镁合金材料加工技术

镁合金材料加工技术张报建摘要：本文主要介绍了镁及镁合金的集中加工技术，着重介绍了镁合金的轧制技术、压铸技术、挤压技术等成形工艺，认为镁材加工工业与技术近年来取得了重大突破,但尚存在许多难题有待攻破。关键字：镁合金；轧制技术；压铸技术；挤压技术。TheprocessingtechnologyofMagnesiumalloymaterialZhangbaojianAbstact:Thisarticlemainlyintroducethemagnesiumandtheconcentrationofmagnesiumalloyprocessingtechnology,andmainlyintroducethemagnesiumalloydiecastingtechnology,rollingtechnologyand.SoIinstistthatmagnesiummaterialprocessingindustryandtechnologyhasmadeagreatbreakthrough,buttherearestillmanyproblemstobetakeninfutureyears.Keywords:Magnesiumalloy;Castingtechnology;Rollingtechnology;Extrusiontechnology引言目前,镁合金是继钢铁和铝合金之后发展起来的第三类金属结构材料[1]，随着很多金属矿产资源的日益枯竭，镁以其资源丰富而日益受到重视[2]。世界上约有40%以上的镁直接以原镁的形式被冶金和化工部门用作合金化元素、除氧剂、脱硫剂、球化剂、还原剂和电池材料等,其他绝大部分熔炼成工业纯镁和各种镁合金,通过铸造、压铸或轧制、挤压、锻造等方式加工成铸件、压铸件、板、带、条材、管、棒、型材、锻件、模锻件以及粉材和复合材料等。在镁合金材料中,一般铸件和压铸件占90%以上,加工材不到10%，在我国,铸造产品高达95%以上,加工材仅占3%左右。此外,还有一部分制成粉材。尽管镁合金有许多独特的优点,但由于是密排六方晶体结构,在室温下的塑性很差，镁合金金在结构件领域的应用受到了很大限制,镁合金零部件均通过压铸成形工艺制造。1镁合金的压铸技术镁合金具有比强度、比刚度高，阻尼减震性能优良，机械加工方便，易于回收利用，符合环保要求等特性，在汽车、航空及3c领域等行业的应用呈现快速的增长，是当今实际生产中采用的最轻的金属结构工程材料。镁合金熔点低、比热容和相变潜热小，与铁的亲和力弱。镁合金压铸具有耗能少、充型和凝固速度快、生产周期短、模具使用寿命长等优势。目前，70％以上采用镁合金压铸成形。镁合金用压铸机有热室和冷室两大类。一般来说。通讯产品等许多小薄壁件采用热室压铸机；大、壁厚及复杂零件，如汽车、摩托车上使用的镁合金件，通常使用冷室压铸机。镁合金冷室压铸机可采用普通铝合金冷室压铸机，而镁合金热室压铸机广泛采用专门设计的专用压铸机。目前有以下四种压铸方式：1.1镁合金传统压铸[3--5]传统的压铸技术使镁合金液以高速的紊流和弥散状态充填状态充填压铸型腔，使型腔内的气体及由压铸涂料产生的气体无法顺利排出，这些气体在高压下或者溶解在压铸合金内，或者形弥散分布在压铸件内的高压微气孔。在高温下，这些高压下溶解的气体和微气孔析出或膨胀导致铸件变形和表面鼓泡。因此用传统的压铸方法生产的镁合金压铸件，不能进行热处理强化，也不能在较高温度下使用。1.2镁合金真空压铸[4]真空压铸通过在压铸过程中抽除型腔内的气体而消除或减少压铸件内的气孔和溶解气体,提高了压铸件的力学性能和表面质量。真空压铸的主要优点有：减少铸件内部气孔、改善铸件表面质量和有利于生产过程铸件尺寸的稳定性。其它方面还有：压射时的比压可降低约40％，有利于延长模具寿命；选用稍小的压铸机；增加压铸件的可热处理性和可焊性。