AZ91镁合金型材挤压工艺研究
①
杨忠旺，陈振华，夏伟军，陈 鼎
(湖南大学材料科学与工程学院，湖南长沙410082)
摘 要：采用自行设计的平面分流挤压模，研究了铸锭固溶处理、挤压温度和挤压速度等工艺参数对AZ91镁合金型材成形性能的影响规律。研究结果表明，铸锭固溶处理可消除铸造组织中的枝晶偏析，减少析出相的数量并使其由片状连续网状分布变为点状随机分布，合适的固溶温度为460℃，固溶时间10～15h 。挤压温度和挤压速度是影响镁合金型材挤压成形的关键工艺参数,AZ91镁合金型材的合适挤压温度为380℃左右，挤压速度为5mm /s，此时型材表面光滑且焊合良好。关键词:AZ91镁合金；型材；固溶处理；挤压温度中图分类号:TG146.22
文献标识码:A
文章编号:0253-6099(2008)03-0099-03
Study on Extrusi on Techn i ques for AZ 91Magnesi u m Alloy Profiles
Y ANG Zhong 2wang,CHE N Zhen 2hua,X I A W ei 2jun,CHE N D ing
(School of M ateria ls Science and Engineering,Hunan U niversity,Changsha 410082,Hunan,Ch ina )
Abstract:The effects of extrusi on para meters including s oluti on treat m ent and extrusi on te mperature and s peed on the for mability of AZ91magnesium all oy p r ofiles were investigated using lf 2designed porthole die .The results revealed that the s oluti on treat m ent could eli m inate dendritic gregati on in the cast structure and induce the change of p reci p itated pha fr om continuous net w ork t o dis perd particles .The p r oper te mperature and ti m e f or s oluti on treat m ent were 460
蕾蒙娜和姐姐
℃and 10～15hours,res pectively .The extrusi on te mperature and s peed were the key para meters for the p reparati on of
AZ91magnesiu m p r ofiles .The op ti m ized values were 380℃and 5mm /s,res pectively .Key words:AZ91magnesium;p r ofiles;s oluti on treat m ent;extrusi on te mperature 镁合金型材具有十分重要的工业应用价值。但由于大部分镁合金都属于密排六方结构，塑性变形较困难，因此镁合金挤压制品以合金元素含量较低的AZ31
为主[1～2]
，且制品形状多为简单的棒材或管材。现有研究表明，影响AZ31镁合金挤压成形性能及制品组织性能的因素主要包括挤压温度、挤压速度和挤压比等，当挤压工艺参数控制不当时，不仅制品的组织性能
低劣，而且在挤压过程中容易出现开裂[3～7]
。
AZ91镁合金是工业变形镁合金中强度高、综合性
能好、应用较广泛的结构合金[1]
。与AZ31合金相比，由于合金元素含量明显偏高，铸造组织中通常含有大
量粗大的片状析出相，对挤压成形十分不利[8～9]
