AZ80鎂合金復雜殼體反擠壓組織和力學性能研究

潘雪新，安玉良，梁海成，王忠堂

(沈陽理工大學材料科學與工程學院，遼寧沈陽110159)

鎂合金作為結(jié)構(gòu)材料，具有比重小、比強度和比剛度高、導熱和導電性好、切削加工性好、優(yōu)良的阻尼性和電磁屏蔽性、易于機加工成形和回收等優(yōu)點。目前，工業(yè)鎂合金產(chǎn)品主要是通過壓鑄方法獲得，變形鎂合金應(yīng)用較少，與鑄造鎂合金相比，變形鎂合金具有組織致密、內(nèi)部缺陷少、更好延展性、更高的強度和韌性以及更多樣化的力學性能等優(yōu)點，可以滿足多樣化結(jié)構(gòu)件的需求，在電器、汽車和航空工業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景［1-3］。

轎車安全氣囊中的氣體發(fā)生器，由殼體和壓蓋組成，在轎車發(fā)生嚴重事故時，氣體發(fā)生器中的迭氮化鈉會釋放大量氮氣，充入氣囊，從而拯救司乘人員的生命［4-5］。殼體和壓蓋是典型的多層杯筒型零件，有較高的強度要求。國產(chǎn)殼體和壓蓋零件原來是采用實心棒材通過機加工生產(chǎn)，材料利用率不到10%［6］，成本較高;如果采用反擠壓成形工藝，不僅材料的利用率大大提高，還能進一步改善合金的微觀組織，細化晶粒，金屬流線沿零件外形分布，提高零件的強度［7］。氣體發(fā)生器殼體零件多采用鋼材或鋁合金成形，比重都比較大。目前對鋁合金反擠壓成形已有一些研究［8-9］，但關(guān)于用鎂合金反擠壓成形氣體發(fā)生器多層殼體零件的研究報道還很少。因此，從提高材料利用率和降低汽車重量出發(fā)，考慮用比重較小的變形鎂合金。本文選用AZ80變形鎂合金，采用反擠壓成形工藝，研究擠壓溫度對AZ80鎂合金的顯微組織和力學性能的影響，并確定反擠壓AZ80鎂合金多層殼體零件的最佳擠壓溫度，為鎂合金多層殼體零件成形工藝研究提供可靠的實驗依據(jù)。

1 實驗材料及實驗方案

采用半連續(xù)鑄造AZ80變形鎂合金圓柱錠作原材料，其初始顯微組織見圖1。由圖1可看出，鑄態(tài)組織由α-Mg基體和離異共晶生成沿晶界分布的網(wǎng)狀β相組成，具有Mg-Al系合金典型的鑄造組織特征。經(jīng)過400℃ ×12h均勻化處理，機加工成Φ65mm×60mm的圓柱形坯料。熱擠壓實驗在3150KN液壓機上進行，采用動物油潤滑，擠壓比 2.74∶1。坯料溫度分別為 320℃、350℃、380℃、410℃、440℃，模具溫度為 320℃。

圖1 AZ80變形鎂合金坯料鑄態(tài)顯微組織

2 反擠壓成形零件的表面質(zhì)量

圖2所示為不同擠壓溫度下成形的多層殼體零件，觀察零件外表面質(zhì)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，擠壓溫度為380℃時，獲得的反擠壓成形零件表面光潔、無裂紋，表現(xiàn)出較好的擠壓成形性能;擠壓溫度為320℃時，反擠壓成形零件外表面周向出現(xiàn)明顯的橫向撕裂現(xiàn)象，且與擠壓方向垂直，擠壓成形性明顯降低。實驗結(jié)果表明:擠壓溫度對成形零件的表面質(zhì)量有一定的影響，隨著擠壓溫度升高，零件的擠壓成形性逐漸變好，提高擠壓溫度可以明顯改善成形零件的成形性能。這是由于零件在反擠壓成形過程中，受到凸模和凹模的壓應(yīng)力，金屬被迫向上流動成形，當金屬表面受到凹模的摩擦力大于金屬表層抗拉強度時就會產(chǎn)生裂紋。溫度較高的坯料成形時，由于強度較低，塑性較高，金屬流動性較好，在成形時所用的擠壓力相對小，附加摩擦拉應(yīng)力較小，不易產(chǎn)生裂紋;成形溫度較低的坯料，由于強度較高，塑性較差，金屬成形時流動性相對較差，在成形時所用的擠壓力大，附加摩擦力拉應(yīng)力較大，易產(chǎn)生裂紋。

3 反擠壓成形零件的顯微組織

圖3所示為反擠壓成形零件外層縱向的顯微組織。從圖3可以看出，坯料中的原始粗大柱狀晶已基本消失，擠壓成形后的晶粒都存在不同程度的細化，并且在原始晶界和晶粒內(nèi)都有細小的新晶粒形成，這表明材料在反擠壓過程中發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶。

圖2 反擠壓成形零件

圖3 不同擠壓溫度下的AZ80鎂合金微觀組織結(jié)構(gòu)(縱向)

