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AZ31变形镁合金挤压成形工艺研究 |
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作者：夏巨谌 王新云 胡国安 程俊伟 闫洪 |
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摘要：选择AZ31 变形镁合金，设计了实心棒材、矩形和圆形截面薄壁空心型材试样，对坯料加热、模具预热、润滑剂、挤压比、挤压速度及挤压力等工艺问题与工艺参数，进行了系统的试验研究，总结了成形规律和确定工艺参数的方法，对生产应用将起到重要的参考作用。
关键词：AZ31 镁合金 挤压成形工艺 研究
目前，国内的变形镁合金有MB1、MB2(Az31)、MB3、MB5、MB6、MB7、MB8、MB11、MB14和MB15 等。变形镁合金的塑性变形，主要有模锻、挤压、轧制等方法，其中，挤压是最基本的方法，它不仅是获得作为进一步加工零件的棒材的方法，也是将棒材成形为零件和复杂型材的方法。
作者选择AZ31 变形镁合金为原材料，设计了实心棒材、矩形和圆形截面薄壁空心型材试样，对挤压过程及工艺参数进行了系统试验研究。研究内容及结果论述如下。
1. 挤压前坯料的加热
1.1 加热温度
镁具有密排六方晶格，室温下只有基面{0 0 0 1}产生滑移，因此镁及镁合金在常温下进行塑性成形很难；加热至200℃以上时，第一类角锥面{1 0 1 1}产生滑移，塑性得到较大的提高；225℃以上时第二类角锥面 {1 0 1 2}也可能产生滑移，塑性进一步提高。因此镁合金宜在200℃以上成形。镁合金状态图是确定镁合金挤压温度的首要依据。从镁合金状态图中可以得到某种镁合金的熔化温度和合金中有第二相析出时温度。于是可以得到挤压温度范围在这两个温度范围内，但这只是一个粗略的温度范围。为了比较准确的确定该种镁合金的挤压温度范围，需要对这种镁合金的塑性图和变形抗力图以及再结晶图加以分析研究。从镁合金的塑性图可以得到在某个温度范围内其塑性最高。于是坯料的加热温度范围可以选择在这个温度范围之内。Mg-Al-Zn 合金状态图是确定镁合金挤压温度的首要依据。AZ31 的熔化温度是603℃。
从230℃开始，合金中有第二相析出。因此，AZ31 的挤压温度范围一定在230～603℃范围内。
从AZ31 镁合金的塑性图看出，在350～400℃的温度范围内塑性最高。挤压时坯料加热温度为400℃。
1.2 加热设备及方法[1]
镁合金毛坯通常是在电炉中加热，最好带有空气强制循环的装置，以保持炉温均匀。炉内温差不应超过±10℃。炉温用热电偶测量；热电偶装在距坯料100～150 毫米处。炉子安装的自动调节炉温的仪器应能保证温度的测量精确度在±8℃之内。
坯料清除掉油渍、镁屑、毛刺及其它脏物。在加热镁合金时，必须严格地做到在炉中没有钢料，而且不使镁合金与加热元件接触，使其相隔一定的距离。而且经常加热镁合金的电炉，其电阻丝旁最好装有保护板，以免过热和引起燃烧。
坯料应均匀地放置在炉底上，保持一定的间隔。装炉前，应将炉子预热到规定的温度。因为镁合金的导热率高，这样可缩短加热时间，避免晶粒长大。如果炉子刚刚在更高的温度下加热过坯料，则应先冷却炉子，使低于规定的温度50～100℃，然后再升高到该种合金所规定的温度，保持20～30 分钟后，再装入坯料。加热时间应从坯料入炉后炉子温度升高到规定温度时算起。
1.3 加热速度及时间
镁合金的导热性良好，故任何尺寸的镁合金毛坯，都可以直接高温装炉，但是镁合金中的原子扩散速度慢，强化相的溶解需要较长时间。为了获得均匀组织，保证在良好塑性状态下挤压，因此实际所采用的加热时间还是较长的。
通常，镁合金挤压前加热时间，可以参照镁合金锻造时[2]加热时间的计算方法来计算。即直径小于50mm 的毛坯，按每毫米直径或厚度加热1.5min 计算；直径大于100mm 的毛坯，按每毫米直径2.5min计算；对直径在50～100mm 范围内的毛坯，可按照如下推荐的加热速度计算公式确定
