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復合能場鑄軋對AZ61鎂板組織及性能的影響

2014-03-17 10:46:12張歡歡黃元春劉勝膽肖政兵2杜志勇
中國有色金屬學報 2014年8期
關鍵詞:板帶鎂合金細化

張歡歡,黃元春,2,,劉勝膽,劉 宇,肖政兵2,,杜志勇

(1.中南大學 高性能復雜制造國家重點實驗室,長沙 410083;2.中南大學 材料科學與工程學院,長沙 410083;3.中南大學 機電工程學院,長沙 410083;4.中南大學 輕合金研究院,長沙 410083)

鎂合金密度低,具有環(huán)保、抗電磁干擾和價格優(yōu)勢,另外其減震性及電磁屏蔽性能良好,能夠極好地滿足當今社會對于輕量化及節(jié)能環(huán)保問題的需求,被廣泛應用于交通、電子、航空航天和國防軍工等重要領域,是21世紀極具發(fā)展前景的綠色結構材料[1-2]。但鎂合金屬于密排六方晶體結構,滑移系少,塑性不及面心立方結構金屬的塑性,不易加工,阻礙了鎂合金的應用,國內(nèi)外眾多學者雖不斷探索適當?shù)氖侄蝸慝@取高品質(zhì)的鎂合金,在一定程度上改善了其塑性差、不易成型等問題,但仍有許多問題亟待解決[3-4]。

研究表明,當晶粒小于一定尺寸后,脆塑性轉變溫度降低,材料以塑性變形為主。通過微合金化細化晶粒、改變組織結構從而提升鎂合金性能的工藝已日趨成熟,近年來又開發(fā)出了累積疊軋、等徑角擠壓、異步軋制等大塑性變形方法來獲取細小晶粒,并取得了較滿意的效果,但這類工藝工序繁雜、能耗大且細晶強化和織構軟化作用共存,因而材料強度提高幅度有限[5-11]。連續(xù)鑄軋工藝生產(chǎn)金屬板材流程短、效率高、可降低成本,但鑄軋后鎂合金板帶晶粒組織不均勻,力學性能較差,因此研究者在鑄軋過程中通過添加外場以改善其性能[12-13]。施加電磁場,電磁攪拌使液相區(qū)溫度趨于均勻,表面質(zhì)量提升,Mg17Al12相的分布更細小、均勻,延展性有所提高,而超聲波在細化凝固組織、減輕中心偏析、去除氣體及夾雜等方面具有顯著作用,但單獨使用一種外場不能同時改變凝固前沿流動場和溫度場,作用效果有限[14-16],譚湘夫等[13]通過實驗發(fā)現(xiàn),施加電磁超聲復合能場,使兩種能量得以相互疊加,并協(xié)調(diào)作用在熔體中,從而導致晶粒細化的程度和力學性能的提高均比單一能場更顯著。以上研究極少涉及鎂合金加工性能的探索,而關于鎂合金鑄軋過程中施加復合能場的工藝也鮮見報道。

本文作者擬通過在AZ61鎂合金雙輥連續(xù)鑄軋過程中施加電磁超聲復合能場,制備出鎂合金鑄軋板帶,并與在相同變形溫度、變形速度及后續(xù)軋制工藝條件下生產(chǎn)出的常規(guī)板帶相比較,旨在驗證復合能場對于鎂合金微觀組織和力學性能的改善效果,并探索其對于鎂合金深加工整個過程的影響,以便為制定出合理、高效的AZ61鎂合金板帶生產(chǎn)工藝提供指導,使之綜合性能提升且易加工,為該合金尋求更廣闊的應用空間。

