AZ31鎂合金薄板的無(wú)針攪拌摩擦加工

張會(huì)，王進(jìn)，李寶閣，王勇強(qiáng)，王夢(mèng)婷

AZ31鎂合金薄板的無(wú)針攪拌摩擦加工

張會(huì)，王進(jìn)，李寶閣，王勇強(qiáng)，王夢(mèng)婷

（青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，山東 青島 266000）

研究有針、無(wú)針攪拌摩擦加工對(duì)AZ31鎂合金薄板的微觀組織和力學(xué)性能的影響。通過(guò)攪拌摩擦加工技術(shù)（FSP）以不同的轉(zhuǎn)速對(duì)AZ31鎂合金薄板進(jìn)行加工，采用拉伸試驗(yàn)機(jī)、金相顯微鏡、UMT摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、維氏硬度機(jī)對(duì)無(wú)針攪拌加工后的AZ31鎂合金加工表面的晶粒形貌、拉伸性能、磨損性能和硬度進(jìn)行研究分析，并與同轉(zhuǎn)速有針攪拌進(jìn)行比較。無(wú)針條件下與同轉(zhuǎn)速下的有針攪拌相比，焊縫表面更加細(xì)密、美觀，無(wú)針加工下焊縫的抗拉強(qiáng)度最大為242 MPa，測(cè)得的維氏硬度最大為97.6HV，且焊縫的平均摩擦因數(shù)最小，為0.31。無(wú)針時(shí)FSP鎂合金焊縫的抗拉強(qiáng)度隨刀具轉(zhuǎn)速的提高而增大；焊縫的硬度與鎂合金母材相比有明顯的提高，且隨刀具轉(zhuǎn)速的提高，維氏硬度值逐漸降低；無(wú)針條件下獲得的AZ31鎂合金焊縫的平均摩擦因數(shù)隨刀具轉(zhuǎn)速的增加而增大，與同轉(zhuǎn)速時(shí)有針條件下獲得的焊縫的平均摩擦因數(shù)相比，無(wú)針時(shí)獲得的焊縫平均摩擦因數(shù)明顯更高；無(wú)針時(shí)獲得的焊縫表面的晶粒尺寸隨轉(zhuǎn)速的增加而增大。

AZ31鎂合金薄板；攪拌摩擦加工；無(wú)針攪拌頭；力學(xué)性能；晶粒尺寸

鎂及鎂合金具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、導(dǎo)熱性好、阻尼減震性好和易回收利用等優(yōu)點(diǎn)[1]。鎂合金室溫下塑性差、腐蝕性差和變形困難等缺陷嚴(yán)重限制了鎂合金的應(yīng)用范圍[2-6]，對(duì)鎂合金的晶粒進(jìn)行細(xì)化是目前消除鎂合金各種缺陷的有效途徑之一[7]。鎂合金作為21世紀(jì)的綠色工程材料和目前在工程應(yīng)用中最輕的金屬材料，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、交通軌道、醫(yī)療器械、汽車(chē)工業(yè)等行業(yè)領(lǐng)域[8-10]。

攪拌摩擦加工（Friction Stir Processing，F(xiàn)SP）是在攪拌摩擦焊接（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型固態(tài)加工技術(shù)[11-13]，F(xiàn)SP技術(shù)通過(guò)刀具的高速旋轉(zhuǎn)與被加工材料之間相互摩擦而產(chǎn)生摩擦熱，使被加工區(qū)域的材料軟化，從而發(fā)生再結(jié)晶細(xì)化晶粒[14-15]。攪拌摩擦加工時(shí)由于攪拌刀具的高轉(zhuǎn)速對(duì)被加工的金屬材料產(chǎn)生擠壓作用，因此，被加工的金屬材料的微觀組織均勻且致密[16]。俞良良等[17]通過(guò)單道次攪拌摩擦加工技術(shù)研究了AZ31鎂合金板的微觀組織和力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行攪拌摩擦加工時(shí)，被加工區(qū)域的熱輸入量越多，晶粒的平均尺寸就越大。

