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| AZ31变形镁合金挤压成形工艺研究 | |
| 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 （图片） （图片） （图片） （图片） （图片） （图片） （图片） （图片） （图片） （图片） （图片） | |
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