鍛壓變形量對鑄鍛成形AZ91D鎂合金組織與性能的影響
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趙禹凱1，2 周海濤1 王順成2 鄭開宏2 農(nóng) 登2
（1．中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；2．廣東省材料與加工研究所）
摘要采用鑄鍛復(fù)合一體化成形技術(shù)制備了AZ91D鎂合金，研究了鍛壓變形量對AZ91D鎂合金組織與力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，鍛壓變形量越大，鍛壓對模具型腔內(nèi)凝固過程的AZ91D鎂合金的強(qiáng)制補(bǔ)縮效果越好，收縮裂紋和縮孔越少，AZ91D鎂合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率越高。當(dāng)鍛壓變形量為2 mm時，鍛壓變形能夠完全消除收縮裂紋和縮孔，壓實顯組織。當(dāng)鍛壓變形量為5 mm時，AZ91D鎂合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率分別為240.3 M Pa和4.14%，與未鍛壓相比，此時AZ91D鎂合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率分別提高了34. 7%和52. 7%。
關(guān)鍵詞 AZ91D鎂合金；鑄鍛復(fù)合成形；鍛壓變形量；收縮裂紋
中圖分類號 TG146. 22；TG249.9 DOI:10. 15980/j．tzzz. 2016. 06. 027
鎂合金是目前工程應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、比強(qiáng)度高、電磁屏蔽性能和減震性能好等優(yōu)點，在汽車、軌道交通、航空航天、生物醫(yī)用等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用潛力。目前鎂合金主要采用低壓鑄造和壓鑄成形。鑄造雖然可以成形形狀復(fù)雜的鎂合金零部件，但其組織致密度和力學(xué)性能普遍較低，難以滿足一些受力結(jié)構(gòu)件、耐磨耐壓的氣密性零部件的要求。鎂合金鍛壓零部件的組織致密度和力學(xué)性能通常都較高，但鎂合金的室溫塑性較差，鍛壓成形非常困難，成本也較高，這極大地限制了鎂合金鍛件的生產(chǎn)，并且鎂合金鍛件的形狀復(fù)雜度也受到很大的限制。
將鑄造和鍛壓結(jié)合較早的一種工藝是鑄鍛聯(lián)合工藝，該工藝的基本過程是先用鑄造方法鑄出毛坯，清理后，將毛坯重新加熱，再進(jìn)行鍛壓。鑄鍛聯(lián)合工藝可以生產(chǎn)力學(xué)性能較高且形狀較復(fù)雜的零件，缺點是生產(chǎn)工序多、周期長，設(shè)備及模具投入多，需要重新加熱和切飛邊，生產(chǎn)成本較高。JIANG J F等將傳統(tǒng)鎂合金壓鑄工藝與鍛壓相結(jié)合，在普通壓鑄機(jī)上增加鍛壓裝置，通過鍛壓對鎂合金壓鑄件進(jìn)行壓實，以提高鎂合金壓鑄件的力學(xué)性能，但壓鑄過程中由于鎂合金液飛濺卷入形成的氣孔留在壓鑄件內(nèi)，使得鎂合金壓鑄件不能進(jìn)行熱處理。
鑄鍛復(fù)合一體化成形技術(shù)是先用壓力鑄造的方法將鎂合金液注入模具內(nèi)成形，然后在同一模具內(nèi)立即對凝固中的鎂合金進(jìn)行閉模鍛壓。該技術(shù)具有鑄造和鍛壓的雙重特點，通過壓力鑄造可以成形形狀復(fù)雜的鎂合金零件，通過閉模鍛壓，可以對凝固過程的鎂合金進(jìn)行強(qiáng)制補(bǔ)縮，壓實組織，提高鎂合金的組織致密度和力學(xué)性能。鍛壓變形量是鑄鍛復(fù)合一體化成形技術(shù)中的重要工藝參數(shù)，直接影響到閉模鍛壓時鎂合金液的凝固狀態(tài)，并最終影響到鎂合金的組織性能。本課題采用鑄鍛復(fù)合一體化成形技術(shù)制備了AZ91D鎂合金，研究了鍛壓變形量對AZ91D鎂合金組織和力學(xué)性能的影響。