目前關(guān)于利用攪拌摩擦加工來(lái)增大AZ31鎂合金在工程中的應(yīng)用范圍的研究有很多，主要集中在提高鎂合金的強(qiáng)度、硬度和塑性等方面。這些研究所用的攪拌頭主要是各種尺寸的有針攪拌頭，而無(wú)針攪拌頭的使用極少，目前還未有對(duì)薄板使用無(wú)針攪拌，且使用無(wú)針攪拌頭多為研究焊縫的表面性能。文中所用的攪拌頭為無(wú)針攪拌頭，研究了只改變攪拌頭的轉(zhuǎn)速而其他條件均不變的情況下對(duì)AZ31鎂合金進(jìn)行單道次的攪拌摩擦加工，并與其他條件均與無(wú)針條件攪拌摩擦加工時(shí)相同，且轉(zhuǎn)速相同的有針條件下的攪拌摩擦加工進(jìn)行比較。對(duì)攪拌摩擦加工后的AZ31鎂合金所獲得的焊縫，進(jìn)行力學(xué)性能和微觀組織分析。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)材料為150 mm×75 mm×1.5 mm的AZ31鎂合金板，鎂合金的化學(xué)成分如表1所示。

表1 AZ31鎂合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

Tab.1 Chemical composition of AZ31 magnesium alloy(mass fraction) %

1.2 方法

用型號(hào)為HT-JC6×8/2的攪拌摩擦焊機(jī)對(duì)鎂合金表面進(jìn)行單道次的攪拌摩擦加工。進(jìn)行攪拌摩擦加工所用的刀具如圖1所示，采用軸肩直徑為10 mm、攪拌針直徑和長(zhǎng)度為1.2 mm的圓柱形有針攪拌頭和攪拌刀具頭直徑為10 mm且攪拌部位為同心圓的圓柱形的無(wú)針攪拌頭。

攪拌加工時(shí)的工藝參數(shù)如表2所示，攪拌加工時(shí)的進(jìn)給速度固定為200 r/min，無(wú)針條件下進(jìn)行攪拌摩擦加工時(shí)的攪拌頭下壓量固定為0.3 mm，有針條件下進(jìn)行攪拌摩擦?xí)r的下壓量固定為1.3 mm，在其他條件均不變的情況下只改變攪拌摩擦加工時(shí)攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度。進(jìn)行攪拌摩擦加工時(shí)的無(wú)針攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度分別為2000，2500，3000 r/min，有針攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度為3000 r/min。

表2 進(jìn)給速度均為200 r/min的攪拌加工時(shí)的工藝參數(shù)

Tab.2 Parameters of stirring process with feed rate of 200 r/min

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

對(duì)攪拌加工結(jié)束后的AZ31鎂合金板材，用線(xiàn)切割的方法分別在材料的焊縫處截取不同參數(shù)的拉伸試樣。由于攪拌刀具頭的直徑為10 mm，則被加工出來(lái)的焊縫區(qū)域的寬度為10 mm，為了獲得焊縫區(qū)域的抗拉強(qiáng)度，采用非標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣如圖2所示，其拉伸試樣參照的是GB/T 228.1—2010中的厚度為0.1～3 mm薄板中的非標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。因此，選取的焊縫區(qū)域拉伸試樣的尺寸為：長(zhǎng)度為74 mm，寬度為8 mm。線(xiàn)切割后的拉伸試樣由于氧化作用導(dǎo)致邊緣呈現(xiàn)黑色，因此在進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)前，使用800目的砂紙進(jìn)行打磨，直到試樣邊緣光滑無(wú)劃痕。以1 mm/min的速度進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，試樣易在拉伸試驗(yàn)機(jī)的裝夾位置斷裂，此時(shí)獲得的試樣的抗拉強(qiáng)度是不準(zhǔn)確的。為了避免這一現(xiàn)象可多做幾組試樣，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，選取較好的一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；也可在裝夾拉伸試樣時(shí)不要太緊，適當(dāng)放松，此時(shí)的拉伸試樣也不易在裝夾處斷裂。

