AZ80镁合金复杂壳体反挤压组织和力学性能研究

潘雪新，安玉良，梁海成，王忠堂

(沈阳理工大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110159)

镁合金作为结构材料，具有比重小、比强度和比刚度高、导热和导电性好、切削加工性好、优良的阻尼性和电磁屏蔽性、易于机加工成形和回收等优点。目前，工业镁合金产品主要是通过压铸方法获得，变形镁合金应用较少，与铸造镁合金相比，变形镁合金具有组织致密、内部缺陷少、更好延展性、更高的强度和韧性以及更多样化的力学性能等优点，可以满足多样化结构件的需求，在电器、汽车和航空工业中具有广阔的应用前景［1-3］。

轿车安全气囊中的气体发生器，由壳体和压盖组成，在轿车发生严重事故时，气体发生器中的迭氮化钠会释放大量氮气，充入气囊，从而拯救司乘人员的生命［4-5］。壳体和压盖是典型的多层杯筒型零件，有较高的强度要求。国产壳体和压盖零件原来是采用实心棒材通过机加工生产，材料利用率不到10%［6］，成本较高;如果采用反挤压成形工艺，不仅材料的利用率大大提高，还能进一步改善合金的微观组织，细化晶粒，金属流线沿零件外形分布，提高零件的强度［7］。气体发生器壳体零件多采用钢材或铝合金成形，比重都比较大。目前对铝合金反挤压成形已有一些研究［8-9］，但关于用镁合金反挤压成形气体发生器多层壳体零件的研究报道还很少。因此，从提高材料利用率和降低汽车重量出发，考虑用比重较小的变形镁合金。本文选用AZ80变形镁合金，采用反挤压成形工艺，研究挤压温度对AZ80镁合金的显微组织和力学性能的影响，并确定反挤压AZ80镁合金多层壳体零件的最佳挤压温度，为镁合金多层壳体零件成形工艺研究提供可靠的实验依据。

1 实验材料及实验方案

采用半连续铸造AZ80变形镁合金圆柱锭作原材料，其初始显微组织见图1。由图1可看出，铸态组织由α-Mg基体和离异共晶生成沿晶界分布的网状β相组成，具有Mg-Al系合金典型的铸造组织特征。经过400℃ ×12h均匀化处理，机加工成Φ65mm×60mm的圆柱形坯料。热挤压实验在3150KN液压机上进行，采用动物油润滑，挤压比 2.74∶1。坯料温度分别为 320℃、350℃、380℃、410℃、440℃，模具温度为 320℃。

图1 AZ80变形镁合金坯料铸态显微组织

2 反挤压成形零件的表面质量

图2所示为不同挤压温度下成形的多层壳体零件，观察零件外表面质量，结果发现，挤压温度为380℃时，获得的反挤压成形零件表面光洁、无裂纹，表现出较好的挤压成形性能;挤压温度为320℃时，反挤压成形零件外表面周向出现明显的横向撕裂现象，且与挤压方向垂直，挤压成形性明显降低。实验结果表明:挤压温度对成形零件的表面质量有一定的影响，随着挤压温度升高，零件的挤压成形性逐渐变好，提高挤压温度可以明显改善成形零件的成形性能。这是由于零件在反挤压成形过程中，受到凸模和凹模的压应力，金属被迫向上流动成形，当金属表面受到凹模的摩擦力大于金属表层抗拉强度时就会产生裂纹。温度较高的坯料成形时，由于强度较低，塑性较高，金属流动性较好，在成形时所用的挤压力相对小，附加摩擦拉应力较小，不易产生裂纹;成形温度较低的坯料，由于强度较高，塑性较差，金属成形时流动性相对较差，在成形时所用的挤压力大，附加摩擦力拉应力较大，易产生裂纹。

3 反挤压成形零件的显微组织

图3所示为反挤压成形零件外层纵向的显微组织。从图3可以看出，坯料中的原始粗大柱状晶已基本消失，挤压成形后的晶粒都存在不同程度的细化，并且在原始晶界和晶粒内都有细小的新晶粒形成，这表明材料在反挤压过程中发生了动态再结晶。

图2 反挤压成形零件

图3 不同挤压温度下的AZ80镁合金微观组织结构(纵向)

