周 穎 馬曉錄 李苘辰

（河南工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，河南鄭州 450007）

澆注溫度對AZ AZ3131液態(tài)模鍛制件組織及性能的影響

周 穎 馬曉錄 李苘辰

（河南工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，河南鄭州 450007）

通過對不同澆注溫度下液態(tài)模鍛制件組織及性能的研究，得出AZ31制件模鍛時最佳澆注溫度。采用拉伸試驗機、金相顯微鏡、掃描電鏡分別對其力學(xué)性能、微觀組織、斷口形貌進行觀察。結(jié)果表明：澆注溫度為690℃左右時，AZ31制件的抗拉強度、致密度達到最大，分別為277MPa、2.199。在一定澆注溫度范圍內(nèi)，隨著澆注溫度升高，試樣的晶粒明顯細化，抗拉強度以及致密度逐漸增大。

鎂合金；液態(tài)模鍛；澆注溫度；組織及性能

鎂及鎂合金蘊藏極其豐富，在地殼中的含量達到2.1%，是繼鋼鐵和鋁合金之后發(fā)展起來的第三類金屬結(jié)構(gòu)材料［1-3］。具有重量輕，比強度高、比剛度及尺寸穩(wěn)定，并且易于回收利用，具有環(huán)保特征等一系列優(yōu)點。在汽車工業(yè)、通訊電子、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，被認為是21世紀(jì)最有潛力的綠色工程材料［4］。

目前鎂及鎂合金制件常見的加工方式有軋制、壓力鑄造和鍛造等。傳統(tǒng)的成形方式均存在變形程度大、加工工序多、效率低、周期長等問題；且制件不易進行機加工，熱處理氧化嚴(yán)重，使得制件質(zhì)量不高［5］。工序少、高質(zhì)量、低成本的鎂合金成形工藝已成為當(dāng)前世界研發(fā)的熱點。

液態(tài)模鍛產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)良、節(jié)約能源、改善環(huán)境、成本低?？梢约庸ば阅芤蟾?、形狀復(fù)雜的部件。但是由于工藝和設(shè)備水平限制，在實際應(yīng)用中也暴露出一些問題，如液態(tài)模鍛件品質(zhì)不穩(wěn)定、成品率不夠高、有裂紋、局部疏松、力學(xué)性能不穩(wěn)定等。現(xiàn)有研究表明［5-9］：澆注溫度是影響液態(tài)模鍛鎂合金試樣性能的重要工藝參數(shù)之一，澆注溫度過高或過低都會對金屬液成形有明顯影響。澆注溫度過低，合金流動性能差，容易產(chǎn)生充不滿、冷隔、斑紋等缺陷。澆注溫度過高，金屬液在高溫狀態(tài)下含氣量遠遠大于低溫時的含氣量，會在液態(tài)模鍛制件中形成氣孔、縮孔和疏松等缺陷。因此，本文著重研究了不同澆注溫度對液態(tài)模鍛鎂合金制件組織及性能的影響，以確定鎂合金液態(tài)模鍛時的最佳澆注溫度。

1 樣件制備

1.1 液態(tài)模鍛工藝流程

液態(tài)模鍛工藝流程可分為金屬熔化、模具準(zhǔn)備、澆注、合模、施壓、卸模和頂出制件（如圖1所示）。

圖1 液態(tài)模鍛工藝流程

1.2 澆注溫度選擇

澆注溫度的選用一般與合金成分、液鍛方式、液鍛件結(jié)構(gòu)、熔點等多種因素有關(guān)。常用合金液態(tài)模鍛時的澆注溫度范圍如表1所示［7］，相近牌號可以參考選用，大小一般應(yīng)在其液相線（熔點）以上30～50℃為宜，圖2為鎂鋁合金金相圖，圖3為鎂鋅合金金相圖。對于間接液鍛、薄壁、制件形狀復(fù)雜、合金結(jié)晶溫度范圍較窄的液鍛合金等，澆注溫度取上限；對于采用直接加壓方式的液態(tài)模鍛、壁厚、制件形狀簡單以及合金結(jié)晶溫度范圍較窄的液鍛合金等，其澆注溫度范圍取下限。

表1 常用合金液態(tài)模鍛澆注溫度

圖2 鎂鋁合金金相圖

綜上分析，本實驗選取澆注溫度為650℃～730℃。

1.3 實驗材料及設(shè)備

實驗材料：AZ31鎂合金。

實驗設(shè)備：JSXZ-40T液壓機、MXD-10M熔煉爐（圖4）、ZEISS掃描電鏡（圖5）、Leica-DMILM型顯微鏡（圖6）。

1.4 鎂合金液熔煉及樣件制備

液態(tài)模鍛工藝參數(shù)選定如下：壓力60MPa；模具預(yù)熱溫度250℃；靜置時間3s；保壓時間15s。試樣的澆注溫度從左至右分別選取650℃、670℃、690℃、710℃、730℃。

