AZ31鎂合金型材擠壓生產(chǎn)工藝的研究

徐春森

(北京國信安科技術(shù)有限公司，北京 100160)

鎂合金具有密度小，比強度、比剛度高、散熱性和屏蔽性好，能回收、無污染、資源豐富等一系列優(yōu)點，在汽車、摩托車、航空航天、兵器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，成為減重節(jié)能、保護環(huán)境的首選材料。由于鎂及常用鎂合金是密排六方結(jié)構(gòu)(HCP)，塑性成形能力差，所以鑄造鎂合金得到了大量應(yīng)用。而變形鎂合金比鑄造鎂合金具有更優(yōu)良的性能、更多樣的型式、更高的生產(chǎn)率、更便于連續(xù)化自動化生產(chǎn)，因此研究變形鎂合金及其晶粒細(xì)化具有十分重要的實際意義和理論意義[1]。

晶粒細(xì)化不僅可以提高材料強度還可提高其塑性，對于AZ31鎂合金而言更是如此，因為AZ31鎂合金既不能靠熱處理強化也不能靠應(yīng)變強化，細(xì)晶強化幾乎是提高AZ31鎂合金強度的唯一方法。近年來，人們對Mg-Al系合金晶粒細(xì)化技術(shù)做了大量工作，主要分為兩部分，一是鑄造鎂合金的晶粒細(xì)化，即通過合金化和添加變質(zhì)劑來達到晶粒細(xì)化的效果；另一部分是變形鎂合金的晶粒細(xì)化，可通過大擠壓比擠壓、等徑角擠壓和動態(tài)再結(jié)晶等方法來實現(xiàn)，本文論論后者。

材料的屈服強度與晶粒大小存在函數(shù)關(guān)系即Hall-Petch公式，σs=σ0+Kd-1/2，式中σs為屈服強度，σ0為單晶體的屈服極限，K為常數(shù)，d為晶粒大小。K值隨泰勒系數(shù)的增加而增加，通常泰勒系數(shù)取決于滑移系數(shù)的多少。由于鎂是密排六方結(jié)構(gòu)，與面心立方和體心立方金屬相比鎂的泰勒系數(shù)大，因此其K值也大，鎂合金晶粒大小對屈服強度的影響比鐵合金和鋁合金的都大[2]。本文作者從生產(chǎn)現(xiàn)場的操作工藝出發(fā)，研究了AZ31鎂合金獲得細(xì)晶組織的最佳操作工藝，為變形鎂合金擠壓加工提供實踐經(jīng)驗和理論依據(jù)。

1 試驗方法和過程

1.1 試驗材料

AZ31鎂合金元素含量見表1，原材料由山西廣靈精華集團鎂業(yè)公司提供。熔煉用電阻爐容量為30kg、鋼質(zhì)坩堝，熔煉用合金為二級鎂錠(w(Mg)≥99.95%)、一級鋁錠(w(Al)≥99.99%)和高純鋅錠(w(Zn)≥99.99%)，保護氣氛是SF6、CO2和空氣(經(jīng)干燥機干燥)的混合氣體。在半連續(xù)拉鑄設(shè)備上拉制成長6m的鎂棒，經(jīng)切割剝皮加工成Φ92mm、長350～400mm的擠壓用鎂棒。配制合金錠時已加入晶粒細(xì)化劑，鑄錠晶粒度已降至100～200μm，且加入的細(xì)化劑具有遺傳效應(yīng)，為后續(xù)擠壓工藝創(chuàng)造了良好的加工條件。

表1 AZ31鎂合金鑄錠化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

1.2 模具設(shè)計

試驗在630T的臥式擠壓機上進行， AZ31合金棒材直徑Φ92mm。圖1是試驗型材橫截面尺寸圖，由于橫截面只有一個對稱軸，所以?？讕缀沃行牡呐渲帽仨毻ㄟ^型材對稱軸并位于其幾何中心上。為了使金屬流動均勻，采用不等尺寸工作帶。型材截面在各部位的截面積不等擠壓比也不一樣，因此采取阻礙角和促流角[3,4]，同時在導(dǎo)流模上也采取了相應(yīng)措施。薄壁處金屬流速較慢而厚壁處流速較快，因此，模具設(shè)計采取多種限流措施設(shè)計流線型模，保證合金各處的流速均勻。

