变质处理对MB 2镁合金挤压变形前后组织与性能的影响
赵 洋 李光玉 胡尚伟(吉林大学通信工程学院)
摘 要 通过加入稀土及其他合金元素对MB2镁合金铸锭进行复合变质处理,随后在330℃下进行挤压成形,得到强度高、塑性变形性能优良的镁合金型材,并采用金相显微镜、图像分析系统及M TS 2810材料测试系统等分析了变质元素对镁合金组织性能的影响。结果表明,变质处理可以使β2Mg 17Al 12相由原来的连续网状分布变为分散的粒状分布,并使铸态
MB2镁合金的晶粒由原来的100～200μm 细化到约15～35μm ;挤压变形后变质的MB2镁合金晶粒进一步细化到5～10
μm 左右,合金的抗拉强度和伸长率分别由原来的247MPa 和13%提高到312MPa 和22%。
关键词 MB2镁合金;变质处理;挤压变形;显微组织;力学性能;中图分类号 T G 146.2+2;T G249.2 文献标志码 A 文章编号 1001-2249(2008)06-0439-03
收稿日期:2008206203
基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2004CB619301);吉林大学985汽车工程计划资助项目及校内创新基金资助项目
第一作者简介:赵洋,1986年出生,男,本科生,吉林大学通信工程学院,长春(130022)电话:0431-********,E -mail :fxt4379214@https://www.doczj.com/doc/7f9598179.html, 通讯作者:李光玉,男,副教授,吉林大学材料科学与工程学院,长春(130022),E -mail :guangyu @https://www.doczj.com/doc/7f9598179.html,
随着节能、减排、材料轻量化和薄壁化的需求日益迫切,研究和开发新型镁合金及其塑性加工技术倍受关注[1～3]。在镁合金[如Mg 2Al 2Zn (A Z )系和Mg 2Zn 2Zr (ZK )系]挤压变形的研究中发现,经挤压变形后其强度和塑性虽然都得到相对提高,但是在大变形量挤压复杂件时,现有的镁合金在变形加工过程中容易开裂,塑性变形能力尚无法满足加工要求,为此人们开展了大量的研究和探索。在镁合金中添加稀土元素有利于改善镁合金的铸造组织和微观结构,可明显提高合金的室温强度和塑性变形能力[4,5]。针对镁合金在复杂变形下易开裂的缺点,本课题通过在A Z31镁合金中加入稀土及其他合金元素进行复合变质处理,细化合金组织,改变第二相的形态和分布,并适当优化和控制挤压工艺,得到了具有复杂挤压变形能力的高性能镁合金,并对变质镁合金挤压前后的显微组织和力学性能进行了系统的试验研究。
1 试验材料和方法
试验合金在电阻炉中由MB2镁合金+富Ce 混合
稀土+其他合金元素(SE )制备而成。采用气体保护法熔炼,用石墨型浇注成<90mm 的圆锭。合金的化学成分见表1。
表1 试验合金的化学成分
%
w B
合金
Al Zn Mn Si RE SE Mg
1号(未变质) 3.00.80.250.0200剩余2号(变质)
3.0
0.8
0.25
0.02
1.2
0.5
剩余
铸锭经400℃×15h 的均匀化退火处理后剥去其
表面的氧化层,然后将其重新加热到330℃,在6300kN 卧式挤压机上挤压成形,挤压参数见表2。在挤压
过程中,坯料由于剧烈变形而释放的热量使坯料和模具的温度升高。
表2 试验合金的挤压工艺参数
挤压温
度/℃
坯料预热温度/℃
模具预热温度/℃
坯料预热时间/min
挤压速度/(m ?min -1)
330
310
310
100
30
为保证在变形过程坯料和模具保持在预定温度范
