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稀有金属 2018,42(02),139-145 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy16090031
AZ80镁合金轮毂强力旋压工艺及组织性能研究
曹振 王旭东 董杰 王锋华 王胜强
北京航空材料研究院
北京市先进铝合金材料及应用工程技术研究中心
上海交通大学材料科学与工程学院轻合金精密成型国家工程研究中心
摘 要:
采用强力旋压技术对AZ80镁合金轮毂坯料进行了减薄, 研究了旋压温度、旋轮进给比和壁厚减薄率对AZ80镁合金轮毂的旋压成形性、微观组织和机械性能的影响。结果发现:当旋压温度为420℃, 进给比为0.1 mm·r-1时, 旋压轮毂可获得较优的旋压成形性和均匀的微观组织;旋压温度从300℃升高到420℃时, 由于发生动态再结晶的组织增多, 晶粒尺寸增大且组织更为均匀;进给比对旋压工件显微组织的影响并不显著, 随着旋压时进给比增大, 晶粒尺寸有轻微程度地降低;减薄率的提高会使晶粒尺寸明显下降且平均硬度值上升。此外, 电子背散射衍射 (EBSD) 结果显示, 轮毂坯料经过加热旋压后大部分晶粒的c轴与径向近似平行, 但部分晶粒的取向朝轴向发生了轻微偏转。当旋压采用50%的减薄率时, 可获得较好的力学性能:屈服强度 (YS) 、抗拉强度 (UTS) 和延伸率分别为169, 312 MPa和14.1%, 相对于铸态组织分别提高了181%, 160%和182%。
关键词:
镁合金;强力旋压;微观组织;力学性能;
中图分类号: TG306
作者简介:曹振 (1989-) , 男, 河北沧州人, 硕士, 工程师, 研究方向:金属基复合材料;E-mail:caozhen917@163.com;;王旭东, 高级工程师;电话:010-62496433;E-mail:netfacn@163.com;
收稿日期:2016-09-21
基金:国家自然科学基金项目 (51374187, 51404221) 资助;
Microstructure and Mechanical Properties of Magnesium Alloy AZ80 Wheel Fabricated by Power Spinning
Cao Zhen Wang Xudong Dong Jie Wang Fenghua Wang Shengqiang
Beijing Institute of Aeronautical Materials
Beijing Engineering Research Center of Advanced Aluminum Alloys and Application
National Engineering Research Center of Light Alloy Net Forming, School of Materials Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University
Abstract:
The power spinning of AZ80 alloy wheels was conducted innovatively. The effects of processing parameters including spinning temperature, feed ratio and thickness reduction on the deformation ability, microstructures and mechanical properties were investigated. The results showed that a good spinning ability and microstructure could be obtained when the spinning was carried out at a temperature of 420 ℃ and a feed ratio of 0. 1 mm·r-1. With the deforming temperature increasing from 300 to 420 ℃, the grain size increased and a more uniform microstructure was obtained induced by a larger extent of dynamic recrystallization. The variation of feed ratio had a slight influence on the microstructure. A larger feed ratio led to a finer microstructure. The grain size decreased and the microhardness increased significantly with increasing thickness reduction. Moreover, the electron backscatter diffraction (EBSD) results showed that the c-axes of most grains were approximately parallel to the radial direction, and some of them had a slight deflection towards the axial direction. Furthermore, a yield strength (YS) of 169 MPa, an ultimate tensile strength (UTS) of 312 MPa and an elongation of 14. 1% were obtained when a thickness reduction of 50% was adopted. Compared to the as-cast blank, the YS, UTS and elongation increased by 181%, 160% and 182%, respectively.
