擠壓加工與其他加工方法相比的優(yōu)勢
2019-12-06 15:09 ?瀏覽：次
1 擠壓加工與其他加工方法相比的優(yōu)勢
任何金屬材料進入市場的主要產(chǎn)品都是板材、 型材、管材、棒材、線材和箔材。其中，板材是塑性加 工中最重要的材料之一，板材的發(fā)展決定了型材和 線材的發(fā)展。其主要的塑性加工方法有擠壓、軋 制和鍛造等。擠壓加工相比的優(yōu)勢如下。
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。張來 青等將鑄造出的鎂合金棒材，擠壓獲得不同厚度 的薄板，再通過軋制、退火制備出晶粒尺寸較小的鎂 合金薄板，其具有良好的力學性能。
2）擠壓技術生產(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 金材料處于強烈的三向壓應力狀態(tài)，可有效的防止 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)品的質量高。擠壓變形可以改善金屬材料 的組織，提高其力學性能。余琨等研究證明了ZK60鎂合金經(jīng)過擠壓和T5熱處理后，硬度和強度 都大幅度提高。汪凌云等研究擠壓的鎂合金管材， 其晶粒直徑<20μm。
2 鎂合金擠壓變形技術
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。隨著擠壓技術研究的不斷深入，靜液 擠壓、連續(xù)擠壓、等溫擠壓以及大塑性變形（Serve Plastic Deformation, SPD）擠壓等先進擠壓技術得 到迅速的發(fā)展。
2.1 連續(xù)擠壓技術
連續(xù)擠壓技術有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)中的實際應用。國內鎂合 金的連續(xù)擠壓技術研究主要集中在CONFORM連 續(xù)擠壓上面。
在工藝方面，楊俊英等以AZ31鎂合金為研 究對象，研究了擠壓輪轉速對坯料各層面速度分布 的影響機制。結果表明，在連續(xù)擠壓的過程中，金屬 在不同變形區(qū)域的流動速度有差異。擠壓輪轉速越 大，不同層面金屬的流動速度差值越大，流動的程度 越不均勻。這種流動分布特點是由于輪槽面的摩擦 驅動力與型腔壁摩擦阻力的相互作用形成的。吳桂 敏等對Z31鎂合金連續(xù)擠壓成形的工藝條件進 行了研究，結果表明，變形金屬的等效應力在壓實輪 下方最高，等效應變在模具入口處最大，型腔內的溫 度最高。
在對顯微組織的影響方面，寧海石等發(fā)現(xiàn)隨 著擠壓輪轉速的增高，鎂合金芯部區(qū)域的晶粒尺寸 逐漸增大；當轉速達到一定速度時鎂合金的表層和 芯部區(qū)域的顯微組織達到均勻分布。楊俊英等 研究發(fā)現(xiàn)，加熱溫度對AZ31鎂合金組織有顯著影 響，隨著溫度的提高，顯微組織的均勻程度也在提 高，當達到450℃時，芯部晶粒有長大的現(xiàn)象。由于 溫度的提高，使材料發(fā)生充分的再結晶，材料的抗拉 強度增強，伸長率變化不大。連續(xù)擠壓使得晶粒細 化，這是由于材料在擠壓過程中經(jīng)歷了多種變形。
2.2?。樱校臄D壓技術
SPD擠壓技術是指材料經(jīng)過SPD可以獲得大 的塑性變形，極大細化晶粒組織，制備出亞微米級尺 寸的晶粒。細化晶粒是提高鎂合金塑性的最有效的 途徑，所以研究變形鎂合金的SPD擠壓技術，對提 高鎂合金材料的性能有重要的理論意義和實際意 義。鎂合金的SPD擠壓技術包括等通道轉角擠壓（ECAP）、往復擠壓（CEC）和S型等徑側向擠壓 和大比率擠壓（HRE）等。其中，等通道轉角擠壓是 目前最具有工業(yè)應用前景的擠壓技術，所以在此主 要介紹ＥCAP技術的發(fā)展情況。
