趙禹凱1，2  周海濤1  王順成2  鄭開宏2  農  登2

 （1．中南大學材料科學與工程學院；2．廣東省材料與加工研究所）

摘要采用鑄鍛復合一體化成形技術制備了AZ91D鎂合金，研究了鍛壓變形量對AZ91D鎂合金組織與力學性能的影響。結果表明，鍛壓變形量越大，鍛壓對模具型腔內凝固過程的AZ91D鎂合金的強制補縮效果越好，收縮裂紋和縮孔越少，AZ91D鎂合金的抗拉強度和伸長率越高。當鍛壓變形量為2 mm時，鍛壓變形能夠完全消除收縮裂紋和縮孔，壓實顯組織。當鍛壓變形量為5 mm時，AZ91D鎂合金的抗拉強度和伸長率分別為240.3 M Pa和4.14%，與未鍛壓相比，此時AZ91D鎂合金的抗拉強度和伸長率分別提高了34. 7%和52. 7%。

 關鍵詞  AZ91D鎂合金；鑄鍛復合成形；鍛壓變形量；收縮裂紋

 中圖分類號  TG146. 22；TG249.9 DOI:10. 15980/j．tzzz. 2016. 06. 027

 鎂合金是目前工程應用中最輕的金屬結構材料，具有密度低、比強度高、電磁屏蔽性能和減震性能好等優點，在汽車、軌道交通、航空航天、生物醫用等領域具有廣闊的應用潛力。目前鎂合金主要采用低壓鑄造和壓鑄成形。鑄造雖然可以成形形狀復雜的鎂合金零部件，但其組織致密度和力學性能普遍較低，難以滿足一些受力結構件、耐磨耐壓的氣密性零部件的要求。鎂合金鍛壓零部件的組織致密度和力學性能通常都較高，但鎂合金的室溫塑性較差，鍛壓成形非常困難，成本也較高，這極大地限制了鎂合金鍛件的生產，并且鎂合金鍛件的形狀復雜度也受到很大的限制。

 將鑄造和鍛壓結合較早的一種工藝是鑄鍛聯合工藝，該工藝的基本過程是先用鑄造方法鑄出毛坯，清理后，將毛坯重新加熱，再進行鍛壓。鑄鍛聯合工藝可以生產力學性能較高且形狀較復雜的零件，缺點是生產工序多、周期長，設備及模具投入多，需要重新加熱和切飛邊，生產成本較高。JIANG J F等將傳統鎂合金壓鑄工藝與鍛壓相結合，在普通壓鑄機上增加鍛壓裝置，通過鍛壓對鎂合金壓鑄件進行壓實，以提高鎂合金壓鑄件的力學性能，但壓鑄過程中由于鎂合金液飛濺卷入形成的氣孔留在壓鑄件內，使得鎂合金壓鑄件不能進行熱處理。

 鑄鍛復合一體化成形技術是先用壓力鑄造的方法將鎂合金液注入模具內成形，然后在同一模具內立即對凝固中的鎂合金進行閉模鍛壓。該技術具有鑄造和鍛壓的雙重特點，通過壓力鑄造可以成形形狀復雜的鎂合金零件，通過閉模鍛壓，可以對凝固過程的鎂合金進行強制補縮，壓實組織，提高鎂合金的組織致密度和力學性能。鍛壓變形量是鑄鍛復合一體化成形技術中的重要工藝參數，直接影響到閉模鍛壓時鎂合金液的凝固狀態，并最終影響到鎂合金的組織性能。本課題采用鑄鍛復合一體化成形技術制備了AZ91D鎂合金，研究了鍛壓變形量對AZ91D鎂合金組織和力學性能的影響。

1  試驗材料與方法

 試驗材料為AZ91D鎂合金，經SPECTROMAX光電直讀光譜儀測定，AZ91D鎂合金的成分（質量分數，下同）為：8. 9%的A1，0.61%的Zn，0.23%的M n，0. 02%的Si，0.04%的Fe，余量為Mg。

