鎂合金材料加工技術(shù)

1、鎂合金材料加工技術(shù) 張報(bào)建 摘要：本文主要介紹了鎂及鎂合金的集中加工技術(shù)，著重介紹了鎂合金的軋制技術(shù)、壓鑄技術(shù)、擠壓技術(shù)等成形工藝，認(rèn)為鎂材加工工業(yè)與技術(shù)近年來取得了重大突破 , 但尚存在許多難題有待攻破。關(guān)鍵字：鎂合金；軋制技術(shù)；壓鑄技術(shù)；擠壓技術(shù)。 The processing technology of Magnesium alloy material Zhangbaojian Abstact :This article mainly introduce the magnesium and the concentration of magnesium alloy processing t

2、echnology, and mainly introduce the magnesium alloy die casting technology , rolling technology and . So I instist that magnesium material processing industry and technology has made a great breakthrough, but there are still many problems to be taken in future years.Keywords: Magnesium alloy ; Casti

3、ng technology ;Rolling technology;Extrusion technology 引言目前 , 鎂合金是繼鋼鐵和鋁合金之后發(fā)展起來的第三類金屬結(jié)構(gòu)材料1，隨著很多金屬礦產(chǎn)資源的日益枯竭，鎂以其資源豐富而日益受到重視2。世界上約有40%以上的鎂直接以原鎂的形式被冶金和化工部門用作合金化元素、除氧劑、脫硫劑、球化劑、還原劑和電池材料等, 其他絕大部分熔煉成工業(yè)純鎂和各種鎂合金 , 通過鑄造、壓鑄或軋制、擠壓、鍛造等方式加工成鑄件、壓鑄件、板、帶、條材、管、棒、型材、鍛件、模鍛件以及粉材和復(fù)合材料等。在鎂合金材料中 , 一般鑄件和壓鑄件占90%以上 , 加工材不到 10%

4、，在我國, 鑄造產(chǎn)品高達(dá) 95%以上 , 加工材僅占 3%左右。此外, 還有一部分制成粉材。盡管鎂合金有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn), 但由于是密排六方晶體結(jié)構(gòu),在室溫下的塑性很差，鎂合金金在結(jié)構(gòu)件領(lǐng)域的應(yīng)用受到了很大限制,鎂合金零部件均通過壓鑄成形工藝制造。 1 鎂合金的壓鑄技術(shù) 鎂合金具有比強(qiáng)度、比剛度高，阻尼減震性能優(yōu) 良，機(jī)械 加工方便，易于回收利用，符合環(huán)保要求等特性，在汽車、航空及3 c領(lǐng)域等行業(yè)的應(yīng)用呈現(xiàn)快速的增長(zhǎng)，是當(dāng)今實(shí)際生產(chǎn)中采用的最輕的金屬結(jié)構(gòu)工程材料 。鎂合金熔點(diǎn)低、比熱 容和相變潛熱小，與鐵的親和力弱。鎂合金壓鑄具有耗能少、充型和凝固速度快、生產(chǎn)周期短、模具使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。目前，

5、7 0以上采用鎂合金壓鑄成形。 鎂合金用壓鑄機(jī)有熱室和冷室兩大類。一般來說。通訊產(chǎn)品等許多小薄壁件采用熱室壓鑄機(jī)；大、壁厚及復(fù)雜零件，如汽車、摩托車上使用的鎂合金件，通常使用冷室壓鑄機(jī)。鎂合金冷室壓鑄機(jī)可采用普通鋁合金冷室壓鑄機(jī)，而鎂合金熱 室壓鑄機(jī)廣泛采用專門設(shè)計(jì)的專用壓鑄機(jī)。目前有以下四種壓鑄方式： 1.1 鎂合金傳統(tǒng)壓鑄3-5 傳統(tǒng)的壓鑄技術(shù)使鎂合金液以高速的紊流和彌散狀態(tài)充填狀態(tài)充填壓鑄型腔，使型腔內(nèi)的氣體及由壓鑄涂料產(chǎn)生的氣體無法順利排出，這些氣體在高壓下或者溶解在壓鑄合金內(nèi)，或者形彌散分布在壓鑄件內(nèi)的高壓微氣孔。在高溫下，這些高壓下溶解的氣體和微氣孔析出或膨脹導(dǎo)致鑄件變形和表面鼓泡

