鎂合金擠壓技術(shù)的研究進(jìn)展

中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所 張文毓

鎂合金管、棒、帶、型材主要采用擠壓方法加工成形, 擠壓包括正向擠壓和反向擠壓。鎂合金的塑性較低, 而擠壓工藝最適用于低塑性材料的成形加工, 大部分鎂合金如AZ31B、ZM21 、ZK60A 、HK31 等均可用擠壓生產(chǎn)。鎂及鎂合金的典型擠壓溫度為573 K ～ 723 K , 擠壓的溫度取決于合金種類和擠壓件形狀。鎂合金的擠壓比在(10∶1)～ (100∶1)變化, 預(yù)擠壓的錠坯擠壓比可適當(dāng)?shù)脑龃? 鎂合金通過熱態(tài)的大擠壓比可以細(xì)化晶粒, 擠壓比越大晶粒越細(xì)。[1]

一、概述

鎂合金塑性較差，適合擠壓成形，一般為溫?cái)D壓和熱擠壓，擠壓溫度通常為300～ 450 ℃。鎂合金擠壓有以下優(yōu)點(diǎn): 可細(xì)化晶粒，通過保留擠壓纖維織構(gòu)可提高強(qiáng)度，可獲得優(yōu)良的表面質(zhì)量及良好的尺寸精度。目前，鎂合金管材、棒材、型材、帶材等產(chǎn)品主要采用擠壓成形。但鎂合金擠壓也存在擠壓速度慢、變形抗力大、擠壓加工后由于形成織構(gòu)而造成材料力學(xué)性能的各向異性等缺點(diǎn)。

目前，鎂合金管材等產(chǎn)品主要采用擠壓方法加工成形。鎂合金在擠壓變形過程中處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，可以充分發(fā)揮鎂合金的塑性，提高變形能力，以獲得大變形量。鎂合金管材擠壓工藝具有節(jié)省原料、節(jié)省機(jī)械加工周期和成本、產(chǎn)品性能高等特點(diǎn)，因此備受人們的青睞和重視。鎂合金擠壓產(chǎn)品的組織和力學(xué)性能與模具溫度、擠壓速度、擠壓比等密切相關(guān)。

擠壓具有強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài), 金屬可以發(fā)揮其最大的塑性變形潛力。鎂合金擠壓主要工藝參數(shù)包括模具預(yù)熱溫度、鑄錠加熱制度、擠壓速度、擠壓比、潤滑劑等。另外鑄錠均勻化處理對(duì)擠壓產(chǎn)品的質(zhì)量也有重要影響。

1．鎂合金擠壓成形的特點(diǎn)

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。但二者仍存在以下差異：①鎂合金只允許在空氣電阻爐中加熱；而鋁合金可在空氣電阻爐或感應(yīng)爐中加熱。②鎂合金擠壓溫度稍低，為防止鎂錠燃燒， 各種鎂合金允許加熱的最高溫度為470℃；而鋁合金的最高加熱溫度可達(dá)到550℃。③鎂合金擠壓速度最高可達(dá)20m／min，比硬鋁合金的快，但僅為軟鋁合金擠壓速度的1/3 左右。④鎂合金熱擠壓材的收縮率比鋁合金的大， 而且模具承受的變形抗力大，模具設(shè)計(jì)時(shí)要求承受更大的擠壓力，并千方百計(jì)減少金屬擠壓時(shí)的變形抗力。⑤鎂合金擠壓材要加熱到100℃～200℃條件下拉伸矯直，這需要專用設(shè)備；而鋁合金擠壓材可在室溫拉伸矯直。[2]

材料經(jīng)過大塑性變形(Severe plastic deformation)可以極大細(xì)化晶粒組織， 制備出亞微米的晶粒。目前研究的比較多的大塑性變形擠壓技術(shù)主要有等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ECAE)、循環(huán)擠壓或往復(fù)擠壓(CEC)、大比率擠壓(HRE)。

2．?dāng)D壓加工與其他加工方法相比的優(yōu)勢(shì)

（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(fù)軋制才能成形，這樣工序多，生產(chǎn)效率較低。若采用擠壓加工，在三向壓應(yīng)力的作用下發(fā)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。

（2）擠壓技術(shù)生產(chǎn)的鎂合金產(chǎn)品范圍很廣。板、管、棒、線和型材都可以通過擠壓加工來生產(chǎn)。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(xì)化晶粒是提高鎂合金塑性最主要的方式。在擠壓變形區(qū)中，鎂合金材料處于強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，可有效地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(chǎn)品的質(zhì)量高。擠壓變形可以改善金屬材料的組織，提高其力學(xué)性能。[3]

二、研究現(xiàn)狀

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<1120 >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<1120 >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)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。[4]