Keyword:
magnesium alloy; power spinning; microstructure; mechanical properties;
Received: 2016-09-21
汽车的轻量化研究是目前汽车工业发展的一个重要方向。作为新型轻质结构金属材料, 镁合金具有低密度、较高的比强度和比刚度、良好的铸造性能、出色的减震性和机加工性能, 在汽车和航空航天领域具有极其广泛的应用前景[1,2,3,4,5]。金属旋压技术作为一种回转体塑性成形技术, 可以通过较小的成形力实现较大的变形, 从而实现壁厚减薄以提高其力学性能[6,7,8]。采用强力旋压工艺制造的汽车轮毂具有力学性能良好、重量轻和产品美观等特点, 逐渐成为现代汽车轮毂的发展的方向[9]。目前旋压工艺主要关注铝合金车轮的研发和制造, 极少涉及镁合金旋压技术在轮毂上的应用。Cao等[10]对AZ80镁合金筒形件进行了强力热旋压工艺研究, 得到了优化的旋压工艺参数, 并使得铸态镁合金力学性能大幅提高。本文采用加热强力旋压技术, 对铸态AZ80镁合金轮毂坯料进行减薄, 研究了不同旋压工艺参数如旋压温度、旋轮进给比和壁厚减薄率对于AZ80镁合金轮毂强力旋压成形性及组织性能的影响。
1实验
1.1材料
实验在本实验中, Mg-8.5Al-0.5Zn-0.2Mn (AZ80) 镁合金的原始材料为半连续铸造的圆锭, 直径为200 mm。将圆锭机加工成旋压轮毂的坯料, 坯料经过413℃×10 h退火处理, 并在100℃的水中淬火冷却, 退火后的显微组织如图1所示。由图1可知, AZ80镁合金旋压坯料的组织比较粗大, 其平均晶粒尺寸在500μm左右, β-Mg17Al12相基本溶于α-Mg基体中, 初始晶粒上分布着一些深色的含锰的第二相。此时, 坯料的拉伸力学性能为:屈服强度 (yield strength, YS) 60 MPa, 抗拉强度 (ultimate tensile strength, UTS) 120 MPa, 延伸率为5.0%, 显微维氏硬度为HV 60.5。
图1 AZ80镁合金坯料的金相组织Fig.1 OM images of initial microstructure of AZ80 magnesium alloy
1.2方法
轮毂旋压坯料的尺寸和形状如图2 (a) 所示, 为节省原料, 采用了8.5英寸的轮毂坯料, 其中坯料的最大直径为214 mm。旋压之前, 将旋压轮毂坯料在箱式加热炉中预热, 随后保温90 min, 采用电加热管和温度控制仪将旋压模具的温度加热到400℃。旋压采用单旋轮数控旋压机床, 旋压时轮毂坯料在内模和尾顶的带动下沿切向 (tangential direction, TD) 旋转, 同时旋轮沿着轴向 (axial direction, AD) 向进给, 实验过程如图2 (b) 所示。径向方向 (radial direction, RD) 为与切向和轴向所形成的平面垂直的方向。实验温度采用激光测温计进行检测, 温度的误差可控制在±10℃以内, 实验的所用的润滑剂为机油和石墨组成的混合润滑剂。旋压成形后立即在热水中淬火处理。
在实验中选取实验温度、进给比和减薄率作为研究变量, 采用主轴转速均为400 mm·min-1, 探究不同的旋压工艺对于AZ80镁合金轮毂的旋压成形性以及微观组织和力学性能的影响。其中减薄率ψ由式 (1) 决定:
式中, t0为工件初始的平均厚度, t为旋压后工件的平均厚度。AZ80镁合金轮毂坯料的平均壁厚为12 mm, 减薄率为25%时, 道次压下量为3 mm, 实验中两道次减薄率为50%的旋压工艺为:第一道次和第二道次的压下量均为3 mm, 具体的工艺参数如表1所示。
图2 轮毂旋压坯料和旋压实验示意图Fig.2 Blank (a) and schematic diagram (b) of power spinning
表1 研究中采用的轮毂旋压工艺参数Table 1 Process parameters employed in wheel spinning 下载原图
表1 研究中采用的轮毂旋压工艺参数Table 1 Process parameters employed in wheel spinning