围内,坯料和模具预热温度比挤压温度低20℃。将1号、2号铸态和挤压态合金分别制成金相和拉伸试样。采用Olymp us PM G3金相显微镜进行显微组织观察分析。用M TS 810122M 电液伺服材料试验系统进行力学性能测试。
2 试验结果及分析
2.1 复合变质处理对MB2镁合金铸态及均匀化退火
态组织的影响
图1是未变质与变质镁合金试样铸态及均匀化退火态下的显微组织形貌。未变质的1号铸态镁合金组
织由基体α2Mg (初生相)和β2Mg 17Al 12、τ2Al 2Mg 2Zn 3
相等(共晶相)组成,共晶相呈连续的网状分布在α2Mg 晶界上,由于Mg 2Al 2Zn 系合金的固液两相区范围较大,合金液在石墨型中非平衡凝固,形成图1a 所示的组织形态。图1b 是经过复合变质处理的2号镁合金的铸态组织,可见通过RE 和合金元素(SE )的复合变质作用使共晶相中的β2Mg 17Al 12相由原来的连续网状分布变为断续的蠕虫状和粒状,离散地分布于晶界周围。研究表明,RE 及合金元素SE 均可与Al 形成高熔点的Al 2RE 相及Al 2SE 相,合金凝固时这些相将首先结晶析出,作为α2Mg 及β2Mg 17Al 12相的异质核心,使合金显微组织得到细化[6]。而稀土作为活性元素,凝
9
34压力铸造特种铸造及有色合金 2008年第28卷第6期
(a )1号未变质合金铸态组织(b )2号变质合金铸态组织(c )1号合金均匀化退火组织(d )2号合金均匀化退火组织
图1 变质与未变质合金铸态及均匀化退火态显微组织
固时可能富集在晶粒边界,阻碍主晶相(α2Mg )的长大,并导致固液界面附近的成分过冷加剧,改变Mg 2Al 共
晶生长方式,造成离异共晶(见图1b )。众所周知,非平衡凝固的铸态合金偏离平衡状态,成分偏析和共晶脆性相的存在使材料塑性降低,挤压力升高,且易发生过烧和开裂现象,故在挤压变形前应对铸锭进行均匀化退火处理。图1c 、图1d 是未变质与变质合金均匀化处理后的组织,可见经400℃×15h 的均匀化退火处理后,铸
锭中β2Mg 17Al 12、τ2Al 2Mg 2Zn 3等共晶相基本溶入α2Mg
基体中,未变质的镁合金略有粗化,晶粒尺寸为100～200μm ;而变质镁合金的晶粒则明显细化,尺寸仅为15～35μm 。原因一方面是变质合金的铸态原始组织较细,另一方面则是加入变质剂形成的Al 4Ce 等高熔点稀土相质点阻碍了热处理过程中晶粒的粗化和长大。总之,复合变质处理可使镁合金铸态组织中初生α2Mg 晶粒细化,造成离异共晶,改变第二相粒子的形态和分布,提高铸锭的冶金质量。在均匀化热处理过程中,变质造成的晶粒细化可缩短晶间相固溶时原子的扩散距离,提高热处理效率,同时还能有效抑制晶粒的粗化和长大。2.2 复合变质处理对MB2镁合金挤压态显微组织的
影响
图2为不同挤压比下2号变质镁合金的挤压态组
织。从图2中可以看出,热挤压过程中发生了动态再结
晶,晶粒得到有效的细化,挤压比为33%～35%时,晶
粒尺寸细化到5～10μm ,且存在大量的变形孪晶。按照“堆垛层错能”理论,金属再结晶过程分为形核和长大两个阶段。铸态MB2镁合金经过大量变形容易形成平行纤维组织,在挤压应力和挤压热的作用下,首先沿晶界形成亚结构,进而通过亚晶合并机制形成细小的大角度晶粒;随后,通过晶界迁移,亚晶进一步合并和转动,发生动态再结晶,最终形成细小的大角度晶粒。另外稀土相在挤压过程中对晶界的钉扎作用也可阻碍晶粒的长大,在一定程度上促进了晶粒的进一步细化[7]。试验过程中发现,在一定范围内,随着挤压比增大,晶粒尺寸减小,由于变形量的增大,晶粒组织畸变能增加,导致形核率提高且大于晶粒长大速率,从而细化晶粒,Tsuto 2mu Murai 和汪凌云等人也证明了这一点[8,9]。当挤压比超过一定范围后,由于坯料剧烈变形而释放的热量使其自身的温度过度上升,将导致再结晶晶粒的快速长大(见图2d ),这表明挤压比有一个最佳控制范围,适当优化挤压工艺参数对于提高镁合金综合性能具有重大的意义。
