CIRP 年報(bào) - 制造技術(shù) 65（2016 ）297-300內(nèi)容列表在 ScienceDirectCIRP 年報(bào) - 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(yùn)動(dòng)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(jìn)行固溶處理，然后在冷模之間同時(shí)壓縮和快速冷卻以形成過(guò)飽和溶液。這個(gè)過(guò)程類似于鋁合金板的熱沖壓，然而工件坯料相對(duì)較厚，厚度應(yīng)變較大。雖然提出了在伺服壓力機(jī)上的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)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(jī)的金屬成型工藝有許多優(yōu)點(diǎn)[1]?；瑒?dòng)運(yùn)動(dòng)控制用于減少成形負(fù)載和機(jī)器振動(dòng)，以及改善成形性和潤(rùn)滑性。最成功的冶金應(yīng)用是高強(qiáng)度鋼板的熱沖壓。奧氏體通過(guò)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(qiáng)度和較小回彈的產(chǎn)品[2,3]。由于通過(guò)在冷模之間夾持熱片來(lái)實(shí)現(xiàn)快速冷卻，因此伺服壓力機(jī)是期望的機(jī)器，因?yàn)槿菀讓?shí)現(xiàn)沖壓之后的夾層。另一個(gè)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(guò)去除再加熱工藝，縮短老化持續(xù)時(shí)間中和加強(qiáng)將應(yīng)變老化效應(yīng)，在生產(chǎn)率方面具有優(yōu)點(diǎn)。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(jiān)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(bào)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(guò)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(shí)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(duì)模具運(yùn)動(dòng)敏感。在本研究中，鍛造速度對(duì)人工時(shí)效前后硬度的影響主要在 AA6061 合金的模鍛鍛造工藝中進(jìn)行了研究。圓柱形坯料用于軸對(duì)稱分析，但是將來(lái)對(duì)于工業(yè)應(yīng)用需要具有復(fù)雜形狀的研究。2.實(shí)驗(yàn)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(jī)（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?cè)诟稍飾l件下使用（無(wú)潤(rùn)滑） 。首先，將坯料在 823K 的箱式爐中保持 1.8kS 進(jìn)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(jī)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(gè)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(cè)量溫度變化。圖 2.滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)的示意圖。規(guī)定速度恒定，如圖 2 所示實(shí)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(dá)下死點(diǎn)時(shí)，停止模運(yùn)動(dòng)并將坯料夾持8 秒以冷卻。在打開(kāi)模具之后，將鍛造的坯料排出并保持在空氣中。通過(guò)在側(cè)表面的中心焊接的 CA 熱電偶測(cè)量整個(gè)過(guò)程中坯料的溫度變化，如圖 1 所示。為了比較，還進(jìn)行了水淬（WQ）和空氣冷卻（AC）從沒(méi)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(shí)間為 0.25,0.5,1,2,4,8， 16 和 32 小時(shí)。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(yàn)在坯料的拋光縱截面上沿對(duì)稱軸測(cè)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(jìn)行壓痕。壓痕載荷為 0.49N（50gf） ，保持時(shí)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(jìn)行比較。 x 軸上的時(shí)間 t 從坯料冷卻到 788K 以下并開(kāi)始鍛造的時(shí)刻開(kāi)始。圖中的實(shí)線 C曲線表示通過(guò)商業(yè)軟件 JMatPro（Sente Software Ltd.，UK ）預(yù)測(cè)的在沒(méi)有變形的情況下的b00 Mg 2 Si 相的析出開(kāi)始。據(jù)預(yù)測(cè)，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(shí)間，溫度變化顯示一些波動(dòng)。水淬火和模鍛中的過(guò)飽和固溶體的形成在以前的研究[8]中通過(guò)熱分析（ TG-DTA）和透射電子顯微鏡（TEM）證實(shí)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(zhǎng)，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(guò)程中引入的應(yīng)變。在 Dh / h0 = 20％時(shí)中斷鍛造，并且在圖 5 中對(duì)中途變形的坯料進(jìn)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(dòng)，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(lái)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(shuō)，變形集中在周圍圖 4.鍛造過(guò)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(duì)較高，因?yàn)楸砻鎱^(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(jìn)行比較。 .水淬鋼（WQ）和以2.5,7.4 和 17.4 mm / s 鍛造的三個(gè) DQ 鋼坯的峰值老化持續(xù)時(shí)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(shí)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(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間。因此，鍛造溫度較低，使得引入更多的位錯(cuò)，加工硬化較大，應(yīng)變時(shí)效增強(qiáng)。3.4。硬度分布通過(guò)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(shí)，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(duì)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(cuò)。值得注意的是，中心和表面之間的硬度差通過(guò)老化而降低，但是硬度都顯著增加。3.5。鍛造速度對(duì)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(jìn)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(guò)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(zhǎng)。這種效果在更高的鍛造速度下更顯著（圖4（ c） ） ，因?yàn)榕髁显谙鄬?duì)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(duì)伺服壓力機(jī)上的鍛造速度非常敏感。這是因?yàn)樗俣扔绊戝懺爝^(guò)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?yàn)槔鋮s曲線只是顯示按時(shí)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(duì)于討論材料的機(jī)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(shí)考慮變形（應(yīng)變） ，載荷（應(yīng)力）和溫度的所有變化，因?yàn)樵摴に囀钦嬲臒釞C(jī)械處理。應(yīng)力，應(yīng)變和溫度對(duì)鍛造持續(xù)時(shí)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(guò)激光位移計(jì)在假定均勻變形而不進(jìn)行滾磨的情況下實(shí)驗(yàn)測(cè)量的滑動(dòng)位置計(jì)算真應(yīng)變。發(fā)現(xiàn)鍛造在 2 秒內(nèi)完成。由壓縮載荷計(jì)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(guò)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(duì)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(duì)真應(yīng)變?nèi)鐖D 9（c）所示。鍛造持續(xù)時(shí)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(shí)間的變化。圖 9 通過(guò)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(shí)溫度更高。因此，圖 9（a） 、 （b）似乎對(duì)圖8（ c）的結(jié)果有爭(zhēng)議。這是因?yàn)槊總€(gè)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(shí)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(jì)，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(cuò)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(guò)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(jī)上進(jìn)行 AA6061 圓柱形坯料（直徑 16mm，高度 8mm） 。研究了鍛造速度對(duì)溫度變化，變形和老化行為的影響。當(dāng)鍛造速度較慢時(shí)，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(guò)高硬度分布是廣泛的，因?yàn)榕髁显诖蟮臏囟忍荻认伦冃?。如果控制冶金?yīng)用的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，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(cè)鍛造鋼坯的顯微組織和性能。參考文獻(xiàn)[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(jí)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(jī)對(duì) AA2024 鋁合金坯料進(jìn)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(guó)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(huì)議論文集（2015） ，351-352。[9] Microstructure and Properties of Aluminium Alloys， （1991） ，Japan Institute of Light Metals：477. （日文） 。