。特别是采用平面分流挤压模制备断面形状较复杂的制品时，挤压筒中的金属需先分流后焊合，其成形更加困难，相应的挤压工艺参数也与普通挤压时的存在一定的差异。本研究旨在采用自行设计的“日”、“目”和“田”字形平面分流挤压模，研究铸锭固溶处理和挤压工艺参数对AZ91镁合金型材挤压成形的影响。
1 实验方案
实验用合金为AZ91镁合金，其名义化学成分为
Mg 29.0A l 20.8Zn 20.4Mn (质量分数,%)。以纯度为99.9%的镁锭、铝锭和锌锭以及A l 210Mn 中间合金为原料，在电阻坩锅炉中熔炼后用钢模浇铸，浇铸温度为735℃。铸锭尺寸为 180mm ×330mm ，待铸锭空冷后，在车床上去除表面氧化层并加工成 160mm ×300mm 的圆柱形锭坯。
preferences在圆柱形铸锭上切取块状试样，在箱式电阻炉中进行加热和保温，加热温度为340～500℃，控温精度为±5℃，保温时间为1～15h 。试样保温到设定时间后立即进行水淬。对水淬后的试样镶样、预磨、抛光、腐蚀后进行金相显微组织观察，腐蚀剂成分为5g 苦味酸+90mL 酒精+10mL 水+5g 冰乙酸。
在1250t 卧式挤压机上进行挤压实验，先对部分铸锭进行固溶处理，固溶温度为460℃，固溶时间为10h 。挤压时，铸锭预热温度为340～440℃，挤压筒和挤压模
①收稿日期:2007212218
作者简介：杨忠旺(1969-)，男，湖南宜章人，副教授，主要研究方向为镁合金加工。
第28卷第3期2008年06月
矿 冶 工 程
M I N I NG AND M ETALL URG I CAL ENG I NEER I NG
Vol .28№3
June 2008
预热温度分别比相应的铸锭预热温度低20℃左右，挤垃圾箱英文
压速度控制在2～20mm /s 。分别在“田”、“日”、“目”字型空心型材的外壁和筋部取样进行金相显微组织观察，金相组织试样的制备及观察方法与固溶试样的相同。snow
2 结果与分析
图1所示为AZ91镁合金铸锭在不同温度下进行8h 固溶处理后的金相显微组织照片。可见，合金铸态组织以大小均匀的等轴晶粒组织为主，平均晶粒尺寸在100μm 以上。此外，在金相组织中还存在许多粗大的枝晶。在晶界和枝晶界上有大量粗大的析出相Mg 17A l 12，且析出相呈连续网状的形态分布。这是由于Mg 2A l 系合金的固液两相区范围较大，而且镁是密排六方结构，合金元素在镁基体中的扩散速率很低，很容易在凝固过程中产生枝晶偏析和形成非平衡结晶相[1]
。在340℃下固溶8h 后，合金组织中仍存在大量的第二相，且第二相的分布与铸态的相似，但晶界变
得稍微清晰，且在局部地区网状析出相出现了不连续的现象。随着固溶温度的升高，析出相的形态和分布都发生了非常明显的变化，大部分析出相都以点状的形态不连续地分布在晶界上(如图1(e ))，仅在局部晶界处析出相仍以连续网状的形态分布
renfeng。初中英语
图1 AZ91合金铸锭在不同温度固溶8h 后的金相显微组织
(a )未固溶;(b )340℃;(c )380℃;(d )420℃;(e )460℃;(f )500℃
图2给出了AZ91镁合金铸锭在460℃温度下经过不同时间的固溶处理后试样的金相显微组织照片。可见，随着固溶时间的延长，枝晶偏析逐渐消除，晶界
上和枝晶网胞间的析出相发生分裂、球化、溶解。当固溶时间达到10～15h 后，仅有少量点状析出相弥散分布在晶内和晶界上(如图2(f ))，同时由于析出相的溶解，使晶内的胞状组织也变得清晰可见
。
图2 AZ91合金铸锭在460℃固溶不同时间后的金相显微组织
(a )0h;(b )1h;(c )3h;(d )8h;(e )10h;(f )15h
由以上分析可知，对AZ91镁合金而言，较合适的固溶温度为460℃左右，固溶时间为10～15h 。升高固溶温度虽然可加速析出相的溶解和枝晶偏析的消除过程，但温度过高时镁合金易发生氧化，其中的低熔点相熔化甚至可导致合金燃烧，晶粒组织也会发生粗化，使铸锭的塑性变形能力下降。
