镁合金挤压工艺优化

1.镁合金的挤压工艺流程

挤压制品的生产工艺流程，常因材料的品种、规格、供应状态、质量要求、工艺方法及设备条件等因素而不同，应按具体条件来合理选择与制订。镁合金常规生产工艺流程为：铸锭加热→一次挤压→切取中间坯料→加热→二次挤压→人工时效→拉伸（辊式）矫直→剪切→检查→氧化上色→成品包装入库等。

（1）铸锭 生产用于挤压的镁合金铸锭时，通常采用铁制或钢制的永久性厚壁铸模，或采用铜制或铝制的空心圆柱形铸模。通过喷水或是在铸模外周使用水套方式进行快速冷却，可制得具有细小晶粒组织的镁合金铸锭，且很少存在化合物的偏析。铸造后，通常要对铸锭进行铣面处理（采用机械加工方法去除铸造外皮）。铣面程度取决于合金成分和铸造表面的纤维组织。

（2）锭坯 镁合金锭坯是通过对已铣面铸锭进行预挤压来生产的，以便破碎铸件的显微结晶组织和改善其在随后挤压过程中的加工性能。在预挤压过程中所产生的断面减缩量，必须达到足以将其铸造组织变为变形组织。预挤压后的镁合金锭坯在后续的压力加工前不需要再次铣面处理。

（3）预热 挤压前，铸锭或锭坯要在电加热炉或燃料炉中进行预热，以达到要求的加工温度。在低于出现共晶组织的最低温度条件下，不需要采用惰性气体或保持还原性气氛。但是在预加热供挤压用的粉末坯块时，通常要使用保护性气体。由于用于挤压镁合金的温度远低于各种镁合金的熔点，故只要合理地控制温度，就不会出现火灾危险。但必须使温度保持均匀，而且在炉子的前几个加热区内避免出现较大的温差和局部高温。配备有炉内空气循环风机的炉子，可提供最均匀的加热性能。

在装载炉料时，应当使循环空气可以畅通地通过所有坯料。避免采用密集堆放或“积木式”装载方式，因为这种装载方式会使炉料的中心温度降低，并在边缘和暴露表面产生过热现象。若温度过高，则会由于热脆性而使坯料产生裂纹，而温度过低，又会出现剪切裂纹。在装入镁合金炉料时，务必注意不要同时装入铝合金，因为如果两种合金一旦接触，将形成低熔点共晶体，这将导致火灾的发生。炉子应当清理干净，以免有任何残留铝屑或沉积物与镁金属相接触。

（4）工模具 由于挤压工模具工作条件十分恶劣，要求工模具必须具备高的强度和硬度，高的耐热性和耐磨性以及良好的淬透性。为了满足上述要求，挤压镁合金用工模具材料都采用合金钢制造，如热挤压模具钢H13，其热处理硬度为48～50HRC。工模具应始终保持清洁状态，通常采用酸洗和机械抛光来清洗挤压组件以保持挤压筒和模具的清洁。

为避免挤压筒、挤压垫和模具在典型的推压阶段对坯料产生激冷作用，故挤压前需将工模具预热到与坯料相同的温度，该温度应低于挤压温度25℃左右，以补偿挤压过程中由坯料与挤压筒之间的摩擦和金属变形所引起的温升。

与其他金属一样，采用桥型模、异型孔挤压模或多孔模可挤压出管形和其他中空镁合金型材。由于镁合金的再焊合性能差，因此也可使用穿孔针来生产管材：首先用穿孔针对坯料进行穿孔，然后继续在穿孔针上对坯料进行挤压。也可使用空心挤压锭代替实心锭进行管材生产，其生产方法为首先通过铸造或机械加工来提供空心锭，然后在位于挤压轴中的中央芯轴上进行挤压。

（5）挤压工艺 挤压制品的力学性能不仅与合金牌号相关，还和所采用的挤压工艺有关。镁合金主要挤压工艺参数有：挤压温度、挤压比、挤压速度、挤压力、润滑情况等。

镁合金的挤压温度与合金种类和挤压件形状有关，其典型挤压温度范围为300～450℃。同时，合理的挤压温度的选择还与特定的合金牌号和挤压形状有关。因温度对镁合金的塑性变形特征影响很大，因此可以通过调节挤压温度来适应不同挤压比的要求。镁合金挤压比范围一般为（10∶1）～（100∶1），如果坯料是挤压坯而不是铸造坯，则挤压比可以更高。镁合金坯料在变形过程中会产生大量热量，为防止坯料的温度超过固相线温度而导致开裂，在挤压过程中必须充分冷却。

