镁合金挤压技术的研究进展

中国船舶重工集团公司第七二五研究所 张文毓

镁合金管、棒、带、型材主要采用挤压方法加工成形, 挤压包括正向挤压和反向挤压。镁合金的塑性较低, 而挤压工艺最适用于低塑性材料的成形加工, 大部分镁合金如AZ31B、ZM21 、ZK60A 、HK31 等均可用挤压生产。镁及镁合金的典型挤压温度为573 K ～ 723 K , 挤压的温度取决于合金种类和挤压件形状。镁合金的挤压比在(10∶1)～ (100∶1)变化, 预挤压的锭坯挤压比可适当的增大, 镁合金通过热态的大挤压比可以细化晶粒, 挤压比越大晶粒越细。[1]

一、概述

镁合金塑性较差，适合挤压成形，一般为温挤压和热挤压，挤压温度通常为300～ 450 ℃。镁合金挤压有以下优点: 可细化晶粒，通过保留挤压纤维织构可提高强度，可获得优良的表面质量及良好的尺寸精度。目前，镁合金管材、棒材、型材、带材等产品主要采用挤压成形。但镁合金挤压也存在挤压速度慢、变形抗力大、挤压加工后由于形成织构而造成材料力学性能的各向异性等缺点。

目前，镁合金管材等产品主要采用挤压方法加工成形。镁合金在挤压变形过程中处于三向压应力状态，可以充分发挥镁合金的塑性，提高变形能力，以获得大变形量。镁合金管材挤压工艺具有节省原料、节省机械加工周期和成本、产品性能高等特点，因此备受人们的青睐和重视。镁合金挤压产品的组织和力学性能与模具温度、挤压速度、挤压比等密切相关。

挤压具有强烈的三向压应力状态, 金属可以发挥其最大的塑性变形潜力。镁合金挤压主要工艺参数包括模具预热温度、铸锭加热制度、挤压速度、挤压比、润滑剂等。另外铸锭均匀化处理对挤压产品的质量也有重要影响。

1．镁合金挤压成形的特点

目前，热挤压是变形镁合金最主要的塑性加工方法。与变形铝合金的挤压加工一样，变形镁合金可采用正向挤压，也可以采用反向挤压；可用单动挤压机，也可以用双动挤压机；可用卧式挤压机，也可用立式挤压机，挤压管、棒、型、线材。一般来说，凡是用于挤压铝合金制品的挤压机和挤压方法基本适用于挤压镁合金制品。但二者仍存在以下差异：①镁合金只允许在空气电阻炉中加热；而铝合金可在空气电阻炉或感应炉中加热。②镁合金挤压温度稍低，为防止镁锭燃烧， 各种镁合金允许加热的最高温度为470℃；而铝合金的最高加热温度可达到550℃。③镁合金挤压速度最高可达20m／min，比硬铝合金的快，但仅为软铝合金挤压速度的1/3 左右。④镁合金热挤压材的收缩率比铝合金的大， 而且模具承受的变形抗力大，模具设计时要求承受更大的挤压力，并千方百计减少金属挤压时的变形抗力。⑤镁合金挤压材要加热到100℃～200℃条件下拉伸矫直，这需要专用设备；而铝合金挤压材可在室温拉伸矫直。[2]

材料经过大塑性变形(Severe plastic deformation)可以极大细化晶粒组织， 制备出亚微米的晶粒。目前研究的比较多的大塑性变形挤压技术主要有等通道转角挤压(ECAE)、循环挤压或往复挤压(CEC)、大比率挤压(HRE)。

2．挤压加工与其他加工方法相比的优势

（1）工艺流程简单。例如，镁合金的板材目前以轧制为主，需要通过多次的反复轧制才能成形，这样工序多，生产效率较低。若采用挤压加工，在三向压应力的作用下发生变形，通过一次挤压就可以制造所需要的板材，从成本上来说，是十分有利的。