从图3a和3b可以看出:当坯料温度为320℃、350℃时，镁合金原始组织中的粗大晶粒在挤压力作用下发生破碎，材料的微观结构具有与变形方向一致的流线型;在外力的作用下局部区域发生了动态再结晶，形成细小的等轴晶粒，但整体再结晶不均匀。从图3c可以看出，随着坯料加热温度的升高，380℃挤压试样总体组织较350℃均匀，但试样中仍然存在少量未发生再结晶而被拉长的大晶粒。从图3d可以看出，410℃的挤压试样中均匀分布着细小的等轴晶粒，表明该温度下的挤压试样在挤压过程中发生了均匀的动态再结晶。从图3e可以看出，在440℃的挤压试样中，同样均匀分布着等轴晶粒，但晶粒尺寸要比410℃的晶粒稍大。

由此可见，坯料在进行大变形量的反挤压成形后，镁合金晶粒可通过再结晶明显细化。在相同挤压变形量条件下，挤压温度较低时，所提供的能量不足以克服全部再结晶所需的能量，导致试样晶粒尺寸不均匀;随着挤压温度的提高，外部输入能量增大，促进试样内部全部发生动态再结晶，形成等轴细小的晶粒;随着能量的进一步提供，原子扩散能力进一步增强，再结晶的晶粒出现长大现象。因此对 AZ80镁合金，在该成形工艺下，410℃的热挤压温度可获得较为理想的细小均匀等轴晶组织。

4 反挤压成形零件的力学性能

未挤压的铸态AZ80镁合金抗拉强度为162MPa，伸长率为4.9%。挤压后AZ80镁合金力学性能见图4。挤压后AZ80镁合金与铸态相比较，抗拉强度和伸长率均有显著的提高。其主要原因是，铸态粗大的树枝晶经挤压变形逐渐变成等轴晶，β-Mg17Al12相由原来的连续网状分布经变形伸长成流线［10］，在一定程度上可以消除了铸态组织中的疏松等缺陷，提高了合金的致密度，使得合金的伸长率和强度都比铸态时高。

挤压零件的抗拉强度和伸长率随着挤压温度的升高，都是先降低后增大的趋势。具体表现为挤压温度320℃时，抗拉强度和伸长率较高，抗拉强度在380℃出现拐点，伸长率在350℃出现拐点。挤压温度对镁合金力学性能的影响主要与晶粒尺寸、应力状态及变形组织有关，力学性能是AZ80镁合金变形过程中加工硬化和动态再结晶综合作用的结果，其差别主要与试样内部发生再结晶的等轴晶与塑性变形的组织结构的数量和形貌有关。410℃时挤压试样是由分布较为均匀的等轴晶构成，因此该试样所表现的综合力学性能最佳，伸长率较其他热挤压态高。

图4 AZ80镁合金多层壳体零件力学性能

5 AZ80镁合金的断口形貌及分析

图5是AZ80镁合金不同挤压温度下的室温拉伸断口形貌。由图5a可见，320℃下反挤压成形的AZ80镁合金零件，拉伸断口有较多撕裂棱，准解理断口特征较多，局部有较小韧窝，表现为混合断裂特征。其他4种温度下，反挤压成形的试样断口有相似的结构特征，试样断面有大量韧窝，韧窝周边存在细小的撕裂棱，属于韧性断裂。350℃挤压时韧窝较浅，在断口上有二次裂纹，这与组织的不均匀性有很大关系;410℃时韧窝较为均匀，这是组织均匀、再结晶完全综合作用的结果。

图5 不同挤压温度AZ80镁合金多层壳体零件拉伸试样断口SEM形貌

6 结论

(1)反挤压成形过程中，挤压温度在320℃时，成形零件的挤压成形性较差;挤压温度在350℃以上，具有较好的挤压成形性能;随着温度逐渐升高，所施加的挤压力更低，材料与模具的摩擦力更小，零件表面质量更好。

(2)挤压成形过程中，合金组织发生了不同程度的动态再结晶。320℃和350℃时的挤压试样的组织由局部再结晶等轴晶区和形变区组成;410℃时挤压试样的组织由分布较为均匀的细小等轴晶和织构组成，挤压过程发生了完全再结晶。

(3)AZ80镁合金热挤压变形后，力学性能比铸态明显提高;挤压态的试样中，410℃时挤压试样的综合性能最佳，其抗拉强度、伸长率分别为280MPa、12% 。

(4)AZ80镁合金挤压试样挤压温度在380℃以上，其室温拉伸断口表现为明显的韧性断裂特征。

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