1 實驗

1.1 實驗設備與材料

實驗經(jīng)規(guī)格為d400mm×500mm的水平式雙輥鑄軋機分別在常規(guī)(不添加能場)和添加復合能場兩種情況下采用連續(xù)鑄軋技術生產(chǎn)出寬250mm、厚5.2 mm的AZ61鎂合金板。在復合能場的施加過程中,將電磁場導入鑄嘴區(qū),并將一超聲波變幅桿垂直插入前箱中,再在軋輥和鑄嘴相接觸處,呈45°方向插入另一變幅桿,從而使鎂溶液先經(jīng)過一級超聲波處理,再通過鑄嘴進入具有超聲波和電磁場共存的輥縫中,進行復合能場鑄軋。兩級超聲波功率均為100W,頻率(20±0.1)kHz;電磁場為三相電流,電流大小10A,換向周期是一完整波形,中心頻率(13±1)Hz。實驗合金的化學成分如表1所列。

表1 AZ61鎂合金的化學成分Table1 ChemicalcompositionsofAZ61magnesiumalloy(massfraction,%)

1.2 實驗方法

先按照名義化學成分要求配置AZ61鎂合金材料,置于封閉電阻熔化爐內(nèi)加熱融化,并撒上覆蓋劑隨爐升溫,熔煉至500℃通入氬氣,阻隔鎂溶液與空氣,防止兩者發(fā)生反應。隨后繼續(xù)升溫至715℃,添加精煉劑進行精煉、除渣,靜置20min后進行鑄軋,即將鎂溶體引入兩個旋轉并具有冷卻作用的軋輥,使其在結晶凝固過程中承受壓力及塑性變形,短時間內(nèi)獲得鑄軋板帶的過程。由于AZ61鎂合金板常用于飛機和汽車結構件中,厚度多為3mm左右,因此,為了更好地研究AZ61鎂合金在實際生產(chǎn)與應用中的各項性能,將兩類成型鑄軋板再進行5個道次的軋制,使最終板厚為3mm。不同道次間,將鎂合金板置于電阻加熱爐內(nèi)加熱至350℃,保溫1h,表2所列為各道次軋制工藝參數(shù)。本實驗中將常規(guī)方式和復合能場方式下生產(chǎn)的鎂合金鑄軋板分別定義為A板和B板。

將軋制前和五道次軋制后的A板和B板進行250℃、2h的退火處理后,沿不同方向截取試樣,經(jīng)鑲樣、粗磨、精磨、拋光和腐蝕(腐蝕液為苦味酸4.2g、乙酸10mL、乙醇70mL、水10mL的混合液,腐蝕時間為5~15s),在LeicaDMI5000M光學顯微鏡下觀察顯微組織,并經(jīng)專用金相分析軟件OLYCZADSX測量晶粒平均尺寸;采用JSM-6490LV型掃描電鏡(SEM)觀察A、B初始板和終軋板中析出相分布;分別沿與軋制方向成0°、45°和90°方向取樣,進行室溫拉伸試驗,試樣標距尺寸為40mm×8mm,拉伸速度恒為1mm/min,并測得各拉伸樣的抗拉強度、屈服強度和伸長率;通過跨距為20mm的三點彎曲試驗,測量A、B初始板和終軋板的彎曲性能。

表2 鑄軋鎂合金板帶的軋制工藝參數(shù)Table 2 Rolling process parameters ofcast-rolling magnesiumalloyplate

2 實驗結果

2.1 金相顯微組織觀察

AZ61鎂合金A、B初始鑄軋板不同截面金相組織對比見圖1。圖2~4所示分別為第一、三、五道次兩類板材的金相組織。

如圖1所示,A鑄軋板中具有大量尺寸不均勻、呈菊花狀的粗大枝晶網(wǎng)胞,平均晶粒尺寸為90~105 μm,部分達到125μm以上;受軋制力作用,部分晶粒橫向受壓縮徑向被拉長,呈現(xiàn)出一定的方向性,但對其尺寸影響較小,而縱截面的影響更為明顯,晶粒呈纖維狀。而B鑄軋板微觀組織顯著細化,粗大枝晶破碎且無明顯枝晶網(wǎng)胞存在,晶粒平均尺寸僅60~70 μm,在局部區(qū)域出現(xiàn)破碎后的細小晶粒,3個方向上晶粒形貌也出現(xiàn)沿軋制方向的變形趨勢,但形貌差異較小。