（2）挤压技术生产的镁合金产品范围很广。板、管、棒、线和型材都可以通过挤压加工来生产。其中，许多断面形状的型材是采用其他塑性加工方法所无法成形的。

（3）提高了镁合金的变形能力。细化晶粒是提高镁合金塑性最主要的方式。在挤压变形区中，镁合金材料处于强烈的三向压应力状态，可有效地防止由于塑性成形差而造成开裂。挤压加工很合适镁合金这样低塑性难变形的合金加工。

（4）产品的质量高。挤压变形可以改善金属材料的组织，提高其力学性能。[3]

二、研究现状

镁及镁合金为密集六方晶格, 这就决定了这类金属不易进行压力加工与成型加工, 因为它们在室温下变形时, 滑移仅产生于基面[ 0001] 且在原子最密排的<1120 >方向上。但当温度高于225℃时会产生新的滑移系,即会增加棱锥面[ 1011] 与<1120 >方向组成的滑移系。所以, 镁及镁合金在225℃以上还是有相当高的塑性。

镁及镁合金还可以发生双晶变形, 室温时一次双晶发生于[ 1012] 面上, 二次双晶发生于[ 3034]面上, 在高温时还可以发生于[ 1013]面, 因此, 镁及镁合金一般在较高温度下进行塑性成形。[4]

镁及镁合金挤压的基本原理、挤压方法与设备、工具与模具，以及挤压工艺参数的确定原则与铝及铝合金热挤压的基本相同。

材料经过大塑性变形( Severe plastic deformation）可以获得大的塑性变形，极大细化晶粒组织,制备出亚微米级尺寸的晶粒。大多数SPD 过程实质上是一种循环的变形过程，但通常会有变形路径的变化。早在20 世纪80 年代初就有人指出,SPD 技术应该满足多项条件,其中主要有大塑性变形量、相对低的变形温度、变形材料内部承受高压。在这一原则的指导下,得到了迅猛的发展，包括等通道转角挤压(ECAE)、高压扭转(HPT)、循环挤压或往复挤压（CEC）、异步轧制(Differential speed rolling technology)、大比率挤压（HRE）、累积轧制(ARB)、多轴压缩(MAC)、反复弯曲和矫直工艺(RCS)、等通道挤压轧制(ECAP-Rolling)和快速凝固加粉末冶金等。[5]

挤压工艺最适合于低塑性材料的塑性成型，因而是镁合金理想的加工方法。挤压速度、挤压温度和挤压比是镁合金挤压工艺的重要工艺参数，通过控制这些工艺参数可以获得理想的组织性能和生产率。影响镁合金挤压速度的是挤压坯料的晶粒度和组织均匀性， 因而获得小晶粒度组织均匀的镁合金坯料是挤压成型的关键。目前，镁合金管材、棒、型材、带材主要采用挤压方法加工成形。因为镁合金在室温下塑性很低，伸长率只有4%～5%，所以挤压加工是理想的方法，轧制加工则比较困难。

传统的镁合金挤压变形方法一般包括正向挤压和反向挤压。随着挤压技术研究的不断深入，静液挤压、连续挤压、等温挤压以及大塑性变形（Serve Plastic Deformation）挤压等先进挤压技术得到迅速的发展。

1．等径角挤压

等径角挤压(又称等通道转角挤压, equal channel angular extrusion,ECAE)通过强烈塑性变形, 从而使晶粒细化到微米、亚微米及纳米尺度。

等径角挤压工艺作为迄今为止最具商业应用前景的SPD 技术， 是通过大塑性变形而获得大尺寸UFG 块体材料的有效方法之一。在ECAE中，影响材料微观组织和性能的工艺参数主要包括模具结构、挤压路径和挤压道次、挤压温度、挤压速度等。其中模具结构多样化设计成为研究热点。

由于镁合金塑性成形性能差，而超塑性成形可以用来加工形状复杂、变形较大的工件，那么超塑性成形对于镁合金就具有重要意义。研究表明，镁合金的力学性能对晶粒尺寸存在着很大的依存关系，而通过ECAE则可极大地细化晶粒，改善其微观结构，提高其力学性能，并表现出超塑性。大量的研究证明，经ECAE 挤压后镁合金具有超塑性，且可实现低温超塑性和高应变速率超塑性。

