鎂合金擠壓技術及其工藝的研究

高　揚，卜樂平，甘啟民，王　科

(內蒙古農業大學 機電工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018)

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鎂合金擠壓技術及其工藝的研究

高揚，卜樂平，甘啟民，王科

(內蒙古農業大學 機電工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018)

摘要：擠壓技術是提高鎂合金性能的主要塑性加工方法之一。研究介紹了擠壓技術的特點和優勢，目前鎂合金擠壓技術發展的種類和研究現狀，以及擠壓工藝對鎂合金性能的影響。針對目前鎂合金擠壓存在的問題和不足，指出了改進和優化方向，展望了鎂合金擠壓技術未來發展的趨勢。

關鍵詞：鎂合金；擠壓；塑型加工；工藝；進展

鎂及其合金是實際工程應用中最輕的金屬結構材料，具有密度低、比強度和比剛度高、阻尼減震性好、導熱性好、電磁屏蔽效果佳、機加工性能優良、零件尺寸穩定和易回收等優點，成為航空、航天、汽車、計算機、電子、通信和家電等行業的重要新型材料[1-2]。鎂合金的開發和應用存在著巨大的空間和潛力，正如著名材料專家Cahn[3]所指出的,“在材料領域中還沒有任何材料象鎂那樣存在潛力與現實如此大的顛倒。”

目前，壓鑄是鎂合金成形的主要方式；但是壓鑄件力學性能較差，并且容易產生微小的氣孔，因此阻礙了鎂合金產品的進一步發展。變形鎂合金因其良好的綜合力學性能而受到了重視。由于變形加工細化了晶粒，消除了鑄造過程中產生的一些缺陷，因此，變形鎂合金可以獲得更高的強度和延伸率(見圖1所示)[4]。

圖1　變形鎂合金與砂鑄、壓鑄鎂合金性能

1擠壓加工與其他加工方法相比的優勢

任何金屬材料進入市場的主要產品都是板材、型材、管材、棒材、線材和箔材。其中，板材是塑性加工中最重要的材料之一，板材的發展決定了型材和線材的發展[5]。其主要的塑性加工方法有擠壓、軋制和鍛造等。擠壓加工相比的優勢如下。

1)工藝流程簡單。例如，鎂合金的板材目前以軋制為主，需要通過多次的反復軋制才能成形，這樣工序多，生產效率較低。若采用擠壓加工,在三向壓應力的作用下發生變形，通過一次擠壓就可以制造所需要的板材,從成本上來說,是十分有利的。張來青[6]等將鑄造出的鎂合金棒材，擠壓獲得不同厚度的薄板，再通過軋制、退火制備出晶粒尺寸較小的鎂合金薄板，其具有良好的力學性能。

2)擠壓技術生產的鎂合金產品范圍很廣。板、管、棒、線和型材都可以通過擠壓加工來生產。其中，許多斷面形狀的型材是采用其他塑性加工方法所無法成形的。

3)提高了鎂合金的變形能力。細化晶粒是提高鎂合金塑性最主要的方式。在擠壓變形區中，鎂合金材料處于強烈的三向壓應力狀態，可有效的防止由于塑性成形差而造成開裂。擠壓加工很合適鎂合金這樣低塑性難變形的合金加工。

4)產品的質量高。擠壓變形可以改善金屬材料的組織，提高其力學性能。余琨[7]等研究證明了ZK60 鎂合金經過擠壓和 T5 熱處理后，硬度和強度都大幅度提高。汪凌云等研究擠壓的鎂合金管材，其晶粒直徑<20 μm[8]。

2鎂合金擠壓變形技術

傳統的鎂合金擠壓變形方法一般包括正向擠壓和反向擠壓。隨著擠壓技術研究的不斷深入，靜液擠壓、連續擠壓、等溫擠壓以及大塑性變形(Serve Plastic Deformation，SPD)擠壓等先進擠壓技術得到迅速的發展。

2.1連續擠壓技術

連續擠壓技術有CONFORM連續擠壓、連續鑄擠和鏈帶式連續擠壓法等。其中，CONFORM連續擠壓已經得到了工業中的實際應用[9]。國內鎂合金的連續擠壓技術研究主要集中在CONFORM連續擠壓上面。

在工藝方面，楊俊英[10]等以AZ31鎂合金為研究對象，研究了擠壓輪轉速對坯料各層面速度分布的影響機制。結果表明，在連續擠壓的過程中，金屬在不同變形區域的流動速度有差異。擠壓輪轉速越大，不同層面金屬的流動速度差值越大，流動的程度越不均勻。這種流動分布特點是由于輪槽面的摩擦驅動力與型腔壁摩擦阻力的相互作用形成的。吳桂敏[11]等對Z31 鎂合金連續擠壓成形的工藝條件進行了研究，結果表明，變形金屬的等效應力在壓實輪下方最高，等效應變在模具入口處最大，型腔內的溫度最高。