圖2 AZ31鎂合金焊縫區(qū)域的非標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣

用線(xiàn)切割機(jī)截取1 mm×1 mm的金相觀察試樣，對(duì)金相觀察試樣先用精度為800的砂紙將試樣表面粗糙的痕跡進(jìn)行水磨直至打磨光滑，再使用精度為2000的砂紙繼續(xù)對(duì)金相試樣進(jìn)行水磨直到打磨至表面呈鏡面。采用體積分?jǐn)?shù)為10%的硝酸水溶液對(duì)打磨后的金相試樣在室溫下進(jìn)行腐蝕，由于工藝參數(shù)不同，金相試樣的腐蝕時(shí)間也有所不同，腐蝕后的試樣在50倍的金相顯微鏡下觀察其微觀組織。對(duì)將線(xiàn)切割的AZ31鎂合金焊縫試樣表面用砂紙打磨光滑并用乙醇擦拭烘干后，在載荷為10 N，時(shí)間為20 min的條件下，在UMT摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上對(duì)試樣進(jìn)行摩擦磨損分析，獲取摩擦因數(shù)。通過(guò)維氏硬度計(jì)獲取AZ31鎂合金焊縫試樣的維氏硬度，測(cè)試條件為將試樣表面進(jìn)行粗磨，在試樣上選取5個(gè)不同的點(diǎn)以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果與分析

2.1 攪拌摩擦加工的表面形貌

AZ31鎂合金在不同的轉(zhuǎn)速下形成的攪拌摩擦加工區(qū)的宏觀形貌如圖3所示。在刀具轉(zhuǎn)速?gòu)?000 r/min提升至3000 r/min的過(guò)程中，無(wú)針刀具加工過(guò)的宏觀表面弧紋致密、形狀美觀，沒(méi)有觀察到明顯的宏觀缺陷。表明AZ31鎂合金板材在不同的轉(zhuǎn)速下都達(dá)到了一定的溫度，使塑性金屬可以充分流動(dòng)，從而獲得較好的焊縫。在相同的轉(zhuǎn)速下與有針刀具相比，無(wú)針刀具加工時(shí)幾乎不產(chǎn)生飛邊，這表明無(wú)針刀具在進(jìn)行攪拌摩擦加工的過(guò)程中產(chǎn)生的溫度比有針刀具攪拌時(shí)產(chǎn)生的溫度更高，使被加工區(qū)域的金屬流動(dòng)得更加迅速、均勻。由于有針刀具攪拌加工時(shí)攪拌頭輸入的瞬時(shí)熱量高于無(wú)針刀具，金屬前進(jìn)側(cè)與鎂合金母材的金屬流動(dòng)方向相反，從而產(chǎn)生的相對(duì)變形較劇烈，在這種情況下有針刀具加工出來(lái)的焊縫的飛邊要多于無(wú)針刀具。

2.2 攪拌加工后的微觀組織

由金相顯微鏡測(cè)試攪拌摩擦加工后AZ31鎂合金焊縫表面的微觀組織如圖4所示。在攪拌摩擦加工過(guò)程中，由于攪拌刀具頭的旋轉(zhuǎn)和輸入溫度的共同作用，鎂合金焊縫試樣的晶粒不斷破碎并發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象，且在溫度的作用下晶粒呈現(xiàn)出一定的不均勻性。從圖4可以明顯看出AZ31鎂合金母材晶粒形狀尺寸，在無(wú)針條件下，在進(jìn)給速度和攪拌頭下壓量一定的情況下，隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的提高和熱輸入量的增加，攪拌摩擦加工后得到的晶粒尺寸由本來(lái)的細(xì)小與雜亂無(wú)章逐漸變大、清晰并出現(xiàn)再結(jié)晶晶粒，晶粒的晶界從無(wú)法看出明顯的晶界到晶粒的晶界變得越來(lái)越完整。與圖4顯示的同轉(zhuǎn)速下有針的晶粒相比，有針時(shí)的晶粒尺寸明顯比無(wú)針時(shí)的晶粒尺寸小且晶粒密集，這是由于無(wú)針時(shí)的晶粒尺寸受溫度影響比受應(yīng)變速率的影響更大，而有針時(shí)的晶粒尺寸受應(yīng)變速率比受溫度的影響大。