在挤压过程中必须采用润滑剂，这样可以减轻坯料与挤压筒之间的摩擦，降低挤压力，有利于金属流动，同时润滑剂还可以起到隔热作用，从而提高模具寿命。(www.xing528.com)

部分挤压件需要进行矫直，可以采用辘轳对挤压件施加压力矫直或采用拉伸机拉直。

当挤压过程结束后，通常将模具拉离挤压筒，并将成品件上的压余剪掉，再将压余清理出挤压筒并将其用作重熔废料。

也可采用连续挤压成形工艺，就是将放置在挤压筒中的新坯料与先前的坯料对焊在一起，以保证可以进行连续挤压。但必须在坯料上由铸造或机械加工方法加工出纵向沟槽，用来释放新旧坯料对焊过程中所捕获的空气。通常采用剪切或锯切方法将成品挤压件的焊接区去掉，并用作重熔废料。

为了获得细密而均匀的显微组织，镁合金挤压件脱模后需对其采用强制空冷或水冷进行淬火。淬火过程中，防止冷却水与热模具直接接触，以免导致模具开裂。

2.正向挤压时金属的流动

镁合金在热挤压过程有两个基本特点：

1）挤压过程中，由于镁合金坯料对工模具的黏着作用，可产生接近于剪切屈服强度的接触摩擦应力。这将使挤压坯料的表面层和中间层之间的剪切变形量产生很大差别，变形的不均匀性增加。

2）镁合金的变形温度不高，可以保证挤压坯料和工具的加热温差不大。另外，镁合金热容量小、导热性好，沿挤压断面和长度方向，温度梯度小。因此，与其他挤压坯料和工具加热温差很大的金属及合金（铜合金、钢）相比，可以减小变形的不均匀性。这两个特点对金属的流动性质产生相反的影响。

当挤压镁合金时，其他条件相同的情况下，变形的不均匀性在很大程度上取决于坯料与挤压筒之间的接触摩擦力。第一点，在挤压时，坯料与挤压筒之间的摩擦力阻碍金属表面层的运动，使得坯料表层金属沿纵向相对坯料中心被压缩而镦粗，横向尺寸增大。靠近挤压垫的坯料表面层金属的横向增宽最大，在这里作用着最大的轴向应力。轴向应力随着坯料和挤压筒接触长度及摩擦应力值的增加而增大，使坯料的内层金属明显地收缩，在挤压筒和模具连接处产生阻碍金属流动区（死区）。第二点，不存在挤压过程的稳定阶段。表面层和中心层的变形都是随着挤压过程的进行而不断增大。但是，由于表面层变形的增大较快，因此随着挤压过程的进行增加了变形的不均匀性。这就造成了沿挤压型材的断面和长度上力学性能的差别。第三点，在坯料与挤压筒接触处金属的阻碍区内的摩擦力很大，使薄的坯料表面层很难流入模孔，挤压制品可以获得优质表面。这个特点有着特殊意义。不润滑的正向挤压尽管有许多缺点，但在生产重要用途的型材上却得到了最广泛的应用。当生产那些挤压后不需要机械加工或者只在型材表面很小一部分上进行机械加工（如铆接前钻孔、开槽等）时，这一点尤其重要。

用圆形坯料挤压异形型材时，与挤压圆棒相比，重要的特点是沿型材断面变形的不均匀性更为明显。变形不均匀性增加的主要原因是坯料与挤压制品的横断面间没有几何相似性。型材断面的不对称性越大，则变形的不均匀性也越大。变形的不均匀性使断面的各个部分都力图以不同的速度流动，但金属的整体性却阻碍了这一点的实现。这就引起很大的附加应力，后者对挤压型材的几何形状和质量都有显著的影响（断面上有个别缩孔，充填不满的模孔，型材的纵向弯曲和扭拧）。当受拉应力作用的断面上附加应力很大时，可能出现横向裂纹，在受压应力作用的断面上，可能产生局部橘皮（波纹）。因此减小金属流动的不均匀性是设计工具时所要解决的最重要问题之一。