1.3镁合金充氧压铸[5]充氧压铸是在金属液充填压铸型前。将氧气充入型腔取代其中的空气，当能与氧气发生反应的金属液压入型腔时，一部分氧气通过排气槽排出，而残留在型腔中的氧气就与金属液发生反应，生成氧化物微粒，呈弥散状分布在铸件中，从而消除了压铸件中的气孔。与普通压铸相比，充氧压铸具有消除或减少了压铸件内部气孔提高了铸件致密度，因而使得充氧压铸件强度可提高，伸长率增加，并可进行热处理。熔化状态易与氧气发生反应的铝、镁、锌合金均适合充氧压铸。镁合金采用充氧压铸除具备一般充氧压铸的优点，另外还可以大大缩短镁合金的时效时间。与普通压铸，经时效时处理后充氧压铸镁合金的冲击韧性增加得十分显著。1.4镁合金触变压铸镁合金半固态压铸是一种非常新的金属成形技术。与压铸、挤压铸造以及传统的锻造相比，触变成形有许多优势。随着镁合金铸件的需求，镁合金触变压铸成形得以突飞猛进的发展，大致先后经过两个阶段：触变注射成形和新一代触变注射成形。JSW与日本汽车轮毂厂合作已开发出镁合金／铝合金复合材质的汽车轮，这种两片式轮毂采用铸锻组合法，首先采用触变注射成形镁合金轮毂，切除浇道后，把轮毂再加热进行温锻，以提高力学性能，再与铝制轮缘结合(用镀铬螺栓)。整个过程只需一次注射成形，一次锻造，再经热处理后．经极少量的机加工就可完成。第二代触变注射成形机提高了成形安定性、尺寸精度及优良品率，可更容易地生产薄壁笔记本外壳等。2镁合金的轧制[6]制备优质的镁合金板材，大部分工艺都需要经过多道次轧制工序，轧制过程受许多因素的影响，这些因素可以分为两大类，第一类为影响轧制金属本身性能的一些因素，即金属的化学成分和组织状态以及热力学条件，第二类为轧制的工艺因素，如轧制温度、轧制变形量和轧制速度以及后续的热处理工艺。常用的镁合金为密集六方晶格，塑性较低，不像铝合金及铜合金那样的面心立方晶格金属能以很高的道次变形率（50%--60%）进行加工；不过含Li大于10%的镁合金的晶体结构为体心立方晶格，既有良好的冷热加工性能，又具有超塑性。镁合金在室温下轧制时的滑移面为（0001），塑性加工性能差,一般道次只有10%--15%。变形再高会发生严重的裂边，甚至无法轧制。但在结晶温度以上，镁合金还是具有良好的塑性的。因此生产镁合金板材时通常要进行3次更多的反复加热与热轧。镁合金的板材的生产的工艺流程为原料、熔炼、铸造、扁锭、锯切、铣面、一次加热、一次热轧、二次加热、二次热轧、剪切、三次加热、三次热轧、冷轧、酸洗、精轧、成品剪切、退火、涂漆、固化处理、检查、包装、运输。轧制可用2、3、4、辊轧机，但通常用2辊轧机，大批量的生产可用4辊轧机。轧制用的扁锭可以使铸坯、挤压坯或锻压坯，扁锭在轧制前须铣面，以除掉表面缺陷。2.1扁锭铸造镁合金轧制扁锭可用60mm的铁模铸造，也用半连续或连续铸造。铸锭的质量主要取决于冷却速度、结晶的方向性、熔体补给情况、凝固压力、铸造温度等。2.2加热铸坯特别是铝含量高的合金，需进行均匀化处理，以消除晶粒偏析及提高金属的塑性。均匀化处理温度为370-430℃，时间为8-12小时或更长些。如果用挤压坯则在加热前可不再洗面。加热用电阻炉、燃气炉等加热锭坯，在较低温度下加热可不采用保护气体，当加热温度高于410℃时，应尽量用保护气，保护性气体有co2，so2，也可用成本较高的惰性气体。但此时需防范保护气对设备的伤害。2.3热轧镁合金板材轧制的热轧多采用二辊轧机，有时也采用四辊轧机。镁合金的热轧比较复杂，这是因为镁合金的变形区温度狭窄，轧制温度低，降温快，所以在轧制过程中需反复加热，以保证轧制的正常进行。生产AZ31合金的生产工艺为：将3.5,mm厚的扁锭粗轧到4.6mm，采用的是四辊轧机。轧制23道次，平均道次压下率10%--20%，其间轧制温度降到340℃以下时需重新加热，加热温度为350—440℃，共加热3次。