ECAE 作为一种先进的细晶材料制备工艺，是一种简单而有效提高具有密排六方结构镁合金材料室温力学性能的方法。经过 ECAE 挤压所制得的镁合金材料，晶粒得到细化，塑性得到提高，可以在较低的温度和较高的应变速率下实现超塑成形，因此，极具工业应用价值。有关ECAE对镁合金微观结构、力学性能的影响以及 ECAE 过程镁合金的变形机理和变形规律的研究已取得了一定的成果，但目前的研究主要集中在少数几个系列的镁合金中，而对含有两相或多相的镁合金ECAE 研究还甚少，对镁基复合材料的ECAE 研究还未见报道。因此，为了进一步扩大镁合金的应用范围，进一步了解ECAE 过程中镁合金的变形特征，还有待深入研究。[6]

2．往复挤压

往复挤压（reciprocating extrusion）模具由两个挤压筒、一个凹模（由两头两个圆锥形紧缩区和中间细颈区组成）和放置于两挤压筒内的冲头组成，两挤压筒截面积相等，在同一条轴线上，通过中间的凹模连接。

3． S 型等径侧向挤压

S 型等径侧向挤压时,其真应变等于零,变形体的外观尺寸没有变化,保持着变形前的形状。而等效真应变不为零,且与循环次数呈正比关系。随着循环次数的增加, 变形体内可以积累很大的应变量,对变形体的微观组织产生很大的影响。

4．大比率挤压

大比率挤压的基本原理是通过大的挤压比,使材料在较大的挤压力作用下, 产生大塑性变形,从而达到细化晶粒的目的。大比率挤压区别于一般挤压工艺的特点是挤压比大,通常大于50,挤压工艺可以为一次大比率挤压和多次累积大比率挤压。

5．等温挤压技术

对挤压筒中的金属坯料施加压力，使之从挤压模具流出，得到设计的截面尺寸和形状的塑性成形方法称为挤压。有色金属中铝、镁合金等具有密度小、强度高等特点，使其在建筑、轨道交通、航空航天等领域得到广泛应用，挤压加工方法是该类合金的一种重要成形方式。

等温挤压技术，即控制挤压型材在出模口的温度为一恒定温度的挤压生产过程。将三维有限元模拟技术和比例—积分—微分(Proportionalintegral-derivative, PID)控制原理相结合，采用基于数值模拟的等温挤压加工方法，控制挤出型材在长度方向的性能和尺寸精度，减少宽幅型材的翘曲量，提高挤出型材的尺寸稳定性。同时控制型材出模口温度和模具模面受力情况，提高模具使用寿命。

6．连续挤压成形技术

连续挤压技术有CONFORM连续挤压、连续铸挤和链带式连续挤压法等。其中，CONFORM连续挤压已经得到了工业中的实际应用。国内镁合金的连续挤压技术研究主要集中在CONFORM连续挤压上面。

CONFORM 连续挤压技术是1972 年英国原子能局(UKAEA)斯普林菲尔德研究所格林发明的，同年申请英国专利。继连续铸造、连铸连轧和连续轧制技术实际应用之后，在金属材料(特别是铝合金材料)加工工业领域，连续挤压技术得到工业应用，这是一重大技术突破。

与常规挤压相比，CONFORM连续挤压具有如下优点。(1) 原材料利用率高。(2) 挤压制品长度长。(3)制品性能、组织均匀。(4) 能量消耗低。(5) 生产效率高、灵活。(6) 坯料适应性强。(7) 投资少、占地小、设备轻便、生产环境好且易于实现自动控制。(8) 连续挤压有着特殊的变形热力学条件，即变形温度与变形程度随着金属不断进入变形区逐渐增高，可直接利用室温下的坯料挤压成热加工态产品，且变形区内存在剧烈剪切带。这种大剪切变形更有利于镁合金晶粒细化、组织均匀化和改变挤压纤维织构。

