CIRP 年報 - 制造技術(shù) 65（2016 ）297-300內(nèi)容列表在 ScienceDirectCIRP 年報 - 制造技術(shù)單詞：h t t p：/ / e e。 e l e e e r e r。 c o m / c i r p / d e f a u l t。薩普AA6061 鋁合金模鍛工藝模的運動控制Hiroshi Utsunomiya（2）* ，Koki Tada，Ryo Matsumoto日本大阪大學(xué)大學(xué)院工學(xué)研究科材料與制造科學(xué)科 2-1 山田大夫，大阪府大田 565-0871A R T I C L E I N F O關(guān)鍵詞：淬火鋁燙金A B S T R A C T在可熱處理的鋁合金的模鍛中，坯料保持在高溫下以進行固溶處理，然后在冷模之間同時壓縮和快速冷卻以形成過飽和溶液。這個過程類似于鋁合金板的熱沖壓，然而工件坯料相對較厚，厚度應(yīng)變較大。雖然提出了在伺服壓力機上的滑動運動控制的許多應(yīng)用，但是作為控制工件的微結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的方法尚未被充分討論。在 AA6061 坯料的模鍛鍛造中，討論模具速度的影響以獲得具有均勻分布的更高硬度。2016 CIRP。1.介紹伺服壓力機的金屬成型工藝有許多優(yōu)點[1]?；瑒舆\動控制用于減少成形負(fù)載和機器振動，以及改善成形性和潤滑性。最成功的冶金應(yīng)用是高強度鋼板的熱沖壓。奧氏體通過模具之間的快速冷卻而轉(zhuǎn)變成馬氏體，即模具淬火，使得在小負(fù)荷下制造具有較高強度和較小回彈的產(chǎn)品[2,3]。由于通過在冷模之間夾持熱片來實現(xiàn)快速冷卻，因此伺服壓力機是期望的機器，因為容易實現(xiàn)沖壓之后的夾層。另一個應(yīng)用是從溶液處理生產(chǎn)超飽和固溶體（S.S.S.S.）的可熱處理合金[4-6]。該方法通過去除再加熱工藝，縮短老化持續(xù)時間中和加強將應(yīng)變老化效應(yīng)，在生產(chǎn)率方面具有優(yōu)點。然而，由于冷卻速率，用于熱沖壓或模具淬火的工件被限制為薄片或箔。如果模具淬火適用于諸如板，坯料和棒的厚工件，則其可以廣泛地用于工業(yè)中制造厚而堅固的部件和部件。因此，塊狀金屬的鍛造鍛造的可行性研究很重要。作者介紹了具有較高熱導(dǎo)率的硬質(zhì)合金工具的模具，并報道了鋼坯的模鍛鍛造是可行的[7]。發(fā)現(xiàn) Al-Mg-Si 是用于模鍛鍛造的優(yōu)選合金。 16 mm 厚的 AA6061 坯料在模鍛鍛造中大量減少（高度為 50％） ，并確認(rèn)形成過飽和固溶體[8]。*通訊作者。電子郵件地址：uts@mat.eng.osaka-u.ac.jp （H. 宇都宮） 。順便提及，在模鍛鍛造中，在非常短的時間內(nèi)一次施加熱和冷加工，使得鍛造產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)和性能可能不同于常規(guī)產(chǎn)品的。它們應(yīng)該對模具運動敏感。在本研究中，鍛造速度對人工時效前后硬度的影響主要在 AA6061 合金的模鍛鍛造工藝中進行了研究。圓柱形坯料用于軸對稱分析，但是將來對于工業(yè)應(yīng)用需要具有復(fù)雜形狀的研究。2.實驗2.1。工件圓柱坯料由擠壓的 Al-Mg-Si 合金（A6061-T6 ）棒加工而成?；瘜W(xué)組成為 Al-0.9％Mg-0.57％Si-0.2％Fe-0.29％Cu-0.09 ％Cr 。坯料的直徑 D0 為 16mm，高度 h0 為 8mm。2.2。模鍛使用 450kN 伺服壓力機（H1F45 ，Komatsu Ind.Corp。 ） 。模具由硬質(zhì)合金工具（WC-20 質(zhì)量％Co，熱導(dǎo)率= 70W m 1 K 1，表面粗糙度 Ra = 0.02-0.04mm）制成。它們在干燥條件下使用（無潤滑） 。首先，將坯料在 823K 的箱式爐中保持 1.8kS 進行固溶處理。為了避免在鍛造之前用冷模接觸而突然溫度下降，鋼坯由鋼絲支撐，如圖 1 所示。將坯料從爐中轉(zhuǎn)移到壓機中，并在空氣中輕微冷卻，直到表面溫度變?yōu)?788K，然后在模具之間鍛造。 