锻压变形量对轻量化机床新型铝合金组织与性能的影响
2018-8-13 来源：潍坊科技学院 机械工程学院 作者： 柳香雅
摘 要：研究了不同锻压变形量下轻量化机床用新型铝合金的显微组织与力学性能。 结果表明，随着锻压变形量从0 增加至 14%，新型铝合金的抗拉强度和屈服强度先增加然后基本不变，断后伸长率和冲击韧性则先增加后减小。 锻压变形量优选为 12%；与未进行锻压的试样相比，锻压变形量为 12%时新型铝合金的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和冲击韧性分别增加了 28.5%、32.6%、77.6%和 73.8%。
关键词：锻压变形量；力学性能；显微组织；新型铝合金；轻量化机床
在经济型、节能型和环保型多重目标的要求下，机床轻量化逐渐升级。 在机床轻量化的进程中，开发新型轻量化合金被认为是机床轻量化新型可持续生产中的重要环节，也决定着机床轻量化的真正效果。 兼具优良耐蚀性和较小密度的铝合金，在轻量化机床中极具应用潜力。 但是，现有铝合金的综合性能不佳，难以满足机床的轻量化应用要求。本文采用合金化方法开发了一种尤其适用于轻量化机床的新型锻压铝合金，并重点研究了锻压变形量对该新型铝合金显微组织、力学性能和耐磨损性能的影响，为轻量化机床用铝合金的开发提供新的思路和试验数据。
1、 试验材料与方法
1.1 合金熔炼
以工业纯铝、速溶硅、纯镁锭、纯锌锭、Al-50Cu中间合金、Al-10RE 中间合金（RE 为镧铈混合稀土）为原料 ， 采用中频感应熔炼方法 ，经过熔化 、精炼 、静置和除渣等过程中 ，制备出新型铝合 金铸锭（准120mm×600mm）。 获得试验所需的轻量化机床新型铝合金铸态试样。 试样的化学成分，经 i DEX-150MM型 X 射线荧光光谱仪进行分析，结果如表 1 所示。
表 1 试样的化学成分(质量分数，%)
1.2 锻压工艺
在恒定的毛坯加热温度 （470 ℃）、 模具温度（370 ℃）、始锻温度 （460 ℃）和终锻温度（400 ℃）下，采用不同的锻压变形量，在 10MN 锻压机上进行新型铝合金的锻压试验，获得新型锻压铝合金试样。其变形量如表 2 所示。
表 2 试样的锻压变形量
1.3 测试方法
试样经磨制、 抛光、 金相浸蚀 （浸蚀剂由 2mlHF、3 ml HCl、5ml HNO3和 200 ml 去 离 子 水 组 成 ）后，采用 PG18 型金相显微镜进行观察。 试样经 T6处理（550℃固溶 8h，水淬，180℃时效 8h，随炉冷却至室温）后，依据 GB/T 228-2002 加工拉伸试样，在ZCWE-S1000B 数显液压万能试验机进行试样拉伸性能测试，试验温度为室温、拉伸速率为 1mm/min，并用 JSM6510 型扫描电子显微镜（SEM）观察拉伸断口形貌。 试样的冲击性能测试在 JB-300B 型冲击试验机上进行测试，测试温度为室温，缺口为 V 型缺口。
2 、试验结果及分析
2.1 显微组织分析
采用不同锻压变形量获得的轻量化机床新型铝合金试样的显微组织如图 1 所示。从图可以看出，当锻压变形量为 0（即未进行锻压）时，新型铝合金的显微组织由较粗大的枝晶晶粒组成， 表现为明显的铸态组织。随锻压变形量不断增加，新型铝合金的显微组织由铸态枝晶组织逐渐变为变形态组织；锻压变形量越大， 新型铝合金显微组织的塑性变形越明显。当锻压变形量达到 12%后，新型铝合金的显微组织的塑性变形较为充分， 原有的枝晶晶粒被破碎，晶粒得到明显的细化（图 1（d）、（e））。
图 1 不同变形量下试样的显微组织
2.2 拉伸性能分析 |
