鐘益平
(上海云鑄三維科技有限公司,上海 201109)
目前,鋁鎂硅合金生產(chǎn)的擠壓鋁材料約為三分之二[1,2]。Mg在0.35%wt~1.4%wt范圍內(nèi),Si在0.3%%wt~1.3%wt范圍內(nèi),隨著傳統(tǒng)鋁鎂硅合金中的鎂和硅含量增加在二者的比例維持不變的情況下,硬質(zhì)化合物Mg2Si相會(huì)隨之增加,所以鎂和硅的含量會(huì)限制在小的范圍內(nèi),漢字狀或骨架狀的Mg2Si由于其強(qiáng)度高和多尖角對(duì)基體的切割很大[3]。
由于內(nèi)部的切割是使其結(jié)果不再均勻,就會(huì)使合金的強(qiáng)度和韌性產(chǎn)生變差的影響,其應(yīng)用就會(huì)受到限制。因此能過(guò)使第二相減少或彌散就會(huì)抑制擠壓過(guò)程中晶粒的生長(zhǎng)[4],這對(duì)提高合金的力學(xué)性能來(lái)說(shuō)是十分重要的。等通道轉(zhuǎn)角擠壓技術(shù)(ECAP)是通過(guò)大塑性變形原理,細(xì)化合金晶粒,提高合金的綜合性能。擠壓相對(duì)其他擠壓方法具有理想純剪切變形、擠壓均勻性變形、強(qiáng)烈的塑性變形、操作簡(jiǎn)單污染少等優(yōu)勢(shì),ECAP變形已廣泛的應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域、新一代生物醫(yī)療領(lǐng)域等。本文選取Al-Mg-Si系鋁合金,對(duì)不同路徑開(kāi)展不同道次試驗(yàn),并對(duì)其力學(xué)性能與微觀組織進(jìn)行研究。
本試驗(yàn)選取的材料為Al-Mg-Si系合金,使用純鋁、純鎂與純硅以及Al-4.77%Er中間合金。進(jìn)行熔煉,相應(yīng)的化學(xué)成分如表1所示。最終將試樣加工成直徑11mm,長(zhǎng)45mm的圓柱。
本試驗(yàn)選用為YR81-500T海綿鈦專(zhuān)用液壓機(jī),此壓力機(jī)公稱(chēng)力為5000KN,其工進(jìn)下程的速度為2.5mm/s~7mm/s,故選取500t的YR81-500T海綿鈦專(zhuān)用液壓機(jī)。同時(shí)選擇沒(méi)有起偏角的模具,其等通道通路的尺寸為12mm,兩通道間的夾角φ=90°,外接過(guò)渡圓弧角ψ=0°。
由于實(shí)驗(yàn)為大塑性變形,在擠壓過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦力,所以對(duì)要進(jìn)行擠壓的試樣、沖頭以及模具內(nèi)壁均涂上潤(rùn)滑劑,以達(dá)到盡可能減小摩擦的作用。將涂有潤(rùn)滑劑的試樣放入模具的入口通道中,在室溫下進(jìn)行勻速擠壓。擠壓道次分別為1道次A路徑、1道次Bc路徑、1道次C路徑、2道次A路徑、2道次Bc路徑、2道次C路徑、3道次A路徑、3道次Bc路徑、3道次C路徑。
圖2 各路徑各道次顯微硬度比較圖
由圖1可看出,經(jīng)過(guò)一道次的擠壓后,試樣較之前的小圓柱形態(tài)發(fā)生了明顯的變化,產(chǎn)生了一部分舌頭和舌尾。隨著經(jīng)過(guò)不轉(zhuǎn)動(dòng)放入角度的A路徑,外形較一道次擠壓后基本不發(fā)生改變,只是較之前一道次擠壓后的試樣產(chǎn)生了更大的舌頭和舌尾,再經(jīng)過(guò)不轉(zhuǎn)動(dòng)放入角度的A路徑擠壓后完成三道次,理論上試樣會(huì)產(chǎn)生較之前更大的舌頭和舌尾,但由于實(shí)際擠壓時(shí),擠壓件在擠壓時(shí),沖頭擠壓到出件位置時(shí),該試件未能正常取出,所以選擇在放入一個(gè)試件將原試件擠出,所以該經(jīng)過(guò)三道次A路徑擠壓后的試件,成上圖形貌;經(jīng)過(guò)一道次擠壓后的試樣順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°放入模具進(jìn)行擠壓得出Bc路徑二道次擠壓件,該試件較一道次擠壓出的試件,沒(méi)有產(chǎn)生更大的舌頭和舌尾;將擠出件再順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)九十度,放入模具擠壓后得到Bc路徑三道次試件,該路徑擠壓出的試件,所產(chǎn)生的舌頭和舌尾都沒(méi)有發(fā)生明顯的大小變化;經(jīng)過(guò)一道次擠壓后的試樣轉(zhuǎn)動(dòng)180°放入模具進(jìn)行擠壓得出C路徑二道次擠壓件,因?yàn)榉湃氲脑嚇虞^之前轉(zhuǎn)動(dòng)了180°,所以產(chǎn)生的舌頭和舌尾較之前經(jīng)過(guò)一道次的試樣發(fā)生了較小的變化,三道次之后的舌頭和舌尾與二道次基本大小無(wú)區(qū)別。
