電磁超聲鑄軋AZ31B鎂合金板的熱拉深性能

李建平，肖 瓊，毛大恒，扶宗禮，石 琛

（中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國家重點實驗室，長沙 410083）

0 引言

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(xué)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，鎂合金板材的晶粒可以得到明顯細化，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(xué)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。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

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(xué)的合金成分見表1。

表1 AZ31B鎂合金的化學(xué)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。

1.2 試驗方法

在1.3mm 的終軋薄板上取樣，用Leica DMI 5000M 型光學(xué)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。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

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。

2.2 織 構(gòu)

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°

2.3 熱拉深性能

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(dāng)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。

3 結(jié)論

（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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