6、。因此用傳統(tǒng)的壓鑄方法生產(chǎn)的鎂合金壓鑄件，不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，也不能在較高溫度下使用。 1.2 鎂合金真空壓鑄 4 真空壓鑄通過在壓鑄過程中抽除型腔內(nèi)的氣體而消除或減少壓鑄件內(nèi)的氣孔和溶解氣體 , 提高了壓鑄件的力學(xué)性能和表面質(zhì)量。真空壓鑄的主要優(yōu)點(diǎn)有：減少鑄件內(nèi)部氣孔 、改善鑄件表面質(zhì)量和有利于生產(chǎn)過程鑄件尺寸的穩(wěn)定性。其它方面還有：壓射時(shí)的比壓可降低約4 0 ，有利于延長(zhǎng)模具壽命；選用稍小的壓鑄機(jī)；增加壓鑄件的可熱處理性和可焊性。1.3 鎂合金充氧壓鑄5 充氧壓鑄是在金屬液充填壓鑄型前。將氧氣充入型腔取代其中的空氣，當(dāng)能與氧氣發(fā)生反應(yīng)的金屬液壓入型腔時(shí)，一部分氧氣通過排氣槽排出，而殘留在型

7、腔中的氧氣就與金屬液發(fā)生反應(yīng)， 生成氧化物微粒，呈彌散狀分布在鑄件中，從而消除了壓鑄件中的氣孔。與普通壓鑄相比，充氧壓鑄具有消除或減少了壓鑄件內(nèi)部氣孔提高了鑄件致密度，因而使得充氧壓鑄件強(qiáng)度可提高，伸長(zhǎng)率增加，并可進(jìn)行熱處理。熔化狀態(tài)易與氧氣發(fā)生反應(yīng)的鋁、鎂、鋅合金均適合充氧壓鑄。鎂合金采用充氧壓鑄除具備一般充氧壓鑄的優(yōu)點(diǎn)，另外還可以大大縮短鎂合金的時(shí)效時(shí)間。與普通壓鑄，經(jīng)時(shí)效 時(shí)處理后充氧壓鑄鎂合金的沖擊韌性增加得十分顯著。1.4 鎂合金觸變壓鑄鎂合金半固態(tài)壓鑄是一種非常新的金屬成形技術(shù)。與壓鑄、擠壓鑄造以及傳統(tǒng)的鍛造相比，觸變成形有許多優(yōu)勢(shì)。隨著鎂合金鑄件的需求，鎂合金觸變壓鑄成形得以突飛

8、猛進(jìn)的發(fā)展，大致先后經(jīng)過兩個(gè)階段 ：觸變注射成形和新一代觸變注射成形。J S W與日本汽車輪轂廠合作已開發(fā)出鎂合金鋁合金復(fù)合材質(zhì)的汽車輪，這種兩片式輪轂采用鑄鍛組合法，首先采用觸變注射成形鎂合金輪轂，切除澆道后，把輪轂 再加熱進(jìn)行溫鍛，以提高力學(xué)性能，再與鋁制輪緣結(jié)合( 用鍍 鉻螺栓) 。整個(gè)過程只需一次注射成形，一次鍛造，再經(jīng)熱處理后經(jīng)極少量的機(jī)加工就可完成。第二代觸變注射成形機(jī)提高了成形安定性、尺寸精度及優(yōu)良品率 ，可更容易地生產(chǎn)薄壁筆記本外殼等。2 鎂合金的軋制6 制備優(yōu)質(zhì)的鎂合金板材，大部分工藝都需要經(jīng)過多道次軋制工序，軋制過程受許多因素的影響，這些因素可以分為兩大類，第一類為影響軋制