1 試驗材料與方法
試驗材料為AZ91D鎂合金，經(jīng)SPECTROMAX光電直讀光譜儀測定，AZ91D鎂合金的成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為：8. 9%的A1，0.61%的Zn，0.23%的M n，0. 02%的Si，0.04%的Fe，余量為Mg。
試驗設(shè)備為6000 k N鑄鍛油壓機(jī)，主要包括合模油缸、鍛壓油缸、壓射袖缸和頂出油缸。圖1為鑄鍛復(fù)合一體化成形過程示意圖。鑄鍛復(fù)合一體化成形主要包括4個過程：①合模澆注：啟動合模油缸，使上模下行進(jìn)行合模，然后將鎂合金液澆入料筒；②壓力鑄造：啟動壓射油缸推動壓射沖頭前進(jìn)，將鎂合金液壓射進(jìn)模具型腔內(nèi)填充成形；③閉模鍛壓：鎂合金液充型完成后并保壓數(shù)秒后，啟動鍛壓油缸推動鍛壓沖頭下行進(jìn)行閉模鍛壓并保壓；④開模與取件：退出壓射沖頭和鍛壓沖頭，開啟模具，啟動頂出油缸，頂桿上行頂出鎂合金件，即完成一次鑄鍛復(fù)合一體化成形過程。
在100 kg鎂合金井式電阻爐內(nèi)加熱熔化AZ91D鎂合金，熔煉過程中采用體積分?jǐn)?shù)為0. 2%的SF6 +CO2的混合氣體對鎂合金熔體進(jìn)行保護(hù)，采用JDMR1鎂合金熔劑進(jìn)行精煉，扒渣后靜置30 min，然后啟動鑄鍛油壓機(jī)進(jìn)行鑄鍛復(fù)合一體化成形試驗，鎂合金澆注溫度為730℃，合模力為5 000 k N，充型壓力為1000 k N，充型速度為20 mm／s，鍛壓力為3 000 k N，啟鍛時間為4s，保壓時間為30 s，鍛壓變形量分別為0、1、2、3、4和5mm。
試驗完成后，在AZ91D鎂合金試樣上的中間位置取樣，取樣位置見圖2，取樣位置處的厚度為30 m ma試樣經(jīng)磨制、拋光和腐蝕后，在Leica-DMI3000金相顯微鏡上進(jìn)行顯微組織觀察。經(jīng)機(jī)械加工成厚度為3mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，其形狀與尺寸見圖3，在DNS200型電子拉伸試驗機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗，拉伸速度為2mm／min，在JSM-820掃描電鏡上觀察拉伸試樣的斷口形貌。
2 試驗結(jié)果與分析
2.1 鍛壓前后鎂合金樣件的形貌
圖4為鑄鍛復(fù)合一體化成形鍛壓前后AZ91D鎂合金試樣的表面形貌。從圖4a可看到，未進(jìn)行閉模鍛壓，鎂合金試樣的上表面留有一個明顯的凸臺，凸臺的高度即為鍛壓變形量。從圖4b可見，經(jīng)過鍛壓變形后，鎂合金樣件表面的凸臺消失。凸臺的面積即為鍛壓面積，鍛壓面積占到整個鎂合金試樣投影面積的88. 7%，所占面積比例較大，目的是為了對鎂合金試樣進(jìn)行大面積的鍛壓變形，以更好地實現(xiàn)對鎂合金試樣的整體鍛壓補(bǔ)縮，提高鎂合金試樣的組織致密度和力學(xué)性能。
2.2鍛壓變形量對AZ91D鎂合金組織的影響
AZ91D鎂合金的結(jié)晶溫度區(qū)間較大，在凝固過程中，首先會形成粗大的a-Mg枝晶，導(dǎo)致流動性下降，當(dāng)枝晶臂互相搭接后，會阻礙共晶液相的流動補(bǔ)縮，凝固后在鎂合金內(nèi)部產(chǎn)生收縮裂紋、縮孔和縮松等組織缺陷，特別是在壁厚差異較大以及補(bǔ)縮效果不好的鎂合金件內(nèi)部。鑄鍛復(fù)合一體化成形技術(shù)的特點就是在鎂合金鑄造充型完成后，立即對模具型腔內(nèi)凝固過程中的鎂合金進(jìn)行閉模鍛壓，由此對凝固中的鎂合金進(jìn)行強(qiáng)制補(bǔ)縮，消除收縮裂紋、縮孔和縮松等組織缺陷，壓實組織，達(dá)到提高鎂合金組織致密度和力學(xué)性能的目的。