在工藝方面，任國成等研究了溫度對AZ31鎂合金ECAC擠壓塑性變形機制的影響。結果表 明，在擠壓過程中，試件存在明顯的溫度梯度，其中 在模具轉角部分溫度最高。通過XRD分析及微觀 組織的觀察發(fā)現(xiàn)，AZ31鎂合金在經(jīng)過擠壓變形之 后，可以明顯提高其錐面衍射的強度，而且可以加快 鎂合金的再結晶速度，使其與變形溫度成正比。劉 英 等研究了擠壓道次對AZ31鎂合金的性能影 響。結果表明，擠壓次數(shù)的增多，晶粒明顯細化，但 是不同的擠壓路徑對材料的性能影響不同，當?shù)竭_ 一定的擠壓次數(shù)，鎂合金的強度變化不大。
何云斌等從鎂合金顯微組織的角度分析，分 析了ZK60鎂合金經(jīng)過ECAP過程后不同部位所呈 現(xiàn)出來的顯微組織特性。結果表明，在240℃ 下對 ZK60鎂合金進行ECPA變形１道后，可以顯著的 細化合金的晶粒，然而并不能使組織均勻。合金的 晶粒組織在剪切變形之前主要是粗而且大的晶粒， 而且還有很多孿晶，而在剪切變形之后，主要是再結 晶組織。ECAP過程中晶粒細化靠的是機械剪切以 及動態(tài)再結晶的綜合效應。
3 鎂合金擠壓工藝
3.1 坯料均勻化處理
一般來說，在擠壓之前，鎂合金鑄造坯料都需要 進行均勻化退火處理。這是因為 ＡＺ系鎂合金在鑄 造冷卻過程中易形成α-Mg＋Mg17Al12，且隨Al含 量的增加，γ－Mg17Al12相含量增加，并易呈粗大網(wǎng)狀 分布于晶界。對該類合金進行均勻化退火處理， 可以使分布于晶界和枝晶間的粗大網(wǎng)狀Mg17Al12相溶解，以細小顆粒分布于α－Mg基體中，從而顯著 改善鎂合金的塑性和可加工性。張丁非等研 究了在ZM61鎂合金擠壓過程中均勻化退火熱處理 對其微組織和力學性能的影響。結果表明，均勻化 退火處理可以減小鑄態(tài)組織中的殘余應力，降低擠 壓時所需要的溫度和固溶時間，提高鎂合金擠壓后 的伸長率；但是均勻化處理并不一定會使鎂合金擠 壓后的力學性能提高。例如，對AZ91鎂合金進行 均勻化退火處理，其伸長率由3.2%顯著提高到11.2%。
與直接擠壓相比，經(jīng)過均勻化退火 處理的AZ91鎂合金的伸長率有一定的提高，但是 抗拉強度和屈服強度并無明顯變化。這可能是在較 大擠壓比的條件下，基體發(fā)生動態(tài)再結晶，晶粒得到 細化，第二相在劇烈的塑性變形過程中被充分的破 碎，大量的第二相沿著擠壓方向均勻的分布在基體 中，改善了鑄造過程中第二相分布不均的狀態(tài)，從而 提高了鎂合金的力學性能，使其表現(xiàn)出與經(jīng)均勻化 退火后，擠壓態(tài)鎂合金相當?shù)木C合力學性能；但由于 此時組織中已有較多的第二相存在，不利于隨后的 時效強化處理。
3.2 擠壓溫度
溫度是決定動態(tài)再結晶程度的重要因素。擠壓 時，溫度越高，所需要的擠壓力越低，動態(tài)再結晶進 行得就越充分；但是，溫度的升高也會導致晶粒的長 大，使組織晶粒粗大，降低了材料的力學性能。溫度 相對較低時，可以得到細化的晶粒組織；但是擠壓時 所需要的擠壓力比溫度高時需要的大，制件的殘余 應力也變大。因此，合適的擠壓溫度是能否得到良 好的鎂合金擠壓件的關鍵。本文總結了AZ系列鎂 合金試驗最佳擠壓溫度。
3.3 擠壓比
在鎂合金的擠壓過程中，擠壓比與鎂合金晶粒 的尺寸成反比。在擠壓比小于一定比例時，擠壓比 與鎂合金的延伸程度成正比，當擠壓比大于一定比 例時，延伸程度逐漸下降。出現(xiàn)這種情況的主要是 因為變形程度與組織特征有一定的關聯(lián)性，當增大 變形程度時，位錯密度也在變大，這樣就會增加位錯 運動過程中產(chǎn)生的位錯塞積、割階和纏結等，進而對位錯的繼續(xù)運動產(chǎn)生釘扎效應，提高抗拉強度，同時 增加變形晶粒的畸變能，使動態(tài)再結晶更加充分，從 而細化晶粒，組織更均勻，提高塑性；但是當擠壓比 達到一定數(shù)值之后，因為不均勻的變形和應力分布， 會出現(xiàn)殘余應力，進而造成金屬內部的物理特性及 力學狀況不均勻，最后出現(xiàn)塑性下降的情況。