788 K 是該合金的最低固溶處理溫度[9]。坯料高度從 8mm 壓縮至 4mm（Dh / h0 = 50％） ，其中三個滑動運動示意性地示于圖 2。雖然http://dx.doi.org/10.1016/j.cirp.2016.04.132 0007-8506 / 2016 CIRP。H.Utsunomiya et al。 / CIRP Annals - Manufacturing Technology 65（2016）297-300圖 1 實驗設(shè)置示意圖。圖 3.水淬（WQ） ，空氣冷卻（AC）和模鍛鍛造（ DQ）中的測量溫度變化。圖 2.滑動運動的示意圖。規(guī)定速度恒定，如圖 2 所示實際速度不完全恒定。平均速度為 2.5,7.4 和 17.4mm / s，使得初始應(yīng)變速率分別為 0.21,0.84 和 2.52s 1。當(dāng)上模到達下死點時，停止模運動并將坯料夾持8 秒以冷卻。在打開模具之后，將鍛造的坯料排出并保持在空氣中。通過在側(cè)表面的中心焊接的 CA 熱電偶測量整個過程中坯料的溫度變化，如圖 1 所示。為了比較，還進行了水淬（WQ）和空氣冷卻（AC）從沒有鍛造的溶液處理。2.3。老化處理模具淬火的坯料以及水淬火（WQ）和空氣冷卻（AC）坯料在 448K 的硅油浴中老化。老化持續(xù)時間為 0.25,0.5,1,2,4,8， 16 和 32 小時。這意味著 0.9,1.8,3.6,7.2,14.4,28.6,57.6 和115.2 ks（kiloseconds ） 。2.4。硬度試驗在坯料的拋光縱截面上沿對稱軸測量維氏硬度。在中心區(qū)域（距離中間平面 250mm 內(nèi)）和表面區(qū)域（距離端面 250-500mm）中進行壓痕。壓痕載荷為 0.49N（50gf） ，保持時間為15 秒。3.結(jié)果3.1。連續(xù)冷卻變換（CCT）圖在模具淬火鍛造（DQ） ，水淬火（WQ）和空氣冷卻（AC）期間的連續(xù)冷卻曲線在圖 3 中進行比較。 x 軸上的時間 t 從坯料冷卻到 788K 以下并開始鍛造的時刻開始。圖中的實線 C曲線表示通過商業(yè)軟件 JMatPro（Sente Software Ltd.，UK ）預(yù)測的在沒有變形的情況下的b00 Mg 2 Si 相的析出開始。據(jù)預(yù)測，空氣冷卻（AC ）中的鋼坯在 30 秒后顯示沉淀。模具鍛造（DQ）和水淬火（WQ）中的所有坯料在 10 秒內(nèi)快速冷卻至低于 323K。即使在最低速度（2.5mm / s）下，在 t = 2s 之前完成壓縮，并且在 t = 10s 之前完成夾持。在最高速度（17.4mm / s）下，由于 100Hz 的短采樣時間，溫度變化顯示一些波動。水淬火和模鍛中的過飽和固溶體的形成在以前的研究[8]中通過熱分析（ TG-DTA）和透射電子顯微鏡（TEM）證實了 17.4mm / s。值得注意的是，鍛造速度越快，冷卻速率越高。3.2。模鍛鍛造變形在 17.4mm / s 的模鍛鍛造期間，縱向截面上宏觀結(jié)構(gòu)的變化示于圖 3 中。從未變形的水冷淬火坯料的圖像（圖 4（a） ） ，發(fā)現(xiàn)粗顆粒在軸向上伸長，并且表面附近的顆粒尺寸更細(xì)。這可能是由于在從擠壓棒到圓柱坯的加工過程中引入的應(yīng)變。在 Dh / h0 = 20％時中斷鍛造，并且在圖 5 中對中途變形的坯料進行取樣和觀察。 4（ b） 。坯料顯示側(cè)表面的滾磨。圍繞中間平面的金屬主要在徑向方向上流動，而粒狀纖維在端面下方保持垂直，因此清楚地觀察到三角形較少變形區(qū)域。這意味著表面附近的冷卻速率較高。在 50％壓縮后（圖 4（c） ） ，宏觀結(jié)構(gòu)在高度上看起來更不均勻。更清楚地觀察到圍繞中平面的徑向顆粒流。這是由于在鍛造期間較少的變形區(qū)以及溫度梯度。換句話說，變形集中在周圍圖 4.鍛造過程中鋼坯縱截面的宏觀組織變化（v = 17：4 mm = s） 。H.Utsunomiya et al。 / CIRP Annals - Manufacturing Technology 65（2016）297-300 299中心溫度相對較高，因為表面區(qū)域被冷模具更多地冷卻。3.3。中心硬度在老化之前和老化后的坯料中心周圍的硬度在圖 5 中進行比較。 .