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变形镁合金及其成形工艺
作者：bearingpower 发表时间：2010-12-12
变形镁合金及其成形工艺关键字： 镁合金具有密度低、比强度和比刚度高、电磁屏蔽效果好、抗震减震能力强、易于机加工成形和易于回收再利用等优点，在航空、航天、汽车、3C产品以及军工等领域的具有广泛的应用前景和巨大的应用潜力。目前，镁合金的应用大多数是以模铸、压铸以及半固态成形等工艺来生产产品。这些工艺生产的产品，存在着组织部太致密、成分偏析，最小厚度偏大、力学性能偏低等缺憾，不能充分发挥镁合金的性能优势。研究和实践表明，塑性变形能够改善镁合金的组织和力学性能，大大提高镁合金的强度和塑性，同时，很多领域重要结构材料需要用的板材、棒材、管材和型材等只能用塑性成形工艺来制取，而不能利用铸造等工艺来生产，所以，变形镁合金及其成形工艺的研究越来越受到重视。 但是，由于镁合金晶体结构是密排六方(Hcp)，塑性较差，成形困难，成材率低，加之人们对镁合金易燃、不耐腐蚀等缺点的过分夸张甚至是错误的认识，导致变形镁合金没有得到大规模应用，变形镁合金及成形工艺的研究没有引起足够的重视和深入的开展。目前变形镁合金的板材、型材以及锻件等生产仍集中在航空航天及军事等高端领域或部门，没有普及到一般民用领域。在当今社会节约资源和减少污染成为社会可持续发展战略的要求的背景下，急需加快研究步伐，转变观念，以推动变形镁合金镁在民用领域的应用。本文旨在总结变形镁合金及成形工艺的成果，探讨变形镁合金及其成形工艺的研究方向。 变形镁合金的合金系 变形镁合金主要分为四个系列(美国标准)：AZ系列(Mg-Al-Zn)，AM系列(Mg-Al-Mn)，AS系列(Mg-Al-Si)，AE系列(Mg-Al-Re)。中国变形镁合金牌号为MB系列。几个主要工业发达国家的变形镁合金标准及牌号见表1所示。变形镁合金以AZ系应用最为普遍，其中又以MB2应用最为广泛。需要指出的是变形镁合金中MB2的合金成分与AZ31B不同，其力学和成形性能比AZ31B稍差些，介于AZ31B和AZ31C二者之间。 新近研究开发的变形镁合金如：Mg?Li系合金，由于锂的加入，Mg-Li系合金成为最轻的变形镁合金，金属Li的密度只有0.53g/cm3，用Li作合金元素，除降低密度外，Li的加入可以在合金中形成具有bcc结构的β相，显著改善镁合金的塑性，变形加工能力大大增强。在变形镁合金系中加入稀土元素后，如在Mg-Zn系合金中加入Y、Ce、Nd以及Re等元素，能够显著改善变形镁合金的耐蚀性和高温性能，形成新的合金品种。 与铸造镁合金相比，变形镁合金具有更高的强度和塑性，作为板材、型材以及锻压成形零件，可以应用在航空航天、汽车、3C及军工等各个领域，发挥出其独特的优势。利用变形镁合金比重小、比刚度、比强度高的特点，广泛地应用在一些对重量特别敏感的手提工具、体育器材、航空航天、汽车等领域中。利用镁合金质轻，减震、电磁屏蔽等优良性能，来制作手提电脑、手机以及便携音像器具等设施的外壳等，能够达到轻巧、美观(金属质感)、耐用等效果。有关各类变形镁合金的主要用途见表2所示。随着新型镁合金及其成形工艺不断研究深入，变形镁合金的用途和应用范围将会不断扩大。 表1变形镁合金牌号对照表 中国 苏联美国日本德国 MB1MA1 AlM1A -MgMnZ MB2 MA2 AZ31B(C)M1 MgAl3Zn MB3 MA2-1 --- MB5 MA3 AZ61A M2 MgAl6Zn3 MB6 MA4 -- MgAl6Zn3 MB7 MA5 AZ80 AZ61A MgAl7Zn MB8 MA8 -AZ80A AM537 MB15 MB65-1 ZK60A ZK60A MgZn6Zr 表2变形镁合金的主要用途 类别 部 件 名 称常用材料牌号成形工艺 汽车内饰件仪表盘、内饰罩板、分电气膜片箱、格栅、发电机托架、座椅架、转向柱、后座AM50,AM60 热冲压 汽车车身件内门板、行李箱盖、仪表盘十字梁AZ31 热冲压,热拉深 汽车底盘底盘筐、发动机轴、发动机架、车轮、前后悬臂AZ31 锻造,挤压, 汽车覆盖件行李箱盖板AZ31B 轧制 