2.3 不同挤压比对MB2镁合金力学性能的影响
图3为1号和2号镁合金拉伸时应力2应变曲线,可以看出经变质处理的变形镁合金(2号)的抗拉强度和伸长率均有很大提高。原MB2
镁合金型材的抗拉强
(a )挤压比为28%(b )挤压比为33%(c )挤压比为35%(d )挤压比为52%
图2 变质MB2镁合金挤压态组织
44特种铸造及有色合金 2008年第28卷第6期
度为247M Pa ,伸长率为13%。变质处理后的MB2镁
合金当挤压比为28%时,抗拉强度为265M Pa ,伸长率达到22%,挤压比为33%时,抗拉强度可以达到312M Pa ,伸长率仍保持在22%;与传统的MB2镁合金挤压型材相比,抗拉强度提高了26%,伸长率增加了6912%。
图3 试验合金的应力2应变曲线
Mg 的Hall 2Petch 系数K y 是Al 的411倍[10]
,因
而镁合金的细晶强化效果显著。复合变质处理对合金
铸态及均匀化退火后的晶粒组织均有明显的细化作用,在热挤压过程中合金组织发生再结晶,生成更为细小均匀的晶粒组织。晶粒越细小,单位体积内晶粒数目越多,可使变形分散在更多的晶粒内进行,拉伸时不均匀变形程度减小,可使位错滑移程及位错塞积群长度缩短,减小晶界附近的应力集中,使晶粒转动和晶界滑移变得容易,晶粒变形得到协调而趋于均匀;同时,晶粒细化还能激活镁合金中棱柱面和锥面等非基面滑移系,从而使镁合金的强度与塑性得到了明显提高。当挤压比为52%时,由于剧烈变形而释放的热量使坯料的温度升高,再结晶晶粒有所长大,反而不利于综合性能的改善。为了验证变质处理和优化挤压参数的综合效果,用MB2镁合金做了自行车轮辋的挤压卷圆试验,图4为1号MB2镁合金和2号镁合金经挤压卷圆制成的轮辋表面状态。1号MB2镁合金由于塑性变形能力较差,经过挤压卷圆形成的轮辋出现了一些周期性裂纹,而经过变质处理的2号镁合金挤压卷圆后轮辋表面光滑无裂纹,相对于前者,强度和塑性都得到有效提高
。
(a )1号镁合金(b )变质2号镁合金
图4 未变质与变质MB 2镁合金挤压卷圆形成的自行车轮辋
3 结论
(1)复合变质处理改善了MB2镁合金的显微组
织,使MB2镁合金铸态的晶粒尺寸从100～200μm 细
化到15～35μm ,β2Mg 17Al 12共晶相由原来的连续网状
分布变为离散的粒状分布。
(2)与普通MB2镁合金挤压型材相比,变质处理MB2镁合金挤压后的抗拉强度和伸长率均有很大提高。当挤压比为33%时,抗拉强度可以达到312M Pa ,伸长率达到22%,抗拉强度提高了26%,伸长率增加了6912%。
(3)原MB2镁合金经过挤压卷圆形成的自行车轮辋会产生一些周期性裂纹,而经过变质处理的镁合金挤压卷圆后轮辋表面光滑无裂纹,复杂变形能力明显提高。
参 考 文 献
[1] 余琨,黎文献,李松瑞.变形镁合金材料的研究进展[J ].轻合金
加工技术,2001,29(7):629.
[2] MIYA HARA Y ,Z HORITA ,T G L AN GDON.Exceptional super
plasticity in an AZ61magnesium alloy processed by extrusion and ECAP[J ].Materials Science and Engineering ,2006,A420:2402
244.
[3] 于宝义,包春玲,宋鸿武,等.挤压AZ91D 合金管件组织和力学性
能的研究[J ].特种铸造及有色合金,2006,26(4):2232225.