圖3 鎂鋅合金金相圖

圖4 MXD-1 0M熔煉爐

圖5 ZE I SS掃描電鏡圖

圖6 Leica-DMI LM型顯微鏡

鎂合金的化學(xué)性質(zhì)非常活潑，在高溫下易氧化燃燒，一直是影響鎂合金熔煉的關(guān)鍵問題。為了保證鎂合金液質(zhì)量，本實驗選擇氣體保護方法，保護氣為濃度0.01%的SF6與CO2的混合氣體。熔煉開始前，檢查設(shè)備各項儀表電器正常。設(shè)定所需的澆注溫度，鎂合金液溫度與溫控儀顯示溫度相差30℃左右，溫度儀設(shè)定一般不超過750℃。先預(yù)熱坩堝至暗紅色（630℃左右），加入已預(yù)熱到150℃的鎂錠，鎂錠加入量為坩堝總量的90%。當(dāng)實際熔煉溫度達到400℃左右時，開始通入保護氣，SF6的流量為15～30ml/min；CO2的流量為8～12ml/min。加熱到鎂錠完全熔化，保溫10min后，進行表面除渣，在除渣時，表面灑入少量硫黃粉。加壓液鍛制件的宏觀圖片如圖7。

圖7 不同澆注溫度下鎂合金樣件

2 結(jié)果與討論

2.1 不同澆注溫度下制件的抗拉強度

試樣尺寸如圖8，試樣厚度5mm，采用萬能拉伸試驗機。拉伸速度設(shè)置為2mm/min，拉伸試驗機對矩形試樣兩端緩慢地施加載荷，使試樣向軸向伸長，一直到拉斷為止，不同澆注溫度條件下試樣的抗拉強度如圖9。

圖8 拉伸試樣尺寸

從測試結(jié)果分析，澆注溫度從650℃升至690℃的過程中，試樣的抗拉強度逐漸增加。當(dāng)澆注溫度達到690℃左右時，抗拉強度達到最高值277MPa，溫度繼續(xù)升高，抗拉強度呈下降趨勢。如果合金液的熔煉溫度過高，會引起氧化夾雜增多，吸氣嚴(yán)重，降低試樣的力學(xué)性能。澆注溫度過低，則會引起合金液凝固過早，液鍛壓力不能有效作用于內(nèi)部的合金液，合金液凝固過慢，導(dǎo)致晶粒生長為粗大狀，且存在一定程度的成分偏析，也降低了試樣的力學(xué)性能。

圖9 不同澆注溫度下制件的抗拉強度

2.2 不同澆注溫度下試樣的致密度分析對圖7不同澆注溫度下鎂合金試樣宏觀形貌進行觀察，650℃和670℃下的試樣表面接觸處有一些小小的縮孔等缺陷，表面缺陷程度隨澆注溫度升高而降低。通過測量其質(zhì)量，計算密度可以看出澆注溫度對其致密度的影響，結(jié)果如圖10。

圖10 不同澆注溫度下制件的致密度

澆注溫度從650℃升到690℃的過程中，液鍛件的密度是升高的，而隨著溫度的繼續(xù)升高，密度下降，690℃左右時達到峰值。

2.3 不同澆注溫度下試樣的金相組織觀察與斷口分析

2.3.1 金相顯微鏡觀察結(jié)果及分析用放大倍數(shù)為200倍的金相顯微鏡，對經(jīng)過研磨、拋光、硝酸酒精侵蝕后的制件進行觀察，金相圖如圖11（a）、

（b）、（c），澆注溫度分別為650℃、690℃、730℃左右。

圖11 不同澆注溫度下制件的金相圖

圖（a）可以發(fā)現(xiàn)，澆注溫度為650℃左右時試樣的金相組織呈現(xiàn)出疏松的樹枝晶狀，圖（b）澆注溫度為690℃左右時試樣的金相組織呈現(xiàn)出致密的等軸晶狀，圖（c）澆注溫度為730℃左右時試樣的金相組織呈現(xiàn)出粗大的等軸晶狀。澆注溫度為650℃左右時，合金液凝固速度快，施壓變得困難，心部凝固得不到補縮，內(nèi)部組織相對疏松。澆注溫度為730℃左右組織顯得粗大，澆注溫度過高會減慢合金液結(jié)晶形核需要的臨界過冷度，使結(jié)晶成核率有一定程度的下降，組織粗化。受力方面，晶粒越細密，晶界面積越大，外力作用下，每個晶粒平均承受的力就越小，力學(xué)性能也越好。晶粒越粗大，晶界面積越小，晶界的平均受力越大，力學(xué)性能越差。