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。

材料經(jīng)過大塑性變形( Severe plastic deformation）可以獲得大的塑性變形，極大細(xì)化晶粒組織,制備出亞微米級(jí)尺寸的晶粒。大多數(shù)SPD 過程實(shí)質(zhì)上是一種循環(huán)的變形過程，但通常會(huì)有變形路徑的變化。早在20 世紀(jì)80 年代初就有人指出,SPD 技術(shù)應(yīng)該滿足多項(xiàng)條件,其中主要有大塑性變形量、相對(duì)低的變形溫度、變形材料內(nèi)部承受高壓。在這一原則的指導(dǎo)下,得到了迅猛的發(fā)展，包括等通道轉(zhuǎn)角擠壓(ECAE)、高壓扭轉(zhuǎn)(HPT)、循環(huán)擠壓或往復(fù)擠壓（CEC）、異步軋制(Differential speed rolling technology)、大比率擠壓（HRE）、累積軋制(ARB)、多軸壓縮(MAC)、反復(fù)彎曲和矯直工藝(RCS)、等通道擠壓軋制(ECAP-Rolling)和快速凝固加粉末冶金等。[5]

擠壓工藝最適合于低塑性材料的塑性成型，因而是鎂合金理想的加工方法。擠壓速度、擠壓溫度和擠壓比是鎂合金擠壓工藝的重要工藝參數(shù)，通過控制這些工藝參數(shù)可以獲得理想的組織性能和生產(chǎn)率。影響鎂合金擠壓速度的是擠壓坯料的晶粒度和組織均勻性， 因而獲得小晶粒度組織均勻的鎂合金坯料是擠壓成型的關(guān)鍵。目前，鎂合金管材、棒、型材、帶材主要采用擠壓方法加工成形。因?yàn)殒V合金在室溫下塑性很低，伸長率只有4%～5%，所以擠壓加工是理想的方法，軋制加工則比較困難。

傳統(tǒng)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(shù)研究的不斷深入，靜液擠壓、連續(xù)擠壓、等溫?cái)D壓以及大塑性變形（Serve Plastic Deformation）擠壓等先進(jìn)擠壓技術(shù)得到迅速的發(fā)展。

1．等徑角擠壓

等徑角擠壓(又稱等通道轉(zhuǎn)角擠壓, equal channel angular extrusion,ECAE)通過強(qiáng)烈塑性變形, 從而使晶粒細(xì)化到微米、亞微米及納米尺度。

等徑角擠壓工藝作為迄今為止最具商業(yè)應(yīng)用前景的SPD 技術(shù)， 是通過大塑性變形而獲得大尺寸UFG 塊體材料的有效方法之一。在ECAE中，影響材料微觀組織和性能的工藝參數(shù)主要包括模具結(jié)構(gòu)、擠壓路徑和擠壓道次、擠壓溫度、擠壓速度等。其中模具結(jié)構(gòu)多樣化設(shè)計(jì)成為研究熱點(diǎn)。

由于鎂合金塑性成形性能差，而超塑性成形可以用來加工形狀復(fù)雜、變形較大的工件，那么超塑性成形對(duì)于鎂合金就具有重要意義。研究表明，鎂合金的力學(xué)性能對(duì)晶粒尺寸存在著很大的依存關(guān)系，而通過ECAE則可極大地細(xì)化晶粒，改善其微觀結(jié)構(gòu)，提高其力學(xué)性能，并表現(xiàn)出超塑性。大量的研究證明，經(jīng)ECAE 擠壓后鎂合金具有超塑性，且可實(shí)現(xiàn)低溫超塑性和高應(yīng)變速率超塑性。

ECAE 作為一種先進(jìn)的細(xì)晶材料制備工藝，是一種簡單而有效提高具有密排六方結(jié)構(gòu)鎂合金材料室溫力學(xué)性能的方法。經(jīng)過 ECAE 擠壓所制得的鎂合金材料，晶粒得到細(xì)化，塑性得到提高，可以在較低的溫度和較高的應(yīng)變速率下實(shí)現(xiàn)超塑成形，因此，極具工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。有關(guān)ECAE對(duì)鎂合金微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能的影響以及 ECAE 過程鎂合金的變形機(jī)理和變形規(guī)律的研究已取得了一定的成果，但目前的研究主要集中在少數(shù)幾個(gè)系列的鎂合金中，而對(duì)含有兩相或多相的鎂合金ECAE 研究還甚少，對(duì)鎂基復(fù)合材料的ECAE 研究還未見報(bào)道。因此，為了進(jìn)一步擴(kuò)大鎂合金的應(yīng)用范圍，進(jìn)一步了解ECAE 過程中鎂合金的變形特征，還有待深入研究。[6]

