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        關(guān)于旋鍛工藝獲取鋁鎂合金的探討

        2016-10-13 02:05:00徐春波丁子一
        船電技術(shù) 2016年5期
        關(guān)鍵詞:鋁鎂合金棒材外徑

        隋 鑫,徐春波,丁子一

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        關(guān)于旋鍛工藝獲取鋁鎂合金的探討

        隋 鑫1,徐春波1,丁子一2

        (1.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所,武漢 430064;2.北京愛康宜誠醫(yī)療器材股份有限公司,北京 102200)

        鋁鎂合金是由鋁和鎂結(jié)合的較優(yōu)化的輕金屬,其中鋁和鎂的結(jié)合的一種方式是用棒材鎂和管材鋁的加工成形來實(shí)現(xiàn)的。本文探討了通過旋鍛工藝獲取鋁鎂合金的方法,并對(duì)其進(jìn)行觀察,分析原因。

        鋁鎂合金 旋鍛 分析原因

        0 前言

        鋁鎂合金是一種主要由鋁和鎂元素組成的合金,是輕金屬中較優(yōu)化的一種組合,鎂的密度比鋁小30%,并且有較好的可切削性和機(jī)械強(qiáng)度。盡管如此,鎂的使用仍然具有很大的局限性,因?yàn)槠湟资芨g,有很差的耐氧化性和在室溫環(huán)境中較差的可塑性。相對(duì)來說,鋁有很好的抗腐蝕型和耐氣候性。將鋁和鎂結(jié)合成鋁鎂合金可以將兩種元素的物理化學(xué)性能達(dá)到最佳,其導(dǎo)熱性能和強(qiáng)度尤為突出。鋁鎂合金質(zhì)堅(jiān)量輕、密度低、散熱性較好、抗壓性較強(qiáng),能充分滿足3C產(chǎn)品高度集成化、輕薄化、微型化、抗摔撞及電磁屏蔽和散熱的要求。因此,鋁鎂合金在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)、造船行業(yè)以及攜帶式的器械中。

        1 現(xiàn)有鋁鎂合金加工技術(shù)

        旋鍛技術(shù)是一項(xiàng)非切割的加工成形技術(shù),可以減少環(huán)繞壞料,管材的橫截面。如下圖所示,四個(gè)工具錘不規(guī)則的高速鍛打不斷進(jìn)給的工件,通過這種進(jìn)給方式,工件的成形不會(huì)突出在其中某一個(gè)或者某幾個(gè)方向,而是表現(xiàn)在工件表面的各個(gè)地方,使壞料受徑向壓縮成形和沿軸向延伸的過程。同時(shí),在鋁鎂合金的加工過程中,將鋁和鎂連接起來取決于接觸面兩種材料之間的擴(kuò)散,因此還要考慮熱加工成形的加工因素,即由熱成形的溫度和時(shí)間來決定[1]。

        2 實(shí)驗(yàn)過程

        2.1 原材料選擇

        在旋鍛工藝中,選用三個(gè)直徑為30 mm的鎂合金的棒材,分別為AZ80,AZ31和ZK60。管材選用內(nèi)徑為30 mm,外徑32 mm的鋁合金Al99.5[2]。

        2.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

        2.2.1 毛刷打磨

        將棒材鎂和管材鋁的接觸表面用毛刷打磨,即打磨棒材鎂的外表面和管材鋁的內(nèi)表面,使其表面有一定的粗糙度。這是為了去除其表面的氧化層,以保證棒材和管材連接時(shí)有更好的分子滲透能力。

        將毛刷固定在支架上,用電機(jī)驅(qū)動(dòng)使其旋轉(zhuǎn)來打磨棒材和管材的表面。當(dāng)棒材和管材表面的氧化層被全部刷掉后,即表面有一定的粗糙度后,打磨工作完畢。隨后,將棒材和管材浸入濃度為99.7%的工業(yè)酒精中,避免產(chǎn)生新的氧化層。

