摘要：選擇AZ31 變形鎂合金，設計了實心棒材、矩形和圓形截面薄壁空心型材試樣，對坯料加熱、模具預熱、潤滑劑、擠壓比、擠壓速度及擠壓力等工藝問題與工藝參數(shù)，進行了系統(tǒng)的試驗研究，總結(jié)了成形規(guī)律和確定工藝參數(shù)的方法，對生產(chǎn)應用將起到重要的參考作用。
關鍵詞：AZ31 鎂合金 擠壓成形工藝 研究
目前，國內(nèi)的變形鎂合金有MB1、MB2(Az31)、MB3、MB5、MB6、MB7、MB8、MB11、MB14和MB15 等。變形鎂合金的塑性變形，主要有模鍛、擠壓、軋制等方法，其中，擠壓是最基本的方法，它不僅是獲得作為進一步加工零件的棒材的方法，也是將棒材成形為零件和復雜型材的方法。
作者選擇AZ31 變形鎂合金為原材料，設計了實心棒材、矩形和圓形截面薄壁空心型材試樣，對擠壓過程及工藝參數(shù)進行了系統(tǒng)試驗研究。研究內(nèi)容及結(jié)果論述如下。
1. 擠壓前坯料的加熱
1.1 加熱溫度
鎂具有密排六方晶格，室溫下只有基面{0 0 0 1}產(chǎn)生滑移，因此鎂及鎂合金在常溫下進行塑性成形很難；加熱至200℃以上時，第一類角錐面{1 0 1 1}產(chǎn)生滑移，塑性得到較大的提高；225℃以上時第二類角錐面 {1 0 1 2}也可能產(chǎn)生滑移，塑性進一步提高。因此鎂合金宜在200℃以上成形。鎂合金狀態(tài)圖是確定鎂合金擠壓溫度的首要依據(jù)。從鎂合金狀態(tài)圖中可以得到某種鎂合金的熔化溫度和合金中有第二相析出時溫度。于是可以得到擠壓溫度范圍在這兩個溫度范圍內(nèi)，但這只是一個粗略的溫度范圍。為了比較準確的確定該種鎂合金的擠壓溫度范圍，需要對這種鎂合金的塑性圖和變形抗力圖以及再結(jié)晶圖加以分析研究。從鎂合金的塑性圖可以得到在某個溫度范圍內(nèi)其塑性最高。于是坯料的加熱溫度范圍可以選擇在這個溫度范圍之內(nèi)。Mg-Al-Zn 合金狀態(tài)圖是確定鎂合金擠壓溫度的首要依據(jù)。AZ31 的熔化溫度是603℃。
從230℃開始，合金中有第二相析出。因此，AZ31 的擠壓溫度范圍一定在230～603℃范圍內(nèi)。
從AZ31 鎂合金的塑性圖看出，在350～400℃的溫度范圍內(nèi)塑性最高。擠壓時坯料加熱溫度為400℃。
1.2 加熱設備及方法[1]
鎂合金毛坯通常是在電爐中加熱，最好帶有空氣強制循環(huán)的裝置，以保持爐溫均勻。爐內(nèi)溫差不應超過±10℃。爐溫用熱電偶測量；熱電偶裝在距坯料100～150 毫米處。爐子安裝的自動調(diào)節(jié)爐溫的儀器應能保證溫度的測量精確度在±8℃之內(nèi)。
坯料清除掉油漬、鎂屑、毛刺及其它臟物。在加熱鎂合金時，必須嚴格地做到在爐中沒有鋼料，而且不使鎂合金與加熱元件接觸，使其相隔一定的距離。而且經(jīng)常加熱鎂合金的電爐，其電阻絲旁最好裝有保護板，以免過熱和引起燃燒。
坯料應均勻地放置在爐底上，保持一定的間隔。裝爐前，應將爐子預熱到規(guī)定的溫度。因為鎂合金的導熱率高，這樣可縮短加熱時間，避免晶粒長大。如果爐子剛剛在更高的溫度下加熱過坯料，則應先冷卻爐子，使低于規(guī)定的溫度50～100℃，然后再升高到該種合金所規(guī)定的溫度，保持20～30 分鐘后，再裝入坯料。加熱時間應從坯料入爐后爐子溫度升高到規(guī)定溫度時算起。
1.3 加熱速度及時間
鎂合金的導熱性良好，故任何尺寸的鎂合金毛坯，都可以直接高溫裝爐，但是鎂合金中的原子擴散速度慢，強化相的溶解需要較長時間。為了獲得均勻組織，保證在良好塑性狀態(tài)下擠壓，因此實際所采用的加熱時間還是較長的。
通常，鎂合金擠壓前加熱時間，可以參照鎂合金鍛造時[2]加熱時間的計算方法來計算。即直徑小于50mm 的毛坯，按每毫米直徑或厚度加熱1.5min 計算；直徑大于100mm 的毛坯，按每毫米直徑2.5min計算；對直徑在50～100mm 范圍內(nèi)的毛坯，可按照如下推薦的加熱速度計算公式確定