热挤压过程中最基本的工艺参数是挤压温度和挤压速度，两者共同构成了对挤压过程控制起着至关重要作用的“温度2速度机制”。挤压工艺对AZ91镁合金型材挤压成形性能的影响如表1所示，图3给出了不同挤压工艺条件下挤压制品的宏观照片。由表1和图3可见，对经过固溶处理的AZ91镁合金而言，当坯料温度为440℃时，挤压制品表面氧化较严重,“日”字形型材的
外表面和内部筋条处均严重开裂；当坯料温度为340℃
时，挤压制品表面出现了较多的周期性裂纹，裂纹的长度方向垂直于挤压方向；当坯料温度为380℃时，尽管型材表面有轻微的氧化现象，但表面光滑，各结合部位焊合良好。这是因为当变形温度过低时，可启动的滑移系较少，容易在晶界和孪晶界等处产生应力集中而导致型材开裂。随着挤压温度的
升高，可启动的滑移系增
001矿 冶 工 程第28卷
多，同时软化速度加剧，合金的挤压性能可得到明显的改善。但当挤压温度过高时，金属氧化加剧，合金晶粒组织在高温下容易粗化长大，合金中的低熔点相甚至可能熔化，从而引起镁合金的热裂。对AZ91镁合金而言，其合适的坯料温度为380℃左右。
表1 挤压工艺对AZ91合金型材挤压成形的影响
截面形状铸锭状态坯料温度
/℃
挤压速度
/(mm ・s -1)
挤压比
型材质量日固溶3402～555周期性裂纹日固溶3802～555表面较光滑日固溶4402～555严重开裂田固
溶3802～549表面较光滑目固溶3802～565表面较光滑日未固溶3802～555局部开裂日固溶3808～1065轻微开裂日固溶38015～2055严重开裂田固溶3802～555表面较光滑目固溶3802～549表面较光滑目
固溶
380
8～10
65
轻微开裂
图3 挤压工艺参数对AZ91挤压制品宏观形貌的影响
(a )380℃/未固溶;(b )440℃/固溶;(c )340℃/固溶;(d )380℃/固
溶;(e )380℃/固溶;(f )380℃/固溶(挤压速度5mm /s )
当挤压速度控制在5mm /s 以下时，型材的表面
newsouthwales光滑无裂纹，各结合部位焊合良好，表现出较好的成形能力；当挤压速度在8～10mm /s 左右时，型材表面出现了少量较细小的裂纹，表面光洁度明显降低；当挤压速度超过18～20mm /s 后，型材表面出现了大量裂纹，局部地区甚至出现透裂，且结合部位的焊合也较差。因此，用平面分流模挤压AZ91合金时，为了获得良好的表面质量和尽可能高的生产效率，应将其挤压速度控制在5mm /s 左右。
图4给出了AZ91“田”字形制品焊缝位置的金相照片。在380℃下以5mm /s 的速度进行挤压时，型材焊合位置的金相显微组织照片均无明显的焊合线，说明在型材挤压过程中金属流动均匀，经分流孔分流后在焊合室焊合成形良好。而当挤压温度过高时
，焊合位置均存在明显的焊合线。这是因为当挤压温度过高时镁合金容易发生氧化，氧化物的存在会严重恶化制品的焊合性能。
图4 不同温度和速度挤压时AZ91合金“田”字形型材的焊缝组织
(a )340℃,5mm /s;(b )380℃,5mm /s;(c )440℃,5mm /s;(d )380℃,15～20mm /s
3 结 论
1)在AZ91合金铸锭的固溶处理过程中，随着固溶
温度的升高和固溶时间的延长，铸造组织中的枝晶偏析消除，析出相的数量减少，析出相的形态由片状变为点状，析出相的分布由连续网状变为点状分布。AZ91合金铸锭合适的固溶处理工艺为460℃、10～15h 。
2)挤压温度和速度是影响镁合金挤压成形性能的关键工艺参数,AZ91镁合金型材的合适挤压温度为380℃左右，合适挤压速度为3～5mm /s 。挤压温度过高或过低、速度过快时均易引起开裂。参考文献:
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岗位任职要求
conveying1
01第3期杨忠旺等:AZ91镁合金型材挤压工艺研究