2．往復(fù)擠壓

往復(fù)擠壓（reciprocating extrusion）模具由兩個(gè)擠壓筒、一個(gè)凹模（由兩頭兩個(gè)圓錐形緊縮區(qū)和中間細(xì)頸區(qū)組成）和放置于兩擠壓筒內(nèi)的沖頭組成，兩擠壓筒截面積相等，在同一條軸線上，通過中間的凹模連接。

3． S 型等徑側(cè)向擠壓

S 型等徑側(cè)向擠壓時(shí),其真應(yīng)變等于零,變形體的外觀尺寸沒有變化,保持著變形前的形狀。而等效真應(yīng)變不為零,且與循環(huán)次數(shù)呈正比關(guān)系。隨著循環(huán)次數(shù)的增加, 變形體內(nèi)可以積累很大的應(yīng)變量,對(duì)變形體的微觀組織產(chǎn)生很大的影響。

4．大比率擠壓

大比率擠壓的基本原理是通過大的擠壓比,使材料在較大的擠壓力作用下, 產(chǎn)生大塑性變形,從而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。大比率擠壓區(qū)別于一般擠壓工藝的特點(diǎn)是擠壓比大,通常大于50,擠壓工藝可以為一次大比率擠壓和多次累積大比率擠壓。

5．等溫?cái)D壓技術(shù)

對(duì)擠壓筒中的金屬坯料施加壓力，使之從擠壓模具流出，得到設(shè)計(jì)的截面尺寸和形狀的塑性成形方法稱為擠壓。有色金屬中鋁、鎂合金等具有密度小、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，使其在建筑、軌道交通、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，擠壓加工方法是該類合金的一種重要成形方式。

等溫?cái)D壓技術(shù)，即控制擠壓型材在出?？诘臏囟葹橐缓愣囟鹊臄D壓生產(chǎn)過程。將三維有限元模擬技術(shù)和比例—積分—微分(Proportionalintegral-derivative, PID)控制原理相結(jié)合，采用基于數(shù)值模擬的等溫?cái)D壓加工方法，控制擠出型材在長度方向的性能和尺寸精度，減少寬幅型材的翹曲量，提高擠出型材的尺寸穩(wěn)定性。同時(shí)控制型材出?？跍囟群湍＞吣Ｃ媸芰η闆r，提高模具使用壽命。

6．連續(xù)擠壓成形技術(shù)

連續(xù)擠壓技術(shù)有CONFORM連續(xù)擠壓、連續(xù)鑄擠和鏈帶式連續(xù)擠壓法等。其中，CONFORM連續(xù)擠壓已經(jīng)得到了工業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用。國內(nèi)鎂合金的連續(xù)擠壓技術(shù)研究主要集中在CONFORM連續(xù)擠壓上面。

CONFORM 連續(xù)擠壓技術(shù)是1972 年英國原子能局(UKAEA)斯普林菲爾德研究所格林發(fā)明的，同年申請(qǐng)英國專利。繼連續(xù)鑄造、連鑄連軋和連續(xù)軋制技術(shù)實(shí)際應(yīng)用之后，在金屬材料(特別是鋁合金材料)加工工業(yè)領(lǐng)域，連續(xù)擠壓技術(shù)得到工業(yè)應(yīng)用，這是一重大技術(shù)突破。

與常規(guī)擠壓相比，CONFORM連續(xù)擠壓具有如下優(yōu)點(diǎn)。(1) 原材料利用率高。(2) 擠壓制品長度長。(3)制品性能、組織均勻。(4) 能量消耗低。(5) 生產(chǎn)效率高、靈活。(6) 坯料適應(yīng)性強(qiáng)。(7) 投資少、占地小、設(shè)備輕便、生產(chǎn)環(huán)境好且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。(8) 連續(xù)擠壓有著特殊的變形熱力學(xué)條件，即變形溫度與變形程度隨著金屬不斷進(jìn)入變形區(qū)逐漸增高，可直接利用室溫下的坯料擠壓成熱加工態(tài)產(chǎn)品，且變形區(qū)內(nèi)存在劇烈剪切帶。這種大剪切變形更有利于鎂合金晶粒細(xì)化、組織均勻化和改變擠壓纖維織構(gòu)。

開發(fā)了變形鎂合金連續(xù)擠壓工藝與裝備，通過連續(xù)大剪切變形顯著地細(xì)化鎂合金晶粒，使其成形性得到提高，成功地實(shí)現(xiàn)了鎂合金等低塑性材料的高效率連續(xù)擠壓加工。[7]

