李建平,肖 瓊,毛大恒,扶宗禮,石 琛
(中南大學高性能復雜制造國家重點實驗室,長沙 410083)
鎂合金具有密度低、比強度和比剛度高、易于機加工和易于回收再利用等優(yōu)點,在眾多領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-2]。然而鎂合金晶體結(jié)構(gòu)為密排六方,滑移系少,低溫塑性差,用傳統(tǒng)軋制工藝制備板材困難,成材率低,成本高,制約了其應(yīng)用[3-4]。連續(xù)鑄軋具有高效、節(jié)能、流程短和組織細化等優(yōu)點,已受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注[5-6]。近年來,鎂合金鑄軋技術(shù)不斷提高,鑄軋板材的性能越來越好,特別是在鑄軋過程中施加電磁場和超聲場后,鎂合金板材的晶??梢缘玫矫黠@細化,且偏析顯著減少,這使得鑄軋生產(chǎn)出的鎂合金板材進行拉深加工成為可能[7-10]。
沖壓成形是一種生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品性能好的加工方法,而鎂合金板材的沖壓成形工藝更是具有產(chǎn)品力學性能優(yōu)異、產(chǎn)品輕量化及環(huán)保等優(yōu)勢;但鎂合金的室溫沖壓成形性能差,沖壓時容易開裂,極限拉深比(LRD)較低。為改善鎂合金的沖壓性能,國內(nèi)外專家對鎂合金的深沖進行了一系列研究。Yoshihara等[11]采用局部加熱和冷卻技術(shù)結(jié)合可變壓邊力技術(shù)沖壓成形的AZ31 鎂合金的極限拉深比(LRD)可達5.0以上。Yasumasa等[12]研究發(fā)現(xiàn)交叉軋制修正了AZ31鎂合金板的(0002)織構(gòu)并細化了晶粒,使AZ31板具有較好的沖壓成形性。陳振華等[13]研究指出在200~275 ℃溫度范圍內(nèi)AZ31鎂合金薄板具有較好的成形性能。目前,關(guān)于鎂合金沖壓性能的文章已屢見不鮮,但是有關(guān)鎂合金鑄軋板材熱拉深成形工藝的研究報道甚少,而關(guān)于鎂合金電磁超聲鑄軋板材的熱拉深性能研究更是未見報道。為此,作者對電磁超聲鑄軋AZ31B鎂合金板經(jīng)過后續(xù)多道次溫軋后的顯微組織、織構(gòu)和熱拉深性能進行了研究,以優(yōu)化鎂合金塑性變形工藝、改善鎂合金的延性和強度,探索開發(fā)適合工業(yè)化生產(chǎn)的高性能變形鎂合金加工工藝。
先把工業(yè)純鎂、純鋁、純鋅按相應(yīng)比例配料后置于容量為200kg電阻式坩鍋爐內(nèi)進行熔煉(溫度為690~705 ℃)并保溫40min,熔煉過程中坩鍋爐內(nèi)通入氬氣,防止鎂熔體被氧化和燃燒;然后使鎂熔體通過流槽、前箱(溫度保持在670~680℃)、過橋、鑄嘴等,最后流入φ400 mm×500 mm 水平式雙輥鑄軋機,分別進行鎂合金板帶的普通和電磁超聲鑄軋試驗,成功制備出寬200mm、厚5 mm,邊部整齊、表面光亮的AZ31B 鎂合金板帶。電磁超聲鑄軋試驗時,在鑄嘴處鎂熔體的正上方插入超聲波變幅桿,另通入交變電流使磁化器線圈產(chǎn)生電磁場,其中超聲場功率為250~300 W,電磁場磁感應(yīng)強度為0.5~0.6T。AZ31B鎂化學的合金成分見表1。
表1 AZ31B鎂合金的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 The chemical compositions of AZ31B Mg alloy(mass) %
將制備的5 mm 厚的兩種AZ31B 鎂合金鑄軋板分別在φ320mm×500mm 冷軋機上以相同工藝進行7道次溫軋,制得1.3mm 厚的薄板。其中,軋制溫度約250 ℃,前三個道次壓下量約為20%,后四個道次壓下量約為15%。每道次軋制前鑄軋板均實施均勻化退火,置于KSW-4D-C型電爐中加熱至250 ℃,保溫約40min。
在1.3mm 的終軋薄板上取樣,用Leica DMI 5000M 型光學顯微鏡進行顯微組織觀察,浸蝕劑配方為5g 苦味酸+5g 冰醋酸+10 mL 蒸餾水+80mL無水乙醇。
在D8DISCOVER 型X 射線衍射儀(XRD)上對終軋薄板進行晶粒取向分析,采用銅靶Ka射線,管電壓為40kV,管電流為40mA,采用反射法,測量范圍α為0~75°,β為0~360°,測量步長5°。測試四個不完整極圖的數(shù)據(jù),經(jīng)過背底扣除、散焦校正后,采用Bunge的球諧級數(shù)展開方法計算取向分布函數(shù)(ODF),計算過程使用Tex evaluate軟件完成,結(jié)果以恒φ2(φ2=0°,5°,…,60°)截面圖來表示。φ1、φ、φ2 分別為鎂合金織構(gòu)測定中使用的邦厄(Bunge)定義的歐拉角。