在热轧时一般用猪油、石蜡做润滑剂。镁合金板材的轧制速度如表1表1镁合金的轧制规程镁及镁合金在轧制时晶粒会发生择优取向，晶格基面（0001）与板材的平面平行，而基面（1120）的三个对角线之一则位于轧制方向。因而板材的横向强度高于纵向强度，而伸长率则相反，这种情况与铝板材相反。2.4冷轧镁及镁合金的塑性变形能力较差，不易冷加工，不像铝和铝合金那样可以达到98%以上的总加工率与60%的道茨加工率。镁合金的冷轧变形能力决定于合金的成分与热轧情况。对于难变形的镁合金需要进行温轧，即将板材加热到230℃，此时压下率可达25%，而同时轧辊温度也较高，需要冷却。3镁合金挤压技术的发展[7]镁及镁合金为密集六方晶格,这就决定了这类金属不易进行压力加工与成型加工,因为它们在室温下变形时,滑移仅产生于基面[0001]且在原子最密排的1120方向上。但当温度高于225℃时会产生新的滑移系,即会增加棱锥面[1011]与1120方向组成的滑移系。所以,镁及镁合金在225℃以上还是有相当高的塑性。镁及镁合金还可以发生双晶变形,室温时一次双晶发生于[1012]面上,二次双晶发生于[3034]面上,在高温时还可以发生于[1013]面,因此,镁及镁合金一般在较高温度下进行塑性成形。目前,热挤压是变形镁合金最主要的塑性加工方法。与变形铝合金的挤压加工一样,变形镁合金可采用正向挤压也可以采用反向挤压,可用单动挤压机也可以用双动挤压机,可用卧式挤压机也可用立式挤压机挤压管、棒、型、线材。一般来说,凡是用于挤压铝合金制品的挤压机和挤压方法基本适用于挤压镁合金制品,只不过工艺参数和配套设备有所差异而已。镁及镁合金挤压的基本原理、挤压方法与设备、工具与模具以及挤压工艺参数的确定原则与铝及铝合金热挤压的基本相同。二者的主要区别有:①镁为密排六方晶系,铝为面心立方晶系,镁比铝更难于塑性变形,因此在变形温度方面应更严格控制,变形速度比挤压铝合金时要稍低一些,挤压系数要稍小一些;②模具设计时,特别是组合模设计时,应充分考虑镁合金的变形抗力较大,难于填充以及膨胀系数较大等特点;③拉伸矫直及随后合金两次加热的总加工率（%）道次加工率（%）轧制速度（m/min）Mal40--5015--2060—90MA2\MA310--155--830—60MA830--4015--2060--90的深加工应在中温或高温下进行(温矫);④镁合金在挤压(含锯切、精整等)过程中要特别注意防火保护。镁合金的挤压方式有[8]：①等通道挤压，②半固态挤压法。近年来对粉末坯料挤压技术和喷射沉积成形坯料挤压技术也进行了深入的研究,并已研发出各种合金的高质量镁合金管、棒、型材产品。结语目前，镁合金成形方法有许多，但由于镁合金的密排六方晶体结构,在室温下的塑性很差，在体积成形不能像铝、钢那样进行，所以压铸技术和挤压技术和其他一些新技术是镁合金的主要成形方法。为了使镁合金不成熟塑性加工技术得到更广泛的应用,有必要对其塑性成形性能、工艺、设备等开展更深入的研究。参考文献[１]陈彬林栋曾小勤等．ＡＺ３１镁合金大压下率轧制的研究Ｊ．锻压技术２００６３１－３．[２]ＫＯＪＩＭＡＹ．Ｐｌａｔｆｏｒｍｓｃｉｅｎｃａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒａｄｖａｎｃｅｄｍａｇ－ｎｅｓｉｕｍａｌｌｏｙｓＪ．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅＦｏｒｕｍ２０００３５０１３－１８．[3--5]张洪镁合金压铸技术。科技世界，2008.08.24[6]王祝红.镁板材轧制工艺及性能有色金属加工2004.06[7]张梅琳,朱世根,丁浩,原一高,顾伟生.镁合金加工技术的现状与发展Vol.31,No.6Dec.2005[8]曾小勤.镁合金应用新进展.铸造,1998,113942