7．半固態(tài)擠壓法

半固態(tài)擠壓工藝和普通熱擠壓工藝基本相同,被加熱到半固態(tài)的坯料(通過控制溫度來保持其固態(tài)形狀, 避免自重造成的形狀破壞)被放到擠壓模腔體內(nèi), 擠壓成各種產(chǎn)品。由于半固態(tài)漿料的晶界強(qiáng)度很低, 坯料變形抗力很小, 所需擠壓力僅為普通熱擠壓的20% ～ 25%, 這樣可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)擠壓比, 提高產(chǎn)品的密度。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。

8．鎂合金擠壓鑄造成形技術(shù)研究

鎂合金擠壓鑄造技術(shù)逐漸成為人們研究的重點(diǎn)，主要是因?yàn)榕c鑄造鎂合金相比，擠壓鑄造擁有更優(yōu)的力學(xué)性能。擠壓鑄造鎂合金產(chǎn)品綜合性能得到了質(zhì)的飛越，克服了鑄造鎂合金產(chǎn)品的組織缺陷，為性能要求高、形狀復(fù)雜部件帶來了機(jī)遇。但是受限于我國工藝水平，目前還沒有成熟的擠壓鎂合金技術(shù)，在實(shí)際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了一些產(chǎn)品問題，比如產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、有氣泡、有裂紋、力學(xué)性能不足夠穩(wěn)定等情況。

擠壓鑄造成形技術(shù)以其可鑄性和可塑性為主要特質(zhì)，具有高效率、短流程、精確度高等特點(diǎn)，在國內(nèi)外都得到了很廣泛的研究和工作開展。

隨著高新技術(shù)發(fā)展，由鎂合金形成高端緊密儀器設(shè)備已經(jīng)在發(fā)達(dá)國家得到普遍應(yīng)用，但是我們國內(nèi)目前還是傳統(tǒng)鑄造方法和金屬鑄造方法較多，對(duì)于精密儀器設(shè)備成形技術(shù)明顯水平不夠。隨著技術(shù)的發(fā)展以及能源緊張問題，鎂合金必然成為日后擠壓鑄造領(lǐng)域的重要原材料，大力發(fā)展鎂合金擠壓鑄造成形技術(shù)對(duì)于我國在合金應(yīng)用領(lǐng)域有著舉足輕重的意義。[8]

9．?dāng)D壓產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域

有色金屬，特別是鋁、鎂合金擠壓加工材，由于具有一系列優(yōu)異特性，在國民經(jīng)濟(jì)各部門、國防軍工各領(lǐng)域、人民生活各方面都獲得廣泛的應(yīng)用。目前最廣泛的領(lǐng)域有：

（1）航天航空。 以鋁、鎂合金擠壓材為主，主要滿足其輕量化的要求。

（2）交通運(yùn)輸。 這是鋁、鎂合金擠壓材應(yīng)用最多的部門。主要用于車廂板、外殼、內(nèi)裝飾等部位，以滿足其輕量化的要求。

（3）電力能源。主要用于輸電匯流排、管母線、電纜電線、電機(jī)外殼以及核電、風(fēng)能、太陽能、水電及石油煤炭、礦山等用材，鋁合金的管材、棒材、型材和線材用量最大，鎂合金擠壓材用量不多。

（4）電子、電器、通訊與散熱器。 電子、電器、通訊元件，電機(jī)外殼及散熱器等，以鋁擠壓材為主，鎂合金擠壓材在電腦筆記本、手機(jī)等電器方面也開始應(yīng)用。

（5）電氣、機(jī)械、五金及裝飾品方面，鋁擠壓件應(yīng)用廣泛。

（6）醫(yī)療器械及文體用品方面，開始廣泛應(yīng)用。

（7）其它領(lǐng)域。[9]

三、結(jié)束語

鎂合金管、棒、帶、型材主要采用擠壓方法加工成形, 鎂合金擠壓主要工藝參數(shù)包括模具預(yù)熱溫度、鑄錠加熱制度、擠壓速度、擠壓比、潤滑劑等。但鎂合金擠壓也存在擠壓速度慢、變形抗力大、擠壓加工后由于形成織構(gòu)而造成材料力學(xué)性能的各向異性等缺點(diǎn)。隨著擠壓技術(shù)研究的不斷深入，等徑角擠壓、往復(fù)擠壓、S 型等徑側(cè)向擠壓、大比率擠壓、等溫?cái)D壓技術(shù)、連續(xù)擠壓成形技術(shù)、半固態(tài)擠壓法、鎂合金擠壓鑄造成形技術(shù)等先進(jìn)擠壓技術(shù)得到迅速的發(fā)展。鎂合金擠壓加工材，由于具有一系列優(yōu)異特性，在國民經(jīng)濟(jì)各部門、國防軍工各領(lǐng)域、人民生活各方面都獲得廣泛的應(yīng)用。 □