由圖2~4可見,軋制一道次后,兩類板材均呈現(xiàn)鑄態(tài)組織,但晶粒較初始狀態(tài)有所細化,A、B板晶粒平均尺寸分別為75~85μm和55~60μm。經(jīng)三道次軋制后,枝晶演變成圓滑的等軸晶,晶粒大幅細化,兩類板材平均尺寸分別為60~70μm和 25~30μm,其中A板中晶粒發(fā)生明顯再結晶,大晶粒周圍有細小晶粒圍繞,但組織以粗大晶粒為主,因粗晶內(nèi)部位錯滑移程長,晶界處應力集中嚴重,出現(xiàn)部分孿晶現(xiàn)象,而B板再結晶充分,形核率提高,細化效果明顯且組織分布較均勻,未發(fā)現(xiàn)孿晶。軋制五道次后,微觀組織進一步細化,形核率提高,晶粒大小分別為40~50 μm和15~20μm,A板中孿晶基本消失,但仍處于大小晶粒共存的狀態(tài),B板再結晶完全,金相組織處于退火態(tài),圓滑且均勻細小。

觀察整個組織演變過程可知,B板組織均勻性明顯改善,且細化效果較明顯,晶粒尺寸減小約75%;而A板晶粒尺寸僅減小50%左右,晶粒較粗大,形狀不規(guī)則。A板變形過程中發(fā)現(xiàn)孿晶,孿晶界對位錯運動起到一定的阻礙作用,且根據(jù)Basinski機制可知,孿晶可提高材料加工硬化率,降低其整體變形協(xié)調(diào)性[17-19]。A板和B板最終均發(fā)生再結晶,但B板再結晶充分,再結晶是鎂合金變形時的主要軟化機制之一,其程度大小可以決定微觀性能的好壞,晶粒細小圓滑,晶界易發(fā)生滑動和轉動,使組織形貌不易產(chǎn)生方向性和組織缺陷,應力分布更均勻,也可進一步為力學性能及加工性能的改善創(chuàng)造條件[20-21]。

圖1 A、B初始鑄軋板各方向的金相組織Fig.1 MetallographsofAandBinitialcast-rollingplatesindifferentdirections:(a)PlateA,surface;(b)PlateA,crosssection;(c)PlateA,longitudinalsection;(d)PlateB,surface;(e)PlateB,crosssection;(f)PlateB,longitudinalsection

圖2 A板和B板第一道次軋制后各方向的金相組織Fig.2 MetallographsofAandBcast-rollingplatesindifferentdirectionsafterfirst-passrolling:(a)PlateA,surface;(b)PlateA,crosssection;(c)PlateA,longitudinalsection;(d)PlateB,surface;(e)PlateB,crosssection;(f)PlateB,longitudinalsection

圖3 A板和B板第三道次軋制后各方向的金相組織Fig.3 MetallographsofAandBcast-rollingplatesindifferentdirectionsafterthird-passrolling:(a)PlateA,surface;(b)PlateA,crosssection;(c)PlateA,longitudinalsection;(d)PlateB,surface;(e)PlateB,crosssection;(f)PlateB,longitudinalsection

2.2 析出相觀察

鎂合金鑄軋及終軋板析出相掃描顯微電鏡分析照片及成分分析結果見圖5。如圖5所示,A板中析出相分布不均勻,且大量聚集在晶界處,而B板中析出相減少且不易聚集,分布彌散、均勻,多以釘扎的形式出現(xiàn)在晶界及晶粒內(nèi)部。由箭頭所指區(qū)域析出相成分分析結果可知,同種情況下,B板中Al和Zn的成分比例明顯減少,Mg元素含量增大,更接近于基體成分,固溶度較大。

