鎂合金板材軋制工藝及組織性能分析
2019-12-06 15:34 ?瀏覽:次
鎂及其合金的另一個(gè)重要特征是加熱升溫與散熱降溫比其他金屬都快。因此,在塑性加工過(guò)程中,溫度下降很快且不均勻,則易發(fā)生邊裂和裂紋,相對(duì)于其它金屬材料而言,鎂及其合金的熱加工溫度范圍較窄。
本文通過(guò)對(duì)AZ31B鎂合金鑄錠、軋制、熱處理等工序的研究,并結(jié)合各工序中材料組織和織構(gòu)的分析,找出軋制鎂合金板材的合理工藝,為生產(chǎn)鎂合金的寬板提供技術(shù)依據(jù)。
實(shí) 驗(yàn)
所用原料為Mg(一級(jí)),Al(一級(jí)),Zn(一級(jí)),Ca(一級(jí)),Ca(含量≥98%),Sr(含量≥99.5%)和Al-10% Mn中間合金。熔爐為40 kW的SG2型電阻爐。熔煉坩堝為10 mm厚的20#鋼板焊接而成,其有效容量為80 kg。采用模鑄成型,鑄模用中碳鋼通過(guò)加工制成。熔鑄時(shí)采用2號(hào)熔劑保護(hù),其成分如表1所示。熔鑄過(guò)程中為防止Ca,Sr與熔劑發(fā)生置換反應(yīng),采用了SF6與Ar氣的混合氣體進(jìn)行保護(hù),其中SF6的含量為1.0%~2.0%。為了改善鑄錠的成分和組織的不均勻性,提高鑄錠的抗拉強(qiáng)度和延伸率,對(duì)鑄錠進(jìn)行了均勻化處理,其均勻化退火為420℃下保溫15 h[1,3]。
在軋輥上增加了軋輥控溫裝置,使得在軋制過(guò)程中軋輥的溫度始終控制在100~160℃℃左右。實(shí)驗(yàn)開(kāi)軋溫度為450~460℃℃,終軋溫度為260~300℃℃,道次變形量控制在15%~20%,終軋壓下量為5%~10%[2,5]。采用測(cè)溫儀隨時(shí)測(cè)量板料溫度,當(dāng)板料溫度低于260℃時(shí),對(duì)板材進(jìn)行回爐加熱,保溫溫度為430~450℃℃,保溫時(shí)間為0.5 h。采用軋制溫度在再結(jié)晶溫度以下而又高于冷軋溫度的軋制方式。這種方式能夠在一定程度上提高材料的塑性,降低加工硬化。實(shí)驗(yàn)中采用的溫軋溫度低于260℃,溫軋變形量控制在為25%~30%。冷軋階段采用多道次小變形量的方法軋制板料。單道次變形量控制在5%以?xún)?nèi),2次中間退火間累計(jì)變形量不大于25%。中間退火制度采用300℃下保溫1 h。實(shí)驗(yàn)時(shí)在熱軋、溫軋和冷軋終了時(shí)的板材進(jìn)行了0°,45°和90° 3個(gè)方向的取樣并進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)。
在軋輥上增加了軋輥控溫裝置,使得在軋制過(guò)程中軋輥的溫度始終控制在100~160℃℃左右。實(shí)驗(yàn)開(kāi)軋溫度為450~460℃℃,終軋溫度為260~300℃℃,道次變形量控制在15%~20%,終軋壓下量為5%~10%[2,5]。采用測(cè)溫儀隨時(shí)測(cè)量板料溫度,當(dāng)板料溫度低于260℃時(shí),對(duì)板材進(jìn)行回爐加熱,保溫溫度為430~450℃℃,保溫時(shí)間為0.5 h。采用軋制溫度在再結(jié)晶溫度以下而又高于冷軋溫度的軋制方式。這種方式能夠在一定程度上提高材料的塑性,降低加工硬化。實(shí)驗(yàn)中采用的溫軋溫度低于260℃,溫軋變形量控制在為25%~30%。冷軋階段采用多道次小變形量的方法軋制板料。單道次變形量控制在5%以?xún)?nèi),2次中間退火間累計(jì)變形量不大于25%。中間退火制度采用300℃下保溫1 h。實(shí)驗(yàn)時(shí)在熱軋、溫軋和冷軋終了時(shí)的板材進(jìn)行了0°,45°和90° 3個(gè)方向的取樣并進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)。
結(jié)果與討論
3.1 鎂合金板錠及其組織
鎂合金板錠的熔鑄質(zhì)量對(duì)板材的加工質(zhì)量起著非常重要的作用,在實(shí)際生產(chǎn)中,欲得到高性能優(yōu)質(zhì)的鎂合金板材,必須實(shí)行熔體和鑄錠的三化,即熔體純凈化,鑄錠晶粒細(xì)化,鑄錠組織均勻化,以保證鑄錠的質(zhì)量,在三化中晶粒細(xì)化是核心。
3.1.1 鑄錠的晶粒細(xì)化[3~5]
3.1.1 鑄錠的晶粒細(xì)化[3~5]