在對顯微組織的影響方面，寧海石[12]等發現隨著擠壓輪轉速的增高，鎂合金芯部區域的晶粒尺寸逐漸增大；當轉速達到一定速度時鎂合金的表層和芯部區域的顯微組織達到均勻分布。楊俊英[13]等研究發現，加熱溫度對AZ31 鎂合金組織有顯著影響，隨著溫度的提高，顯微組織的均勻程度也在提高，當達到450 ℃時，芯部晶粒有長大的現象。由于溫度的提高，使材料發生充分的再結晶，材料的抗拉強度增強，伸長率變化不大。連續擠壓使得晶粒細化，這是由于材料在擠壓過程中經歷了多種變形。

2.2SPD擠壓技術

SPD擠壓技術是指材料經過SPD可以獲得大的塑性變形，極大細化晶粒組織,制備出亞微米級尺寸的晶粒。細化晶粒是提高鎂合金塑性的最有效的途徑，所以研究變形鎂合金的SPD擠壓技術，對提高鎂合金材料的性能有重要的理論意義和實際意義。鎂合金的SPD擠壓技術包括等通道轉角擠壓(ECAP)、往復擠壓(CEC)[14]和S型等徑側向擠壓和大比率擠壓(HRE)等。其中，等通道轉角擠壓是目前最具有工業應用前景的擠壓技術，所以在此主要介紹ECAP技術的發展情況。

在工藝方面，任國成[15]等研究了溫度對AZ31鎂合金ECAC擠壓塑性變形機制的影響。結果表明，在擠壓過程中，試件存在明顯的溫度梯度，其中在模具轉角部分溫度最高。通過XRD分析及微觀組織的觀察發現，AZ31鎂合金在經過擠壓變形之后，可以明顯提高其錐面衍射的強度，而且可以加快鎂合金的再結晶速度，使其與變形溫度成正比。劉英[15]等研究了擠壓道次對AZ31鎂合金的性能影響。結果表明，擠壓次數的增多，晶粒明顯細化，但是不同的擠壓路徑對材料的性能影響不同，當到達一定的擠壓次數，鎂合金的強度變化不大。

何云斌[16]等從鎂合金顯微組織的角度分析，分析了ZK60鎂合金經過ECAP過程后不同部位所呈現出來的顯微組織特性。結果表明，在240 ℃ 下對ZK60鎂合金進行ECPA變形1道后，可以顯著的細化合金的晶粒，然而并不能使組織均勻。合金的晶粒組織在剪切變形之前主要是粗而且大的晶粒，而且還有很多孿晶，而在剪切變形之后，主要是再結晶組織。ECAP過程中晶粒細化靠的是機械剪切以及動態再結晶的綜合效應。

3鎂合金擠壓工藝

3.1坯料均勻化處理

一般來說，在擠壓之前，鎂合金鑄造坯料都需要進行均勻化退火處理。這是因為AZ系鎂合金在鑄造冷卻過程中易形成α-Mg+Mg17Al12，且隨Al含量的增加，γ-Mg17Al12相含量增加，并易呈粗大網狀分布于晶界[17]。對該類合金進行均勻化退火處理，可以使分布于晶界和枝晶間的粗大網狀Mg17Al12相溶解，以細小顆粒分布于α-Mg基體中，從而顯著改善鎂合金的塑性和可加工性[18]。張丁非[19]等研究了在ZM61鎂合金擠壓過程中均勻化退火熱處理對其微組織和力學性能的影響。結果表明，均勻化退火處理可以減小鑄態組織中的殘余應力，降低擠壓時所需要的溫度和固溶時間，提高鎂合金擠壓后的伸長率；但是均勻化處理并不一定會使鎂合金擠壓后的力學性能提高。例如，對AZ91鎂合金進行均勻化退火處理，其伸長率由3.2%顯著提高到11.2%(見表1)。

表1　AZ91(Mg-8.4Al-0.88Zn-0.34Mn) 合金不同工藝狀態的力學性能[20-21]

由表1可知，與直接擠壓相比，經過均勻化退火處理的AZ91鎂合金的伸長率有一定的提高，但是抗拉強度和屈服強度并無明顯變化。這可能是在較大擠壓比的條件下，基體發生動態再結晶，晶粒得到細化，第二相在劇烈的塑性變形過程中被充分的破碎，大量的第二相沿著擠壓方向均勻的分布在基體中，改善了鑄造過程中第二相分布不均的狀態，從而提高了鎂合金的力學性能，使其表現出與經均勻化退火后，擠壓態鎂合金相當的綜合力學性能；但由于此時組織中已有較多的第二相存在,不利于隨后的時效強化處理。

3.2擠壓溫度

溫度是決定動態再結晶程度的重要因素。擠壓時，溫度越高，所需要的擠壓力越低，動態再結晶進行得就越充分；但是，溫度的升高也會導致晶粒的長大，使組織晶粒粗大，降低了材料的力學性能。溫度相對較低時，可以得到細化的晶粒組織；但是擠壓時所需要的擠壓力比溫度高時需要的大，制件的殘余應力也變大。因此，合適的擠壓溫度是能否得到良好的鎂合金擠壓件的關鍵。本文總結了AZ系列鎂合金試驗最佳擠壓溫度(見表2)[22-25]。

