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镁合金板材轧制工艺及组织性能分析

发布日间:2018-05-17   浏览次数:

在室温下,镁合金的塑性很低。当变形温度达到225℃时,高温滑移面(棱柱面)被激活,镁合金的塑性有所改善[1~3]。 
镁及其合金的另一个重要特征是加热升温与散热降温比其他金属都快。因此,在塑性加工过程中,温度下降很快且不均匀,则易发生边裂和裂纹,相对于其它金属材料而言,镁及其合金的热加工温度范围较窄。 
本文通过对AZ31B镁合金铸锭、轧制、热处理等工序的研究,并结合各工序中材料组织和织构的分析,找出轧制镁合金板材的合理工艺,为生产镁合金的宽板提供技术依据。

实  验 
所用原料为Mg(一级),Al(一级),Zn(一级),Ca(一级),Ca(含量≥98%),Sr(含量≥99.5%)和Al-10% Mn中间合金。熔炉为40 kW的SG2型电阻炉。熔炼坩埚为10 mm厚的20#钢板焊接而成,其有效容量为80 kg。采用模铸成型,铸模用中碳钢通过加工制成。熔铸时采用2号熔剂保护,其成分如表1所示。熔铸过程中为防止Ca,Sr与熔剂发生置换反应,采用了SF6与Ar气的混合气体进行保护,其中SF6的含量为1.0%~2.0%。为了改善铸锭的成分和组织的不均匀性,提高铸锭的抗拉强度和延伸率,对铸锭进行了均匀化处理,其均匀化退火为420℃下保温15 h[1,3]。
在轧辊上增加了轧辊控温装置,使得在轧制过程中轧辊的温度始终控制在100~160℃℃左右。实验开轧温度为450~460℃℃,终轧温度为260~300℃℃,道次变形量控制在15%~20%,终轧压下量为5%~10%[2,5]。采用测温仪随时测量板料温度,当板料温度低于260℃时,对板材进行回炉加热,保温温度为430~450℃℃,保温时间为0.5 h。采用轧制温度在再结晶温度以下而又高于冷轧温度的轧制方式。这种方式能够在一定程度上提高材料的塑性,降低加工硬化。实验中采用的温轧温度低于260℃,温轧变形量控制在为25%~30%。冷轧阶段采用多道次小变形量的方法轧制板料。单道次变形量控制在5%以内,2次中间退火间累计变形量不大于25%。中间退火制度采用300℃下保温1 h。实验时在热轧、温轧和冷轧终了时的板材进行了0°,45°和90° 3个方向的取样并进行单向拉伸试验。

