挤压加工与其他加工方法相比的优势
2019-12-06 15:09 浏览：次
1 挤压加工与其他加工方法相比的优势
任何金属材料进入市场的主要产品都是板材、 型材、管材、棒材、线材和箔材。其中，板材是塑性加 工中最重要的材料之一，板材的发展决定了型材和 线材的发展。其主要的塑性加工方法有挤压、轧 制和锻造等。挤压加工相比的优势如下。
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。张来 青等将铸造出的镁合金棒材，挤压获得不同厚度 的薄板，再通过轧制、退火制备出晶粒尺寸较小的镁 合金薄板，其具有良好的力学性能。
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，可有效的防止 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。余琨等研究证明了ZK60镁合金经过挤压和T5热处理后，硬度和强度 都大幅度提高。汪凌云等研究挤压的镁合金管材， 其晶粒直径<20μm。
2 镁合金挤压变形技术
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, SPD）挤压等先进挤压技术得 到迅速的发展。
2.1 连续挤压技术
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。
在工艺方面，杨俊英等以AZ31镁合金为研 究对象，研究了挤压轮转速对坯料各层面速度分布 的影响机制。结果表明，在连续挤压的过程中，金属 在不同变形区域的流动速度有差异。挤压轮转速越 大，不同层面金属的流动速度差值越大，流动的程度 越不均匀。这种流动分布特点是由于轮槽面的摩擦 驱动力与型腔壁摩擦阻力的相互作用形成的。吴桂 敏等对Z31镁合金连续挤压成形的工艺条件进 行了研究，结果表明，变形金属的等效应力在压实轮 下方最高，等效应变在模具入口处最大，型腔内的温 度最高。
在对显微组织的影响方面，宁海石等发现随 着挤压轮转速的增高，镁合金芯部区域的晶粒尺寸 逐渐增大；当转速达到一定速度时镁合金的表层和 芯部区域的显微组织达到均匀分布。杨俊英等 研究发现，加热温度对AZ31镁合金组织有显著影 响，随着温度的提高，显微组织的均匀程度也在提 高，当达到450℃时，芯部晶粒有长大的现象。由于 温度的提高，使材料发生充分的再结晶，材料的抗拉 强度增强，伸长率变化不大。连续挤压使得晶粒细 化，这是由于材料在挤压过程中经历了多种变形。
2.2 ＳＰＤ挤压技术
SPD挤压技术是指材料经过SPD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。细化晶粒是提高镁合金塑性的最有效的 途径，所以研究变形镁合金的SPD挤压技术，对提 高镁合金材料的性能有重要的理论意义和实际意 义。镁合金的SPD挤压技术包括等通道转角挤压（ECAP）、往复挤压（CEC）和S型等径侧向挤压 和大比率挤压（HRE）等。其中，等通道转角挤压是 目前最具有工业应用前景的挤压技术，所以在此主 要介绍ＥCAP技术的发展情况。
在工艺方面，任国成等研究了温度对AZ31镁合金ECAC挤压塑性变形机制的影响。结果表 明，在挤压过程中，试件存在明显的温度梯度，其中 在模具转角部分温度最高。通过XRD分析及微观 组织的观察发现，AZ31镁合金在经过挤压变形之 后，可以明显提高其锥面衍射的强度，而且可以加快 镁合金的再结晶速度，使其与变形温度成正比。刘 英 等研究了挤压道次对AZ31镁合金的性能影 响。结果表明，挤压次数的增多，晶粒明显细化，但 是不同的挤压路径对材料的性能影响不同，当到达 一定的挤压次数，镁合金的强度变化不大。
