彎軋過程加熱溫度對(duì)AZ31鎂合金板材的影響

司文陵， 肖 壯， 劉 凱， 司建勛

(1.商丘學(xué)院應(yīng)用科技學(xué)院，河南 開封 475000； 2.上海阿波羅機(jī)械股份有限公司，上海 201400；3.開封中節(jié)能再生能源有限公司，河南 開封 475100； 4.鄭州富士康科技集團(tuán)，河南 鄭州 450019)

引 言

鎂合金因其高比強(qiáng)和高比模的組合優(yōu)勢(shì)，且具有良好的鑄造性能、優(yōu)異的切削加工性能等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、航天及汽車工業(yè)等領(lǐng)域[1-2]。但因鎂為HCP結(jié)構(gòu)，在室溫條件下很難成形，且與晶粒大小及方向有關(guān)的各向異性比較明顯，這些成為增加鎂合金應(yīng)用的一種阻礙，因此國內(nèi)、外學(xué)者致力于板材成形新工藝的研究，提出了多種提高鎂合金板材室溫塑性的新工藝。黃光勝等人[3]發(fā)現(xiàn)單向多道次彎曲變形可以偏轉(zhuǎn)鎂合金板材基面織構(gòu)，改善板材的室溫成形性能；楊續(xù)躍等[4-5]發(fā)現(xiàn)低溫雙向反復(fù)彎曲變形及退火工藝可以通過細(xì)化晶粒和偏轉(zhuǎn)基面織構(gòu)，改善鎂合金板材的室溫延伸率；蔣偉等[6]提出軋制-剪切-連續(xù)彎曲變形新工藝實(shí)現(xiàn)織構(gòu)弱化和晶粒細(xì)化，有利于鎂合金室溫成形；徐春等[7]提出了一種彎曲軋制新工藝弱化了基面織構(gòu)，形成了一種梯度組織，提高了鎂合金的延伸率。本文在彎曲軋制工藝基礎(chǔ)上，研究彎軋過程加熱溫度對(duì)AZ31鎂合金板材顯微組織和力學(xué)性能的影響，為尋找最佳溫度的成形工藝提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為2.1 mm厚的鑄軋AZ31鎂合金板材，其化學(xué)成分如表1所示。

表1AZ31鎂合金的化學(xué)成分/%

w(Al)w(Zn)w(Mn)w(Fe)2.640.660.330.0024w(Si)w(Cu)w(Ni)w(Mg)0.0200.00180.00065余量

1.2 試驗(yàn)方法

圖1 四輥異步軋機(jī)

將4塊原始板材分別加熱至300, 350, 400, 450 ℃，保溫30 min，在如圖1所示的四輥異步軋機(jī)上進(jìn)行彎軋，其試驗(yàn)參數(shù)：小輥直徑Φ40 mm，表面溫度為150 ℃，轉(zhuǎn)速32.95 mm/s；大輥直徑為Φ100 mm，表面溫度為250 ℃，轉(zhuǎn)速32.7 mm/s(異速比1∶1.2)。對(duì)原始板材進(jìn)行12道次彎軋，每道次壓下量為0.1 mm，彎軋工藝采用“反復(fù)彎軋”式：先正向彎曲軋制，再反向彎曲軋制，這樣反復(fù)循環(huán)，最后道次軋平。軋制中不添加潤滑劑，每道次間板材需加熱保溫5 min，彎軋完成后空冷。

對(duì)原始板材與4塊彎軋板材沿RD截取拉伸試樣，標(biāo)距為40 mm，其尺寸如圖2所示。在CMT5305 微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行常溫單向拉伸實(shí)驗(yàn)。對(duì)鎂合金的室溫塑性進(jìn)行分析。

圖2 拉伸試樣尺寸(單位：mm)

對(duì)原始板材和彎軋板材沿RD截取金相試樣，試樣經(jīng)粗磨、精磨、拋光和硝酸乙酸草酸溶液腐蝕，其顯微組織分析在Nikon EPLHOT300型光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行，研究彎軋過程中加熱溫度對(duì)鎂合金板材上、下部和心部顯微組織的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 力學(xué)性能