3.4 擠壓速度
擠壓速度對鎂合金擠壓時所需的擠壓力、凹模 ?？谂髁辖饘俚姆逯禍囟?、產(chǎn)品的顯微組織和室溫 力學性能都有很重要的影響。張保軍等通過有 限元分析模擬了AZ31鎂合金薄壁管的分流擠壓， 發(fā)現(xiàn)隨著擠壓速度的增大，模口的溫度逐漸升高，擠 壓力的最大值不斷減小，當擠壓速度到達一定程度 后，擠壓力不再變化。羅永新等通過調節(jié)擠壓速 度的方法，解決了鎂合金擠壓時溫度范圍窄的問題， 保持了擠壓?？跍囟鹊姆€(wěn)定。趙秀明等發(fā)現(xiàn)，合 理的控制擠壓速度可以獲得細小均勻的晶粒和良好 的綜合力學性能，擠壓速度越大，合金發(fā)生動態(tài)再結 晶越充分，組織越均勻；當擠壓速度較低時，合金強 度高但是塑性差，這是由于發(fā)生部分再結晶；當擠壓 速度較高時，合金強度下降，伸長率明顯提高，這是 由于發(fā)生完全再結晶，晶粒明顯長大。
3.5 模具結構
合理的凹模結構可以降低擠壓力，提高擠壓時 金屬的流動性，減少產(chǎn)品表面的裂紋。張丁非等 研究了模具結構對AZ31鎂合金棒材表面裂紋的影 響。結果表明，相比錐模，采用流線模擠壓能避免表 面裂紋的產(chǎn)生，死區(qū)產(chǎn)生的可能性減小。這是由于 表面的附加拉伸應力降低。黃東男等研究了模 具結構對AZ91鎂合金的擠壓過程溫度場、速度場 及應力場的影響。結果表明，采用錐模和流線模擠 壓時，當定徑帶長度為15～20mm時，可在擠壓速 度達到5mm/s的條件下成形出表面光滑無裂紋的 鎂合金棒材；而采用平模擠壓時，當定徑帶長度為 10～20mm時，獲得良好表面質量的擠壓速度達到2.5mm/s。
任何金屬材料進入市場的主要產(chǎn)品都是板材、 型材、管材、棒材、線材和箔材。其中，板材是塑性加 工中最重要的材料之一，板材的發(fā)展決定了型材和 線材的發(fā)展。其主要的塑性加工方法有擠壓、軋 制和鍛造等。擠壓加工相比的優(yōu)勢如下。
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。張來 青等將鑄造出的鎂合金棒材，擠壓獲得不同厚度 的薄板，再通過軋制、退火制備出晶粒尺寸較小的鎂 合金薄板，其具有良好的力學性能。
2）擠壓技術生產(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 金材料處于強烈的三向壓應力狀態(tài)，可有效的防止 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)品的質量高。擠壓變形可以改善金屬材料 的組織，提高其力學性能。余琨等研究證明了ZK60鎂合金經(jīng)過擠壓和T5熱處理后，硬度和強度 都大幅度提高。汪凌云等研究擠壓的鎂合金管材， 其晶粒直徑<20μm。
2 鎂合金擠壓變形技術
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。隨著擠壓技術研究的不斷深入，靜液 擠壓、連續(xù)擠壓、等溫擠壓以及大塑性變形（Serve Plastic Deformation, SPD）擠壓等先進擠壓技術得 到迅速的發(fā)展。
2.1 連續(xù)擠壓技術
連續(xù)擠壓技術有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)中的實際應用。國內鎂合 金的連續(xù)擠壓技術研究主要集中在CONFORM連 續(xù)擠壓上面。