表2為不同路徑不同道次的顯微硬度值和與其對(duì)應(yīng)的折線圖(圖2)。可知,原始試件經(jīng)過(guò)一次等通道轉(zhuǎn)角擠壓后硬度從50.64HV增加到74.21HV,每個(gè)路徑隨著道次的增加硬度都有所增加,二道次A路徑硬度為86.99HV,Bc路徑硬度為85.54HV,C路徑硬度為85.92HV;三道次A路徑硬度為88.72HV,Bc路徑硬度為81.92HV,C路徑硬度為86.17HV。由數(shù)據(jù)可知經(jīng)過(guò)二道次擠壓后A路徑的硬度最大,C路徑次之,再為B路徑,三道次擠壓后B路徑硬度最高,A路徑次之,再為C路徑。其中由首次經(jīng)過(guò)等通道轉(zhuǎn)角擠壓后硬度增加的尤為明顯,之后隨著路徑的增加硬度都有所增加。經(jīng)過(guò)三道次的擠壓后性比沒(méi)作擠壓之前大概增加了75%左右。
表2 各道次各路徑的硬度值
圖3 為Al-Mg-Si系合金經(jīng)過(guò)不同路徑ECAP后的微觀組織照片,放大倍數(shù)為500倍。
圖3 不同路徑各道次顯微微觀組織
圖4 室溫ECAP不同道次后C路徑后的力學(xué)性能
從圖3中可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)二道次擠壓后的試件與經(jīng)過(guò)一道次擠壓后的試件相比,Si顆粒發(fā)生了明顯的細(xì)化和彌散,由較大的黑顆粒形態(tài)轉(zhuǎn)變成較小的黑顆粒形態(tài),由于其內(nèi)部組織的變化由大顆粒的形態(tài)轉(zhuǎn)化成小顆粒均勻彌散在組織中,使其強(qiáng)度能夠得到些許的增加;同樣經(jīng)過(guò)二道次擠壓后的試件與經(jīng)過(guò)一道次擠壓后的試件相比,其中的Mg2Si相也發(fā)生了較為明顯的彌散和細(xì)化。整體上通過(guò)二道次擠壓后的試樣比經(jīng)過(guò)一道次的試樣,一道次金相上的組織形態(tài)較為集中,而經(jīng)過(guò)二道次后的組織形態(tài),就呈現(xiàn)出較為分布均勻的形態(tài);在二道次C路徑中能較為明顯的看到被拉長(zhǎng)的晶粒。而三道次擠壓后試樣的顯微組織形態(tài)較二道次后的相比,基本沒(méi)有較大的Si顆粒存在在組織中,Mg2Si相也被細(xì)化彌散在晶界中,晶粒也較之前的組織有了細(xì)化的現(xiàn)象。
可以明顯的發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)兩道次擠壓后的合金相比經(jīng)過(guò)一道次的合金,合金中的Si顆粒和Mg2Si中間相發(fā)生了較為明顯的碎化細(xì)化和彌散;經(jīng)過(guò)三道次的擠壓后,合金中的Si顆粒已經(jīng)發(fā)生明顯的碎化細(xì)化,Mg2Si相也被細(xì)化彌散在晶界中,且內(nèi)部晶粒也產(chǎn)生了細(xì)化。
圖4為該合金經(jīng)過(guò)不同ECAP工藝下的室溫力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。從圖中可以看出,未經(jīng)過(guò)等通道轉(zhuǎn)角擠壓之前的試樣,經(jīng)MMS-100熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)壓縮后,其屈服強(qiáng)度隨著壓縮比的增加,發(fā)生了先增大后減小的趨勢(shì),其屈服強(qiáng)度峰值大概在370MPa左右,平均屈服強(qiáng)度大概在200MPa左右;經(jīng)過(guò)一道次的擠壓后,整體屈服強(qiáng)度有了極為明顯的增加;一道次后的試樣在熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)壓縮時(shí),其屈服強(qiáng)度隨著壓縮比的增加,發(fā)生了先增加后減小的走勢(shì),其屈服強(qiáng)度峰值大概在650MPa左右,平均屈服強(qiáng)度大概在550MPa左右;而經(jīng)過(guò)三道次C路徑擠壓后的強(qiáng)度發(fā)生了明顯的下降且趨于平穩(wěn),其屈服強(qiáng)度隨著壓縮比的增加,發(fā)生了穩(wěn)定增加的形勢(shì),其屈服強(qiáng)度峰值大概在200MPa左右,平均屈服強(qiáng)度大概在190MPa左右。經(jīng)過(guò)一道次擠壓后,材料屈服強(qiáng)度較處理前有較大幅度的提高,但經(jīng)過(guò)三道次C路徑的擠壓后屈服強(qiáng)度較一道次發(fā)生了降低。
(1)等通道轉(zhuǎn)角擠壓后硬度增加的尤為明顯,材料屈服強(qiáng)度較處理前有較大幅度的提高,之后隨著路徑的增加硬度都有所增加。
(2)二道次擠壓后比經(jīng)過(guò)一道次組織形態(tài)較為集中,經(jīng)二道次后組織形態(tài),呈現(xiàn)出較為分布均勻的形態(tài)。三道次擠壓后試樣的顯微組織形態(tài)較二道次后的相比,晶粒有了細(xì)化的現(xiàn)象。
(3)Al-Mg-Si 合金在室溫下經(jīng) ECAP 擠壓處理后,其組織發(fā)生劇烈塑性變形,隨著道次的增加其內(nèi)部組織發(fā)生了明顯的細(xì)化,Si顆粒和Mg2Si相分布的更加彌散,晶粒更加細(xì)化,組織更加均勻。