T = (1.5 + 0.01*(d − 50)) * d (1-1)
式中 T －加热所需要时间(min)； d －毛坯的直径(mm)。
如果挤压过程被迫中断的时间不超过2 小时，毛坯可以留在炉内，但应降低炉温(约120℃)。当继续挤压时，毛坯应重新加热到挤压温度上限，这时的加热时间的计算，是按炉温达到规定的温度时算起，每毫米(直径或厚度)所需的加热时间为上述计算时间的一半。若挤压过程中断超过2 小时，则需将毛坯从炉内取出，置于静止空气中冷却，以后再重新加热挤压。
2. 模具预热与润滑剂的选用
2.1 模具预热
镁合金变形温度范围狭窄，导热性良好，遇到冷模会产生急冷而产生裂纹。所以挤压前要对模具进行预热，其作用是，减小模具与毛坯接触时的温差，使挤压毛坯放入模具时毛坯降温不致过大而使塑性降低，变形抗力增加；同时可避免毛坯表面和中心层温差过大，使变形不均匀性增加，以至造成挤压件和模具的损坏。由于坯料与模具接触面积大，接触时间长，模具必须加热到比坯料稍低的温度，故模具预热温度范围为260～300℃。
模具预热的方法有在模具上安装专门的电阻预热器，或者用喷灯直接喷射加热。
2.2 润滑剂的选用
为了减轻坯料与挤压筒及凹模工作带之间的摩擦，防止粘模，降低摩擦力，以利于金属流动，必须使用润滑剂进行润滑。润滑剂还可以起到隔热作用，从而提高模具寿命。生产中常使用的润滑剂石墨水剂和玻璃润滑剂。
(1)石墨水剂 将石墨水剂润滑剂均匀地涂在挤压筒内壁，在加热的状态下，水份蒸发，在挤压筒内壁形成一层致密石墨薄膜，从而起到润滑效果。
(2)玻璃润滑剂 玻璃润滑剂的优点：
1)绝热性好，从而使模具寿命提高及防止毛坯迅速冷却。
2)可提高挤压比。
3)不会产生增碳现象。
4)挤压件表面可保持清洁。
5)在工作温度下玻璃成胶粘状，因而可以不断通过模具间隙进行润滑。这就意味着有可能进行长时间的挤压，进而提高了生产效率。
6)挤压型材和空心断面时，可得到比较清晰的棱角形状。
3. 挤压比和挤压速度
3.1 挤压比的计算与选择
棒材挤压时的挤压比按下式计算
G = D20 / d2 (3-1)
式中， 0 D －挤压筒直径(mm)； d －挤压棒料直径(mm)。
管材挤压时的挤压比按下式计算 (3-2)
式中 0 D －挤压筒直径(mm)； d －挤压管材直径(mm)； s －挤压管材壁厚(mm)。
挤压型材时挤压比按下式计算
G = F / nF1 (3-3)
式中， F －挤压筒的断面积(mm2)； 1 F －单根型材断面积(mm2)； n －模孔数。
挤压比G 太大时，随着挤压力的增大材料的温度剧烈上升；一般镁合金挤压时允许的最大挤压比max G ≤ 60。
镁合金挤压件的宏观组织及机械性能与总的变形程度有很大的关系，变形程度大的镁合金挤压件比变形程度小的镁合金挤压件机械性能高。为了使镁合金挤压件获得一致的机械性能，挤压的总变形程度应不小于75%。本实验的变形程度为95%。
3.2 挤压速度
挤压速度对变形抗力及塑性的影响决定于切应变(或硬化)与软化过程(恢复与再结晶)之间的相互关系。当变形速度较高时，因变形引起的热效应，会使挤压毛坯的温度升高，从而流动应力明显降低；当变形速度再增高时，虽然毛坯的升温很明显，但是由于变形过程中金属的加工硬化速度比再结晶过程中的软化速度快，坯料的流动应力会明显增大。因此挤压过程中必须认真控制挤压速度。挤压速度对变形热效应，变形均匀性，再结晶和固溶过程，制品力学性能及制品表面质量均有重要影响。挤压速度过快，制品表面会出现麻点、裂纹等倾向；同时，增加了金属变形的不均匀性。注意到有些镁合金如AZ31 镁合金对对挤压速度特别敏感，因此成形应以较低的挤压速度进行挤压。
4. 挤压力的计算及设备选择
4.1 挤压力的计算
参照热挤压工艺时挤压力的计算[3]，取图4.1 所示正挤压变形区内的微元体，建立微分方程：
经变化后得到单位压力