9、金屬本身性能的一些因素，即金屬的化學(xué)成分和組織狀態(tài)以及熱力學(xué)條件，第二類為軋制的工藝因素，如軋制溫度、軋制變形量和軋制速度以及后續(xù)的熱處理工藝。 常用的鎂合金為密集六方晶格，塑性較低，不像鋁合金及銅合金那樣的面心立方晶格金屬能以很高的道次變形率（50%-60%）進(jìn)行加工；不過含Li大于10%的鎂合金的晶體結(jié)構(gòu)為體心立方晶格，既有良好的冷熱加工性能，又具有超塑性。 鎂合金在室溫下軋制時(shí)的滑移面為（0001），塑性加工性能差,一般道次只有10%-15%。變形再高會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的裂邊，甚至無法軋制。但在結(jié)晶溫度以上，鎂合金還是具有良好的塑性的。因此生產(chǎn)鎂合金板材時(shí)通常要進(jìn)行3次更多的反復(fù)加熱與熱軋。鎂合

10、金的板材的生產(chǎn)的工藝流程為原料、熔煉、鑄造、扁錠、鋸切、銑面、一次加熱、一次熱軋、二次加熱、二次熱軋、剪切、三次加熱、三次熱軋、冷軋、酸洗、精軋、成品剪切、退火、涂漆、固化處理、檢查、包裝、運(yùn)輸。軋制可用2、3、4、輥軋機(jī)，但通常用2輥軋機(jī)，大批量的生產(chǎn)可用4輥軋機(jī)。軋制用的扁錠可以使鑄坯、擠壓坯或鍛壓坯，扁錠在軋制前須銑面，以除掉表面缺陷。2.1 扁錠鑄造 鎂合金軋制扁錠可用60mm的鐵模鑄造，也用半連續(xù)或連續(xù)鑄造。鑄錠的質(zhì)量主要取決于冷卻速度、結(jié)晶的方向性、熔體補(bǔ)給情況、凝固壓力、鑄造溫度等。2.2 加熱 鑄坯特別是鋁含量高的合金，需進(jìn)行均勻化處理，以消除晶粒偏析及提高金屬的塑性。均勻化處

11、理溫度為370-430，時(shí)間為8-12小時(shí)或更長(zhǎng)些。如果用擠壓坯則在加熱前可不再洗面。加熱用電阻爐、燃?xì)鉅t等加熱錠坯，在較低溫度下加熱可不采用保護(hù)氣體，當(dāng)加熱溫度高于410時(shí)，應(yīng)盡量用保護(hù)氣，保護(hù)性氣體有co2，so2 ，也可用成本較高的惰性氣體。但此時(shí)需防范保護(hù)氣對(duì)設(shè)備的傷害。2.3 熱軋鎂合金板材軋制的熱軋多采用二輥軋機(jī)，有時(shí)也采用四輥軋機(jī)。鎂合金的熱軋比較復(fù)雜，這是因?yàn)殒V合金的變形區(qū)溫度狹窄，軋制溫度低，降溫快，所以在軋制過程中需反復(fù)加熱，以保證軋制的正常進(jìn)行。生產(chǎn)AZ31合金的生產(chǎn)工藝為：將3.5,mm厚的扁錠粗軋到4.6mm，采用的是四輥軋機(jī)。軋制23道次，平均道次壓下率10%-20

12、%，其間軋制溫度降到340以下時(shí)需重新加熱，加熱溫度為350440，共加熱3次。在熱軋時(shí)一般用豬油、石蠟做潤滑劑。鎂合金板材的軋制速度如表1 表1 鎂合金的軋制規(guī)程 合金兩次加熱的總加工率 （%）道次加工率（%）軋制速度（m/min）Mal40-5015-206090MA2MA310-155-83060MA830-4015-2060-90 鎂及鎂合金在軋制時(shí)晶粒會(huì)發(fā)生擇優(yōu)取向，晶格基面（0001）與板材的平面平行，而基面（1120）的三個(gè)對(duì)角線之一則位于軋制方向。因而板材的橫向強(qiáng)度高于縱向強(qiáng)度，而伸長(zhǎng)率則相反，這種情況與鋁板材相反。2.4冷軋鎂及鎂合金的塑性變形能力較差，不易冷加工，不像鋁和鋁