水淬鋼（WQ）和以2.5,7.4 和 17.4 mm / s 鍛造的三個 DQ 鋼坯的峰值老化持續(xù)時間和峰值硬度分別為57.6,3.6,7.2,7.2 ks 和 108,126,121,115 HV。所有模鍛鍛坯顯示比水淬鋼（WQ）更高的硬度。峰值老化時間從 57.6 ks 的 WQ 顯著縮短到 3.6-7.2 ks 的模鍛（DQ） 。發(fā)現(xiàn)在較慢速度鍛造的坯料中，不僅析出更快，而且峰值硬度更高。在緩慢鍛造的情況下，坯料在鍛造期間冷卻更長的持續(xù)時間。因此，鍛造溫度較低，使得引入更多的位錯，加工硬化較大，應(yīng)變時效增強。3.4。硬度分布通過高度圖 3 中比較了中心附近和表面附近的硬度。當(dāng)鍛造速度較快時，硬度分布較窄，盡管宏觀結(jié)構(gòu)更不均勻，如圖 6 所示表面附近的硬度對鍛造速度不敏感，而中心周圍的硬度隨著鍛造速度的降低而增加。因此，慢鍛造導(dǎo)致不均勻的硬度分布。假設(shè)在慢鍛造中，坯料在較低溫度下變形，從而在中心周圍引入更多的位錯。值得注意的是，中心和表面之間的硬度差通過老化而降低，但是硬度都顯著增加。3.5。鍛造速度對坯料宏觀結(jié)構(gòu)的影響在不同速度鍛造的坯料的宏觀結(jié)構(gòu)在圖 7 中進行比較。最高速度的宏觀結(jié)構(gòu)已經(jīng)在圖4（ c）中示出。端面下方的區(qū)域通過與冷模接觸而快速冷卻，使得變形不嚴(yán)重。另一方面，中心區(qū)域被軸向壓縮并且在徑向方向上伸長。這種效果在更高的鍛造速度下更顯著（圖4（ c） ） ，因為坯料在相對較高的溫度下被壓縮，其中中心和表面之間的溫度差較大，使得變形集中在中心附近。圖 5.人工老化前后坯料中心的硬度。 圖 6.中心和表面的硬度作為鍛造速度的函數(shù)。圖 7 縱向坯料的宏觀結(jié)構(gòu)作為鍛造速度的函數(shù)。4。討論上述結(jié)果表明，模鍛鍛造坯料的顯微組織，硬度和老化行為對伺服壓力機上的鍛造速度非常敏感。這是因為速度影響鍛造過程中的溫度變化。然而，僅僅從圖 3 所示的冷卻曲線了解該行為是不容易的。因為冷卻曲線只是顯示按時間順序的溫度變化，不考慮變形。另一方面，應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線對于討論材料的機械行為是非常有用的，然而其不包括熱效應(yīng)。在模鍛鍛造中，坯料立即冷卻和鍛造，因此需要同時考慮變形（應(yīng)變） ，載荷（應(yīng)力）和溫度的所有變化，因為該工藝是真正的熱機械處理。應(yīng)力，應(yīng)變和溫度對鍛造持續(xù)時間的變化如圖 8（a）-（ c）所示。如圖 8（a）所示，從初始高度和通過激光位移計在假定均勻變形而不進行滾磨的情況下實驗測量的滑動位置計算真應(yīng)變。發(fā)現(xiàn)鍛造在 2 秒內(nèi)完成。由壓縮載荷計算的真應(yīng)力如圖 8（b）所示。負(fù)載增加，并在夾層之前顯示最大值。最大應(yīng)力隨著鍛造速度的降低而增加。在鍛造更快的情況下，應(yīng)力消除更大。在鍛造過程周圍的放大的冷卻曲線如圖 8（c）所示。圖 9（a） - （c）是基于圖 8 的應(yīng)變，應(yīng)力和溫度的組合圖。常規(guī)應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線如圖 9（a）所示。真應(yīng)力對溫度的影響如圖 9（b）所示。這些數(shù)字意味著坯料在較慢溫度下在較慢鍛造的情況下變形。溫度對真應(yīng)變?nèi)鐖D 9（c）所示。鍛造持續(xù)時間 t 被添加在 H.Utsunomiya et al。 / CIRP Annals - Manufacturing Technology 65（2016）297-300圖 8.（a）應(yīng)變， （b）應(yīng)力和（c ）溫度隨時間的變化。圖 9 通過組合數(shù)據(jù)獲得的應(yīng)力，應(yīng)變和溫度之間的關(guān)系如圖 8 所示。圖 9（b）和（ c）的曲線上。如圖 9（c）所示，可知鍛造速度越快，冷卻速度越快。然而，如果比較相同應(yīng)變的溫度，當(dāng)鍛造速度更快時溫度更高。因此，圖 9（a） 、 （b）似乎對圖8（ c）的結(jié)果有爭議。