采用不同锻压变形量，获得的轻量化机床新型铝合金试样的拉伸性能测试结果如图 2 所示。 从图2 可以看出，随锻压变形量从 0 增到 14%，新型铝合金的抗拉强度、屈服强度先增加后基本不变；新型铝合金的断后伸长率先增加后减小。与未进行锻压（即锻压变形量为 0）的新型铝合金试样相比，锻压变形量为 12%时，抗拉强度从 592MPa 增加至 761MPa，增 加 了 28.5%； 屈 服 强 度 从 534 MPa 增 加 至 708MPa， 增加了 32.6%； 断后伸长率从 13.4%增加到23.8%，增加了 77.6%。 这主要是因为锻压变形量为0（即铸态）时新型铝合金内部不可避免地存在收缩孔洞和微裂纹，这些铸态缺陷将恶化新型铝合金的拉伸性能。 随着锻压变形量的增加，一方面，新型铝合金内部晶粒被压扁破碎，合金原有的铸态收缩孔洞和微裂纹被压实，合金的铸态缺陷显著减少，合金的拉伸性能得到提高；另一方面，当塑性变形较为充分时，合金的显微组织发生明显变形，合金内部晶粒发生明显细化，从而使得新型铝合金的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率得到明显提高。 但是，当锻压变形量过大时， 合金内部的显微组织变形均匀性受到影响，使得合金的显微组织分布不均匀，过多的锻压能量使得合金的内部晶粒发生少量粗化， 从而使得新型铝合金的抗拉强度和屈服强度基本不变，断后伸长率发生恶化。 因此，从提高拉伸性能出发，轻量化机床新型铝合金的锻压变形量优选为 12%。
图 2 试样的力学性能测试结果
图 3 是锻压变形量分别为 0 和 12%时新型铝合金的拉伸断口 SEM 照片。 从图 3 可以看出，锻压变形量为 0 和 12%时新型铝合金的拉伸断口都是由韧窝和少量的撕裂棱组成， 都表现出较为明显的韧性断裂特征。 但是与锻压变形量为 0（即未进行锻压）相比，锻压变形量为 12%的新型铝合金拉伸断口中的韧窝明显变细小，也变得更深，表现出更好的拉伸性能。 这与试样的拉伸性能测试结果一致。
图3试样拉伸断口 SEM照片
2.3 冲击性能分析
采用不同锻压变形量获得的轻量化机床新型铝合金试样的冲击性能测试结果如图 4 所示。 从图可以看出，随锻压变形量从 0 增加到 14%，冲击韧性得到明显提高。与未进行锻压的新型铝合金相比，锻压变形量为 12%时， 合金的冲击韧性从 42 J/cm2增至 73J/cm2，增加了 73.8%。 但是，当锻压变形量过大（14%）时，合金内部的显微组织变形均匀性受到影响，使得合金的显微组织分布不均匀， 过多的锻压能量使得合金的内部晶粒发生少量粗化， 从而使得新型铝合金的冲击韧性非但不增加反而下降，但仍比锻压变形量为 0时得到提高。 因此，从提高冲击性能出发，轻量化机床新型铝合金的锻压变形量优选为 12%.
图 4 试样的冲击性能测试结果
3、 结论
（1） 含镧铈混合稀土的轻量化机床用新型铝合金具有较佳的力学性能，铸态时的抗拉强度、屈服强度 、 断 后 伸 长 率 和 冲 击 韧 性 分 别 为 592 MPa、534MPa、13.4%、42J/cm2；锻压后新型铝合金的力学性能得到提高。（2） 随锻压变形量从 0 增至 14%，轻量化机床用新型铝合金的抗拉强度和屈服强度先增加后基本不变，断后伸长率和冲击韧性则先增加后减小。（3） 轻量 化机床用新型铝合金的锻压变形量优选为 12%；与未进行锻压相比，锻压变形量为 12%时新型铝合金的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和冲击韧性分别增加了 28.5%、32.6%、77.6%和 73.8%。
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