在現(xiàn)有AZ31B鎂合金的基礎(chǔ)上加入微量的Ca,Sr,以達(dá)到細(xì)化Mg-Al系合金的晶粒,改善其成形性能。微量Ca的加入使得凝固過(guò)程中固液界面附近的Ca含量相差懸殊,液相的Ca含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于固相中的Ca含量。晶核形成后,原子必須連續(xù)進(jìn)入晶體才能使其生長(zhǎng),固液前沿液相中的高濃度Ca阻礙了Mg原子由液相向固相擴(kuò)散,從而阻礙晶粒生長(zhǎng),使晶粒細(xì)??;Sr的加入也能顯著細(xì)化晶粒。Sr在凝固過(guò)程中的再分配在一定程度上細(xì)化了鎂合金的晶粒,其細(xì)化機(jī)制是Sr與Mg或Al形成了金屬化合物,這些化合物在凝固過(guò)程中起到形核核心的作用,促進(jìn)非均質(zhì)形核。圖1為Ca,Sr對(duì)AZ31B鎂合金晶粒尺寸的影響。由圖1可知,微量的Ca,Sr的加入能夠使枝晶距與晶粒尺寸明顯變小,當(dāng)加入量在0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右時(shí),晶粒細(xì)化顯著,此后隨Ca,Sr含量的增加,雖然也能進(jìn)一步細(xì)化晶粒,但是其細(xì)化程度不大。
3.1.2 鑄錠組織均勻化[3~5]
圖2為AZ31B鎂合金鑄態(tài)顯微組織。從圖2可知,Mg17Al2絕大部分呈粗大的“骨骼”狀,且分布在晶界,只有小量的顆粒狀Mg17Al2分布在晶內(nèi)。在變形過(guò)程中,晶界處粗大的Mg17Al2容易破裂形成裂紋源,易導(dǎo)致變形鎂合金制品形成裂紋。由于非平衡凝固以及溶質(zhì)再分配,在鑄錠中形成晶內(nèi)偏析和區(qū)域偏析。鑄錠的這種成分和組織上的不均勻性勢(shì)必造成材料性能上的不均勻性,為了減少和消除晶內(nèi)偏析,改善鑄錠化學(xué)成分和組織上的不均勻性,提高其工藝塑性,需要對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻化退火。
在同一溫度下,隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng),枝晶偏析越??;在相同的保溫時(shí)間下,退火溫度越高,其枝晶偏析也越小。雖然提高退火溫度和延長(zhǎng)保溫時(shí)間,均能減少枝晶偏析,但是退火溫度對(duì)枝晶偏析的影響較大。圖3為在420℃下均勻退火15 h后的顯微組織。由圖3可知,均勻化退火后,Mg17Al2已由粗大的“骨骼”狀變?yōu)榧?xì)小顆粒均勻分布在α-Mg基體中以及晶界處,枝晶偏析可以完全消失。
在同一溫度下,隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng),枝晶偏析越??;在相同的保溫時(shí)間下,退火溫度越高,其枝晶偏析也越小。雖然提高退火溫度和延長(zhǎng)保溫時(shí)間,均能減少枝晶偏析,但是退火溫度對(duì)枝晶偏析的影響較大。圖3為在420℃下均勻退火15 h后的顯微組織。由圖3可知,均勻化退火后,Mg17Al2已由粗大的“骨骼”狀變?yōu)榧?xì)小顆粒均勻分布在α-Mg基體中以及晶界處,枝晶偏析可以完全消失。
3.2 鎂合金的軋制及合金組織 3.2.1 熱軋[4,6,7]
根據(jù)材料動(dòng)態(tài)模型(DMM)和加工圖并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果,確定了AZ31B鎂合金的軋制規(guī)程和熱力耦合制度。軋制得到的板料邊裂很小,表面光潔度好。當(dāng)終軋溫度低于260℃,道次變形量高于15%時(shí)就出現(xiàn)了嚴(yán)重的邊裂,甚至板材中部出現(xiàn)裂紋。
在熱軋過(guò)程中增加了軋輥的控制裝置,使軋輥溫度始終保持在100~160℃℃左右,同時(shí)將軋件多次反復(fù)加熱,使軋件溫度始終控制在熱軋范圍內(nèi),從而減小了裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展。圖4為AZ31B鎂合金板材在300℃終軋后的顯微組織。從圖4可以看出,AZ31B鎂合金在300℃軋制后,為均勻的再結(jié)晶組織。平均晶粒直徑為40µm。熱軋后板材的力學(xué)性能見(jiàn)表2。
3.2.2 溫軋[4,6,7]
熱軋板材的厚度一般大于2 mm。溫軋的目的是在一定的溫度下(高于冷軋低于熱軋),采用較大的變形量,從而得到了抗拉強(qiáng)度比熱軋后高的抗拉強(qiáng)度,厚度比熱軋小的板材。AZ31B鎂合金典型的溫軋工藝為:溫軋溫度不大于260℃,溫軋變形量為25%~30%。由于鎂合金室溫下塑性較差,為了保證壓下量的需要,考慮到軋輥溫度保持在100~160℃℃左右,溫軋的終軋溫度在100℃左右。所以,溫軋工藝的實(shí)施主要存在工藝溫度范圍窄、溫度很難保證均勻的缺點(diǎn),大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)很難控制。而且當(dāng)溫度低于300℃時(shí),采用大變形量軋制會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的邊裂,甚至中部也出現(xiàn)裂紋。圖5為AZ31B鎂合金溫軋后板材顯微組織,其力學(xué)性能見(jiàn) 表2。