[4] KOJ IMA Y.Platform science and technology for advanced magne 2
sium alloy[J ].Mater.Science Forum ,2000,3502351:3212.[5] 王少武,夏长清,吴安如.稀土铈对AZ31镁合金显微组织和力学
性能的影响[J ].矿冶工程,2006,26(04):76278.
[6] BUSSIA A ,BEN AR TZY A ,SHA TMCHMAN A.Grain refine 2
ment of AZ31and ZK60Mg alloys towards superplasticity studies [J ].Materials Science and Engineering ,2001,A302:56262.[7] 王斌,方西亚,易丹青,等.稀土元素钇和铈对Mg 2Zn 2Zr 系合金组
织和性能的影响[J ].机械工程材料,2005,29(12):17220.
[8] 黄光胜,汪凌云,黄光杰.镁合金挤压材的组织演变[J ].轻合金加
工技术,2004,32(9):35237.
[9] MU RAI T ,MA TSUO KA S ,MIYAMO TO S ,et al.Effect s of ex 2
trusion conditions on microstructure and mechanical properties of AZ31B magnesium alloy extrusions [J ].Journal of Materials Pro 2cessing Technology ,2003,141(2):2072212.
[10] KUBO TA K ,MABUCHI M ,HIGASHI K.Review processing
and mechanical properties of fine 2grained magnesium alloys [J ].Journal of Materials Science ,1999,34(10):431124320.
(编辑:袁振国)
《有色金属行业职业技能竞赛技术规程》出炉
为加强对有色金属行业职业技能竞赛工作的技术指导,规范有色金属行业职业技能竞赛活动,保证有色金属行业职业技能竞赛活动健康、有序开展,根据原劳动和社会保障部的有关规定,中国有色金属工业协会研究制定了《有色
金属行业职业技能竞赛技术规程》(试行)(以下简称《规程》),并于近日下发了《关于印发〈有色金属行业职业技能竞赛技术规程〉(试行)的通知》。《规程》共分总则、竞赛类
别、组织机构、备案立项、组织实施、活动程序、激励政策等
9章46条。《规程》适用于有色金属行业的企业承办国家
级二类竞赛、联合主办行业(含中央企业集团)级竞赛和自行主办大型企业集团公司级竞赛的活动及其管理。
(摘自《中国有色金属》网)
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44变质处理对MB2镁合金挤压变形前后组织与性能的影响 赵 洋等
sp heroidized fine micro st ruct ure wit h dispersive dist ri2
bution can be p repared by cont rolling melt tempera2 t ure less t han650℃and rotating speed of sp reading
machine at700～1000r/min as well as temperat ure of making2chamber less t han300℃and melt injection at
in range of6kg/min～12kg/min.
K ey Words:Semi2solid Slurry,Melt Spreading and Mixing Method,Microstructure
E ffects of Modif ication on the Microstructure and Prop2
erties of MB2Magnesium Alloy B efore and After Defor mation Zhao Ya ng,Li Gua ngyu,Hu Sha ngwei (School of Communication Engineering,Jilin U niver2 sity,Changchun,China)2008,28(6)439～441
Abstract The MB2magnesium alloy p rofile bar wit h high st rengt h and plasticity which was modified by Re and some special element s was prepared by ext ruded forming at330℃.Effect s of modification element s on microst ruct ure and properties of t he Mg alloy p rofile bar before and after deformation was observed by opti2 cal micro scope(OM),image analysis system and M TS2810materials testing system.The result s reveal t hat t he morp hology ofβ2Mg17Al12p hase is converted
f rom t he continuous net2like st ruct ure into dispersive particles and t he grain size is decreased f rom100～200μm to15～35μm in t he modified magnesium alloy. The grain size of t he modified MB2magnesium alloy after deformatio n is f urt her refined to5～10μm,and tensile strengt h and elongation are remarkably in2
creased f rom247M Pa and13%to312M Pa and22%, respectively.