        2.2.2 浸蝕

        由于鋁在空氣中極易生成氧化層,因此管材鋁在用毛刷進(jìn)行表面處理以后浸入濃度較低的NaOH溶液中進(jìn)行浸蝕,以便于將管材鋁內(nèi)表面的所有的氧化層處理干凈。將管材鋁浸入濃度較低的NaOH溶液中2分鐘,將會(huì)看到表面產(chǎn)生氣泡,這就是析氫的一個(gè)現(xiàn)象,說明氧化層已經(jīng)跟NaOH溶液反應(yīng)完畢。2分鐘過后,將管材鋁撈出來并迅速用酒精沖洗,再浸入酒精中[3]。

        為了驗(yàn)證浸蝕對(duì)鋁和鎂連接有作用,將其中一個(gè)管材鋁不進(jìn)行浸蝕反應(yīng),觀察其后續(xù)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

        2.2.3 鋁鎂合金組合種類

        在本實(shí)驗(yàn)中,一共采用了四種鋁鎂合金組合的方式,如下表所示:

        2.3 冷旋鍛加工

        將管材鋁和棒材鎂從酒精中取出并干燥,隨后借助長(zhǎng)柄夾,將管材鋁和棒材鎂插入冷鍛機(jī)進(jìn)行冷鍛結(jié)合。每一次冷鍛都使其有很小的變形度(每次的直徑減少量為0.5 mm),每一次冷鍛后將鋁和鎂放入保溫爐中烘一段時(shí)間,再進(jìn)行下一次冷鍛,直至其外徑由32 mm降至10 mm。

        2.3.1 第一次實(shí)驗(yàn)(保溫爐溫度300℃)

        第一次實(shí)驗(yàn)將保溫爐調(diào)至溫度到300℃。隨著變形程度的增大,棒材鎂有斷裂現(xiàn)象。分析原因?yàn)殇X和鎂并未達(dá)到足夠高的反應(yīng)溫度。因此準(zhǔn)備第二次實(shí)驗(yàn),將保溫爐的溫度再升高100℃,并且要增加鋁和鎂在爐中的時(shí)間,為了保證金屬,尤其是鎂在每次冷鍛后可以盡可能的消除內(nèi)應(yīng)力,增加韌度。

        2.3.2 第二次實(shí)驗(yàn)(保溫爐溫度400℃)

        第二次實(shí)驗(yàn)進(jìn)展的順利,通過冷旋鍛,鋁鎂合金的樣品的外徑由32 mm分多次壓縮至10 mm。在每次冷鍛過程中,鋁鎂合金的樣品放入保溫爐中15分鐘。具體的實(shí)驗(yàn)外徑的變化過程見下表。其中為了觀察變形度的大小對(duì)鋁鎂的連接有沒有關(guān)鍵作用,有一組樣品的的外徑通過冷旋鍛直接從17.5 mm降至13 mm。

        3 金相觀察

        3.1 取樣

        用切割機(jī)切割出任意一小截,以便于能用光學(xué)顯微鏡觀察鋁鎂合金樣品的連接程度。觀察樣品一共分為4組:

        AZ31-鎂 + Al99,5-鋁(浸蝕);

        AZ80-鎂 + Al99,5-鋁(浸蝕);

        ZK60-鎂 + Al99,5-鋁(浸蝕);

        ZK60-鎂 + Al99,5-鋁(未浸蝕);

        3.2 樣品填料

        樣品填料將使用一種自然時(shí)效的硬化劑。這種硬化劑的使用比例為:每25g樹脂融入3g硬化劑。將樣品嵌入這種硬化劑中24小時(shí)即可保證試樣制作的完成。

        實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),樣品嵌入硬化劑中產(chǎn)生了很多氣泡,這說明棒材鎂和管材鋁的中間還是有空氣,一定程度上說明了鋁和鎂連接的并不是很好。