2.3.2 掃描電鏡觀察結(jié)果及分析

用放大倍數(shù)為800倍的掃描電鏡，對經(jīng)過研磨、拋光、硝酸酒精侵蝕后的制件進行觀察，斷口形貌如圖12（a）（b）（c），澆注溫度分別為650℃、690℃、730℃左右。

圖12 不同澆注溫度下制件的斷口形貌

從圖中可以明顯看出，澆注溫度為690℃左右時成形的試樣拉伸斷口韌窩相對細小密集，澆注溫度為650℃左右時成形的試樣拉伸斷口韌窩相對粗大，澆注溫度為730℃左右時成形的試樣拉伸斷口韌窩相對較少，且出現(xiàn)了明顯的脆斷特征。說明澆注溫度在690℃左右情況下成形的試樣的力學(xué)性能較好。澆注溫度較高時，合金液內(nèi)部的氧化夾雜及吸氣，會對試樣形成內(nèi)部缺陷，斷口呈現(xiàn)孔洞，容易發(fā)生應(yīng)力沿晶斷裂，斷口呈現(xiàn)出明顯的撕裂棱，降低試樣的力學(xué)性能。

3 結(jié)論

AZ31鎂合金液態(tài)模鍛的最佳澆注溫度為680℃～690℃，最佳的工藝參數(shù)條件下，試樣的微觀組織較為致密，液鍛件斷口具有韌窩。與普通金屬型鑄造工藝相比，液態(tài)模鍛工藝能大幅提高鎂合金件力學(xué)性能，普通鑄件的抗拉強度一般為200MPa～225MPa，而液鍛件抗拉強度達到了280MPa左右，明顯比傳統(tǒng)的要高。

鎂合金液態(tài)模鍛工藝是一項綠色環(huán)保先進特種成形工藝，其應(yīng)用前景巨大。本研究在鎂合金液態(tài)模鍛理論和實驗基礎(chǔ)之上，熔煉過程和實驗操作過程都進行了嚴(yán)格控制。從制件的組織及性能上去尋求液態(tài)模鍛工藝中澆注溫度對AZ31制件的影響。但由于研究條件有限，本研究只做了鎂合金液態(tài)模鍛工藝中最重要的一部分，由于該工藝涉及面較廣，影響因素較多，所以還需要進一步細化。

［1］王渠東，丁文江.鎂合金研究開發(fā)現(xiàn)狀與展望［J］.世界有色金屬，2004（7）：8-11.

［2］Decker R F.The renaissance in magnesium［J］.Ad?vanced Mater&Proc，1998（9）：31-35.

［3］陳振華，嚴(yán)紅革，陳吉華，等.鎂合金［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：19-21.

［4］閆蘊琪，張延杰，鄧炬，等.耐熱鎂合金的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向［J］.稀有金屬材料與工程,2004，33（6）：561-565.

［5］婁花芬，李周，李宏磊，等.變形鎂合金連續(xù)鑄軋技術(shù)研究進展［J］.材料導(dǎo)報，2005（4）：58-60，70.

［6］M.R.Ghomashchi，A.Vikhrov.Squeeze casting：an over?view［J］.Journal of Materials Processing Technology，2000（101）：1-9.

［7］羅守靖，陳炳光，齊丕驤.液態(tài)模鍛與擠壓鑄造技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［8］郭洪鋼.液態(tài)模鍛模具關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計準(zhǔn)則研究［D］.北京交通大學(xué)，2014.

［9］宋鑫，張會，周揚，等.液體模鍛技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.鑄造技術(shù)，2012（6）：715-717.

Effectof Pouring Tem peratureon AZ31 Liquid Die Forging Parts Structure and Performance

Zhou Ying Ma Xiaolu LiQingchen
(SchoolofMechanicaland Electrical Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou Henan 450007)

By the study of the structure and performance of liquid die orging parts at different pouring temperature，we obtained the best pouring temperature of AZ31 die forging.And we used tensile testing machine，optical microscope and scanning electron microscope to observe its mechanical properties，microstructure and fracture morphology,respectively.The results showed that when the pouring temperature was about 690℃，the tensile strength and density of AZ31 partswould reach themaximum，277MPa and 2.199g/cm3 repectively.Within a certain pouring temperature，when the temperature growed，the sample grain refinement would increase，and its tensile strength and densitywould also increasegradually.

Magnesium alloy；liquid die forging；pouring temperature；structureand performance

TG319

：A

：1003-5168（2015）03-0050-4

2015-2-26

周穎（1986.4-），女，工程碩士，研究方向：材料加工、材料成型。