在工藝方面，楊俊英等以AZ31鎂合金為研 究對象，研究了擠壓輪轉速對坯料各層面速度分布 的影響機制。結果表明，在連續(xù)擠壓的過程中，金屬 在不同變形區(qū)域的流動速度有差異。擠壓輪轉速越 大，不同層面金屬的流動速度差值越大，流動的程度 越不均勻。這種流動分布特點是由于輪槽面的摩擦 驅動力與型腔壁摩擦阻力的相互作用形成的。吳桂 敏等對Z31鎂合金連續(xù)擠壓成形的工藝條件進 行了研究，結果表明，變形金屬的等效應力在壓實輪 下方最高，等效應變在模具入口處最大，型腔內的溫 度最高。
在對顯微組織的影響方面，寧海石等發(fā)現(xiàn)隨 著擠壓輪轉速的增高，鎂合金芯部區(qū)域的晶粒尺寸 逐漸增大；當轉速達到一定速度時鎂合金的表層和 芯部區(qū)域的顯微組織達到均勻分布。楊俊英等 研究發(fā)現(xiàn)，加熱溫度對AZ31鎂合金組織有顯著影 響，隨著溫度的提高，顯微組織的均勻程度也在提 高，當達到450℃時，芯部晶粒有長大的現(xiàn)象。由于 溫度的提高，使材料發(fā)生充分的再結晶，材料的抗拉 強度增強，伸長率變化不大。連續(xù)擠壓使得晶粒細 化，這是由于材料在擠壓過程中經(jīng)歷了多種變形。
2.2?。樱校臄D壓技術
SPD擠壓技術是指材料經(jīng)過SPD可以獲得大 的塑性變形，極大細化晶粒組織，制備出亞微米級尺 寸的晶粒。細化晶粒是提高鎂合金塑性的最有效的 途徑，所以研究變形鎂合金的SPD擠壓技術，對提 高鎂合金材料的性能有重要的理論意義和實際意 義。鎂合金的SPD擠壓技術包括等通道轉角擠壓（ECAP）、往復擠壓（CEC）和S型等徑側向擠壓 和大比率擠壓（HRE）等。其中，等通道轉角擠壓是 目前最具有工業(yè)應用前景的擠壓技術，所以在此主 要介紹ＥCAP技術的發(fā)展情況。
在工藝方面，任國成等研究了溫度對AZ31鎂合金ECAC擠壓塑性變形機制的影響。結果表 明，在擠壓過程中，試件存在明顯的溫度梯度，其中 在模具轉角部分溫度最高。通過XRD分析及微觀 組織的觀察發(fā)現(xiàn)，AZ31鎂合金在經(jīng)過擠壓變形之 后，可以明顯提高其錐面衍射的強度，而且可以加快 鎂合金的再結晶速度，使其與變形溫度成正比。劉 英 等研究了擠壓道次對AZ31鎂合金的性能影 響。結果表明，擠壓次數(shù)的增多，晶粒明顯細化，但 是不同的擠壓路徑對材料的性能影響不同，當?shù)竭_ 一定的擠壓次數(shù)，鎂合金的強度變化不大。
何云斌等從鎂合金顯微組織的角度分析，分 析了ZK60鎂合金經(jīng)過ECAP過程后不同部位所呈 現(xiàn)出來的顯微組織特性。結果表明，在240℃ 下對 ZK60鎂合金進行ECPA變形１道后，可以顯著的 細化合金的晶粒，然而并不能使組織均勻。合金的 晶粒組織在剪切變形之前主要是粗而且大的晶粒， 而且還有很多孿晶，而在剪切變形之后，主要是再結 晶組織。ECAP過程中晶粒細化靠的是機械剪切以 及動態(tài)再結晶的綜合效應。
3 鎂合金擠壓工藝
3.1 坯料均勻化處理
一般來說，在擠壓之前，鎂合金鑄造坯料都需要 進行均勻化退火處理。這是因為 ＡＺ系鎂合金在鑄 造冷卻過程中易形成α-Mg＋Mg17Al12，且隨Al含 量的增加，γ－Mg17Al12相含量增加，并易呈粗大網(wǎng)狀 分布于晶界。對該類合金進行均勻化退火處理， 可以使分布于晶界和枝晶間的粗大網(wǎng)狀Mg17Al12相溶解，以細小顆粒分布于α－Mg基體中，從而顯著 改善鎂合金的塑性和可加工性。張丁非等研 究了在ZM61鎂合金擠壓過程中均勻化退火熱處理 對其微組織和力學性能的影響。結果表明，均勻化 退火處理可以減小鑄態(tài)組織中的殘余應力，降低擠 壓時所需要的溫度和固溶時間，提高鎂合金擠壓后 的伸長率；但是均勻化處理并不一定會使鎂合金擠 壓后的力學性能提高。例如，對AZ91鎂合金進行 均勻化退火處理，其伸長率由3.2%顯著提高到11.2%。
