鍛壓變形量對輕量化機床新型鋁合金組織與性能的影響
2018-8-13 來源：濰坊科技學院 機械工程學院 作者： 柳香雅
摘 要：研究了不同鍛壓變形量下輕量化機床用新型鋁合金的顯微組織與力學性能。 結果表明，隨著鍛壓變形量從0 增加至 14%，新型鋁合金的抗拉強度和屈服強度先增加然后基本不變，斷后伸長率和沖擊韌性則先增加后減小。 鍛壓變形量優選為 12%；與未進行鍛壓的試樣相比，鍛壓變形量為 12%時新型鋁合金的抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率和沖擊韌性分別增加了 28.5%、32.6%、77.6%和 73.8%。
關鍵詞：鍛壓變形量；力學性能；顯微組織；新型鋁合金；輕量化機床
在經濟型、節能型和環保型多重目標的要求下，機床輕量化逐漸升級。 在機床輕量化的進程中，開發新型輕量化合金被認為是機床輕量化新型可持續生產中的重要環節，也決定著機床輕量化的真正效果。 兼具優良耐蝕性和較小密度的鋁合金，在輕量化機床中極具應用潛力。 但是，現有鋁合金的綜合性能不佳，難以滿足機床的輕量化應用要求。本文采用合金化方法開發了一種尤其適用于輕量化機床的新型鍛壓鋁合金，并重點研究了鍛壓變形量對該新型鋁合金顯微組織、力學性能和耐磨損性能的影響，為輕量化機床用鋁合金的開發提供新的思路和試驗數據。
1、 試驗材料與方法
1.1 合金熔煉
以工業純鋁、速溶硅、純鎂錠、純鋅錠、Al-50Cu中間合金、Al-10RE 中間合金（RE 為鑭鈰混合稀土）為原料 ， 采用中頻感應熔煉方法 ，經過熔化 、精煉 、靜置和除渣等過程中 ，制備出新型鋁合 金鑄錠（準120mm×600mm）。 獲得試驗所需的輕量化機床新型鋁合金鑄態試樣。 試樣的化學成分，經 i DEX-150MM型 X 射線熒光光譜儀進行分析，結果如表 1 所示。
表 1 試樣的化學成分(質量分數，%)
1.2 鍛壓工藝
在恒定的毛坯加熱溫度 （470 ℃）、 模具溫度（370 ℃）、始鍛溫度 （460 ℃）和終鍛溫度（400 ℃）下，采用不同的鍛壓變形量，在 10MN 鍛壓機上進行新型鋁合金的鍛壓試驗，獲得新型鍛壓鋁合金試樣。其變形量如表 2 所示。
表 2 試樣的鍛壓變形量
1.3 測試方法
試樣經磨制、 拋光、 金相浸蝕 （浸蝕劑由 2mlHF、3 ml HCl、5ml HNO3和 200 ml 去 離 子 水 組 成 ）后，采用 PG18 型金相顯微鏡進行觀察。 試樣經 T6處理（550℃固溶 8h，水淬，180℃時效 8h，隨爐冷卻至室溫）后，依據 GB/T 228-2002 加工拉伸試樣，在ZCWE-S1000B 數顯液壓萬能試驗機進行試樣拉伸性能測試，試驗溫度為室溫、拉伸速率為 1mm/min，并用 JSM6510 型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察拉伸斷口形貌。 試樣的沖擊性能測試在 JB-300B 型沖擊試驗機上進行測試，測試溫度為室溫，缺口為 V 型缺口。
2 、試驗結果及分析
2.1 顯微組織分析
采用不同鍛壓變形量獲得的輕量化機床新型鋁合金試樣的顯微組織如圖 1 所示。從圖可以看出，當鍛壓變形量為 0（即未進行鍛壓）時，新型鋁合金的顯微組織由較粗大的枝晶晶粒組成， 表現為明顯的鑄態組織。隨鍛壓變形量不斷增加，新型鋁合金的顯微組織由鑄態枝晶組織逐漸變為變形態組織；鍛壓變形量越大， 新型鋁合金顯微組織的塑性變形越明顯。當鍛壓變形量達到 12%后，新型鋁合金的顯微組織的塑性變形較為充分， 原有的枝晶晶粒被破碎，晶粒得到明顯的細化（圖 1（d）、（e））。
圖 1 不同變形量下試樣的顯微組織
2.2 拉伸性能分析 |
