【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 理論研究與產(chǎn)品開發(fā)。上海交大輕金屬精密成型國(guó)家工程研究中心，研發(fā)新型鎂合金及精密成型技術(shù)。清華大學(xué)在中關(guān)村科技園區(qū)創(chuàng)建鎂合金產(chǎn)業(yè)化成套設(shè)備及關(guān)鍵技術(shù)示范及孵化基地。還有北京科技大學(xué)、東北大學(xué)、中南大學(xué)、西安工業(yè)地學(xué)、中科院金屬研究所、鄭州輕金屬研究院等一大批大專院校和科研院所都已加入鎂合金及其應(yīng)用研發(fā)的行列中來。 目前，對(duì)于鎂合金型材的研究比較少，由于大部分鎂合金都屬于密排六方結(jié)構(gòu)，塑性變形較困難，因此鎂合金擠壓制品大多以合金元素含量較低的AZ31為主[32,33]，且制品形狀多為簡(jiǎn)單的棒材或管材。湖南大學(xué)的楊忠旺研究了AZ91鎂合金型材的擠壓工藝，中南大學(xué)的王斌研究了ZK60鎂合金型材擠壓的數(shù)值模擬。以上的研究都是基于形狀簡(jiǎn)單的鎂合金型材，棒狀、田字型以及目字型等。4鎂合金塑性成形技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀隨著鎂合金應(yīng)用的不斷擴(kuò)展，一些重要的零件也將采用鎂合金，這些零件對(duì)強(qiáng)度要求高，壓鑄件很難滿足要求，特別是航天和航空零件，主要還是采用塑性加工成形。經(jīng)塑性加工后，鎂合金的斷裂應(yīng)變和耐腐蝕行為明顯提高，微觀組織、力學(xué)性能將會(huì)得到明顯改善。對(duì)鎂合金塑性加工技術(shù)的研究已成為當(dāng)今鎂合金研究和發(fā)展的主要方向，并且已經(jīng)取得了一定的成果。通過鍛造，擠壓，軋制，拉拔以及沖壓等塑性加工工藝有可能制備出力學(xué)性能優(yōu)異的鎂合金材料及部件，在這種情況下，鎂合金板材沖壓件以其優(yōu)異的力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)受到了越來越廣泛的關(guān)注和研究，而研制高性能，低成本的鎂合金板材更是成為研究的熱點(diǎn)。擠壓是制備板材的一種常見的金屬塑性加工技術(shù)。擠壓加工不同于其它的塑性加工方法，其變形過程在近似封閉的工具內(nèi)進(jìn)行，材料在變形過程中承受很高的靜水壓力，有利于消除鑄錠中的氣孔，疏松和縮孔等缺陷，提高材料的可成形性，使材料在二次成形過程中能承受較大的變形量，從而改善材料的性能。鎂合金擠壓成形主要工藝參數(shù)包括鑄錠的溫度，模具的預(yù)熱溫度，潤(rùn)滑條件，擠壓速度，擠壓比等。這些參數(shù)選擇是否合理，對(duì)鎂合金能否成功擠壓，以及擠壓制品的組織、性能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都有很大的影響。鑄錠的溫度是擠壓時(shí)最為重要的參數(shù)，它不但影響擠壓過程的進(jìn)行，還影響成品率、產(chǎn)品的質(zhì)量以及組織和力學(xué)性能等。在理論上可以根據(jù)合金的相圖、塑性圖和再結(jié)晶圖來確定鑄錠的溫度。鑄錠的加熱溫度還應(yīng)該保證低于合金的固相線而高于再結(jié)晶溫度。實(shí)際上，鑄錠溫度的確定遠(yuǎn)比此復(fù)雜，對(duì)鎂合金而言，需要格外注意防止燃燒和爆炸。鎂合金擠壓時(shí)，坯料的加熱溫度主要取決于合金的種類和擠壓件的形狀，一般在573K~723K之間。擠壓件形狀比較復(fù)雜時(shí)，坯料可選用較高的加熱溫度。此外，在擠壓過程中，還應(yīng)考慮變形熱和摩擦熱。一般來說，金屬塑性變形時(shí)變形能的90％~95％轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?。