2.3 力學性能及加工性能分析

圖4 A板和B板第五道次軋制后各方向的金相組織Fig.4 MetallographsofAandBcast-rollingplatesindifferentdirectionsafterfifth-passrolling:(a)PlateA,surface;(b)PlateA,crosssection;(c)PlateA,longitudinalsection;(d)PlateB,surface;(e)PlateB,crosssection;(f)PlateB,longitudinalsection

圖5A板和B板析出相分布的SEM像及EDS分析結果Fig.5 SEMimagesshowingdistributionofprecipitatesinAandBplatesandEDSresults:(a)PlateA,cast-rollingplate;(b)Plate B,cast-rollingplate;(c)PlateA,finishedplate;(d)PlateB,finishedplate

常規(guī)及復合能場鎂合金板帶軋制前后抗拉強度、屈服強度和伸長率分別在與軋制方向成0°、45°及90°方向上的變化見圖6。由圖6可知,初始狀態(tài)下復合能場鑄軋板3個方向上的平均抗拉強度、屈服強度以及伸長率分別比常規(guī)鑄軋板的提高10.58%、12.84%和52.17%,而終軋成品板的抗拉強度、屈服強度及伸長率分別比常規(guī)鑄軋板的提高了10.45%、20.56%和65.25%。

圖6 分別與軋制方向成0°、45°及90°時A、B板材的力學性能Fig.6 MechanicalpropertiesofAandBplateatangleswith rollingdirectionof0°,45°and90°:(a)Tensilestrength;(b)Yieldstrength;(c)Elongation

經(jīng)五個道次軋制后,可明顯觀察到A板顏色暗淡、無金屬光澤且邊緣出現(xiàn)少許開裂,而B板顏色較亮、開裂現(xiàn)象明顯減輕(形貌見圖7)。另外,與初始板對比,采用相同軋制工藝經(jīng)五道次軋制后,A、B終軋板的平均抗拉強度、屈服強度及伸長率分別提高了16.02%、24.19%、71.01%和15.87%、36.01%、85.71%,除抗拉強度的改善較小之外,B板其他性能的提高效果均優(yōu)于A板的。

圖7 A和B終軋板邊部裂紋圖Fig.7 Edgecrackphotosoffinishedplate:(a)Aplate;(b)B plate

鎂合金板材在三點彎曲試驗機上進行彎曲試驗,測試結果如表3所列。由表3可知,在鑄軋和終軋兩種狀態(tài)下,B板抗彎強度及最大撓度均較大,而最大彎曲抗力均較小。變形抗力小使板材易于加工,且可減少加工工具磨損;而當抗彎強度和最大撓度大地,板材彎曲性能好,開裂傾向顯著減小,從而降低加工成本。

3 分析與討論

3.1 復合能場對鎂合金微觀組織的影響

鎂熔體在電磁場攪拌過程中,受徑向擠壓及切向變形作用,各部位產(chǎn)生小位移震蕩,粗大枝晶在不斷震蕩與相互擠擦中被剪斷并破碎,抑制了枝晶臂的進一步生長。提高形核率,運動狀態(tài)由簡單變?yōu)閺碗s且無規(guī)律,這種運動狀態(tài)使鎂溶液在型壁處冷卻,從而使凝固持續(xù)進行。另外,熱金屬自溶體中心區(qū)域被帶回,結晶前沿重新融化,從而使整體溫度分布均勻,促進微觀組織均勻分布。電磁攪拌力作用范圍廣,攪拌可使能場的作用傳遞到整個區(qū)域。引入超聲波后,一方面,熔體在震動過程中產(chǎn)生大量微小空化泡,其在超聲波傳遞過程中承受壓力并破裂,粗大晶粒在沖擊波中破碎,晶核大量增殖,未破碎部分經(jīng)塑性變形后,枝晶網(wǎng)胞大幅度退化;另一方面,位于結晶壁處的晶核受震動作用脫離結晶壁,并均勻分布在熔體內(nèi)部,成為新的形核質(zhì)點,細化晶粒。超聲波作用過程中,不斷生成的能量可以補充重新形核產(chǎn)生新界面時的能量損失,提高形核率。在復合能場的共同作用下,兩類能場相互疊加、協(xié)調(diào)產(chǎn)生作用,使震動及攪拌效果得以加強,在電磁震蕩中,鎂溶液中粗大晶粒被不斷破碎,形核率大幅提高的同時,超聲波不斷補給形核時的能量損失,并使溫度場分布均勻,晶核數(shù)增加,再結晶充分進行,晶粒顯著細化且均勻分布。