圖3為原始板材和彎軋板材共5件試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖3中可以看出，原始板材的常溫延伸率為3%，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為130 MPa和240 MPa；彎軋后的板材常溫強(qiáng)度與延伸率相對(duì)于原始板材有所提高，彎軋過程不同加熱溫度的鎂合金屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為142和266 MPa、134和276 MPa、127和246 MPa、120和236 MPa，4件試樣抗拉強(qiáng)度相差不大，屈服強(qiáng)度呈降低的趨勢(shì)，但經(jīng)過彎軋后延伸率明顯改善，且在加熱溫度350 ℃和400 ℃時(shí)延伸率達(dá)到最大，幾乎沒有差別，說明加熱溫度影響鎂合金的室溫伸長率。

2.2 光學(xué)顯微組織

圖4為原始板材試樣的顯微組織。可以發(fā)現(xiàn)，原始板材試樣組織主要由大小不均勻的等軸晶粒組成，且其中的小晶粒圍繞在大晶粒的晶界周圍。

圖5中自上至下分別為AZ31鎂合金板材四種彎軋工藝試樣的上部、心部與下部的顯微組織。加熱溫度影響AZ31鎂合金板材的性能，通過比較不同加熱溫度的彎軋板材試樣顯微組織，發(fā)現(xiàn)300 ℃時(shí)，表面區(qū)域組織為等軸晶中夾雜著異常長大晶粒，心部由大尺寸晶粒夾雜細(xì)小的晶粒組成，說明近表面區(qū)域再結(jié)晶剛開始形成，而心部還沒有再結(jié)晶，是不完全再結(jié)晶；350℃時(shí)，表面區(qū)域大部分為等軸晶，尺寸相對(duì)均勻，含有少量異常長大晶粒，表明完全再結(jié)晶已經(jīng)發(fā)生了；400 ℃時(shí)，近表層和心部區(qū)域的晶粒基本為等軸晶，異常長大的晶粒較少；450 ℃時(shí)，近表層和中部為長大晶粒夾雜少量細(xì)小晶粒。這主要是因?yàn)榧訜釡囟鹊奶岣撸龠M(jìn)了再結(jié)晶的形成，300 ℃時(shí)再結(jié)晶不充分，致使組織形貌變化不大，350 ℃和400 ℃時(shí)再結(jié)晶充分，450 ℃時(shí)進(jìn)一步發(fā)生了再結(jié)晶。

圖3 5件試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 原始板材試樣的顯微組織

圖5 不同加熱溫度下反復(fù)彎軋板材試樣的顯微組織

2.3 結(jié)果分析

材料因加熱溫度的不同導(dǎo)致其再結(jié)晶的能力不同。300 ℃時(shí)不足以使材料產(chǎn)生完全再結(jié)晶，而350 ℃和400 ℃再結(jié)晶比較完全，450 ℃進(jìn)一步發(fā)生了再結(jié)晶。因此這也就是加熱溫度為350 ℃和400 ℃彎軋時(shí)，AZ31鎂合金材料綜合性能好的原因。350 ℃和400 ℃時(shí)尺寸較為均勻的等軸晶使鎂合金室溫塑性好，由于等軸晶粒尺寸小，因此晶界強(qiáng)化的效果使強(qiáng)度增大。300 ℃時(shí)雖然發(fā)生了再結(jié)晶但再結(jié)晶程度輕微，且本身存在孿晶組織，導(dǎo)致室溫延伸率較低；450 ℃時(shí)由于異常長大晶粒的產(chǎn)生，因此強(qiáng)度和室溫延伸率都有所降低。

3 結(jié)束語

(1)彎軋后的AZ31鎂合金板材，累積了形變能，其強(qiáng)度與室溫延伸率都得到了改善，屈服強(qiáng)度隨加熱溫度的提高呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)，室溫延伸率最大可達(dá)到原始板材試樣的4倍，但抗拉強(qiáng)度沒有顯著的改變。表明彎軋工藝可以改善鎂合金室溫塑性。

(2)彎軋過程中加熱溫度的不同使AZ31鎂合金板材形成了不同程度的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，加熱溫度350 ℃和400 ℃時(shí)再結(jié)晶比較充分，有利于鎂合金的室溫成形。