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鎂合金低溫鍛造:通過鐓粗使晶粒細(xì)化以提高生產(chǎn)效率

2013-12-18 8:59:03來源:日經(jīng)制造作者:
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  • 日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的可持續(xù)材料研究部門與宮本工業(yè)公司合作開發(fā)的鎂合金低溫鍛造技術(shù),有望降低鍛造構(gòu)件成本,提高生產(chǎn)效率。
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  • 鎂合金 低溫鍛造

鎂合金鍛造材料的用途有望擴大,但成本成為其瓶頸。因此,業(yè)界為降低成本積極推進新技術(shù)的開發(fā)。日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所(以下簡稱“產(chǎn)綜研”)的可持續(xù)材料研究部門與宮本工業(yè)公司(總部:東京)合作開發(fā)的鎂合金低溫鍛造技術(shù)就是其中之一。該技術(shù)通過降低鍛造溫度,可獲得諸多好處。

該技術(shù)事先對鍛造材料的組織實施控制,使晶體粒徑減小至10μm以下,然后使用伺服沖壓工藝在低溫(200℃以下)條件下鍛造。鎂合金一般都是在400℃左右的高溫下鍛造,并使用固體潤滑劑。

不過,如果實現(xiàn)200℃左右的低溫鍛造,便可使用容易處理、容易去除的水溶性潤滑劑,并延長模具的壽命。這樣便有望降低鍛造構(gòu)件成本,提高生產(chǎn)效率。

此外,低溫鍛造還可減少為使加熱爐及模具保持溫度而投入的成本,而且溫度膨脹也很小,有助于提高成型后的尺寸精度。宮本工業(yè)預(yù)測,憑借這些優(yōu)點,最終有望使目前的鍛造成本削減20~30%。

將晶體粒徑減小至10μm以下

此次開發(fā)的鍛造技術(shù)的工藝流程如下:首先對鍛造用鎂合金實施“均質(zhì)化處理”,就是將金屬材料加熱至某一溫度并保持一定時間,使合金元素均質(zhì)分散在材料中。具體操作時,將材料加熱至410℃并保持24小時,然后在空氣中環(huán)境中自然冷卻,由此便可獲得晶體粒徑統(tǒng)一為0.1~0.2mm的金屬組織,這樣便形成了鍛造用的坯料。

接下來是使用伺服沖壓機,以5~10mm/s的低速鐓粗加工,將加熱至300℃的坯料加工到壓下率達到10%的程度。這樣,坯料中就會發(fā)生應(yīng)變,發(fā)生“動態(tài)再結(jié)晶”現(xiàn)象。

動態(tài)再結(jié)晶是金屬在受熱并受到應(yīng)力變形的過程中,為消除應(yīng)變能量而重新生成結(jié)晶粒的現(xiàn)象,在上述條件下,坯料的晶體粒徑可變?yōu)榧s5~10μm(圖1)*。要想使鍛造實現(xiàn)低溫化,“這樣的組織控制是非常重要的”(產(chǎn)綜研可持續(xù)材料研究部門高級主任研究員齋藤尚文)。對于這種晶體粒徑微細(xì)化后的材料,便可在200℃以下的低溫下鍛造。

* 晶體粒徑為10μm以下的區(qū)域占整體的95%左右。

圖1:300℃的鐓粗加工引起的鎂合金晶粒的變化

利用動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象使晶粒微細(xì)化。AZ31雖然局部殘留有較大的晶粒,但絕大部分變成了5μm左右的晶粒。AZ61的晶粒雖然比AZ31稍大,但鐓粗加工后也實現(xiàn)了微細(xì)化。

“雖然還要看坯料的使用場所如何,但顯示出了與鋁合金相同程度的強度和拉伸性”(齋藤尚文)。這樣一來,便可鍛造出圖2中那種、散熱柱的長度達到8mm左右的散熱器。

圖2:試制的散熱片鍛造品

照片中的產(chǎn)品是在150℃下鍛造AZ31鑄造材料制成的。在300℃條件下對經(jīng)過均質(zhì)化處理的坯料進行鐓粗加工后,切割材料并鍛造。散熱片的尺寸為,底部邊長30mm左右、厚度3.5mm,散熱柱2mm見方、高8mm。用AZ61也可順利鍛造。

通過分割工序來降低溫度

該技術(shù)由2006~2010年產(chǎn)綜研和日本素形材中心共同開發(fā)的鍛造技術(shù)發(fā)展而來。原來的技術(shù)也是利用鍛造加工中發(fā)生的動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象,將鍛造材料的晶粒微細(xì)化至10μm以下,從而實現(xiàn)了低溫鍛造。加工時,一開始就對加熱至300℃的坯料進行低速下壓,引起動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象,然后直接進入鍛造工序?qū)嵤┏尚汀R簿褪钦f,從動態(tài)再結(jié)晶到鍛造的過程是用一道工序來處理的。

不過,由于是在300℃下鍛造,因此仍然要使用固體潤滑劑,無法充分發(fā)揮低溫鍛造的優(yōu)勢。此外,鐓粗與鍛造使用同一模具,因此能夠鍛造成型的形狀也很有限。

而產(chǎn)綜研和宮本工業(yè)發(fā)現(xiàn),通過將意在引起動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象的低速鐓粗工序與鍛造工序分開,還能將鍛造時的溫度下降100℃左右。

擴大適用材料的范圍

目前來看,已確認(rèn)能夠在200℃以下的溫度鍛造的鎂合金只有AZ31及AZ61。今后,產(chǎn)綜研和宮本工業(yè)還將研究如何使鍛造性差的AZ91以及添加有鈣的阻燃性鎂合金實現(xiàn)低溫鍛造。尤其是后者,由于鈣含量多的話加工效率就會下降,因此將尋找能夠在保持阻燃性的情況下減少鈣的含量,從而提高加工效率的方法。

同時,產(chǎn)綜研和宮本工業(yè)還將努力實現(xiàn)溫度進一步降低的100℃以下的鍛造。這樣便有望進一步提高生產(chǎn)效率,降低成本。如果能夠達到冷鍛水平,“還可替換目前使用鋁合金及鋼制造的鍛造品,有望向汽車等廣泛領(lǐng)域推廣”。

(關(guān)鍵字:鎂合金 低溫鍛造)

(責(zé)任編輯:00951)
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