拉伸试验在Zwick/Roell-Z100型材料拉伸试验机上完成, 拉伸试样沿旋压轮毂AD方向取得, 拉伸速率为1 mm·min-1, 标距为20 mm。金相组织观察在蔡司公司产型号为Zeiss Axio Observer A1的光学显微镜 (OM) 上进行, 观察面为旋压变形后坯料的AD-RD平面。晶粒取向分布和织构分析采用电子背散射衍射 (electron backscatter diffraction, EBSD) 完成, EBSD分析在Quanta FEG 250扫描电镜的TSL探头上完成, 样品倾斜角为70°, 加速电压为20 k V, 扫描步长为1.5μm。采用OIM软件对花样进行标定从而获得相关样品的晶体学信息, 最终处理成织构和反极图 (inverse pole figure, IPF) 等。硬度测试在HX-500型维氏硬度计上进行, 负荷采用200 g, 保荷时间为15 s。
2结果与讨论
2.1 AZ80镁合金轮毂旋压的成形性
图3显示了表1中不同工艺参数下旋压轮毂的照片。当旋压温度为300℃时, 旋压轮毂在底部产生了较小的裂纹, 而旋压温度为420℃时轮毂可顺利成形。在采用较小的进给比 (0.07 mm·r-1) 和较大的进给比 (0.15 mm·r-1) 时, 轮毂均在底部出现裂纹。另外, 减薄率为50%时, 单道次旋压的轮毂直接在旋轮和坯料接触的区域发生了轴向断裂, 坯料裂为两个部分。而采用两道次成形的轮毂则成形良好, 未看到明显裂纹, 且表面光洁度较高。
2.2 旋压温度对组织和性能的影响
镁合金由于其密排六方的晶体结构, 室温变形时能够启动的滑移系有限, 室温下塑性较差, 但是, 当在镁合金的再结晶温度以上时, 许多滑移系开始启动, 镁合金展示出较好的塑性变形能力, 因此旋压成形温度对于镁合金旋压轮毂的组织和性能有着重要的影响[11,12,13,14]。图4为不同工艺参数下的AZ80镁合金轮毂旋压后的金相组织。从图4中可见在300℃ (Sample 1) 时, 旋压组织的出现变形剪切带, 由于初始晶粒尺寸较大, 组织在经过剧烈的旋压变形时收到较大的剪切力的作用, 变形无法单靠滑移协调而发生孪生。孪晶区域是储能较高的区域, 因而动态再结晶容易在孪晶处发生, 从而导致剪切带在发生孪生的位置出现并呈现出非常多的小晶粒, 部分晶粒尺寸接近1μm, 组织再结晶程度不完全, 尺寸不均匀, 大部分晶粒的尺寸约为10μm, 同时也夹杂个别尺寸接近40μm的较大晶粒。当温度提高到420℃ (Sample 2) 时, 晶粒尺寸增大, 平均晶粒尺寸为27μm。整体的组织更加均匀, 再结晶程度较为完全, 同时组织中有个别较为粗大的晶粒出现 (尺寸约为70μm) 。
图3 不同工艺下AZ80镁合金旋压轮毂的宏观照片Fig.3 Macroscopic appearance of AZ80 Mg alloy wheels after power spinning
(a) Sample 1; (b) Sample 2; (c) Sample 3; (d) Sample 4; (e) Sample 5; (f) Sample 6
图4 不同工艺参数下的AZ80镁合金轮毂旋压后的金相组织Fig.4 OM images of spun AZ80 alloy wheels with different process parameters (Sample 1~4, 6)
表2所示为不同工艺参数下旋压轮毂轴向的拉伸力学性能。可以看到, 经过旋压后工件的拉伸力学性能相对于铸态组织均有了明显的改善。从温度角度来看, 尽管300℃下晶粒更为细小 (Sample 1) , 但是相较于420℃时的试样 (Sample 2) , 其再结晶程度不完全, 晶粒尺寸不均匀, 且微观组织中还存有一部分孪晶出现, 因而导致其延伸率较低。同时, 当温度升高时, 其屈服强度有一定的下降, 从300℃时的176 MPa降到420℃时的145MPa。此外, 从图2中可见, 300℃时旋压工件在靠近内侧底部的区域产生裂纹, 这是由于在相对较低的300℃时, AZ80镁合金的塑性较低所致。因此, 在420℃时, AZ80镁合金的旋压成形性能较好。
表2 不同工艺参数下AZ80镁合金轮毂的拉伸性能Table 2 Mechanical properties of spun AZ80 alloy wheels at different process parameters 下载原图