熱拉深試驗在WPL-250型動靜萬能試驗機上完成,所用模具為自制的圓筒拉深模具,結(jié)構(gòu)見圖1,主要尺寸參數(shù)見表2。在1.3mm 的終軋薄板上取圓形的拉深試樣,將其裝入拉深模具,在KSW-4D-C型電爐中加熱至所需溫度后,恒溫10min以均勻整個模具的溫度場,溫度精確控制在±5 ℃。潤滑劑采用石墨和機油混合液。試驗過程中采用恒定壓邊力設(shè)置,即將壓邊力設(shè)置在抑制板料起皺的臨界值,并在拉深過程中保持此值不變,由此消除壓邊力對于鎂合金板料沖壓成型性能的影響。熱拉深時采用合適的恒定拉深速度,為10mm·min-1。
圖1 模具結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of mould
表2 模具的尺寸參數(shù)Tab.2 Dimensions of mould
圖2 兩種鑄軋終軋鎂合金薄板的顯微組織Fig.2 Microstructure of Mg alloy sheets by general cast-rolling(a)and electromagnetic field and ultrasonic field cast-rolling(b)
由圖2可見,兩種鑄軋鎂合金終軋薄板均出現(xiàn)不同程度的孿晶,在大晶粒和孿晶附近都有細小的動態(tài)再結(jié)晶晶粒出現(xiàn);電磁超聲鑄軋終軋薄板的平均晶粒尺寸為10~12μm,小于普通鑄軋終軋薄板的平均晶粒尺寸(14~16μm),且細小的再結(jié)晶晶粒分布較多,孿晶也明顯多于普通鑄軋終軋薄板的。
由于鎂合金六方結(jié)構(gòu)的六次對稱性及軋制織構(gòu)分布的規(guī)律性,可選φ2=0°和φ2=30°的ODF 截面圖來分析其晶粒取向分布情況。由圖3可知,兩種鑄軋鎂合金板經(jīng)過7個道次的溫軋后形成了強的基面織構(gòu),電磁超聲鑄軋終軋薄板中還有少量的棱柱面織構(gòu)存在,且基面織構(gòu)強度要弱于普通鑄軋終軋薄板的。由圖4,5可見兩種鑄軋終軋板的主要織構(gòu)分布情況。從φ為0~15°的基面織構(gòu)和近基面織構(gòu)分布來看,電磁超聲鑄軋的終軋薄板基面織構(gòu)取向密度明顯低于普通鑄軋的終軋薄板的。從φ為35~70°的錐面織構(gòu)分布來看,電磁超聲鑄軋的終軋薄板的錐面織構(gòu)取向密度略高于普通鑄軋的終軋薄板的。從φ為80~90°的棱柱面和近棱柱面織構(gòu)分布來看,電磁超聲鑄軋終軋薄板的棱柱面織構(gòu)取向密度高于普通鑄軋終軋薄板的。
圖5 φ1=0°,φ2=30°兩種鑄軋終軋薄板的織構(gòu)取向密度Fig.5 Orientational density of main textures of two kinds of roll-casting sheets whenφ1=0°,φ2=30°
由圖6可知,在175~250 ℃之間,兩種鎂合金終軋薄板的LRD 隨著溫度的升高而增大。這是由于低溫時鎂合金的塑性變形能力差,沖頭克服鎂合金流動變形所需應(yīng)力大,鎂合金板容易產(chǎn)生脆性斷裂(見圖7);隨著溫度的升高,鎂合金的非基面滑移系被激活,塑性變形能力顯著增強。在250~300℃之間,兩種鎂合金終軋薄板的LRD 值隨著溫度的升高反而減小,因為隨著溫度的繼續(xù)上升,板料的強度降低,應(yīng)變硬化能力減弱,當鎂合金板在沖頭圓角處的等效屈服應(yīng)力低于沖頭圓角處應(yīng)力時,就容易出現(xiàn)韌性斷裂(見圖8)。由圖9可見,250℃左右時沖出的杯形基本沒有制耳,此時電磁超聲鑄軋終軋板的LRD 達到2.0,而普通鑄軋終軋板的LRD達到1.875,拉深性能最好,故250 ℃左右為電磁超聲鑄軋終軋薄板與普通鑄軋終軋薄板的合理拉深溫度。電磁超聲鑄軋終軋薄板的熱拉深性能在整個試驗溫度區(qū)間均優(yōu)于普通鑄軋終軋薄板的,這歸因于晶粒和織構(gòu)的差異。電磁超聲鑄軋終軋薄板的晶粒細小,晶界多,而晶界能有效阻礙位錯的滑移,容易在晶界前方形成應(yīng)力集中使得更多的滑移系被激活,同時晶界滑移(GBS)變得容易使鎂合金板的整體變形均勻,塑性變形能力得到提高;電磁超聲鑄軋終軋薄板的基面織構(gòu)較弱,錐面織構(gòu)略強,這有助于減弱鎂合金的各向異性和幾何硬化,提高鎂合金塑性變形能力。
(1)AZ31B鎂合金電磁超聲鑄軋終軋薄板的平均晶粒尺寸為10~12μm,小于普通鑄軋終軋薄板的平均晶粒尺寸(14~16μm),且細小的再結(jié)晶晶粒分布較多,孿晶較明顯。
(2)電磁超聲鑄軋終軋薄板與普通鑄軋終軋薄板相比,基面織構(gòu)取向密度較低,錐面和棱柱面織構(gòu)取向密度較高。
(3)電磁超聲鑄軋終軋薄板的熱拉深性能在175~300 ℃之間均優(yōu)于普通鑄軋終軋薄板的,且250 ℃左右的LRD 達到最大2.0,此時普通鑄軋終軋薄板的LRD 也最大,為1.875。
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