(jié)晶進(jìn)行得越充分和完全。比較圖3(a)、(c)、(g)可以看出，隨著時(shí)效溫度的升高，材料發(fā)生了靜態(tài)再結(jié)晶，再結(jié)晶數(shù)目越來越多，說明隨著溫度的升高，靜態(tài)再結(jié)晶由不完全向完全再結(jié)晶發(fā)展。比較圖3(e)、(i)、(g)可以看出，當(dāng)時(shí)效溫度為250℃時(shí)，平均晶粒尺寸較大，隨著溫度升高到275℃時(shí)，晶粒發(fā)生了再結(jié)晶，平均晶粒尺寸減小，當(dāng)溫度升高到300℃時(shí)，再結(jié)晶晶粒長大，平均晶粒尺寸顯著增大。說明時(shí)效溫度為275℃時(shí)較為合適。

圖3 退火工藝對(duì)AZ31鎂合金微觀組織的影響

總的來說，在低溫條件下(小于250℃)，隨著時(shí)效溫度的升高，晶粒尺寸逐漸減小;高溫條件下(大于250℃)，隨著時(shí)效溫度的升高，晶粒先減小后繼續(xù)增大。試樣在時(shí)效處理的過程中發(fā)生了再結(jié)晶現(xiàn)象。

2.2 時(shí)效工藝參數(shù)對(duì)材料力學(xué)性能的影響

按照?qǐng)D1加工AZ31鎂合金拉伸試樣，并進(jìn)行力學(xué)性能測試。圖4所示為時(shí)效溫度對(duì)材料抗拉強(qiáng)度的影響。可以看出:當(dāng)時(shí)效溫度由200℃升高到250℃時(shí)，材料的抗拉強(qiáng)度顯著增大，且增幅較大，當(dāng)溫度繼續(xù)升高到300℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度稍有增大，增幅明顯減小。圖5為250℃時(shí)效溫度下保溫時(shí)間對(duì)材料抗拉強(qiáng)度的影響，可以看出:隨著保溫時(shí)間的延長，材料抗拉強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)保溫時(shí)間超過1 h，保溫時(shí)間對(duì)材料抗拉強(qiáng)度的影響不顯著，增幅不大。

圖4 時(shí)效溫度對(duì)材料抗拉強(qiáng)度的影響

圖5 時(shí)效時(shí)間對(duì)材料抗拉強(qiáng)度的影響

綜合比較時(shí)效后的微觀組織照片和力學(xué)性能數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)AZ31鎂合金而言，進(jìn)行275℃x0.5h時(shí)效處理后，其組織細(xì)化、力學(xué)性能最佳。所以，275℃ ×0.5h為AZ31鎂合金最佳熱處理方案。

3 結(jié)論

(1)在200℃ ～300℃范圍內(nèi)，進(jìn)行時(shí)效處理，晶粒細(xì)化較為明顯。其中在275℃保溫0.5h處理，晶粒均勻且尺寸較小。

(2)當(dāng)時(shí)效溫度小于275℃時(shí)，AZ31鎂合金板材抗拉強(qiáng)度隨溫度的升高顯著增大，增幅較大;當(dāng)時(shí)效溫度大于275℃，抗拉強(qiáng)度的增幅較小，變化不太顯著。

(3)隨著保溫時(shí)間的延長，AZ31鎂合金板材抗拉強(qiáng)度逐漸增大，但當(dāng)保溫時(shí)間超過1h，材料抗拉強(qiáng)度的變化趨于穩(wěn)定。

(4)275℃ ×0.5h為AZ31鎂合金擠壓板材最佳熱處理方案。

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