關(guān)于旋鍛工藝獲取鋁鎂合金的探討

隋 鑫，徐春波，丁子一

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關(guān)于旋鍛工藝獲取鋁鎂合金的探討

隋 鑫1，徐春波1，丁子一2

(1.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；2.北京愛康宜誠醫(yī)療器材股份有限公司，北京 102200)

鋁鎂合金是由鋁和鎂結(jié)合的較優(yōu)化的輕金屬，其中鋁和鎂的結(jié)合的一種方式是用棒材鎂和管材鋁的加工成形來實現(xiàn)的。本文探討了通過旋鍛工藝獲取鋁鎂合金的方法，并對其進(jìn)行觀察，分析原因。

鋁鎂合金 旋鍛 分析原因

0 前言

鋁鎂合金是一種主要由鋁和鎂元素組成的合金，是輕金屬中較優(yōu)化的一種組合，鎂的密度比鋁小30%，并且有較好的可切削性和機(jī)械強(qiáng)度。盡管如此，鎂的使用仍然具有很大的局限性，因為其易受腐蝕，有很差的耐氧化性和在室溫環(huán)境中較差的可塑性。相對來說，鋁有很好的抗腐蝕型和耐氣候性。將鋁和鎂結(jié)合成鋁鎂合金可以將兩種元素的物理化學(xué)性能達(dá)到最佳，其導(dǎo)熱性能和強(qiáng)度尤為突出。鋁鎂合金質(zhì)堅量輕、密度低、散熱性較好、抗壓性較強(qiáng)，能充分滿足3C產(chǎn)品高度集成化、輕薄化、微型化、抗摔撞及電磁屏蔽和散熱的要求。因此，鋁鎂合金在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)、造船行業(yè)以及攜帶式的器械中。

1 現(xiàn)有鋁鎂合金加工技術(shù)

旋鍛技術(shù)是一項非切割的加工成形技術(shù)，可以減少環(huán)繞壞料，管材的橫截面。如下圖所示，四個工具錘不規(guī)則的高速鍛打不斷進(jìn)給的工件，通過這種進(jìn)給方式，工件的成形不會突出在其中某一個或者某幾個方向，而是表現(xiàn)在工件表面的各個地方，使壞料受徑向壓縮成形和沿軸向延伸的過程。同時，在鋁鎂合金的加工過程中，將鋁和鎂連接起來取決于接觸面兩種材料之間的擴(kuò)散，因此還要考慮熱加工成形的加工因素，即由熱成形的溫度和時間來決定[1]。

2 實驗過程

2.1 原材料選擇

在旋鍛工藝中，選用三個直徑為30 mm的鎂合金的棒材，分別為AZ80，AZ31和ZK60。管材選用內(nèi)徑為30 mm，外徑32 mm的鋁合金Al99.5[2]。

2.2 實驗準(zhǔn)備

2.2.1 毛刷打磨

將棒材鎂和管材鋁的接觸表面用毛刷打磨，即打磨棒材鎂的外表面和管材鋁的內(nèi)表面，使其表面有一定的粗糙度。這是為了去除其表面的氧化層，以保證棒材和管材連接時有更好的分子滲透能力。

將毛刷固定在支架上，用電機(jī)驅(qū)動使其旋轉(zhuǎn)來打磨棒材和管材的表面。當(dāng)棒材和管材表面的氧化層被全部刷掉后，即表面有一定的粗糙度后，打磨工作完畢。隨后，將棒材和管材浸入濃度為99.7%的工業(yè)酒精中，避免產(chǎn)生新的氧化層。

2.2.2 浸蝕

由于鋁在空氣中極易生成氧化層，因此管材鋁在用毛刷進(jìn)行表面處理以后浸入濃度較低的NaOH溶液中進(jìn)行浸蝕，以便于將管材鋁內(nèi)表面的所有的氧化層處理干凈。將管材鋁浸入濃度較低的NaOH溶液中2分鐘，將會看到表面產(chǎn)生氣泡，這就是析氫的一個現(xiàn)象，說明氧化層已經(jīng)跟NaOH溶液反應(yīng)完畢。2分鐘過后，將管材鋁撈出來并迅速用酒精沖洗，再浸入酒精中[3]。

為了驗證浸蝕對鋁和鎂連接有作用，將其中一個管材鋁不進(jìn)行浸蝕反應(yīng)，觀察其后續(xù)的實驗現(xiàn)象。

2.2.3 鋁鎂合金組合種類

在本實驗中，一共采用了四種鋁鎂合金組合的方式，如下表所示：

2.3 冷旋鍛加工

將管材鋁和棒材鎂從酒精中取出并干燥，隨后借助長柄夾，將管材鋁和棒材鎂插入冷鍛機(jī)進(jìn)行冷鍛結(jié)合。每一次冷鍛都使其有很小的變形度（每次的直徑減少量為0.5 mm），每一次冷鍛后將鋁和鎂放入保溫爐中烘一段時間，再進(jìn)行下一次冷鍛，直至其外徑由32 mm降至10 mm。

2.3.1 第一次實驗（保溫爐溫度300℃）

第一次實驗將保溫爐調(diào)至溫度到300℃。隨著變形程度的增大，棒材鎂有斷裂現(xiàn)象。分析原因為鋁和鎂并未達(dá)到足夠高的反應(yīng)溫度。因此準(zhǔn)備第二次實驗，將保溫爐的溫度再升高100℃，并且要增加鋁和鎂在爐中的時間，為了保證金屬，尤其是鎂在每次冷鍛后可以盡可能的消除內(nèi)應(yīng)力，增加韌度。