K ey Words:MB2Magnesium Alloy,Modif ication,Mi2 crostructure,Mechanical Properties
Prevention and Eli mination of Some Typical Defects in Squeezing C asting Aluminum Alloy Components Liu Li2 uf a1,Zha ng Caiping2,Zhai Chunqua n1(1.School of Materials Science and Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai,China; 2.State Engineering Research Center for Light Alloy Precision Forming of Shanghai,Shanghai,China)2008,26(8)442～444 Abstract Preventio n and elimination ways of typical de2 fect s in squeezed aluminum alloy castings were ap2 proached by analyzing t he origination and feat ures of t he defect s.Sequential solidification of liquid metal f rom far2end to ingate and f rom key location to non2 key location should be ensured as po ssible in design of squeezing casting and mould.The refinery and degas2 sing of liquid metal should be st rictly controlled to a2 void t he excessive hydrogen2absorption in holding. Slowly filling velocity should be adopted as possible to ensure t he smoot h filling of liquid metal and to re2 strain air2ent rapped.The near eutectic alloy should be selected in squeezing casting p rocess.The lower squeezing forces should be adopted as possible under t he condition of ensuring sound microst ruct ure.The holding time of liquid metal in holding f urnace should be st rictly cont rolled,and so on.
K ey Words:Squeezing C asting,Aluminum Alloy,Q ual2
ity Management,Defect Prevention
Movement and Forces Characteristics of Double-toggle Clamping Mechanism in Die C asting Machine X io ng Wa nchun,J in Zhiming,Xue Ping(College of Me2 chanical and Elect rical Engineering,Beijing U niversity of Chemical Technology,Beijing,China)2008,28(6) 445～447
Abstract The movement and forces characteristics of double-toggle clamping mechanism in die casting ma2 chine were investigated including t he relationship of geometry size and po sition of do uble-toggle clamping mechanism wit h mould plate st roke and it s speed as well as t he amplification ratio of clamping forces.The formulas for calculating t he clamping st roke and t he cylinder st roke and for estimating t he amplification of clamping forces have been derived based on t he move2 ment p rinciple of mechanism.The result s reveal t hat t he ratio of clamping stroke&cylinder speed and t he amplification of clamping forces,which are two impor2 tant factors of clamping mechanism,are closely relat2 ed to t he geomet ry dimension and position of double2 toggle mechanism.
K ey Words:Die C asting Machine,Clamping Mecha2 nism,Movement Characteristics,Force Characteristics Microstructure and Mechanical Properties of Die C ast Mg28Al2x Nd Magnesium Alloy Wu Wei,Chen Wei, Chen Lijia,Zhao Bo,Xu Ya nwu,Liu Zheng(School of Materials Science and Engineering,Shengyang U ni2 versity of Technology,Shenyang,China)2008,28(6) 448～450
Abstract Microst ruct ure and mechanical properties of Mg28Al2x Nd alloy wit h different Nd content p repared by EVO.53D cold chamber press at room and elevated temperat ure were investigated by an optical micro2 scope and tensile testing.The result s indicate t hat t he microst ruct ure of die cast Mg28Al alloy wit h t he p re2 cipitation p hase can be refined wit h Nd addition.The highest tensile st rengt h and yield st rengt h can be ex2 amined wit h0.5%Nd content.Tensile st rengt h and elongation of t he die cast Mg28Al alloys can be in2 creased by more t han10%and by more t han43%,re2 spectively,wit h adding Nd after tensile testing at150℃.
K ey Words:Die C ast Magnesium Alloy,Nd,Micro2 structure,Mechanical Properties
Present Status and Future of Die C asting Industry in Chongqing Qi a n Ha ncheng1,2,Wa ng G o ngping2, Zha ng Ka ngyo u3(1.Branch of Foundry Society,Me2 chanical Engineering Society of Chongqing, Chongqing,China; 2.Chongqing Foundry Associa2 tio n,Chongqing,China; 3.Chongqing Yujiang Die Casting Lt d.,Co.,Chongqing,China)2008,28(6) 451～453
Abstract The present stat us,f ut ure and developing st rategy of die casting indust ry in Chongqing were sur2 veyed.There were die casting machine more t han1050 wit h t he p roduction volume of die castings more t han 320000tons in2007.The die casting indust ry in Chongqing will be increasingly developed wit h a higher velocity wit h t he develop ment of motorcycle,automo2 bile and communication industry.Die casting enterpri2 ses should build R&D center to meet t he demand from t he market.In addition,t he enterprises should estab2
Ⅲ