Frigaard等[17-18]為了計(jì)算攪拌摩擦加工后的熱輸入量，總結(jié)出了熱量計(jì)算公式：

式中：α為熱輸入系數(shù)；μ為摩擦因數(shù)；ω為旋轉(zhuǎn)速度；ν為進(jìn)給速度。由式（1）可以看出，在攪拌摩擦加工過(guò)程中，輸入的熱量Q與攪拌刀具頭的旋轉(zhuǎn)速度成正比。

2.3 攪拌摩擦加工后的硬度

由維氏硬度計(jì)測(cè)得AZ31鎂合金板材的硬度為77.4HV，測(cè)得無(wú)針條件下轉(zhuǎn)速為2000，2500，3000 r/min的硬度值分別為97.6HV，94.6HV，86.6HV，有針條件下轉(zhuǎn)速為3000 r/min的硬度值為73.3HV。測(cè)試結(jié)果表明，在無(wú)針條件下經(jīng)攪拌摩擦加工后的AZ31鎂合金焊縫硬度與鎂合金母材相比得到了明顯提高；無(wú)針條件下焊縫區(qū)域的硬度隨轉(zhuǎn)速的升高而降低，這是由于隨著轉(zhuǎn)速的升高，焊縫處的熱輸入量升高，焊縫區(qū)域的晶粒尺寸變大，使焊縫區(qū)域的硬度降低。同轉(zhuǎn)速下有針條件下的焊縫區(qū)域的硬度低于無(wú)針條件下的硬度，且低于母材的硬度。

2.4 攪拌摩擦加工后的拉伸

由拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)得AZ31鎂合金焊縫區(qū)域拉伸試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖5所示。拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)得無(wú)針條件下轉(zhuǎn)速為2000，2500，3000 r/min的抗拉強(qiáng)度為210，239，242 MPa，伸長(zhǎng)率為0.11%，0.10%，0.09%；有針條件下轉(zhuǎn)速為3000 r/min時(shí)的抗拉強(qiáng)度為188 MPa，伸長(zhǎng)率為0.07%。由此可以看出，無(wú)針條件下焊縫區(qū)域的抗拉強(qiáng)度隨轉(zhuǎn)速的升高而增加，抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)到242 MPa，最低為210 MPa；有針條件下轉(zhuǎn)速為3000 r/min的抗拉強(qiáng)度為188 MPa。結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)速增加的過(guò)程中，無(wú)針條件下獲得的焊縫區(qū)域的抗拉強(qiáng)度逐漸增大。這與焊縫區(qū)域的表面粗糙程度有關(guān)，表面越粗糙則焊縫表面的細(xì)紋越多，在進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)在細(xì)紋處產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而發(fā)生斷裂。隨著轉(zhuǎn)速的增加，焊縫區(qū)域的晶粒尺寸逐漸變大，焊縫區(qū)域表面變光滑，因此進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)不會(huì)因表面的細(xì)紋而發(fā)生斷裂。與有針條件下轉(zhuǎn)速為3000 r/min時(shí)相比，同轉(zhuǎn)速下無(wú)針時(shí)獲得的焊縫區(qū)域的抗拉強(qiáng)度更高，也與焊縫區(qū)域的表面粗糙程度有關(guān)。無(wú)針條件下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，伸長(zhǎng)率逐漸降低，這是由焊縫區(qū)域的晶粒尺寸逐漸變大且晶粒分布不均勻?qū)е碌摹?/p>