表2 不同工艺参数下AZ80镁合金轮毂的拉伸性能Table 2 Mechanical properties of spun AZ80 alloy wheels at different process parameters
2.3进给比对组织和性能的影响
进给比是旋轮的进给速率 (mm·min-1) 对于主轴转速 (r·min-1) 的比值, 其对旋压成形工件的组织和性能有着显著的影响[15,16]。在本实验中采用0.07, 0.10和0.15 mm·r-1的进给比对AZ80镁合金轮毂坯料进行旋压实验。由图3知, 过低和过高的进给比均会导致旋压工件的破裂。进给比为0.07 mm·r-1时, 旋压轮毂的轮辋和轮辐内壁交界处产生了断裂, 裂纹沿周向延伸;而在进给比为0.15 mm·r-1时, 旋压轮毂的底部内壁也产生了较小沿周向延展的裂纹。当进给比为0.10 mm·r-1时, 轮毂工件未发生明显裂纹。3种进给比下, 轮毂工件的外表面都未发现裂纹, 获得了良好的表面质量。
由表1和图4可知, 3种进给比下旋压工件的组织都比较均匀, 再结晶程度较为完全。当进给比为0.07和0.10 mm·r-1时, 两者的粒尺寸比较接近, 组织中都存在较为细小的晶粒 (尺寸5μm以下) 和相对粗大的晶粒 (尺寸50μm左右) 。进给比提高到0.15 mm·r-1, 由于变形速率的提高, 旋压成形力也增大, 形成了较为细小的微观组织, 此时平均晶粒尺寸约为15μm, 但组织中仍有个别较大的晶粒存在 (尺寸45μm左右) 。此外, 从表2可以看出, 不同进给比下的工件其延伸率差别不明显, 但屈服强度有一定差异。相对于进给比0.07和0.15 mm·r-1, 进给比为0.10 mm·r-1时的拉伸性能较好。
2.4道次及减薄率对组织和性能的影响
本实验中, AZ80镁合金轮毂坯料的平均壁厚为12 mm, 为达到轮毂成形时要求的减薄率为50%, 在壁厚12 mm的情况下的压下量为6 mm, 因此实验中采用单道次和两道次的旋压成形方式来进行轮毂旋压实验。在50%的减薄率下, 单道次旋压的轮毂直接在旋轮和坯料刚刚接触的区域发生了轴向断裂, 坯料裂为两个部分, 而采用两道次成形的轮毂则成形良好, 如图3所示。
实验中, 25%减薄率的样品由单道次旋压而成, 50%减薄率的样品由两道次旋压而成 (两道次的压下量均为3 mm) 。由图4可以看到, 在减薄率不同的两个样品中, 其组织都发生了完全的动态再结晶并且其晶粒相对于初始的晶粒发生了显著的细化。在减薄率为25%的时候, 其晶粒尺寸从初始的400μm左右下降到27μm, 减薄率为50%时, 其平均晶粒尺寸下降到了12μm。
减薄率增加时轮毂旋压工件的外表面的显微硬度如图5所示。伴随着减薄率的增加, 不仅轮毂工件的晶粒尺寸下降, 其硬度也有了很大的提高。经过413℃×10 h退火后轮毂的硬度为HV 58.3, 而经过25%的减薄后, 其硬度为HV 66.1, 50%减薄的硬度达到了HV 78。在拉伸性能方面, 由表2可见加热旋压同时显著提高了旋压坯料的屈服强度, 抗拉强度和延伸率。旋压坯料的屈服强度和抗拉强度分别为60和120 MPa, 在50%的减薄率下 (Sample 6) , 旋压工件的屈服强度和抗拉强度分别为169和312 MPa, 相对于坯料来说分别增长了181%和160%。在25%的减薄率下 (Sample 2) , 旋压工件的延伸率为15.8%, 相对于初始坯料的5%增长了215%。加热旋压显著地提高延伸率的原因有两个:首先是加热旋压中由于动态再结晶的原因, 晶粒组织产生了明显的细化;其次是经过旋压加工后, 铸态组织中的缺陷如缩松等被有效地消除。此外, 在减薄率50%的旋压轮毂的延伸率相对于减薄率为25%时有了轻微的下降, 但是屈服强度有一定提高, 这是由于加热旋压中的加工硬化和动态再结晶的共同作用所致。
图5 不同减薄率下旋压工件外表面的硬度Fig.5 Micro-hardness of outer-surface at different thickness reductions
2.5 AZ80镁合金轮毂旋压组织演变规律及织构分析