 試驗設備為6000 k N鑄鍛油壓機，主要包括合模油缸、鍛壓油缸、壓射袖缸和頂出油缸。圖1為鑄鍛復合一體化成形過程示意圖。鑄鍛復合一體化成形主要包括4個過程：①合模澆注：啟動合模油缸，使上模下行進行合模，然后將鎂合金液澆入料筒；②壓力鑄造：啟動壓射油缸推動壓射沖頭前進，將鎂合金液壓射進模具型腔內填充成形；③閉模鍛壓：鎂合金液充型完成后并保壓數秒后，啟動鍛壓油缸推動鍛壓沖頭下行進行閉模鍛壓并保壓；④開模與取件：退出壓射沖頭和鍛壓沖頭，開啟模具，啟動頂出油缸，頂桿上行頂出鎂合金件，即完成一次鑄鍛復合一體化成形過程。

 在100 kg鎂合金井式電阻爐內加熱熔化AZ91D鎂合金，熔煉過程中采用體積分數為0. 2%的SF6 +CO2的混合氣體對鎂合金熔體進行保護，采用JDMR1鎂合金熔劑進行精煉，扒渣后靜置30 min，然后啟動鑄鍛油壓機進行鑄鍛復合一體化成形試驗，鎂合金澆注溫度為730℃，合模力為5 000 k N，充型壓力為1000 k N，充型速度為20 mm／s，鍛壓力為3 000 k N，啟鍛時間為4s，保壓時間為30 s，鍛壓變形量分別為0、1、2、3、4和5mm。

 試驗完成后，在AZ91D鎂合金試樣上的中間位置取樣，取樣位置見圖2，取樣位置處的厚度為30 m ma試樣經磨制、拋光和腐蝕后，在Leica-DMI3000金相顯微鏡上進行顯微組織觀察。經機械加工成厚度為3mm的標準拉伸試樣，其形狀與尺寸見圖3，在DNS200型電子拉伸試驗機上進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為2mm／min，在JSM-820掃描電鏡上觀察拉伸試樣的斷口形貌。

2  試驗結果與分析

2.1  鍛壓前后鎂合金樣件的形貌

 圖4為鑄鍛復合一體化成形鍛壓前后AZ91D鎂合金試樣的表面形貌。從圖4a可看到，未進行閉模鍛壓，鎂合金試樣的上表面留有一個明顯的凸臺，凸臺的高度即為鍛壓變形量。從圖4b可見，經過鍛壓變形后，鎂合金樣件表面的凸臺消失。凸臺的面積即為鍛壓面積，鍛壓面積占到整個鎂合金試樣投影面積的88. 7%，所占面積比例較大，目的是為了對鎂合金試樣進行大面積的鍛壓變形，以更好地實現對鎂合金試樣的整體鍛壓補縮，提高鎂合金試樣的組織致密度和力學性能。

2.2鍛壓變形量對AZ91D鎂合金組織的影響

 AZ91D鎂合金的結晶溫度區間較大，在凝固過程中，首先會形成粗大的a-Mg枝晶，導致流動性下降，當枝晶臂互相搭接后，會阻礙共晶液相的流動補縮，凝固后在鎂合金內部產生收縮裂紋、縮孔和縮松等組織缺陷，特別是在壁厚差異較大以及補縮效果不好的鎂合金件內部。鑄鍛復合一體化成形技術的特點就是在鎂合金鑄造充型完成后，立即對模具型腔內凝固過程中的鎂合金進行閉模鍛壓，由此對凝固中的鎂合金進行強制補縮，消除收縮裂紋、縮孔和縮松等組織缺陷，壓實組織，達到提高鎂合金組織致密度和力學性能的目的。