航空航天部件直升机变速箱、座舱架、吸气管、发动机架、刹车器、壁板、副翼蒙皮、舵面、核燃料箱、飞机内框架结构管件、方向舵MB15,AZ31B ,AZ91B,ZK60A 等温锻造, 超塑成形, 热挤压 军事、兵器导弹舱段、弹夹、抢托、导弹尾翼AZ31B 轧制、锻造 电子电器部件笔记本电脑外壳、打印机板、硬盘中小件、手机壳、摄像机壳、相机架AZ31B 热冲压 体育、办公、家庭用品渔具卷轴、滑雪橇、网球拍、电动车部件、自行车架、轮椅及残疾车架、拐棍、行李架、镁合金夹具、印刷机械AZ31B 冲压,挤压 变形镁合金的变形特征 1 镁合金的结构特点 镁属于密排六方晶体结构，在室温下只有1个滑移面(0001)，也称基面、底面或密排面，滑移面上有3个密排方向、和，即密排六方晶体在室温下只有3个滑移系，其塑性比面心和体心立方金属都低，塑性变形需要更多地依赖于滑移与孪生的协调动作，并最终受制于孪生；滑移与孪生的协调动作是镁合金塑性变形的一个重要特征。室温下，镁合金的塑性较差，变形困难，且易出现变形缺陷，是镁合金自身性质决定的，也是制约变形镁合金加工成形的本质原因。 2 镁合金的应力应变曲线 根据实验测得镁合金室温下的伸长率一般不超过20%，塑性变形能力低，不能满足大多数金属成形工艺的要求。温度对变形镁合金的塑性影响很大，温度愈高，塑性愈好，变形抗力愈低，易于成型加工。 提高变形温度，能够使镁合金晶体内棱面、锥面的滑移系启动，显著的改善镁合金的塑性。在温度高于2200C时，镁晶体中的附加滑移面开始起作用，变形容易的多。因此变形镁合金主要是在300~4000C温度范围，就可以顺利进行挤压、轧制和锻造等成形工艺。温度过高，则材料氧化严重，成形加工性能变差。 变形镁合金的成形工艺 与其他易成形金属一样，变形镁合金几乎可以用所有的金属塑性成形工艺来实现成形。成形原理相同，不同的是具体工艺参数的变化。 1挤压成形工艺 典型的挤压成形工艺流程为：挤压坯生产→加热→挤压→矫直→热处理 变形镁合金的加热温度一般不超过4000C，可用电炉加热挤压坯，一般不需要保护气氛。挤压温度为300~4000C之间。挤压截面收缩范围在10：1~100：1之间。在挤压过程中，由于大变形而产生大量的热量，需要采取冷却措施，以避免温度过高，出现热裂纹。 坯料挤压成型后进行热处理，可以获得细小而均匀的合金组织，去除残余应力，稳定形状和尺寸，改善其使用性能。 金属挤压工艺生产变形镁合金型材和管材目前国内还不太成熟，尤其是生产薄壁管材和高精度型材还有困难，主要缺陷有裂纹、皱纹和扭曲等。 2轧制工艺 变形镁合金板材的生产主要是通过轧制工艺来完成，挤压和铸造很少采用。轧制工艺流程如下： 铸锭铣面→铸锭均匀化→加热→开坯→板坯剪切→板坯加热→粗轧→酸洗→加热→中轧→中断或下料→加热→精轧→产品退火→精整→氧化上色→涂油包装。 镁合金板材的轧制采用热轧方式，必要时进行中间退火。采用多道次、小压下量工艺进行轧制。一般厚度20-80mm的板材为厚板，厚度6-20mm为中板，薄板厚度在0.5-6mm范围。 (1)厚板轧制工艺 板坯通常在轧制前要在轧制面或侧面铣面并经过探伤检查。要求板坯内部组织均匀，晶粒细小，第二相分布均匀。采用带有空气循环的电阻链式加热炉加热，加热温度一般为450-5000C，加热过程中要使炉膛内温度分布均匀，避免局部高温。 在轧制过程中要保证轧制温度在2500C以上，确保合金具有良好塑性变形能力。镁合金中板和厚度的组织和性能主要取决于终轧温度。随着终轧温度的提高，除伸长率增加外，抗拉强度和屈服强度均有所下降。 (2)薄板轧制工艺 薄板生产采用轧制板坯或者挤压板坯。热轧时加热温度一般比铸锭温度低30~600C，加热时间主要取决于加热温度、板坯厚度、装炉量及采用加热炉的形式。常用的板坯加热炉有箱式电阻空气循环电阻加热炉。 一般采用厚度为5~6?，特殊情况用厚度3?的镁板作为薄板坯。薄板在轧制过程中要保证轧辊的温度维持在200~2500C范围，轧辊温度过低会降低合金的轧制性能和表面质量，而温度过高难以保证板材平直度。 镁合金板材在轧制以后一般要进行退火热处理，使加工组织发生回复和再结晶，消除应力。镁合金冷作硬化的敏感性很大，矫顽力很高，低温下很难矫平，因此厚板在较高温度下矫直。