表2　常見AZ系列鎂合金最佳擠壓溫度

3.3擠壓比

在鎂合金的擠壓過程中，擠壓比與鎂合金晶粒的尺寸成反比。在擠壓比小于一定比例時，擠壓比與鎂合金的延伸程度成正比，當擠壓比大于一定比例時，延伸程度逐漸下降。出現這種情況的主要是因為變形程度與組織特征有一定的關聯性，當增大變形程度時，位錯密度也在變大，這樣就會增加位錯運動過程中產生的位錯塞積、割階和纏結等，進而對位錯的繼續運動產生釘扎效應，提高抗拉強度，同時增加變形晶粒的畸變能，使動態再結晶更加充分，從而細化晶粒，組織更均勻，提高塑性；但是當擠壓比達到一定數值之后，因為不均勻的變形和應力分布，會出現殘余應力，進而造成金屬內部的物理特性及力學狀況不均勻，最后出現塑性下降的情況[26]。

3.4擠壓速度

擠壓速度對鎂合金擠壓時所需的擠壓力、凹模模口坯料金屬的峰值溫度、產品的顯微組織和室溫力學性能都有很重要的影響。張保軍[27]等通過有限元分析模擬了AZ31鎂合金薄壁管的分流擠壓，發現隨著擠壓速度的增大，模口的溫度逐漸升高，擠壓力的最大值不斷減小，當擠壓速度到達一定程度后，擠壓力不再變化。羅永新[28]等通過調節擠壓速度的方法，解決了鎂合金擠壓時溫度范圍窄的問題，保持了擠壓模口溫度的穩定。趙秀明[29]等發現，合理的控制擠壓速度可以獲得細小均勻的晶粒和良好的綜合力學性能，擠壓速度越大，合金發生動態再結晶越充分，組織越均勻；當擠壓速度較低時，合金強度高但是塑性差，這是由于發生部分再結晶；當擠壓速度較高時，合金強度下降，伸長率明顯提高，這是由于發生完全再結晶，晶粒明顯長大。

3.5模具結構

合理的凹模結構可以降低擠壓力，提高擠壓時金屬的流動性，減少產品表面的裂紋。張丁非[30]等研究了模具結構對AZ31鎂合金棒材表面裂紋的影響。結果表明，相比錐模，采用流線模擠壓能避免表面裂紋的產生，死區產生的可能性減小。這是由于表面的附加拉伸應力降低。黃東男[31]等研究了模具結構對AZ91鎂合金的擠壓過程溫度場、速度場及應力場的影響。結果表明,采用錐模和流線模擠壓時,當定徑帶長度為15～20 mm時,可在擠壓速度達到5mm/ s的條件下成形出表面光滑無裂紋的鎂合金棒材;而采用平模擠壓時,當定徑帶長度為10～ 20 mm時,獲得良好表面質量的擠壓速度達到2.5 mm/s。

4總結與展望

1)成本問題一直阻礙著鎂合金的工業應用，而連續擠壓可以實現無間斷連續生產，提高了生產效率，對降低鎂合金的生產成本有重要作用。國內的連續擠壓技術主要是對銅、鋁合金方面的研究，關于鎂合金的連續擠壓研究較少。工藝條件是決定連續擠壓技術能否在鎂合金上應用的關鍵。加深對這方面的研究，可以推動鎂合金的工業應用發展。

2)等通道擠壓技術對鎂合金顯微組織的優化作用是顯著的，但其要應用到工業生產中，還需要解決以下問題：a.模具的加工和維護比較困難，導致成本過高；b.至今沒有足夠成熟的工藝參數，在鎂合金的研究當中尚屬于起步階段。

3)凹模擠出口對鎂合金的影響是重大的，但無論是平模、錐模還是流線模上，研究都不夠深入。應從如下2個方面進行深入研究：a.采用新的凹模尖角結構，將錐面變成若干個小斜面，可以增加鎂合金擠出的過程中受力方向和次數；b.深入研究尖角角度對顯微組織的影響。

4)擠壓溫度、擠壓速度和擠壓比都是影響產品的重要工藝參數，但是國內對各個型號鎂合金擠壓工藝的研究并不詳細，已有的工藝手冊往往給出的數值范圍太寬泛；因此，系統的研究鎂合金擠壓技術，歸納出較為準確的工藝參數，是鎂合金擠壓技術工業應用的前提。

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責任編輯馬彤

Research and Development on Extrusion Technology and Process of Magnesium Alloy

GAO Yang, BU Leping,GAN Qimin, WANG Ke

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018，China)

Abstract：Extrusion technology is one of main plastic formation to improve the property of magnesium alloy. The paper introduces the features and advantages of extrusion technology, the review of study and the kind of extrusion of magnesium alloy. The effect of extrusion process to the property of magnesium alloy is discussed. According to the existing problem and challenges in extrusion of magnesium alloy, point out the direction of improving and trend of development..

Key words:magnesium alloy，extrusion，plastic formation，process，trend of development

中圖分類號：TG 376

文獻標志碼:A

收稿日期：2015-08-31

作者簡介：高揚(1989-)，男，碩士研究生，主要從事鎂合金擠壓等方面的研究。