13、合金那樣可以達(dá)到98% 以上的總加工率與60%的道茨加工率。鎂合金的冷軋變形能力決定于合金的成分與熱軋情況。對(duì)于難變形的鎂合金需要進(jìn)行溫軋，即將板材加熱到230，此時(shí)壓下率可達(dá)25%，而同時(shí)軋輥溫度也較高，需要冷卻。3 鎂合金擠壓技術(shù)的發(fā)展7鎂及鎂合金為密集六方晶格, 這就決定了這類金屬不易進(jìn)行壓力加工與成型加工 , 因?yàn)樗鼈冊(cè)谑覝叵伦冃螘r(shí) , 滑移僅產(chǎn)生于基面 0001 且在原子最密排的 方向上。但當(dāng)溫度高于 225時(shí)會(huì)產(chǎn)生新的滑移系 , 即會(huì)增加棱錐面 1011 與 方向組成的滑移系。所以 , 鎂及鎂合金在225 以上還是有相當(dāng)高的塑性。 鎂及鎂合金還可以發(fā)生雙晶變形 , 室溫時(shí)一次雙晶發(fā)

14、生于 1012 面上 , 二次雙晶發(fā)生于 3034 面上 , 在高溫時(shí)還可以發(fā)生于 1013 面 , 因此, 鎂及鎂合金一般在較高溫度下進(jìn)行塑性成形。 目前, 熱擠壓是變形鎂合金最主要的塑性加工方法。與變形鋁合金的擠壓加工一樣, 變形鎂合金可采用正向擠壓也可以采用反向擠壓, 可用單動(dòng)擠壓機(jī)也可以用雙動(dòng)擠壓機(jī) , 可用臥式擠壓機(jī)也可用立式擠壓機(jī)擠壓管、棒、型、線材。一般來說 , 凡是用于擠壓鋁合金制品的擠壓機(jī)和擠壓方法基本適用于擠壓鎂合金制品 , 只不過工藝參數(shù)和配套設(shè)備有所差異而已。 鎂及鎂合金擠壓的基本原理、擠壓方法與設(shè)備、工具與模具以及擠壓工藝參數(shù)的確定原則與鋁及鋁合金熱擠壓的基本相同。二

15、者的主要區(qū)別有: 鎂為密排六方晶系, 鋁為面心立方晶系 , 鎂比鋁更難于塑性變形, 因此在變形溫度方面應(yīng)更嚴(yán)格控制 , 變形速度比擠壓鋁合金時(shí)要稍低一些 , 擠壓系數(shù)要稍小一些; 模具設(shè)計(jì)時(shí) , 特別是組合模設(shè)計(jì)時(shí) , 應(yīng)充分考慮鎂合金的變形抗力較大 , 難于填充以及膨脹系數(shù)較大等特點(diǎn); 拉伸矯直及隨后的深加工應(yīng)在中溫或高溫下進(jìn)行 (溫矯 ) ; 鎂合金在擠壓 (含鋸切、精整等 )過程中要特別注意防火保護(hù)。 鎂合金的擠壓方式有8： 等通道擠壓， 半固態(tài)擠壓法。近年來對(duì)粉末坯料擠壓技術(shù)和噴射沉積成形坯料擠壓技術(shù)也進(jìn)行了深入的研究 , 并已研發(fā)出各種合金的高質(zhì)量鎂合金管、棒、型材產(chǎn)品。 結(jié)語目前，鎂合金成形方法有許多，但由于鎂合金的密排六方晶體結(jié)構(gòu),在室溫下的塑性很差，在體積成形不能像鋁、鋼那樣進(jìn)行，所以壓鑄技術(shù)和擠壓技術(shù)和其他一些新技術(shù)是鎂合金的主要成形方法。為了使鎂合金不成熟塑性加工技