采用不同鍛壓變形量，獲得的輕量化機床新型鋁合金試樣的拉伸性能測試結果如圖 2 所示。 從圖2 可以看出，隨鍛壓變形量從 0 增到 14%，新型鋁合金的抗拉強度、屈服強度先增加后基本不變；新型鋁合金的斷后伸長率先增加后減小。與未進行鍛壓（即鍛壓變形量為 0）的新型鋁合金試樣相比，鍛壓變形量為 12%時，抗拉強度從 592MPa 增加至 761MPa，增 加 了 28.5%； 屈 服 強 度 從 534 MPa 增 加 至 708MPa， 增加了 32.6%； 斷后伸長率從 13.4%增加到23.8%，增加了 77.6%。 這主要是因為鍛壓變形量為0（即鑄態）時新型鋁合金內部不可避免地存在收縮孔洞和微裂紋，這些鑄態缺陷將惡化新型鋁合金的拉伸性能。 隨著鍛壓變形量的增加，一方面，新型鋁合金內部晶粒被壓扁破碎，合金原有的鑄態收縮孔洞和微裂紋被壓實，合金的鑄態缺陷顯著減少，合金的拉伸性能得到提高；另一方面，當塑性變形較為充分時，合金的顯微組織發生明顯變形，合金內部晶粒發生明顯細化，從而使得新型鋁合金的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率得到明顯提高。 但是，當鍛壓變形量過大時， 合金內部的顯微組織變形均勻性受到影響，使得合金的顯微組織分布不均勻，過多的鍛壓能量使得合金的內部晶粒發生少量粗化， 從而使得新型鋁合金的抗拉強度和屈服強度基本不變，斷后伸長率發生惡化。 因此，從提高拉伸性能出發，輕量化機床新型鋁合金的鍛壓變形量優選為 12%。
圖 2 試樣的力學性能測試結果
圖 3 是鍛壓變形量分別為 0 和 12%時新型鋁合金的拉伸斷口 SEM 照片。 從圖 3 可以看出，鍛壓變形量為 0 和 12%時新型鋁合金的拉伸斷口都是由韌窩和少量的撕裂棱組成， 都表現出較為明顯的韌性斷裂特征。 但是與鍛壓變形量為 0（即未進行鍛壓）相比，鍛壓變形量為 12%的新型鋁合金拉伸斷口中的韌窩明顯變細小，也變得更深，表現出更好的拉伸性能。 這與試樣的拉伸性能測試結果一致。
圖3試樣拉伸斷口 SEM照片
2.3 沖擊性能分析
采用不同鍛壓變形量獲得的輕量化機床新型鋁合金試樣的沖擊性能測試結果如圖 4 所示。 從圖可以看出，隨鍛壓變形量從 0 增加到 14%，沖擊韌性得到明顯提高。與未進行鍛壓的新型鋁合金相比，鍛壓變形量為 12%時， 合金的沖擊韌性從 42 J/cm2增至 73J/cm2，增加了 73.8%。 但是，當鍛壓變形量過大（14%）時，合金內部的顯微組織變形均勻性受到影響，使得合金的顯微組織分布不均勻， 過多的鍛壓能量使得合金的內部晶粒發生少量粗化， 從而使得新型鋁合金的沖擊韌性非但不增加反而下降，但仍比鍛壓變形量為 0時得到提高。 因此，從提高沖擊性能出發，輕量化機床新型鋁合金的鍛壓變形量優選為 12%.
圖 4 試樣的沖擊性能測試結果
3、 結論
（1） 含鑭鈰混合稀土的輕量化機床用新型鋁合金具有較佳的力學性能，鑄態時的抗拉強度、屈服強度 、 斷 后 伸 長 率 和 沖 擊 韌 性 分 別 為 592 MPa、534MPa、13.4%、42J/cm2；鍛壓后新型鋁合金的力學性能得到提高。（2） 隨鍛壓變形量從 0 增至 14%，輕量化機床用新型鋁合金的抗拉強度和屈服強度先增加后基本不變，斷后伸長率和沖擊韌性則先增加后減小。（3） 輕量 化機床用新型鋁合金的鍛壓變形量優選為 12%；與未進行鍛壓相比，鍛壓變形量為 12%時新型鋁合金的抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率和沖擊韌性分別增加了 28.5%、32.6%、77.6%和 73.8%。
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