        3.3 顯微鏡觀察

        隨后用濕磨機(jī)切割出若干小樣品并進(jìn)行顯微鏡觀察。

        3.4 實(shí)驗(yàn)分析

        從顯微鏡觀察的圖中可以看到,在冷旋鍛之后四種組合的棒材鎂和管材鋁之間絕大多數(shù)都存在較大的縫隙,僅有極少數(shù)的有較好的連接。觀察其中一組冷鍛從外徑17.5 mm直接到13 mm的一組樣品,發(fā)現(xiàn)其中間的縫隙比從17.5 mm至15 mm的要大,說明了較小的變形度會(huì)使鋁和鎂有更好的連接。觀察侵蝕組樣品和未侵蝕組樣品,發(fā)現(xiàn)并未有明顯差異,表明在如此條件下侵蝕并未對(duì)鋁和鎂的連接有比較明顯的影響。

        對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入分析,得出了四個(gè)主要影響結(jié)果的因素。

        3.4.1 溫度影響

        第一次實(shí)驗(yàn)保溫爐的溫度只有300℃,棒材鎂有裂開,鎂和鋁的連接失敗,原因是鎂在相對(duì)較低的溫度(300℃)下韌性較低,并且加熱時(shí)間不長(zhǎng)。第二次實(shí)驗(yàn)保溫爐的溫度有400℃,并且加熱時(shí)間延長(zhǎng)至15分鐘,肉眼觀察鋁和鎂連接處無裂縫,原因是在較高的溫度(400℃)下,金屬離子之間的擴(kuò)散速度會(huì)加快并且加熱時(shí)間的延長(zhǎng),使其擴(kuò)散的時(shí)間更長(zhǎng)。

        3.4.2 表面處理

        實(shí)驗(yàn)前對(duì)棒材鎂和管材鋁進(jìn)行了浸蝕處理,可是試驗(yàn)中并沒有起到明顯的作用。原因可能是進(jìn)行表面處理時(shí)酒精未把表面清理干凈等人員操作的失誤。

        3.4.3 熱延展性差異

        因?yàn)殒V的熱延展性要比鋁的高10%,所以分析在溫度從400℃降至室溫時(shí)鎂的變形要比鋁的變形大,使其中間會(huì)存在縫隙。

        3.4.4 旋鍛工藝的不連續(xù)性

        當(dāng)工件進(jìn)給時(shí)被4個(gè)工具無規(guī)則的捶打,當(dāng)進(jìn)給速度較快時(shí),即使直徑變化很小,鋁和鎂之間還是會(huì)存在較小的間隙。

        在樣品切削照片中可以看到,在鋁和鎂的連接層周邊有裂縫。分析認(rèn)為:開始時(shí)鋁和鎂之間會(huì)有一個(gè)連接層,隨著變形的增大,這個(gè)連接層的里面,即鎂發(fā)生裂開,可能是由于冷鍛這種非線性的變形而引起了金屬內(nèi)應(yīng)力的變化。

        4 結(jié)論與展望

        在本實(shí)驗(yàn)中,通過冷旋鍛和熱加工成形,ZK60棒材鎂和Al99.5管材鋁的連接最好。本次實(shí)驗(yàn)條件有限,關(guān)于鋁鎂合金加工還可以通過軋材斷面來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)槠涫沁B續(xù)性的加工方式,并且每一道次的變形度都很大。不僅如此,通過軋材斷面可以使鋁和鎂中間的空氣消除干凈。因此通過軋材斷面的加工方式會(huì)使鋁和鎂的連接更好。

        [1] Julia M. Innovative thermomechanische Behandlungen zur Erzielung h?chster Schwingfestigkeiten in den Magnesiumknetlegierungen der Legierungssysteme AZ und ZK . 2009.

        [2] Kammer, C. (herausgeber) Magnesium-Taschenbuch, Aluminium-Verlag Düsseldorf. 2000.

        [3] Dipl.-Ing,Julia Müller. Innovative thermomechanische Behandlungen und mechanische Oberfl?chenbehandlung zur Erzielung h?chster Schwingfestigkeiten in den Magnesiumknetlegierungen der Legierungssysteme AZ und ZK, Clausthal(2009).

        Sui Xin , Xu Chunbo , Ding Ziyi

        (1.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064, China;2. Beijing AKEC Medical Co.,Ltd,Beijing 102200, China)

        TG146

        A

        1003-4862(2016)05-0041-05

        2015-10-09

        隋鑫(1987-),男,碩士。研究方向:鋁鎂合金。

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