這些熱量可使金屬溫度升高，屈服強(qiáng)度降低，因而在一定的變形力下可達(dá)到的變形程度增大。但隨著擠壓溫度的升高，晶粒逐漸變大。對(duì)于溫度升高時(shí)發(fā)生相變的某些合金系，在高于相變溫度下擠壓時(shí)晶粒會(huì)變得很粗大。如果坯料溫度過高或擠壓過程坯料溫升過大，容易導(dǎo)致擠壓件發(fā)生熱裂。因此在鎂合金擠壓時(shí)，一定要合理地選擇擠壓溫度。鎂合金變形溫度范圍較窄，與冷模接觸時(shí)極易產(chǎn)生裂紋。此外，坯料降溫過快會(huì)降低材料地流動(dòng)性能，因此必須對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱。由于坯料與模具地接觸面積較大，變形時(shí)間較長(zhǎng)，模具地加熱溫度一般要低于坯料加熱溫度。擠壓筒、墊片、模具地溫度一般比坯料地溫度低25K，以補(bǔ)償由于摩擦熱、變形熱而引起地溫升。擠壓速度的大小受合金成分、鑄錠組織特征、擠壓方式、擠壓設(shè)備、擠壓溫度、潤(rùn)滑條件等的影響。擠壓速度的確定同擠壓溫度一樣也十分的復(fù)雜，擠壓速度確定的原則是：在保證制品不產(chǎn)生表面裂紋、毛刺、彎曲等表面質(zhì)量的前提下，當(dāng)擠壓機(jī)的能力容許時(shí)，擠壓速度越快越好。當(dāng)擠壓速度提高時(shí)，因變形引起的熱效應(yīng)會(huì)使擠壓的溫度升高，從而使流動(dòng)應(yīng)力明顯降低。進(jìn)一步增大應(yīng)變速率時(shí)，雖然鑄錠的溫度升高很明顯，但由于加工過程中金屬的加工硬化速度比再結(jié)晶引起的軟化速度快，鑄錠的流動(dòng)應(yīng)力不但不減消，反而明顯增大。Lapovok等人[34]對(duì)AZ31鎂合金的研究表明，當(dāng)擠壓速度較低時(shí)，擠壓板材的表面質(zhì)量隨著擠壓速度的增加，表面質(zhì)量下降。當(dāng)擠壓速度過高時(shí)，表面出現(xiàn)裂紋。同時(shí)擠壓速度還受擠壓溫度的影響，當(dāng)擠壓溫度升高時(shí)，擠壓速度可以適當(dāng)?shù)奶岣?。為使鎂合金擠壓件獲得較佳的晶粒組織和理想的力學(xué)性能，必須使斷面收縮率保持在一定的范圍內(nèi)，即要確定合理的擠壓比。擠壓時(shí)，制品的擠壓比一般為10~100，如果采用經(jīng)過預(yù)擠壓的坯料，則擠壓比可更大一些。擠壓可以使鎂合金的鑄態(tài)組織得到較大程度的改善，性能顯著的提高，但擠壓態(tài)鎂合金在力學(xué)性能上往往呈現(xiàn)各向異性。各向異性的出現(xiàn)主要與兩方面的因素有關(guān)。一方面是由于在擠壓板材中形成了纖維組織，另一方面是由于在擠壓的過程中，隨著變形程度的增加，鎂合金的密排六方晶格的基面逐步轉(zhuǎn)向與擠壓方向平行。這種各向異性對(duì)于鎂合金板材后續(xù)的沖壓成形性能有著極大的影響[35]。鎂合金擠壓成形前坯料狀況對(duì)其隨后擠壓工藝有著重要的影響。這是因?yàn)樵诠I(yè)生產(chǎn)條件下，由于鎂合金鑄造時(shí)冷卻速度快，鑄錠不可能得到完全平衡的組織。鑄態(tài)合金偏離平衡狀態(tài)一般表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：①基體固溶體成分不均勻，產(chǎn)生晶內(nèi)偏析，其組織為樹枝狀：②由于合金元素來不及從固溶體析出得到過飽和固溶體，因此成分和組織的非平衡狀態(tài)將給合金的性能帶來一定的影響。例如，由于非平衡易熔組成物的出現(xiàn)，在加熱和變形過程中容易過早發(fā)生過燒現(xiàn)象。晶內(nèi)偏析和脆性相的存在往往使材料的塑性降低，擠壓力升高。粗大的枝晶和枝晶偏析可在隨后的擠壓加工過程中形成帶狀組織。