這是因為每個應(yīng)變的冷卻速率 dT / de 不總是與標(biāo)稱冷卻速率 dT / dt一致。實際變形溫度很重要。根據(jù)圖 9（c ）所示，如果鍛造速度快，則主要在熱加工或熱加工中施加變形。在這種情況下，即使變形是不均勻的，如圖 4 所示，加工硬化可忽略不計，使得鍛造后的硬度分布小。另一方面，如果鍛造速度慢，則施加的變形大多是熱加工或冷加工，因此加工硬化起重要作用。在這些條件下，溫度梯度導(dǎo)致產(chǎn)品中的硬度分布。結(jié)果表明，低速淬火鍛造使變形溫度更低，引入更多的位錯和硬化中心區(qū)域，然后增加人工老化后由于應(yīng)變老化的硬度。然而，通過高度的硬度分布更寬。5.結(jié)論Al-Mg-Si 合金的模鍛鍛造在具有硬質(zhì)合金工具 WC-Co 模具的伺服壓力機上進行 AA6061 圓柱形坯料（直徑 16mm，高度 8mm） 。研究了鍛造速度對溫度變化，變形和老化行為的影響。當(dāng)鍛造速度較慢時，標(biāo)稱冷卻速率較低。坯料在較低溫度下變形，使得中心附近的硬度較高，并且老化后的硬度也較高。然而通過高硬度分布是廣泛的，因為坯料在大的溫度梯度下變形。如果控制冶金應(yīng)用的滑動運動，建議立即考慮應(yīng)力，應(yīng)變和溫度的變化。除了冷卻曲線外，溫度 - 應(yīng)變曲線有助于區(qū)分熱/ 熱/冷加工以及預(yù)測鍛造鋼坯的顯微組織和性能。參考文獻[1] Osakada K，Mori K，Altan T，Groche P（2011）Mechanical Servo Press Technology for Metal Forming。 CIRP Annals 60：651-672。[2] Karbasian H，Tekkaya AE（2010 ）A Review on Hot Stamping。材料加工技術(shù)雜志210：2103-2118。[3] Lechler J， Merklein M（2008）Hot Stamping of Ultra High Strength Steels as a Key Technology for Lightweight Construction。 Materials Science and Technology 3：1698-1709。[4] Garrett RP，Lin J，Dean TA（2005 ）Solution Heat Treatment and Cold Die Quenching in Forming AA6xxx Sheet Components：Feasibility Study。高級材料研究 6-8：673-680。[5] Maeno T，F(xiàn)ujii H，Mori K，Sato M（2010）Control of Slide Motion in Hot Impression Die Forging Alloy Billets Using Servo Press。 Steel Research International 81：354-357 。[6] Jeon JY，Matsumoto R，Utsunomiya H（2014）使用伺服壓力機對 AA2024 鋁合金坯料進行模具淬火的可行性研究。 Advanced Materials Re-search 922：286-291 。[7] Matsumoto R，Osumi Y，Utsunomiya H（2012）Selective Die Quenching of Hot Forged Steel Product Using High and Low Thermal Conductivity Tools on a Servo Press。國際鋼鐵研究207-210。 （特別版本） 。[8] Tada K，Matsumoto R，Utsunomiya H，Watanabe K，Matsuda K（2015）Micro-structure evolution of Al-Mg-Si Aluminum Alloy in Die-Quench Forging Process。日本光金屬研究所第128 次會議論文集（2015） ，351-352。[9] Microstructure and Properties of Aluminium Alloys， （1991） ，Japan Institute of Light Metals：477. （日文） 。