镁合金在进行热变形过程中相对于铝合金更容易发生动态再结晶 (DRX) [17]。作为重要的晶粒细化和变形弱化机制, 动态再结晶在控制镁合金的显微组织、改善其塑性应变能力方面有着显著的影响[18]。在热加工过程中, 动态再结晶通过形核和长大过程完成, 其形核机制包括弓出形核机制和亚晶形核机制等, 与变形速率有关。而变形温度是影响镁合金动态再结晶行为的重要因素, 温度越高, 晶粒长大速度越快, 变形后的晶粒尺寸越大, 且晶粒越完整。因此, 在本研究中, 300℃时其组织再结晶程度不完全, 且还有一部分孪晶出现, 此时其室温塑性变形需要克服更大的阻力。旋压成形温度对于AZ80镁合金旋压成形组织的影响规律是:其他工艺条件相同时, 随着温度的升高, 晶粒尺寸有所增大, 组织更加均匀, 再结晶更加完整。
进给比对旋压工件显微组织的影响并不显著。随着旋压时的进给比增大, 旋压工件的晶粒尺寸有轻微程度的降低。晶粒尺寸的下降可以归因于在更高的更高的进给比使得变形速率增大。较低的进给比下 (0.07 mm·r-1) , 材料过度堆积流动, 旋压工件出现额外的减薄, 进而形成了不均匀的组织, 组织中同时存在长大的再结晶晶粒和尺寸较小的初始再结晶晶粒, 如图4中所示。随着进给比的增大, 工件形成了较为均匀的组织。较低的减薄率时 (25%) , 旋压工件内外表面变形的不均匀造成了工件在壁厚方向组织的不均匀性。减薄率的增大意味着旋压工件经受了更大的变形量, 塑性应变的增加降低了晶粒尺寸, 同时降低了组织的不均匀性。
镁合金由于其密排六方结构, 在室温时变形的可动滑移系较少, 材料很难形成均匀变形, 因此经过塑性变形后非常容易形成较强的织构, 例如在挤压过程中易形成挤压丝织构, 在轧制加工后易形成轧制板织构。织构的存在会引发镁合金材料的各向异性, 对其后续的变形和应用有较大影响。在进行轮毂旋压过程中, 旋压工件主要承受3个方向的不同应力:沿径向 (RD) 方向的压应力FR, 沿轴向 (AD) 方向的切应力FL和沿着切向 (TD) 的周向应力FT, 一般来说, 旋压的3个分力的大小关系为:径向分力FR>轴向分力FL>>切向分力FT。
由此可见, 在旋压时材料的受力情况要比板材轧制和管材的挤压时复杂得多。图6所示为25%减薄率下旋压轮毂的晶粒取向分布图和相对应的 (0001) 极图。可以看到轮毂坯料经过加热旋压后, 晶粒取向与镁合金挤压织构类似, 即晶粒的c轴与径向 (RD) 近似平行, 但是与镁合金挤压织构的不同之处是旋压中不存在和TD方向平行的晶粒取向, 并且工件中的部分晶粒取向朝AD方向发生了轻微的偏转。这可能是因为RD方向的压应力FR和AD方向切应力FL的合力造成的。若将旋压工件沿AD方向拉伸, 旋压织构的偏转可能会使得镁合金中基面滑移的激活更加容易, 从而导致延伸率的增加和屈服强度的降低。在本研究中, 沿TD方向的周向应力FT对于旋压织构的形成并没有明显的影响。
图6 25%减薄率下旋压轮毂的晶粒取向分布和织构Fig.6Inverse pole figure (a) and texture (b) for spinned wheel after power spinning at 25%thickness reductions
3结论
以AZ80镁合金为研究对象, 采用加热强力旋压工艺对轮毂坯料进行了不同工艺参数下的变形, 研究了旋压温度、进给比和减薄率对于AZ80轮毂加热强力旋压的成形性能、微观组织和力学性能的影响, 得到了以下结论:
1.在旋压温度420℃, 转速400 r·min-1, 进给比0.1 mm·r-1时, 可获得较好的成形性, 旋压轮毂未发现裂纹。
2.旋压温度从300℃升高到420℃, 晶粒尺寸增大且变得均匀。300℃的温度下晶粒细小但并不均匀, 组织中出现了剪切变形带。
3.较大的进给比下 (0.15 mm·r-1) 轮毂旋压组织更加细小。较低的进给比 (0.07 mm·r-1) 和较高的进给比 (0.15 mm·r-1) 均会造成旋压轮毂破裂。
4.加热旋压可以有效细化AZ80镁合金轮毂的组织。减薄率的提高会使晶粒尺寸明显下降且平均硬度值上升。
5.经过加热旋压后, 镁合金旋压轮毂的织构与挤压织构不同, 晶粒的c轴与径向 (RD) 平行, 并且部分晶粒取向朝AD方向发生轻微偏转。
6.当旋压采用50%的减薄率时, 可获得较好的力学性能:屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为169, 312 MPa和14.1%。
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