從圖3a和3b可以看出:當坯料溫度為320℃、350℃時，鎂合金原始組織中的粗大晶粒在擠壓力作用下發(fā)生破碎，材料的微觀結(jié)構(gòu)具有與變形方向一致的流線型;在外力的作用下局部區(qū)域發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，形成細小的等軸晶粒，但整體再結(jié)晶不均勻。從圖3c可以看出，隨著坯料加熱溫度的升高，380℃擠壓試樣總體組織較350℃均勻，但試樣中仍然存在少量未發(fā)生再結(jié)晶而被拉長的大晶粒。從圖3d可以看出，410℃的擠壓試樣中均勻分布著細小的等軸晶粒，表明該溫度下的擠壓試樣在擠壓過程中發(fā)生了均勻的動態(tài)再結(jié)晶。從圖3e可以看出，在440℃的擠壓試樣中，同樣均勻分布著等軸晶粒，但晶粒尺寸要比410℃的晶粒稍大。

由此可見，坯料在進行大變形量的反擠壓成形后，鎂合金晶粒可通過再結(jié)晶明顯細化。在相同擠壓變形量條件下，擠壓溫度較低時，所提供的能量不足以克服全部再結(jié)晶所需的能量，導致試樣晶粒尺寸不均勻;隨著擠壓溫度的提高，外部輸入能量增大，促進試樣內(nèi)部全部發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，形成等軸細小的晶粒;隨著能量的進一步提供，原子擴散能力進一步增強，再結(jié)晶的晶粒出現(xiàn)長大現(xiàn)象。因此對 AZ80鎂合金，在該成形工藝下，410℃的熱擠壓溫度可獲得較為理想的細小均勻等軸晶組織。

4 反擠壓成形零件的力學性能

未擠壓的鑄態(tài)AZ80鎂合金抗拉強度為162MPa，伸長率為4.9%。擠壓后AZ80鎂合金力學性能見圖4。擠壓后AZ80鎂合金與鑄態(tài)相比較，抗拉強度和伸長率均有顯著的提高。其主要原因是，鑄態(tài)粗大的樹枝晶經(jīng)擠壓變形逐漸變成等軸晶，β-Mg17Al12相由原來的連續(xù)網(wǎng)狀分布經(jīng)變形伸長成流線［10］，在一定程度上可以消除了鑄態(tài)組織中的疏松等缺陷，提高了合金的致密度，使得合金的伸長率和強度都比鑄態(tài)時高。

擠壓零件的抗拉強度和伸長率隨著擠壓溫度的升高，都是先降低后增大的趨勢。具體表現(xiàn)為擠壓溫度320℃時，抗拉強度和伸長率較高，抗拉強度在380℃出現(xiàn)拐點，伸長率在350℃出現(xiàn)拐點。擠壓溫度對鎂合金力學性能的影響主要與晶粒尺寸、應(yīng)力狀態(tài)及變形組織有關(guān)，力學性能是AZ80鎂合金變形過程中加工硬化和動態(tài)再結(jié)晶綜合作用的結(jié)果，其差別主要與試樣內(nèi)部發(fā)生再結(jié)晶的等軸晶與塑性變形的組織結(jié)構(gòu)的數(shù)量和形貌有關(guān)。410℃時擠壓試樣是由分布較為均勻的等軸晶構(gòu)成，因此該試樣所表現(xiàn)的綜合力學性能最佳，伸長率較其他熱擠壓態(tài)高。

圖4 AZ80鎂合金多層殼體零件力學性能

5 AZ80鎂合金的斷口形貌及分析

圖5是AZ80鎂合金不同擠壓溫度下的室溫拉伸斷口形貌。由圖5a可見，320℃下反擠壓成形的AZ80鎂合金零件，拉伸斷口有較多撕裂棱，準解理斷口特征較多，局部有較小韌窩，表現(xiàn)為混合斷裂特征。其他4種溫度下，反擠壓成形的試樣斷口有相似的結(jié)構(gòu)特征，試樣斷面有大量韌窩，韌窩周邊存在細小的撕裂棱，屬于韌性斷裂。350℃擠壓時韌窩較淺，在斷口上有二次裂紋，這與組織的不均勻性有很大關(guān)系;410℃時韌窩較為均勻，這是組織均勻、再結(jié)晶完全綜合作用的結(jié)果。

圖5 不同擠壓溫度AZ80鎂合金多層殼體零件拉伸試樣斷口SEM形貌

6 結(jié)論

(1)反擠壓成形過程中，擠壓溫度在320℃時，成形零件的擠壓成形性較差;擠壓溫度在350℃以上，具有較好的擠壓成形性能;隨著溫度逐漸升高，所施加的擠壓力更低，材料與模具的摩擦力更小，零件表面質(zhì)量更好。

(2)擠壓成形過程中，合金組織發(fā)生了不同程度的動態(tài)再結(jié)晶。320℃和350℃時的擠壓試樣的組織由局部再結(jié)晶等軸晶區(qū)和形變區(qū)組成;410℃時擠壓試樣的組織由分布較為均勻的細小等軸晶和織構(gòu)組成，擠壓過程發(fā)生了完全再結(jié)晶。

(3)AZ80鎂合金熱擠壓變形后，力學性能比鑄態(tài)明顯提高;擠壓態(tài)的試樣中，410℃時擠壓試樣的綜合性能最佳，其抗拉強度、伸長率分別為280MPa、12% 。

(4)AZ80鎂合金擠壓試樣擠壓溫度在380℃以上，其室溫拉伸斷口表現(xiàn)為明顯的韌性斷裂特征。

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