圖1 擠壓型材的橫截面示意圖

1.3 試驗過程

生產(chǎn)現(xiàn)場所用原材料相同，不斷改變擠壓工藝參數(shù)，并對擠壓產(chǎn)品分別進行金相分析和力學(xué)性能測試，通過研究分析確定最佳擠壓工藝。

試驗分多組進行，每組4個樣品均按照每根熔煉鎂棒擠壓一根型材時前、中、后各個部位截取，對樣品進行金相分析和力學(xué)性能檢測后，選擇晶粒度最小、力學(xué)性能最好的一組，按照這一組的操作工藝參數(shù)制定實際生產(chǎn)工藝流程。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗結(jié)果

通過生產(chǎn)現(xiàn)場的試驗研究，證明在合金化時加入晶粒細(xì)化劑，可以降低擠壓溫度(包括鎂棒溫度、模具溫度和擠壓筒溫度等)提高擠壓速度。確定的主要擠壓參數(shù)為(稱之為“精華工藝”)擠壓筒溫度250～300℃，鎂錠預(yù)熱溫度300～350℃，模具預(yù)熱溫度350～380℃，擠壓速度2.5～3m/min，各參數(shù)都比未加晶粒細(xì)化劑時優(yōu)越。

根據(jù)上述模具設(shè)計原則和試驗工藝，擠壓出的型材外形輪廓完美，表面質(zhì)量好，薄壁處外形也很規(guī)則，表面沒有任何劃痕、裂紋和燒損現(xiàn)象，通過專門的平直度和扭曲度檢測設(shè)備檢驗完全合格，能夠滿足客戶要求，生產(chǎn)的樣品如圖2所示。通過對生產(chǎn)產(chǎn)品做金相分析和力學(xué)性能檢測，得到的實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

圖2 擠壓型材產(chǎn)品示意圖

表2 AZ31合金型材力學(xué)性能(“精華工藝”試樣)

同樣原材料擠壓參數(shù)為(稱之為“高溫工藝”)擠壓筒溫度400～450℃，鎂錠預(yù)熱溫度450～500℃，模具預(yù)熱溫度450～500℃，擠壓速度1.5～2.5m/min，擠壓型材的力學(xué)性能如表3所示。

表3 AZ31合金型材的力學(xué)性能(“高溫工藝”試樣)

圖3是兩種擠壓工藝的產(chǎn)品金相照片，圖3(a)為“精華工藝”，圖3(b)為“高溫工藝”。從圖3中看出，前者的晶粒度比后者細(xì)很多，分布也較均勻，通過金相分析軟件處理后，評定級別并計算出晶粒直徑，各項指標(biāo)和計算結(jié)果如表4所示。

表4 合金的晶粒度評定指標(biāo)

圖3 不同擠壓工藝下AZ31合金型材的金相組織

工業(yè)生產(chǎn)的鑄態(tài)AZ31鎂合金晶粒粗大，同時晶界上有隨機分布的二次相，在大變形擠壓后，鑄態(tài)AZ31鎂合金的晶粒明顯細(xì)化且呈等軸狀[5]，合金的力學(xué)性能明顯提高，特別是延伸率可達到17%。這可以從擠壓比的大小進行判定，根據(jù)動態(tài)再結(jié)晶原理，當(dāng)變形程度超過臨界變形程度時，變形程度越大，晶粒越小，當(dāng)達到一定變形時，晶粒不再增大，發(fā)生超塑變形[6,7]。細(xì)小晶粒和織構(gòu)強度提高是屈服強度和抗拉強度增大的主要原因。因此，該工藝可以生產(chǎn)擠壓比≤70、薄壁端厚≥1.5mm的各種鎂合金型材，也可以生產(chǎn)方管等。