 圖5為鍛壓變形量對AZ91D鎂合金試樣宏觀組織的影響。從圖5a可看到，未進行閉模鍛壓時，由于凝固收縮的緣故，合金試樣的上表面向下凹陷，內部可看到明顯的收縮裂紋和縮孔存在。從圖5b可看到，當鍛壓變形量為1mm時，由于閉模鍛壓的強制補縮作用，使試樣表面鍛平，內部收縮裂紋和縮孔的尺寸也明顯減小。當鍛壓變形量增加到2 mm時，AZ91D鎂合金試樣內部的收縮裂紋和縮孔已完全消失，說明鍛壓變形對AZ91D鎂合金試樣起到了很好的強制補縮效果，完全壓實愈合了收縮裂紋和縮孔。隨著鍛壓變形量增加，不僅可以使凝固收縮裂紋和縮孔消失，還可進一步壓實組織，提高鎂合金的組織致密度，進而提高鎂合金的強度。

 圖6為鍛壓變形量對AZ91D鎂合金顯微組織的影響�？梢钥闯�，未進行閉模鍛壓時，鎂合金的顯微組織為粗大的a-Mg枝晶。隨著鍛壓變形量的增大，鎂合金的顯微組織中a-Mg枝晶的尺寸逐漸變細，并產生輕微的塑形變形。說明隨著鍛壓變形量的增大，不僅可以消除鎂合金中的凝固收縮裂紋和和縮孔，還可使鎂合金的顯微組織發生輕微塑形變形，壓實組織，提高鎂合金的組織致密度。

2.3鍛壓變形量對AZ91D鎂合金力學性能的影響

 圖7為AZ91D鎂合金的力學性能與鍛壓變形量之間的關系。從圖7可見，未進行鍛壓補縮時，由于AZ91D鎂合金凝固收縮使樣件內部存在縮松，力學性能較低，抗拉強度和伸長率分別為178.3 M Pa和2. 71%。隨著鍛壓變形量逐漸增大，鍛壓變形對AZ91D鎂合金的強制補縮效果逐漸增強，不僅可以消除收縮裂紋、縮孔和縮松等缺陷，還可使顯微組織產生塑性變形，壓實顯微組織，提高組織致密度，進而提高力學性能。從圖7可見，AZ91D鎂合金的抗拉強度和伸長率都隨鍛壓變形量的增大而逐漸提高。當鍛壓變形量增大到2 mm時，AZ91D鎂合金的抗拉強度和伸長率出現顯著的提高。當鍛壓變形量增大到5 mm時，AZ91D鎂合金的抗拉強度和伸長率分別為240.3 M Pa和4.14%，與未鍛壓的AZ91D鎂合金相比，分別提高了34. 7%和52.7%。

 圖8為AZ91D鎂合金拉伸試樣的斷口形貌。從圖8a可看到，未進行閉模鍛壓變形，由于AZ91D鎂合金的組織較為疏松，試樣抗拉強度和伸長率較低，拉伸試樣斷口的韌窩較為粗大，并帶有局部脆性斷裂的特征。從圖8b可看到，進行閉模鍛壓后，由于AZ91D鎂合金的收縮裂紋、縮孔和縮松等缺陷被消除，組織致密度提高，試樣抗拉強度和伸長率得到提高，拉伸試樣斷口的韌窩數量增加，并且韌窩深度較為均勻，呈現韌性斷裂特征。

3  結  論

 (1)閉模鍛壓可對AZ91D鎂合金起到強制補縮效果，消除試樣內部的收縮裂紋和縮孔。鍛壓變形量越大，強制補縮效果越好。當鍛壓變形量超過2 mm時，鍛壓變形能夠完全消除收縮裂紋和縮孔，壓實顯微組織。

 (2)當鍛壓變形量為5 mm時，AZ91D鎂合金的抗拉強度和伸長率分別為240.3 M Pa和4.14%，與未鍛壓變形相比，分別提高了34. 7%和52. 7%。