T = (1.5 + 0.01*(d ? 50)) * d (1-1)
式中 T －加熱所需要時間(min)； d －毛坯的直徑(mm)。
如果擠壓過程被迫中斷的時間不超過2 小時，毛坯可以留在爐內(nèi)，但應降低爐溫(約120℃)。當繼續(xù)擠壓時，毛坯應重新加熱到擠壓溫度上限，這時的加熱時間的計算，是按爐溫達到規(guī)定的溫度時算起，每毫米(直徑或厚度)所需的加熱時間為上述計算時間的一半。若擠壓過程中斷超過2 小時，則需將毛坯從爐內(nèi)取出，置于靜止空氣中冷卻，以后再重新加熱擠壓。
2. 模具預熱與潤滑劑的選用
2.1 模具預熱
鎂合金變形溫度范圍狹窄，導熱性良好，遇到冷模會產(chǎn)生急冷而產(chǎn)生裂紋。所以擠壓前要對模具進行預熱，其作用是，減小模具與毛坯接觸時的溫差，使擠壓毛坯放入模具時毛坯降溫不致過大而使塑性降低，變形抗力增加；同時可避免毛坯表面和中心層溫差過大，使變形不均勻性增加，以至造成擠壓件和模具的損壞。由于坯料與模具接觸面積大，接觸時間長，模具必須加熱到比坯料稍低的溫度，故模具預熱溫度范圍為260～300℃。
模具預熱的方法有在模具上安裝專門的電阻預熱器，或者用噴燈直接噴射加熱。
2.2 潤滑劑的選用
為了減輕坯料與擠壓筒及凹模工作帶之間的摩擦，防止粘模，降低摩擦力，以利于金屬流動，必須使用潤滑劑進行潤滑。潤滑劑還可以起到隔熱作用，從而提高模具壽命。生產(chǎn)中常使用的潤滑劑石墨水劑和玻璃潤滑劑。
(1)石墨水劑 將石墨水劑潤滑劑均勻地涂在擠壓筒內(nèi)壁，在加熱的狀態(tài)下，水份蒸發(fā)，在擠壓筒內(nèi)壁形成一層致密石墨薄膜，從而起到潤滑效果。
(2)玻璃潤滑劑 玻璃潤滑劑的優(yōu)點：
1)絕熱性好，從而使模具壽命提高及防止毛坯迅速冷卻。
2)可提高擠壓比。
3)不會產(chǎn)生增碳現(xiàn)象。
4)擠壓件表面可保持清潔。
5)在工作溫度下玻璃成膠粘狀，因而可以不斷通過模具間隙進行潤滑。這就意味著有可能進行長時間的擠壓，進而提高了生產(chǎn)效率。
6)擠壓型材和空心斷面時，可得到比較清晰的棱角形狀。
3. 擠壓比和擠壓速度
3.1 擠壓比的計算與選擇
棒材擠壓時的擠壓比按下式計算
G = D20 / d2 (3-1)
式中， 0 D －擠壓筒直徑(mm)； d －擠壓棒料直徑(mm)。
管材擠壓時的擠壓比按下式計算
(3-2)
式中 0 D －擠壓筒直徑(mm)； d －擠壓管材直徑(mm)； s －擠壓管材壁厚(mm)。
擠壓型材時擠壓比按下式計算
G = F / nF1 (3-3)
式中， F －擠壓筒的斷面積(mm2)； 1 F －單根型材斷面積(mm2)； n －模孔數(shù)。
擠壓比G 太大時，隨著擠壓力的增大材料的溫度劇烈上升；一般鎂合金擠壓時允許的最大擠壓比max G ≤ 60。
鎂合金擠壓件的宏觀組織及機械性能與總的變形程度有很大的關系，變形程度大的鎂合金擠壓件比變形程度小的鎂合金擠壓件機械性能高。為了使鎂合金擠壓件獲得一致的機械性能，擠壓的總變形程度應不小于75%。本實驗的變形程度為95%。
3.2 擠壓速度
擠壓速度對變形抗力及塑性的影響決定于切應變(或硬化)與軟化過程(恢復與再結(jié)晶)之間的相互關系。當變形速度較高時，因變形引起的熱效應，會使擠壓毛坯的溫度升高，從而流動應力明顯降低；當變形速度再增高時，雖然毛坯的升溫很明顯，但是由于變形過程中金屬的加工硬化速度比再結(jié)晶過程中的軟化速度快，坯料的流動應力會明顯增大。因此擠壓過程中必須認真控制擠壓速度。擠壓速度對變形熱效應，變形均勻性，再結(jié)晶和固溶過程，制品力學性能及制品表面質(zhì)量均有重要影響。擠壓速度過快，制品表面會出現(xiàn)麻點、裂紋等傾向；同時，增加了金屬變形的不均勻性。注意到有些鎂合金如AZ31 鎂合金對對擠壓速度特別敏感，因此成形應以較低的擠壓速度進行擠壓。
4. 擠壓力的計算及設備選擇
4.1 擠壓力的計算
參照熱擠壓工藝時擠壓力的計算[3]，取圖4.1 所示正擠壓變形區(qū)內(nèi)的微元體，建立微分方程：