3.2.3 冷軋[4,5,8]
雖然鎂合金的冷變形工藝容易滿(mǎn)足工業(yè)化大生產(chǎn)的要求,冷軋時(shí)采用小變形量多道次軋制能獲得較滿(mǎn)意的結(jié)果,冷軋道次變形量一般為5%左右,總變形量約為25%。這樣在軋制過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的邊裂和中部裂紋。但是,當(dāng)進(jìn)一步增加變形量時(shí)就出現(xiàn)嚴(yán)重的邊裂和裂紋,這說(shuō)明AZ31B鎂合金板材在冷軋時(shí)的總變形量不能過(guò)大,最好控制在25%~30%左右。AZ31B鎂合金經(jīng)過(guò)冷變形后組織“破碎”,尤其是晶界處的變形量較大,在金相試樣侵蝕時(shí)很容易腐蝕而出現(xiàn)溝壑,在晶內(nèi)則出現(xiàn)了大量的孿晶。冷軋后,形成了加工硬化,延伸率降低,并且由于晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生了大量變形織構(gòu),形成了各向異性。冷軋AZ31鎂合金板材的力學(xué)性能見(jiàn)表2。

3.3 鎂合金板材的退火[4,6,7,9]
冷軋后的板材強(qiáng)度指標(biāo)高于熱軋和溫軋板材的強(qiáng)度指標(biāo),但延伸率很低(如表2所示)。為了使板料能夠在后續(xù)的沖壓生產(chǎn)中體現(xiàn)出較好的應(yīng)用價(jià)值,就必須采用適當(dāng)?shù)耐嘶鸸に囅滠垥r(shí)產(chǎn)生的加工硬化,改變板料冷軋時(shí)產(chǎn)生的變形組織,獲得晶粒細(xì)小且均勻的組織,從而獲得最佳的綜合力學(xué)性能。通過(guò)對(duì)不同厚度的冷軋板材進(jìn)行不同工藝制度的退火試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),鎂合金材料在150℃以上即可產(chǎn)生再結(jié)晶。實(shí)際采用的退火溫度根據(jù)冷軋板材的變形量和厚度確定,一般來(lái)說(shuō),退火溫度在180~260℃℃之間,退火時(shí)間為40 min~60 min,退火后板料的組織為平均晶粒直徑14 µm的均勻細(xì)晶組織,其強(qiáng)度指標(biāo)在270 MPa以上,延伸率大于16%。
4 結(jié) 論
1)軋制出寬度為600 mm~1500 mm,厚度為0.18 mm~0.4 mm,σb≥280 MPa,σ0.2≥160 MPa, δ≥16%,滿(mǎn)足德國(guó)大眾汽車(chē)公司規(guī)定的商業(yè)鎂合金板材應(yīng)達(dá)到的性能要求。
2)熔鑄時(shí)必須實(shí)行熔體和鑄錠的三化,即熔體純凈化,鑄錠晶粒細(xì)化,鑄錠組織均勻化。通過(guò)在合金中加入微量的Ca,Sr可以細(xì)化Mg-Al系合金的晶粒;均勻化退火制度為420℃下保溫15 h以上,可以消除枝晶偏析。
3)板材軋制需經(jīng)過(guò)熱軋、溫軋和冷軋3個(gè)流程。熱軋開(kāi)軋溫度為450~460℃℃,終軋溫度為260~300℃℃。道次壓下量在15%~20%,終軋壓下量為5%~10%。溫軋溫度不大于260℃,溫軋變形量為25%~30%。冷軋道次變形量一般為5%左右,總變形量約為25%。中間退火制度為300℃下保溫45 min。成品板材退火制度為退火溫度在180~260℃℃,退火時(shí)間為40 min~60 min。
4)熱軋AZ31B鎂合金板材主要織構(gòu)組分為基面平行于板面,其它的織構(gòu)組分相對(duì)較弱。其基面織構(gòu)的極密度中心與板法線(xiàn)平行;冷軋板材基面織構(gòu)的極密度中心在軋制方向呈雙峰分布,極密度中心晶面法向與板法向成大約18°夾角。
5)熱軋鎂合金板材存在較強(qiáng)的塑性各向異性,軋制方向上的延伸率指標(biāo)較低。而基面向傾斜使軋制方向的塑性顯著改善,而對(duì)強(qiáng)度的影響不大。
5)熱軋鎂合金板材存在較強(qiáng)的塑性各向異性,軋制方向上的延伸率指標(biāo)較低。而基面向傾斜使軋制方向的塑性顯著改善,而對(duì)強(qiáng)度的影響不大。
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