由于镁合金滑移系小，一般采用辊式矫直而不是拉伸矫直的方法。 变形镁合金板材的生产，我国已具备工业化生产能力，洛阳铜加工厂铝镁分厂可以生产多品种多规格变形镁合金板材，如MB1、MB2、MB3、MB8以及AZ31B等合金的厚板、中板和薄板。 重庆大学轻金属工程研究中心经过研究，已具备生产镁合金板材的自主产权生产技术，已经生产出0.35-1.2mm的薄板，性能优异，板型良好。 3 锻造成形工艺 镁合金可以锻造成不同的尺寸和形状，镁合金锻造精度可以达到同其他金属一样的程度，并且根据锻造尺寸和设计不同而有所变化，镁合金锻件的性能要比铸件具有更好的力学性能和更理想的内部组织。变形镁合金的锻造设备一般为液压锻压机或机械式锻压机。 镁合金的导热性能好，传热速度快，如果模具温度过低会导致镁合金工件激冷而形成裂纹，一般模具需要加热，加热温度应在220℃以上。 变形镁合金的锻造温度一般在350℃以上，保证良好的塑形，以便于成形。高温下，镁合金的表面摩擦系数较大，流动性差，黏附力大，充填较深的垂直模孔较为困难，因此，除了模具设计应注意此特点外，必须采取适当的润滑。润滑剂可选用石墨粉或者二硫化?。 目前变形镁合金的锻造成形主要用于航空航天领域的重要零件的等温锻造，如大型直升机的上机匣。近期据报道美国汽车研究协会对汽车某些零部件使用锻造镁合金很感兴趣，如汽车仪表盘、车门内侧面等，并加大研究力度。 4板材成形工艺 (1)弯曲成形 弯曲是最普通最简单而应用广泛的成形方法，几乎出现在所有的薄板成形工艺中，它可以直接作为单独的成形工艺，也可以作为其他成形方法的一道工序，如拉伸、卷曲或者沉头孔压型等。简单的弯曲就是将一块平板金属沿着给定半径的工具进行弯曲，一般可以得到任何期望的弯曲角。按照弯曲工艺所用的设备和工具不同，可以分为：压弯、折弯和滚弯三种类型。 弯曲成形的冷成形工艺只限于具有弯曲半径大的中等变形零件；热成形时，由于板材温度的原因，板材的塑性得到改善，可以成形任意弯曲半径的零件。 弯曲成形过程中会发生回弹现象，需要在模具设计予以考虑。弯曲成形中产生的残余应力，也需要采取措施，消除和释放残余应力。消除残余应力，需要加热工件并保温一定时间。 (2)拉延成形 拉延成形是薄板立体成形中最为重要的塑性成形工艺，能够成形各种各样的零件，如平底圆筒形零件，复杂的汽车覆盖件、手提电脑外壳、手机外壳以及其它3C产品的壳体零件。 镁合金薄板的拉延性能与板材的塑性应变比r和应变强化指数n以及成形温度、速度、工件形状及摩擦润滑等工艺条件有很大关系。拉延成形工艺与镁合金的其他成形工艺一样，成形温度非常重要，一般说来，随着温度的升高，镁合金薄板的深拉延性能可得到明显改善。板材要加热到3000C以上，凹模要加热到2000C以上，否则很难成形。 据报道德国奥迪汽车公司采用热拉延(热冲压)生产镁合金汽车车门内饰板，减重效果明显。据Aida，Shuhei研究AZ31B薄板的冲压性能，在473K，薄板的冲压极限可达3.2，最大延伸率可达80-90%，冲压性能得到明显改善。 笔者利用板厚为0.6mm的AZ31B镁合金薄板，通过优化模具设计参数，优化冲压工艺参数，在一般的机械冲压机上，于2004年5月首次成功冲压某机型手机面板。工艺参数具体为：凹模温度300C左右，凸模温度1200C左右，板坯温度3000C左右。在工艺参数控制准确的情况下，制品表面质量符合要求，无皱折、毛刺等缺陷。该手机面板具有质的轻、刚性强、手感好和形状稳定等优点。 结语 变形镁合金具有诸多优良性能，加之资源丰富，市场潜力巨大，应用前景广阔。只要工艺参数合理科学，变形镁合金可以适应任何金属成形工艺，生产出所需要的产品。今后需要研制新的合金系，通过添加稀土等合金元素，改善合金性能，研究成形工艺的理论和实践，降低成本，提高成材率，提高产品质量，以拓展变形镁合金的应用领域。 同时，应当以汽车、3C等领域为变形镁合金的主要应用领域，尽快形成产业优势，形成强大的市场需求驱动力，迅速拉动镁合金板材、型材、管材及各种零件的研究、开发和生产的产业链条，加快我国由镁生产大国到镁合金应用强国的转变步伐。上一篇：化学热处理解释
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