經(jīng)變化后得到單位壓力
當l = 0 時， p = p = C 0 代入式(4-2)得
總的擠壓力為
(4-3)
式中， p －在一個半徑為R 的擠壓筒中擠壓長度為0 l 的毛坯所需要單位擠壓應力(MPa)； t A －擠壓筒內(nèi)腔橫截面積(mm2)； e －自然對數(shù)的底；μ －摩擦系數(shù)； l －毛坯的長度(mm)。
西拜勒氏認為進行一次變形所需要的力等于斷面變化比的對數(shù)與變形抗力的乘積。即
因此
(4-4)
式中， b σ －擠壓溫度下材料的抗拉強度(MPa)； t A －擠壓筒內(nèi)腔橫截面積(mm2)； m A －金屬擠出模口的橫截面積(mm2)。
將式(4-4)代入式(4-3)，即得總擠壓力
(4-5)
同理，可得出擠壓內(nèi)半徑為r 的管子擠壓力公式
(4-6)
式中， R －擠壓筒內(nèi)半徑(mm)； r －芯棒的半徑(mm)；At －擠壓筒內(nèi)腔橫截面積(mm2)；Al －擠壓管子的橫截面積(mm2)。
AZ31 屬于Mg-Al-Zn 系合金，對擠壓速度特別敏感，因此成形應以較低的擠壓速度進行擠壓，在實驗中擠壓速度選擇為12mm/s。
4.2 擠壓設備的選擇
鎂合金屬于低塑性材料，所以最好是在液壓機上擠壓。液壓機滑塊行程速度一般為0.10～0.20m/s。液壓機的行程速度比較慢，可以保證鎂合金擠壓時有良好的變形速度條件；只要變形溫度合適，不管應力狀態(tài)如何，鎂合金都具有較高的塑性，可以擠出所需形狀、尺寸的擠壓件。
5. 工藝試驗[4]
5.1 試驗條件
試樣材料：AZ31 鎂合金，其機械性能為，抗拉強度σb ≥241MPa，延伸率δ ≥16%。
坯料加熱溫度：t =380℃~400℃；模具預熱溫度：t =260℃~300℃；
擠壓設備：1000KN 油壓機；擠壓速度：V=12mm/s。
5.2 實驗結(jié)果
根據(jù)上述擠壓工藝參數(shù)，擠壓得到鎂合金實心棒材、矩形斷面和圓形斷面的薄壁空心型材，如圖5.1 所示。其內(nèi)外表面質(zhì)量好，無裂紋、劃傷、氣泡、起皮等缺陷，表面粗糙度和尺寸精度均達到設計要求。在實驗過程中，對擠壓力進行了測試，其擠壓力測試結(jié)果如圖5.2 所示。變形程度對擠壓力的影響如圖5.3 所示。
圖5.1 擠壓實心棒料、管材和空心型材
圖5.2 AZ31 鎂合金擠壓變形時力行程曲線
在擠壓過程中，變形力隨擠壓過程的進行而變化。從圖5.2 中我們可以看出，AZ31 鎂合金首先發(fā)生彈性變形，擠壓力迅速上升；隨著擠壓的繼續(xù)進行，AZ31 鎂合金發(fā)生塑性變形，進入塑性流動階段，擠壓力有所下降；擠壓繼續(xù)進行，金屬進入到凹模口，流動阻力增大，擠壓力上升，當金屬即將流出凹模口時，擠壓力達到最大值，隨著金屬流出凹模口，擠壓力有所下降，以后并保持穩(wěn)定。
圖5.3 變形程度對AZ31 鎂合金擠壓變形力的影響
圖5.3 是圓形斷面空心型材擠壓過程中的擠壓力－行程曲線，從中可以看出，擠壓力隨著變形程
度即擠壓管壁厚度的減小而增加。這是由于管壁越薄金屬塑性變形程度越大，而且流動阻力越大，所以隨著變形程度的增大，其擠壓力增大。
影響變形力主要因素有：坯料溫度、模具溫度、潤滑方式、凹模形狀等。隨著坯料溫度的增加，變形抗力峰值減少，穩(wěn)定階段的擠壓力隨之減小；模具溫度增高，使坯料溫度下降較慢，變形抗力變化較小，擠壓力變化趨于平穩(wěn)；潤滑劑性能越好，摩擦力越小，其擠壓力越小。
6. 結(jié)論
由所得試樣的質(zhì)量表明，所得出的AZ31 鎂合金擠壓工藝過程及制訂的工藝參數(shù)是合理的，可以對于實際生產(chǎn)有著重要參考作用。
參考文獻
[1] 西北工業(yè)大學有色金屬鍛造編寫組. 有色金屬鍛造. 國防工業(yè)出版社，1979
[2] 洪深澤. 擠壓工藝及模具設計. 機械工業(yè)出版社，1996. 199~200
[3] 李海江. 鎂合金擠壓成形工藝數(shù)值模擬的研究, 華中科技大學碩士論文, 2003