2.3.2 第二次實驗（保溫爐溫度400℃）

第二次實驗進(jìn)展的順利，通過冷旋鍛，鋁鎂合金的樣品的外徑由32 mm分多次壓縮至10 mm。在每次冷鍛過程中，鋁鎂合金的樣品放入保溫爐中15分鐘。具體的實驗外徑的變化過程見下表。其中為了觀察變形度的大小對鋁鎂的連接有沒有關(guān)鍵作用，有一組樣品的的外徑通過冷旋鍛直接從17.5 mm降至13 mm。

3 金相觀察

3.1 取樣

用切割機(jī)切割出任意一小截，以便于能用光學(xué)顯微鏡觀察鋁鎂合金樣品的連接程度。觀察樣品一共分為4組：

AZ31-鎂 + Al99,5-鋁(浸蝕)；

AZ80-鎂 + Al99,5-鋁(浸蝕)；

ZK60-鎂 + Al99,5-鋁(浸蝕)；

ZK60-鎂 + Al99,5-鋁(未浸蝕)；

3.2 樣品填料

樣品填料將使用一種自然時效的硬化劑。這種硬化劑的使用比例為：每25g樹脂融入3g硬化劑。將樣品嵌入這種硬化劑中24小時即可保證試樣制作的完成。

實驗中發(fā)現(xiàn)，樣品嵌入硬化劑中產(chǎn)生了很多氣泡，這說明棒材鎂和管材鋁的中間還是有空氣，一定程度上說明了鋁和鎂連接的并不是很好。

3.3 顯微鏡觀察

隨后用濕磨機(jī)切割出若干小樣品并進(jìn)行顯微鏡觀察。

3.4 實驗分析

從顯微鏡觀察的圖中可以看到，在冷旋鍛之后四種組合的棒材鎂和管材鋁之間絕大多數(shù)都存在較大的縫隙，僅有極少數(shù)的有較好的連接。觀察其中一組冷鍛從外徑17.5 mm直接到13 mm的一組樣品，發(fā)現(xiàn)其中間的縫隙比從17.5 mm至15 mm的要大，說明了較小的變形度會使鋁和鎂有更好的連接。觀察侵蝕組樣品和未侵蝕組樣品，發(fā)現(xiàn)并未有明顯差異，表明在如此條件下侵蝕并未對鋁和鎂的連接有比較明顯的影響。

對實驗結(jié)果進(jìn)行深入分析，得出了四個主要影響結(jié)果的因素。

3.4.1 溫度影響

第一次實驗保溫爐的溫度只有300℃，棒材鎂有裂開，鎂和鋁的連接失敗，原因是鎂在相對較低的溫度（300℃）下韌性較低，并且加熱時間不長。第二次實驗保溫爐的溫度有400℃，并且加熱時間延長至15分鐘，肉眼觀察鋁和鎂連接處無裂縫，原因是在較高的溫度（400℃）下，金屬離子之間的擴(kuò)散速度會加快并且加熱時間的延長，使其擴(kuò)散的時間更長。

3.4.2 表面處理

實驗前對棒材鎂和管材鋁進(jìn)行了浸蝕處理，可是試驗中并沒有起到明顯的作用。原因可能是進(jìn)行表面處理時酒精未把表面清理干凈等人員操作的失誤。

3.4.3 熱延展性差異

因為鎂的熱延展性要比鋁的高10%，所以分析在溫度從400℃降至室溫時鎂的變形要比鋁的變形大，使其中間會存在縫隙。

3.4.4 旋鍛工藝的不連續(xù)性

當(dāng)工件進(jìn)給時被4個工具無規(guī)則的捶打，當(dāng)進(jìn)給速度較快時，即使直徑變化很小，鋁和鎂之間還是會存在較小的間隙。

在樣品切削照片中可以看到，在鋁和鎂的連接層周邊有裂縫。分析認(rèn)為：開始時鋁和鎂之間會有一個連接層，隨著變形的增大，這個連接層的里面，即鎂發(fā)生裂開，可能是由于冷鍛這種非線性的變形而引起了金屬內(nèi)應(yīng)力的變化。

4 結(jié)論與展望

在本實驗中，通過冷旋鍛和熱加工成形，ZK60棒材鎂和Al99.5管材鋁的連接最好。本次實驗條件有限，關(guān)于鋁鎂合金加工還可以通過軋材斷面來實現(xiàn)。因為其是連續(xù)性的加工方式，并且每一道次的變形度都很大。不僅如此，通過軋材斷面可以使鋁和鎂中間的空氣消除干凈。因此通過軋材斷面的加工方式會使鋁和鎂的連接更好。

[1] Julia M. Innovative thermomechanische Behandlungen zur Erzielung h?chster Schwingfestigkeiten in den Magnesiumknetlegierungen der Legierungssysteme AZ und ZK . 2009.

[2] Kammer, C. (herausgeber) Magnesium-Taschenbuch, Aluminium-Verlag Düsseldorf. 2000.

[3] Dipl.-Ing,Julia Müller. Innovative thermomechanische Behandlungen und mechanische Oberfl?chenbehandlung zur Erzielung h?chster Schwingfestigkeiten in den Magnesiumknetlegierungen der Legierungssysteme AZ und ZK, Clausthal(2009).