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

（中南大學高性能復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點，在眾多領域得到越來越廣泛的應用［1－2］。然而鎂合金晶體結構為密排六方，滑移系少，低溫塑性差，用傳統軋制工藝制備板材困難，成材率低，成本高，制約了其應用［3－4］。連續鑄軋具有高效、節能、流程短和組織細化等優點，已受到國內外學者的廣泛關注［5－6］。近年來，鎂合金鑄軋技術不斷提高，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效率高、產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品力學性能優異、產品輕量化及環保等優勢；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結合可變壓邊力技術沖壓成形的AZ31 鎂合金的極限拉深比（LRD）可達5.0以上。Yasumasa等［12］研究發現交叉軋制修正了AZ31鎂合金板的（0002）織構并細化了晶粒，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AZ31鎂合金薄板具有較好的成形性能。目前，關于鎂合金沖壓性能的文章已屢見不鮮，但是有關鎂合金鑄軋板材熱拉深成形工藝的研究報道甚少，而關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鎂合金板經過后續多道次溫軋后的顯微組織、織構和熱拉深性能進行了研究，以優化鎂合金塑性變形工藝、改善鎂合金的延性和強度，探索開發適合工業化生產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

先把工業純鎂、純鋁、純鋅按相應比例配料后置于容量為200kg電阻式坩鍋爐內進行熔煉（溫度為690～705 ℃）并保溫40min，熔煉過程中坩鍋爐內通入氬氣，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生電磁場，其中超聲場功率為250～300 W，電磁場磁感應強度為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（質量分數）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據，經過背底扣除、散焦校正后，采用Bunge的球諧級數展開方法計算取向分布函數（ODF），計算過程使用Tex evaluate軟件完成，結果以恒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，結構見圖1，主要尺寸參數見表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置，即將壓邊力設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 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

圖1 模具結構Fig.1 Structure of mould

表2 模具的尺寸參數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不同程度的孿晶，在大晶粒和孿晶附近都有細小的動態再結晶晶粒出現；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

由于鎂合金六方結構的六次對稱性及軋制織構分布的規律性，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過7個道次的溫軋后形成了強的基面織構，電磁超聲鑄軋終軋薄板中還有少量的棱柱面織構存在，且基面織構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分布情況。從φ為0～15°的基面織構和近基面織構分布來看，電磁超聲鑄軋的終軋薄板基面織構取向密度明顯低于普通鑄軋的終軋薄板的。從φ為35～70°的錐面織構分布來看，電磁超聲鑄軋的終軋薄板的錐面織構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分布來看，電磁超聲鑄軋終軋薄板的棱柱面織構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力大，鎂合金板容易產生脆性斷裂（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上升，板料的強度降低，應變硬化能力減弱，當鎂合金板在沖頭圓角處的等效屈服應力低于沖頭圓角處應力時，就容易出現韌性斷裂（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間均優于普通鑄軋終軋薄板的，這歸因于晶粒和織構的差異。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較弱，錐面織構略強，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，基面織構取向密度較低，錐面和棱柱面織構取向密度較高。

（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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