当l = 0 时， p = p = C 0 代入式(4-2)得
总的挤压力为 (4-3)
式中， p －在一个半径为R 的挤压筒中挤压长度为0 l 的毛坯所需要单位挤压应力(MPa)； t A －挤压筒内腔横截面积(mm2)； e －自然对数的底；μ －摩擦系数； l －毛坯的长度(mm)。
西拜勒氏认为进行一次变形所需要的力等于断面变化比的对数与变形抗力的乘积。即
因此 (4-4)
式中， b σ －挤压温度下材料的抗拉强度(MPa)； t A －挤压筒内腔横截面积(mm2)； m A －金属挤出模口的横截面积(mm2)。
将式(4-4)代入式(4-3)，即得总挤压力 (4-5)
同理，可得出挤压内半径为r 的管子挤压力公式 (4-6)
式中， R －挤压筒内半径(mm)； r －芯棒的半径(mm)；At －挤压筒内腔横截面积(mm2)；Al －挤压管子的横截面积(mm2)。
AZ31 属于Mg-Al-Zn 系合金，对挤压速度特别敏感，因此成形应以较低的挤压速度进行挤压，在实验中挤压速度选择为12mm/s。
4.2 挤压设备的选择
镁合金属于低塑性材料，所以最好是在液压机上挤压。液压机滑块行程速度一般为0.10～0.20m/s。液压机的行程速度比较慢，可以保证镁合金挤压时有良好的变形速度条件；只要变形温度合适，不管应力状态如何，镁合金都具有较高的塑性，可以挤出所需形状、尺寸的挤压件。
5. 工艺试验[4]
5.1 试验条件
试样材料：AZ31 镁合金，其机械性能为，抗拉强度σb ≥241MPa，延伸率δ ≥16%。
坯料加热温度：t =380℃~400℃；模具预热温度：t =260℃~300℃；
挤压设备：1000KN 油压机；挤压速度：V=12mm/s。
5.2 实验结果
根据上述挤压工艺参数，挤压得到镁合金实心棒材、矩形断面和圆形断面的薄壁空心型材，如图5.1 所示。其内外表面质量好，无裂纹、划伤、气泡、起皮等缺陷，表面粗糙度和尺寸精度均达到设计要求。在实验过程中，对挤压力进行了测试，其挤压力测试结果如图5.2 所示。变形程度对挤压力的影响如图5.3 所示。
图5.1 挤压实心棒料、管材和空心型材
图5.2 AZ31 镁合金挤压变形时力行程曲线
在挤压过程中，变形力随挤压过程的进行而变化。从图5.2 中我们可以看出，AZ31 镁合金首先发生弹性变形，挤压力迅速上升；随着挤压的继续进行，AZ31 镁合金发生塑性变形，进入塑性流动阶段，挤压力有所下降；挤压继续进行，金属进入到凹模口，流动阻力增大，挤压力上升，当金属即将流出凹模口时，挤压力达到最大值，随着金属流出凹模口，挤压力有所下降，以后并保持稳定。
图5.3 变形程度对AZ31 镁合金挤压变形力的影响
图5.3 是圆形断面空心型材挤压过程中的挤压力－行程曲线，从中可以看出，挤压力随着变形程
度即挤压管壁厚度的减小而增加。这是由于管壁越薄金属塑性变形程度越大，而且流动阻力越大，所以随着变形程度的增大，其挤压力增大。
影响变形力主要因素有：坯料温度、模具温度、润滑方式、凹模形状等。随着坯料温度的增加，变形抗力峰值减少，稳定阶段的挤压力随之减小；模具温度增高，使坯料温度下降较慢，变形抗力变化较小，挤压力变化趋于平稳；润滑剂性能越好，摩擦力越小，其挤压力越小。
6. 结论
由所得试样的质量表明，所得出的AZ31 镁合金挤压工艺过程及制订的工艺参数是合理的，可以对于实际生产有着重要参考作用。
参考文献
[1] 西北工业大学有色金属锻造编写组. 有色金属锻造. 国防工业出版社，1979
[2] 洪深泽. 挤压工艺及模具设计. 机械工业出版社，1996. 199~200
[3] 李海江. 镁合金挤压成形工艺数值模拟的研究, 华中科技大学硕士论文, 2003(end)
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(5/27/2005) |
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