结果与讨论 
3.1  镁合金板锭及其组织
镁合金板锭的熔铸质量对板材的加工质量起着非常重要的作用,在实际生产中,欲得到高性能优质的镁合金板材,必须实行熔体和铸锭的三化,即熔体纯净化,铸锭晶粒细化,铸锭组织均匀化,以保证铸锭的质量,在三化中晶粒细化是核心。
3.1.1  铸锭的晶粒细化[3~5] 
在现有AZ31B镁合金的基础上加入微量的Ca,Sr,以达到细化Mg-Al系合金的晶粒,改善其成形性能。微量Ca的加入使得凝固过程中固液界面附近的Ca含量相差悬殊,液相的Ca含量远远高于固相中的Ca含量。晶核形成后,原子必须连续进入晶体才能使其生长,固液前沿液相中的高浓度Ca阻碍了Mg原子由液相向固相扩散,从而阻碍晶粒生长,使晶粒细小;Sr的加入也能显著细化晶粒。Sr在凝固过程中的再分配在一定程度上细化了镁合金的晶粒,其细化机制是Sr与Mg或Al形成了金属化合物,这些化合物在凝固过程中起到形核核心的作用,促进非均质形核。图1为Ca,Sr对AZ31B镁合金晶粒尺寸的影响。由图1可知,微量的Ca,Sr的加入能够使枝晶距与晶粒尺寸明显变小,当加入量在0.1%(质量分数)左右时,晶粒细化显著,此后随Ca,Sr含量的增加,虽然也能进一步细化晶粒,但是其细化程度不大。
3.1.2  铸锭组织均匀化[3~5] 
图2为AZ31B镁合金铸态显微组织。从图2可知,Mg17Al2绝大部分呈粗大的“骨骼”状,且分布在晶界,只有小量的颗粒状Mg17Al2分布在晶内。在变形过程中,晶界处粗大的Mg17Al2容易破裂形成裂纹源,易导致变形镁合金制品形成裂纹。由于非平衡凝固以及溶质再分配,在铸锭中形成晶内偏析和区域偏析。铸锭的这种成分和组织上的不均匀性势必造成材料性能上的不均匀性,为了减少和消除晶内偏析,改善铸锭化学成分和组织上的不均匀性,提高其工艺塑性,需要对铸锭进行均匀化退火。
在同一温度下,随着保温时间的延长,枝晶偏析越小;在相同的保温时间下,退火温度越高,其枝晶偏析也越小。虽然提高退火温度和延长保温时间,均能减少枝晶偏析,但是退火温度对枝晶偏析的影响较大。图3为在420℃下均匀退火15 h后的显微组织。由图3可知,均匀化退火后,Mg17Al2已由粗大的“骨骼”状变为细小颗粒均匀分布在α-Mg基体中以及晶界处,枝晶偏析可以完全消失。
3.2  镁合金的轧制及合金组织 3.2.1  热轧[4,6,7] 
根据材料动态模型(DMM)和加工图并结合试验结果,确定了AZ31B镁合金的轧制规程和热力耦合制度。轧制得到的板料边裂很小,表面光洁度好。当终轧温度低于260℃,道次变形量高于15%时就出现了严重的边裂,甚至板材中部出现裂纹。 
在热轧过程中增加了轧辊的控制装置,使轧辊温度始终保持在100~160℃℃左右,同时将轧件多次反复加热,使轧件温度始终控制在热轧范围内,从而减小了裂纹的产生和发展。图4为AZ31B镁合金板材在300℃终轧后的显微组织。从图4可以看出,AZ31B镁合金在300℃轧制后,为均匀的再结晶组织。平均晶粒直径为40µm。热轧后板材的力学性能见表2。
3.2.2  温轧[4,6,7] 
热轧板材的厚度一般大于2 mm。温轧的目的是在一定的温度下(高于冷轧低于热轧),采用较大的变形量,从而得到了抗拉强度比热轧后高的抗拉强度,厚度比热轧小的板材。AZ31B镁合金典型的温轧工艺为:温轧温度不大于260℃,温轧变形量为25%~30%。由于镁合金室温下塑性较差,为了保证压下量的需要,考虑到轧辊温度保持在100~160℃℃左右,温轧的终轧温度在100℃左右。所以,温轧工艺的实施主要存在工艺温度范围窄、温度很难保证均匀的缺点,大规模生产时很难控制。而且当温度低于300℃时,采用大变形量轧制会出现严重的边裂,甚至中部也出现裂纹。图5为AZ31B镁合金温轧后板材显微组织,其力学性能见  表2。
3.2.3  冷轧[4,5,8] 
虽然镁合金的冷变形工艺容易满足工业化大生产的要求,冷轧时采用小变形量多道次轧制能获得较满意的结果,冷轧道次变形量一般为5%左右,总变形量约为25%。这样在轧制过程中不会出现严重的边裂和中部裂纹。但是,当进一步增加变形量时就出现严重的边裂和裂纹,这说明AZ31B镁合金板材在冷轧时的总变形量不能过大,最好控制在25%~30%左右。AZ31B镁合金经过冷变形后组织“破碎”,尤其是晶界处的变形量较大,在金相试样侵蚀时很容易腐蚀而出现沟壑,在晶内则出现了大量的孪晶。冷轧后,形成了加工硬化,延伸率降低,并且由于晶粒转动产生了大量变形织构,形成了各向异性。冷轧AZ31镁合金板材的力学性能见表2。

3.3  镁合金板材的退火[4,6,7,9] 
冷轧后的板材强度指标高于热轧和温轧板材的强度指标,但延伸率很低(如表2所示)。为了使板料能够在后续的冲压生产中体现出较好的应用价值,就必须采用适当的退火工艺消除冷轧时产生的加工硬化,改变板料冷轧时产生的变形组织,获得晶粒细小且均匀的组织,从而获得最佳的综合力学性能。通过对不同厚度的冷轧板材进行不同工艺制度的退火试验发现,镁合金材料在150℃以上即可产生再结晶。实际采用的退火温度根据冷轧板材的变形量和厚度确定,一般来说,退火温度在180~260℃℃之间,退火时间为40 min~60 min,退火后板料的组织为平均晶粒直径14 µm的均匀细晶组织,其强度指标在270 MPa以上,延伸率大于16%。

4  结  论 
1)轧制出宽度为600 mm~1500 mm,厚度为0.18 mm~0.4 mm,σb≥280 MPa,σ0.2≥160 MPa, δ≥16%,满足德国大众汽车公司规定的商业镁合金板材应达到的性能要求。 
2)熔铸时必须实行熔体和铸锭的三化,即熔体纯净化,铸锭晶粒细化,铸锭组织均匀化。通过在合金中加入微量的Ca,Sr可以细化Mg-Al系合金的晶粒;均匀化退火制度为420℃下保温15 h以上,可以消除枝晶偏析。 
3)板材轧制需经过热轧、温轧和冷轧3个流程。热轧开轧温度为450~460℃℃,终轧温度为260~300℃℃。道次压下量在15%~20%,终轧压下量为5%~10%。温轧温度不大于260℃,温轧变形量为25%~30%。冷轧道次变形量一般为5%左右,总变形量约为25%。中间退火制度为300℃下保温45 min。成品板材退火制度为退火温度在180~260℃℃,退火时间为40 min~60 min。 
4)热轧AZ31B镁合金板材主要织构组分为基面平行于板面,其它的织构组分相对较弱。其基面织构的极密度中心与板法线平行;冷轧板材基面织构的极密度中心在轧制方向呈双峰分布,极密度中心晶面法向与板法向成大约18°夹角。
5)热轧镁合金板材存在较强的塑性各向异性,轧制方向上的延伸率指标较低。而基面向倾斜使轧制方向的塑性显著改善,而对强度的影响不大。
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