2.2 討論

2.2.1 鎂棒質(zhì)量對擠壓型材質(zhì)量的影響

鑄態(tài)熔煉鎂棒的質(zhì)量對擠壓型材的質(zhì)量有決定性影響，如果鎂棒有縮松、夾雜、偏析和組織成份等缺陷，會嚴(yán)重影響型材的表面質(zhì)量和力學(xué)性能。試驗和生產(chǎn)所用原料都來自山西廣靈精華集團鎂業(yè)公司，組織均勻，經(jīng)檢測質(zhì)量可靠。因此試驗鎂合金擠壓型材的質(zhì)量主要取決于加工工藝。

2.2.2 擠壓筒和鎂棒溫度對擠壓型材質(zhì)量的影響

擠壓筒和鎂棒溫度過高將使擠壓型材的表面出現(xiàn)燒損、橫裂紋和各種劃痕等缺陷。降低擠壓筒溫度和鎂棒的預(yù)熱溫度可減少裂紋和劃痕的形成，并能減輕型材的表面氧化，但如果不降低擠壓速度，則可能加大擠壓設(shè)備的磨損，增加折舊成本。

2.2.3 擠壓速度對擠壓型材質(zhì)量的影響

不論擠壓鎂合金還是鋁合金，材料本身的變形能力決定了擠壓速度的大小，也決定了擠壓時的工作溫度。在金屬擠壓過程中，金屬材料變形本身會釋放大量擠壓熱，所以在模具中金屬變形時的實際工作溫度并不會降低。但是由于鎂合金熔點低、易氧化，所以擠壓速度過快又會引起型材表面快速升溫，導(dǎo)致表面燒損，如果擠壓速度超過鎂合金材料本身變形能力，則會出現(xiàn)表面裂紋等缺陷。擠壓速度過低，擠壓熱釋放少模具溫度低，容易發(fā)生擠不動的現(xiàn)象，并降低產(chǎn)量，增加生產(chǎn)成本。

2.2.4 模具預(yù)熱溫度對擠壓型材質(zhì)量的影響

模具預(yù)熱溫度過低將導(dǎo)致鎂棒溫度快速下降，發(fā)生擠不動現(xiàn)象，設(shè)備磨損嚴(yán)重；而溫度過高也會使型材表面出現(xiàn)燒損、橫裂紋和黑褐色。出現(xiàn)擠不動現(xiàn)象時，有兩種方法解決模具內(nèi)殘料問題，一是用鋁合金將剩余的鎂合金擠出來，然后在堿液中溶解并清洗模具；另一種是將殘余鎂合金和模具一起加熱再繼續(xù)擠壓。

2.2.5 細(xì)小晶粒度對擠壓型材質(zhì)量的影響

通過對擠壓型材各種情況下產(chǎn)品顯微組織分析和力學(xué)性能檢測，可以看出晶粒越細(xì)小、產(chǎn)品力學(xué)性能越好。

3 結(jié) 論

AZ31鎂合金在擠壓成形時，擠壓模具的設(shè)計極為重要，只有設(shè)計合理的工作帶尺寸和采取相應(yīng)的限流措施，才能擠壓出合格的型材產(chǎn)品。

在合金化時加入晶粒細(xì)化劑，并設(shè)置合理的擠壓工藝，不僅可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，而且還能提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。主要生產(chǎn)工藝參數(shù)為擠壓筒溫度250～300℃，鎂錠預(yù)熱溫度300～350℃，模具預(yù)熱溫度350～380℃，擠壓速度2.5～3m/min。

通過顯微組織分析和力學(xué)性能檢測，證明晶粒細(xì)小對鎂合金型材的力學(xué)性能影響很大。晶粒度越小，型材的力學(xué)性能就越好，特別是塑性有明顯提高，

延伸率可達到17%。

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