开发了变形镁合金连续挤压工艺与装备，通过连续大剪切变形显著地细化镁合金晶粒，使其成形性得到提高，成功地实现了镁合金等低塑性材料的高效率连续挤压加工。[7]

7．半固态挤压法

半固态挤压工艺和普通热挤压工艺基本相同,被加热到半固态的坯料(通过控制温度来保持其固态形状, 避免自重造成的形状破坏)被放到挤压模腔体内, 挤压成各种产品。由于半固态浆料的晶界强度很低, 坯料变形抗力很小, 所需挤压力仅为普通热挤压的20% ～ 25%, 这样可以在较大范围内调节挤压比, 提高产品的密度。近年来对粉末坯料挤压技术和喷射沉积成形坯料挤压技术也进行了深入的研究, 并已研发出各种合金的高质量镁合金管、棒、型材产品。

8．镁合金挤压铸造成形技术研究

镁合金挤压铸造技术逐渐成为人们研究的重点，主要是因为与铸造镁合金相比，挤压铸造拥有更优的力学性能。挤压铸造镁合金产品综合性能得到了质的飞越，克服了铸造镁合金产品的组织缺陷，为性能要求高、形状复杂部件带来了机遇。但是受限于我国工艺水平，目前还没有成熟的挤压镁合金技术，在实际生产过程中出现了一些产品问题，比如产品质量不稳定、有气泡、有裂纹、力学性能不足够稳定等情况。

挤压铸造成形技术以其可铸性和可塑性为主要特质，具有高效率、短流程、精确度高等特点，在国内外都得到了很广泛的研究和工作开展。

随着高新技术发展，由镁合金形成高端紧密仪器设备已经在发达国家得到普遍应用，但是我们国内目前还是传统铸造方法和金属铸造方法较多，对于精密仪器设备成形技术明显水平不够。随着技术的发展以及能源紧张问题，镁合金必然成为日后挤压铸造领域的重要原材料，大力发展镁合金挤压铸造成形技术对于我国在合金应用领域有着举足轻重的意义。[8]

9．挤压产品应用领域

有色金属，特别是铝、镁合金挤压加工材，由于具有一系列优异特性，在国民经济各部门、国防军工各领域、人民生活各方面都获得广泛的应用。目前最广泛的领域有：

（1）航天航空。 以铝、镁合金挤压材为主，主要满足其轻量化的要求。

（2）交通运输。 这是铝、镁合金挤压材应用最多的部门。主要用于车厢板、外壳、内装饰等部位，以满足其轻量化的要求。

（3）电力能源。主要用于输电汇流排、管母线、电缆电线、电机外壳以及核电、风能、太阳能、水电及石油煤炭、矿山等用材，铝合金的管材、棒材、型材和线材用量最大，镁合金挤压材用量不多。

（4）电子、电器、通讯与散热器。 电子、电器、通讯元件，电机外壳及散热器等，以铝挤压材为主，镁合金挤压材在电脑笔记本、手机等电器方面也开始应用。

（5）电气、机械、五金及装饰品方面，铝挤压件应用广泛。

（6）医疗器械及文体用品方面，开始广泛应用。

（7）其它领域。[9]

三、结束语

镁合金管、棒、带、型材主要采用挤压方法加工成形, 镁合金挤压主要工艺参数包括模具预热温度、铸锭加热制度、挤压速度、挤压比、润滑剂等。但镁合金挤压也存在挤压速度慢、变形抗力大、挤压加工后由于形成织构而造成材料力学性能的各向异性等缺点。随着挤压技术研究的不断深入，等径角挤压、往复挤压、S 型等径侧向挤压、大比率挤压、等温挤压技术、连续挤压成形技术、半固态挤压法、镁合金挤压铸造成形技术等先进挤压技术得到迅速的发展。镁合金挤压加工材，由于具有一系列优异特性，在国民经济各部门、国防军工各领域、人民生活各方面都获得广泛的应用。 □