圖5為鍛壓變形量對AZ91D鎂合金試樣宏觀組織的影響。從圖5a可看到，未進(jìn)行閉模鍛壓時，由于凝固收縮的緣故，合金試樣的上表面向下凹陷，內(nèi)部可看到明顯的收縮裂紋和縮孔存在。從圖5b可看到，當(dāng)鍛壓變形量為1mm時，由于閉模鍛壓的強(qiáng)制補(bǔ)縮作用，使試樣表面鍛平，內(nèi)部收縮裂紋和縮孔的尺寸也明顯減小。當(dāng)鍛壓變形量增加到2 mm時，AZ91D鎂合金試樣內(nèi)部的收縮裂紋和縮孔已完全消失，說明鍛壓變形對AZ91D鎂合金試樣起到了很好的強(qiáng)制補(bǔ)縮效果，完全壓實愈合了收縮裂紋和縮孔。隨著鍛壓變形量增加，不僅可以使凝固收縮裂紋和縮孔消失，還可進(jìn)一步壓實組織，提高鎂合金的組織致密度，進(jìn)而提高鎂合金的強(qiáng)度。
圖6為鍛壓變形量對AZ91D鎂合金顯微組織的影響�？梢钥闯�，未進(jìn)行閉模鍛壓時，鎂合金的顯微組織為粗大的a-Mg枝晶。隨著鍛壓變形量的增大，鎂合金的顯微組織中a-Mg枝晶的尺寸逐漸變細(xì)，并產(chǎn)生輕微的塑形變形。說明隨著鍛壓變形量的增大，不僅可以消除鎂合金中的凝固收縮裂紋和和縮孔，還可使鎂合金的顯微組織發(fā)生輕微塑形變形，壓實組織，提高鎂合金的組織致密度。
2.3鍛壓變形量對AZ91D鎂合金力學(xué)性能的影響
圖7為AZ91D鎂合金的力學(xué)性能與鍛壓變形量之間的關(guān)系。從圖7可見，未進(jìn)行鍛壓補(bǔ)縮時，由于AZ91D鎂合金凝固收縮使樣件內(nèi)部存在縮松，力學(xué)性能較低，抗拉強(qiáng)度和伸長率分別為178.3 M Pa和2. 71%。隨著鍛壓變形量逐漸增大，鍛壓變形對AZ91D鎂合金的強(qiáng)制補(bǔ)縮效果逐漸增強(qiáng)，不僅可以消除收縮裂紋、縮孔和縮松等缺陷，還可使顯微組織產(chǎn)生塑性變形，壓實顯微組織，提高組織致密度，進(jìn)而提高力學(xué)性能。從圖7可見，AZ91D鎂合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率都隨鍛壓變形量的增大而逐漸提高。當(dāng)鍛壓變形量增大到2 mm時，AZ91D鎂合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率出現(xiàn)顯著的提高。當(dāng)鍛壓變形量增大到5 mm時，AZ91D鎂合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率分別為240.3 M Pa和4.14%，與未鍛壓的AZ91D鎂合金相比，分別提高了34. 7%和52.7%。
圖8為AZ91D鎂合金拉伸試樣的斷口形貌。從圖8a可看到，未進(jìn)行閉模鍛壓變形，由于AZ91D鎂合金的組織較為疏松，試樣抗拉強(qiáng)度和伸長率較低，拉伸試樣斷口的韌窩較為粗大，并帶有局部脆性斷裂的特征。從圖8b可看到，進(jìn)行閉模鍛壓后，由于AZ91D鎂合金的收縮裂紋、縮孔和縮松等缺陷被消除，組織致密度提高，試樣抗拉強(qiáng)度和伸長率得到提高，拉伸試樣斷口的韌窩數(shù)量增加，并且韌窩深度較為均勻，呈現(xiàn)韌性斷裂特征。
3 結(jié) 論
(1)閉模鍛壓可對AZ91D鎂合金起到強(qiáng)制補(bǔ)縮效果，消除試樣內(nèi)部的收縮裂紋和縮孔。鍛壓變形量越大，強(qiáng)制補(bǔ)縮效果越好。當(dāng)鍛壓變形量超過2 mm時，鍛壓變形能夠完全消除收縮裂紋和縮孔，壓實顯微組織。
(2)當(dāng)鍛壓變形量為5 mm時，AZ91D鎂合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率分別為240.3 M Pa和4.14%，與未鍛壓變形相比，分別提高了34. 7%和52. 7%。