2.5 攪拌摩擦加工后的焊縫摩擦磨損

測(cè)試攪拌摩擦加工后AZ31鎂合金焊縫區(qū)域的摩擦因數(shù)如圖6所示。測(cè)得的無(wú)針條件下轉(zhuǎn)速為2000，2500，3000 r/min的平均摩擦因數(shù)為0.39，0.31，0.52，有針條件下轉(zhuǎn)速為3000 r/min時(shí)的平均摩擦因數(shù)為0.29。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)針條件下隨著轉(zhuǎn)速的提高，焊縫處的熱輸入量逐漸增加，且焊縫處的散熱不夠迅速，使焊縫區(qū)域的摩擦因數(shù)逐漸增大，焊縫表面變得越來(lái)越粗糙。與有針條件下相比，有針時(shí)攪拌得更加均勻，且散熱較快使再結(jié)晶晶粒增多，因此相同的轉(zhuǎn)速下有針時(shí)的平均摩擦因數(shù)更小，即同轉(zhuǎn)速下有針時(shí)獲得的焊縫表面比無(wú)針時(shí)更光滑。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下的焊縫應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

圖6 不同轉(zhuǎn)速下的摩擦磨損曲線(xiàn)

3 結(jié)論

1）采用無(wú)針進(jìn)行攪拌摩擦加工時(shí)獲得的AZ31鎂合金的拉伸、硬度等力學(xué)性能更強(qiáng)。

2）同轉(zhuǎn)速下無(wú)針時(shí)的攪拌摩擦加工獲得的拉伸、硬度等力學(xué)性能明顯比有針時(shí)獲得的力學(xué)性能更強(qiáng)，但同轉(zhuǎn)速下有針時(shí)獲得的平均摩擦因數(shù)比無(wú)針時(shí)低。

3）無(wú)針條件下隨著熱輸入量的增加，攪拌摩擦加工后的晶粒尺寸由細(xì)小密集逐漸變大且不均勻，與同轉(zhuǎn)速下的有針時(shí)相比，無(wú)針時(shí)攪拌得更加均勻，更易發(fā)生晶粒的再結(jié)晶，使晶粒細(xì)化。

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Needleless Friction Stir Processing of AZ31 Magnesium Alloy Sheet

ZHANG Hui, WANG Jin, LI Bao-ge, WANG Yong-qiang, WANG Meng-ting

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Qingdao University of Technology, Qingdao 266000, Shandong)

The work aims to study the effect of needle and needleless friction stir processing on the microstructure and mechanical properties of AZ31 magnesium alloy sheet. AZ31 magnesium alloy sheet was processed by friction stir processing (FSP) at different speed. The grain morphology, tensile properties, wear properties and hardness of AZ31 magnesium alloy surface after needleless stirring were studied and analyzed by tensile testing machine, metallographic microscope, UMT friction and wear testing machine and Vickers hardness machine, and then compared with those of sheet after needle stirring at the same speed. Compared with the sheet under needle stirring at the same speed, the weld surface under needleless stirring was more fine and beautiful. Under needleless processing, the maximum tensile strength of the weld was 242 MPa, the maximum Vickers hardness was 97.6HV, and the average friction coefficient was the lowest, just 0.31. The tensile strength of FSP magnesium alloy weld under needleless stirring increases with the increase of tool speed. The hardness of weld is obviously higher than that of magnesium alloy base metal, and the Vickers hardness decreases with the increase of tool speed. The average friction coefficient of AZ31 magnesium alloy weld obtained under needleless processing increases with the increase of tool speed. Compared with the average friction coefficient of weld obtained under needle processing at the same speed, the average friction coefficient of weld obtained under needleless processing is significantly higher. The grain size of weld surface obtained under needleless processing increases with the increase of speed.

AZ31 magnesium alloy sheet; friction stir processing; needleless stirring head; mechanical properties; grain size

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.03.011

TG456.9

A

1674-6457(2022)03-0087-07

2021-07-07

山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019GGX102023）

張會(huì)（1996—），女，碩士生，主要研究方向?yàn)殒V合金攪拌摩擦加工。

王進(jìn)（1978—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)闈u進(jìn)成形、旋壓成形和攪拌摩擦焊。