所以在擠壓變形前應(yīng)對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻化處理。荷蘭Delft科技大學(xué)材料系研究了鑄錠均勻化處理對(duì)AZ80和AZ91合金可擠壓性的影響。研究結(jié)果表明，未對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻化處理時(shí)，只能擠出簡(jiǎn)單的實(shí)心型材。對(duì)鑄錠進(jìn)行413℃，24h均勻化加熱后，低熔點(diǎn)共晶相減少甚至完全溶解。重慶大學(xué)廖慧敏等人研究了AZ81鎂合金的均勻化處理[36]，與之前相比，有效地消除了枝晶偏析，改善了材料的組織狀態(tài)，其塑性性能也有了明顯的提高。與其他金屬一樣，鎂合金在均勻化加熱過程中也會(huì)出現(xiàn)晶粒長(zhǎng)大，從而影響制品最終的晶粒度和綜合性能。可以看出：同樣的擠壓錠，進(jìn)行了均勻化處理后，擠壓力降低。 鑄錠均勻化處理對(duì)擠壓工藝的影響[37]是否進(jìn)行均勻化處理積壓溫度/℃加熱時(shí)間/h擠壓力/MPa沒有34013203001400沒有34032503003300沒有34062003006250350℃，12h34011903001250350℃，12h34031703003200350℃，12h34061503006180注：合金Mg3%Al、錠坯直徑98mm，長(zhǎng)度150mm，擠壓管直徑44mm，軋制是制備板材最為主要的金屬塑性加工技術(shù)。在鎂合金板材的軋制制備工藝過程中,主要工藝參數(shù)包括每道次的壓下量，軋制溫度，軋制速度，輥型等。其中最為關(guān)鍵的是每道次的壓下量、軋制溫度、軋制速度。由于鎂合金在室溫下軋制時(shí)的塑性很差，從而冷軋時(shí)每道次的壓下量應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)，若加大變形量則會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的裂邊，甚至無法軋制成形。因此鎂合金板材的軋制成形通常需要三個(gè)道次或更多道次的熱軋。低溫下軋制鎂合金板材時(shí)容易產(chǎn)生高的應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致孿晶形核和切變變形。而軋制溫度過高時(shí)，晶粒容易長(zhǎng)大而使板材的熱脆傾向增大。板材的各向異性也是軋制中最為值得關(guān)注的重要問題，這種各向異性不利于后續(xù)的沖壓成形。因此，為了提高軋制的效率，降低消耗功率，改善和提高板材軋制成形的能力以及板材的性能，除了常規(guī)的軋制設(shè)備和工藝外，又開發(fā)了許多新的軋制技術(shù)，如單輥驅(qū)動(dòng)軋制(SRDR)，異步軋制(DSR)，雙輥交叉軋制等。這些技術(shù)有的已應(yīng)用于制備鎂合金板材。[38]對(duì)AZ31鎂合金單輥驅(qū)動(dòng)軋制板材的初步研究表明，與普通軋制工藝制備的鎂合金板材相比，單輥驅(qū)動(dòng)軋制鎂合金板材可有效的減弱基面織構(gòu)，大大提高板材的沖壓成形性能。[39]對(duì)AZ31鎂合金異步軋制板材的研究表明，與普通軋制工藝制備的鎂合金板材相比，采用這種軋制方法制備的板材的基面織構(gòu)有所減弱，板材的塑性能夠得到顯著的提高，而強(qiáng)度只是略有降低。板料的沖壓成形包括拉深、彎曲、脹形等。針對(duì)不同的沖壓方式，其成形性能的控制參數(shù)不同，比如材料的拉深成形性能一般用拉深極限比表示，而彎曲成形性能用最小彎曲半徑控制，脹形成形性能常用埃里克森值來進(jìn)行判斷[40]。板料沖壓性能及其控制受制于材料性能參數(shù)和工藝參數(shù)兩個(gè)方面，這些參數(shù)一般均可通過試驗(yàn)得到。