與直接擠壓相比，經(jīng)過均勻化退火 處理的AZ91鎂合金的伸長率有一定的提高，但是 抗拉強度和屈服強度并無明顯變化。這可能是在較 大擠壓比的條件下，基體發(fā)生動態(tài)再結晶，晶粒得到 細化，第二相在劇烈的塑性變形過程中被充分的破 碎，大量的第二相沿著擠壓方向均勻的分布在基體 中，改善了鑄造過程中第二相分布不均的狀態(tài)，從而 提高了鎂合金的力學性能，使其表現(xiàn)出與經(jīng)均勻化 退火后，擠壓態(tài)鎂合金相當?shù)木C合力學性能；但由于 此時組織中已有較多的第二相存在，不利于隨后的 時效強化處理。
3.2 擠壓溫度
溫度是決定動態(tài)再結晶程度的重要因素。擠壓 時，溫度越高，所需要的擠壓力越低，動態(tài)再結晶進 行得就越充分；但是，溫度的升高也會導致晶粒的長 大，使組織晶粒粗大，降低了材料的力學性能。溫度 相對較低時，可以得到細化的晶粒組織；但是擠壓時 所需要的擠壓力比溫度高時需要的大，制件的殘余 應力也變大。因此，合適的擠壓溫度是能否得到良 好的鎂合金擠壓件的關鍵。本文總結了AZ系列鎂 合金試驗最佳擠壓溫度。
3.3 擠壓比
在鎂合金的擠壓過程中，擠壓比與鎂合金晶粒 的尺寸成反比。在擠壓比小于一定比例時，擠壓比 與鎂合金的延伸程度成正比，當擠壓比大于一定比 例時，延伸程度逐漸下降。出現(xiàn)這種情況的主要是 因為變形程度與組織特征有一定的關聯(lián)性，當增大 變形程度時，位錯密度也在變大，這樣就會增加位錯 運動過程中產(chǎn)生的位錯塞積、割階和纏結等，進而對位錯的繼續(xù)運動產(chǎn)生釘扎效應，提高抗拉強度，同時 增加變形晶粒的畸變能，使動態(tài)再結晶更加充分，從 而細化晶粒，組織更均勻，提高塑性；但是當擠壓比 達到一定數(shù)值之后，因為不均勻的變形和應力分布， 會出現(xiàn)殘余應力，進而造成金屬內部的物理特性及 力學狀況不均勻，最后出現(xiàn)塑性下降的情況。
3.4 擠壓速度
擠壓速度對鎂合金擠壓時所需的擠壓力、凹模 ?？谂髁辖饘俚姆逯禍囟?、產(chǎn)品的顯微組織和室溫 力學性能都有很重要的影響。張保軍等通過有 限元分析模擬了AZ31鎂合金薄壁管的分流擠壓， 發(fā)現(xiàn)隨著擠壓速度的增大，模口的溫度逐漸升高，擠 壓力的最大值不斷減小，當擠壓速度到達一定程度 后，擠壓力不再變化。羅永新等通過調節(jié)擠壓速 度的方法，解決了鎂合金擠壓時溫度范圍窄的問題， 保持了擠壓?？跍囟鹊姆€(wěn)定。趙秀明等發(fā)現(xiàn)，合 理的控制擠壓速度可以獲得細小均勻的晶粒和良好 的綜合力學性能，擠壓速度越大，合金發(fā)生動態(tài)再結 晶越充分，組織越均勻；當擠壓速度較低時，合金強 度高但是塑性差，這是由于發(fā)生部分再結晶；當擠壓 速度較高時，合金強度下降，伸長率明顯提高，這是 由于發(fā)生完全再結晶，晶粒明顯長大。
3.5 模具結構
合理的凹模結構可以降低擠壓力，提高擠壓時 金屬的流動性，減少產(chǎn)品表面的裂紋。張丁非等 研究了模具結構對AZ31鎂合金棒材表面裂紋的影 響。結果表明，相比錐模，采用流線模擠壓能避免表 面裂紋的產(chǎn)生，死區(qū)產(chǎn)生的可能性減小。這是由于 表面的附加拉伸應力降低。黃東男等研究了模 具結構對AZ91鎂合金的擠壓過程溫度場、速度場 及應力場的影響。結果表明，采用錐模和流線模擠 壓時，當定徑帶長度為15～20mm時，可在擠壓速 度達到5mm/s的條件下成形出表面光滑無裂紋的 鎂合金棒材；而采用平模擠壓時，當定徑帶長度為 10～20mm時，獲得良好表面質量的擠壓速度達到2.5mm/s。
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