表3 A板和B板拉伸性能測試結果Table3 TensiletestresultsofAandBplate

若析出相分布過于集中,基體相的連續(xù)性遭到破壞,容易造成應力集中,影響合金的塑性,而彌散分布的析出相可使合金承受較大的變形,塑性提高,并強化合金,因此,在鎂合金板材的生產(chǎn)中應盡可能使析出相細化且彌散分布。添加電磁超聲復合能場后,在攪拌及震動作用下,析出相彌散分布,很好地滿足了此要求。

3.2 復合能場對鎂合金力學性能及加工性能的影響

相同條件下,由于鎂溶液始終處于復合能場的攪拌與震動中,凝固前沿的溫度場和流動場受到影響,且粗大晶粒被破碎,團聚形式變?yōu)榫鶆蚍植迹魏寺侍岣?。析出相減少且彌散分布在基體相中,起到釘扎作用,強化鎂合金,并可保持基體相的完整性和連續(xù)性不被破壞,不易形成應力集中。綜上所述可知,通過改善鎂合金板材的微觀組織可提高力學性能,一方面,圓滑、細小晶粒的晶界易發(fā)生滑動、轉動及移動,參與塑性變形;另一方面,屈服強度隨晶粒尺寸減小而增大,其關系可用Hall-Petch公式表示:

式中:2.0σ為材料屈服強度;d為晶粒平均直徑;0σ為晶格摩擦力;K為Petch斜率;0σ和K均為與材料相關的常數(shù)[10]。此外,晶粒越細小、晶界越曲折,可阻礙裂紋沿晶界的傳播。在相同加工條件下,降低彎曲變形抗力,提高抗彎強度及最大撓度,減輕板材裂紋傾向,從而減少材料及工具損耗,提高成品率,克服鎂合金難加工及成本高的缺陷,使其加工和應用空間更加廣泛。

4 結論

1)電磁超聲復合能場可有效細化晶粒,使之均勻分布,并在鎂合金板帶鑄軋及整個深加工過程中晶粒細化效果更加顯著。常規(guī)鑄軋板及經(jīng)一、三、五道次軋制后的板材晶粒尺寸分別為90~105μm、75~85μm、60~70μm、40~50μm;而在相同條件下,添加復合能場軋制后,其晶粒尺寸分別為60~70μm、55~60μm、25~30μm、15~20μm,觀察整個組織演變過程,復合能場板帶晶粒尺寸減小約75%,而常規(guī)板帶僅細化50%左右。

2)復合能場使析出相彌散、均勻分布在晶界及晶粒內(nèi)部,而常規(guī)鎂合金板材析出相多以團聚形式聚集在晶界處。

3)復合能場可大幅提高AZ61鎂合金板帶力學性能。相對常規(guī)鑄軋板而言,復合能場鑄軋板的抗拉強度、屈服強度及伸長率分別提高了10.58%、12.84%和52.17%,而終軋成品板的分別提高了 10.45%、20.56%和65.25%,除抗拉強度外,加工完成的復合能場板帶屈服強度及伸長率的提升率均大于常規(guī)板帶的。

4)復合能場可改善AZ61鎂合金板材彎曲加工性能。與常規(guī)鑄軋相比,復合能場鑄軋板軋制后裂紋傾向小,且抗彎強度、最大撓度較大,彎曲抗力較小,可減少加工過程中材料及工具磨損。

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