彎軋過程加熱溫度對AZ31鎂合金板材的影響

司文陵， 肖 壯， 劉 凱， 司建勛

(1.商丘學院應用科技學院，河南 開封 475000； 2.上海阿波羅機械股份有限公司，上海 201400；3.開封中節(jié)能再生能源有限公司，河南 開封 475100； 4.鄭州富士康科技集團，河南 鄭州 450019)

引 言

鎂合金因其高比強和高比模的組合優(yōu)勢，且具有良好的鑄造性能、優(yōu)異的切削加工性能等優(yōu)點，被廣泛應用于航空、航天及汽車工業(yè)等領域[1-2]。但因鎂為HCP結構，在室溫條件下很難成形，且與晶粒大小及方向有關的各向異性比較明顯，這些成為增加鎂合金應用的一種阻礙，因此國內、外學者致力于板材成形新工藝的研究，提出了多種提高鎂合金板材室溫塑性的新工藝。黃光勝等人[3]發(fā)現(xiàn)單向多道次彎曲變形可以偏轉鎂合金板材基面織構，改善板材的室溫成形性能；楊續(xù)躍等[4-5]發(fā)現(xiàn)低溫雙向反復彎曲變形及退火工藝可以通過細化晶粒和偏轉基面織構，改善鎂合金板材的室溫延伸率；蔣偉等[6]提出軋制-剪切-連續(xù)彎曲變形新工藝實現(xiàn)織構弱化和晶粒細化，有利于鎂合金室溫成形；徐春等[7]提出了一種彎曲軋制新工藝弱化了基面織構，形成了一種梯度組織，提高了鎂合金的延伸率。本文在彎曲軋制工藝基礎上，研究彎軋過程加熱溫度對AZ31鎂合金板材顯微組織和力學性能的影響，為尋找最佳溫度的成形工藝提供依據(jù)。

1 試驗過程

1.1 試驗材料

試驗所用材料為2.1 mm厚的鑄軋AZ31鎂合金板材，其化學成分如表1所示。

表1AZ31鎂合金的化學成分/%

w(Al)w(Zn)w(Mn)w(Fe)2.640.660.330.0024w(Si)w(Cu)w(Ni)w(Mg)0.0200.00180.00065余量

1.2 試驗方法

圖1 四輥異步軋機

將4塊原始板材分別加熱至300, 350, 400, 450 ℃，保溫30 min，在如圖1所示的四輥異步軋機上進行彎軋，其試驗參數(shù)：小輥直徑Φ40 mm，表面溫度為150 ℃，轉速32.95 mm/s；大輥直徑為Φ100 mm，表面溫度為250 ℃，轉速32.7 mm/s(異速比1∶1.2)。對原始板材進行12道次彎軋，每道次壓下量為0.1 mm，彎軋工藝采用“反復彎軋”式：先正向彎曲軋制，再反向彎曲軋制，這樣反復循環(huán)，最后道次軋平。軋制中不添加潤滑劑，每道次間板材需加熱保溫5 min，彎軋完成后空冷。

對原始板材與4塊彎軋板材沿RD截取拉伸試樣，標距為40 mm，其尺寸如圖2所示。在CMT5305 微機控制電子萬能試驗機上進行常溫單向拉伸實驗。對鎂合金的室溫塑性進行分析。

圖2 拉伸試樣尺寸(單位：mm)

對原始板材和彎軋板材沿RD截取金相試樣，試樣經粗磨、精磨、拋光和硝酸乙酸草酸溶液腐蝕，其顯微組織分析在Nikon EPLHOT300型光學顯微鏡下進行，研究彎軋過程中加熱溫度對鎂合金板材上、下部和心部顯微組織的影響。

2 試驗結果及分析

2.1 力學性能

圖3為原始板材和彎軋板材共5件試樣的應力-應變曲線。從圖3中可以看出，原始板材的常溫延伸率為3%，屈服強度和抗拉強度分別為130 MPa和240 MPa；彎軋后的板材常溫強度與延伸率相對于原始板材有所提高，彎軋過程不同加熱溫度的鎂合金屈服強度和抗拉強度分別為142和266 MPa、134和276 MPa、127和246 MPa、120和236 MPa，4件試樣抗拉強度相差不大，屈服強度呈降低的趨勢，但經過彎軋后延伸率明顯改善，且在加熱溫度350 ℃和400 ℃時延伸率達到最大，幾乎沒有差別，說明加熱溫度影響鎂合金的室溫伸長率。

2.2 光學顯微組織

圖4為原始板材試樣的顯微組織。可以發(fā)現(xiàn)，原始板材試樣組織主要由大小不均勻的等軸晶粒組成，且其中的小晶粒圍繞在大晶粒的晶界周圍。

圖5中自上至下分別為AZ31鎂合金板材四種彎軋工藝試樣的上部、心部與下部的顯微組織。加熱溫度影響AZ31鎂合金板材的性能，通過比較不同加熱溫度的彎軋板材試樣顯微組織，發(fā)現(xiàn)300 ℃時，表面區(qū)域組織為等軸晶中夾雜著異常長大晶粒，心部由大尺寸晶粒夾雜細小的晶粒組成，說明近表面區(qū)域再結晶剛開始形成，而心部還沒有再結晶，是不完全再結晶；350℃時，表面區(qū)域大部分為等軸晶，尺寸相對均勻，含有少量異常長大晶粒，表明完全再結晶已經發(fā)生了；400 ℃時，近表層和心部區(qū)域的晶粒基本為等軸晶，異常長大的晶粒較少；450 ℃時，近表層和中部為長大晶粒夾雜少量細小晶粒。這主要是因為加熱溫度的提高，促進了再結晶的形成，300 ℃時再結晶不充分，致使組織形貌變化不大，350 ℃和400 ℃時再結晶充分，450 ℃時進一步發(fā)生了再結晶。

圖3 5件試樣的應力-應變曲線

圖4 原始板材試樣的顯微組織

圖5 不同加熱溫度下反復彎軋板材試樣的顯微組織

2.3 結果分析

材料因加熱溫度的不同導致其再結晶的能力不同。300 ℃時不足以使材料產生完全再結晶，而350 ℃和400 ℃再結晶比較完全，450 ℃進一步發(fā)生了再結晶。因此這也就是加熱溫度為350 ℃和400 ℃彎軋時，AZ31鎂合金材料綜合性能好的原因。350 ℃和400 ℃時尺寸較為均勻的等軸晶使鎂合金室溫塑性好，由于等軸晶粒尺寸小，因此晶界強化的效果使強度增大。300 ℃時雖然發(fā)生了再結晶但再結晶程度輕微，且本身存在孿晶組織，導致室溫延伸率較低；450 ℃時由于異常長大晶粒的產生，因此強度和室溫延伸率都有所降低。

3 結束語

(1)彎軋后的AZ31鎂合金板材，累積了形變能，其強度與室溫延伸率都得到了改善，屈服強度隨加熱溫度的提高呈現(xiàn)出遞減的趨勢，室溫延伸率最大可達到原始板材試樣的4倍，但抗拉強度沒有顯著的改變。表明彎軋工藝可以改善鎂合金室溫塑性。

(2)彎軋過程中加熱溫度的不同使AZ31鎂合金板材形成了不同程度的動態(tài)再結晶，加熱溫度350 ℃和400 ℃時再結晶比較充分，有利于鎂合金的室溫成形。