何云斌等从镁合金显微组织的角度分析，分 析了ZK60镁合金经过ECAP过程后不同部位所呈 现出来的显微组织特性。结果表明，在240℃ 下对 ZK60镁合金进行ECPA变形１道后，可以显著的 细化合金的晶粒，然而并不能使组织均匀。合金的 晶粒组织在剪切变形之前主要是粗而且大的晶粒， 而且还有很多孪晶，而在剪切变形之后，主要是再结 晶组织。ECAP过程中晶粒细化靠的是机械剪切以 及动态再结晶的综合效应。
3 镁合金挤压工艺
3.1 坯料均匀化处理
一般来说，在挤压之前，镁合金铸造坯料都需要 进行均匀化退火处理。这是因为 ＡＺ系镁合金在铸 造冷却过程中易形成α-Mg＋Mg17Al12，且随Al含 量的增加，γ－Mg17Al12相含量增加，并易呈粗大网状 分布于晶界。对该类合金进行均匀化退火处理， 可以使分布于晶界和枝晶间的粗大网状Mg17Al12相溶解，以细小颗粒分布于α－Mg基体中，从而显著 改善镁合金的塑性和可加工性。张丁非等研 究了在ZM61镁合金挤压过程中均匀化退火热处理 对其微组织和力学性能的影响。结果表明，均匀化 退火处理可以减小铸态组织中的残余应力，降低挤 压时所需要的温度和固溶时间，提高镁合金挤压后 的伸长率；但是均匀化处理并不一定会使镁合金挤 压后的力学性能提高。例如，对AZ91镁合金进行 均匀化退火处理，其伸长率由3.2%显著提高到11.2%。
与直接挤压相比，经过均匀化退火 处理的AZ91镁合金的伸长率有一定的提高，但是 抗拉强度和屈服强度并无明显变化。这可能是在较 大挤压比的条件下，基体发生动态再结晶，晶粒得到 细化，第二相在剧烈的塑性变形过程中被充分的破 碎，大量的第二相沿着挤压方向均匀的分布在基体 中，改善了铸造过程中第二相分布不均的状态，从而 提高了镁合金的力学性能，使其表现出与经均匀化 退火后，挤压态镁合金相当的综合力学性能；但由于 此时组织中已有较多的第二相存在，不利于随后的 时效强化处理。
3.2 挤压温度
温度是决定动态再结晶程度的重要因素。挤压 时，温度越高，所需要的挤压力越低，动态再结晶进 行得就越充分；但是，温度的升高也会导致晶粒的长 大，使组织晶粒粗大，降低了材料的力学性能。温度 相对较低时，可以得到细化的晶粒组织；但是挤压时 所需要的挤压力比温度高时需要的大，制件的残余 应力也变大。因此，合适的挤压温度是能否得到良 好的镁合金挤压件的关键。本文总结了AZ系列镁 合金试验最佳挤压温度。
3.3 挤压比
在镁合金的挤压过程中，挤压比与镁合金晶粒 的尺寸成反比。在挤压比小于一定比例时，挤压比 与镁合金的延伸程度成正比，当挤压比大于一定比 例时，延伸程度逐渐下降。出现这种情况的主要是 因为变形程度与组织特征有一定的关联性，当增大 变形程度时，位错密度也在变大，这样就会增加位错 运动过程中产生的位错塞积、割阶和缠结等，进而对位错的继续运动产生钉扎效应，提高抗拉强度，同时 增加变形晶粒的畸变能，使动态再结晶更加充分，从 而细化晶粒，组织更均匀，提高塑性；但是当挤压比 达到一定数值之后，因为不均匀的变形和应力分布， 会出现残余应力，进而造成金属内部的物理特性及 力学状况不均匀，最后出现塑性下降的情况。
3.4 挤压速度
挤压速度对镁合金挤压时所需的挤压力、凹模 模口坯料金属的峰值温度、产品的显微组织和室温 力学性能都有很重要的影响。张保军等通过有 限元分析模拟了AZ31镁合金薄壁管的分流挤压， 发现随着挤压速度的增大，模口的温度逐渐升高，挤 压力的最大值不断减小，当挤压速度到达一定程度 后，挤压力不再变化。罗永新等通过调节挤压速 度的方法，解决了镁合金挤压时温度范围窄的问题， 保持了挤压模口温度的稳定。赵秀明等发现，合 理的控制挤压速度可以获得细小均匀的晶粒和良好 的综合力学性能，挤压速度越大，合金发生动态再结 晶越充分，组织越均匀；当挤压速度较低时，合金强 度高但是塑性差，这是由于发生部分再结晶；当挤压 速度较高时，合金强度下降，伸长率明显提高，这是 由于发生完全再结晶，晶粒明显长大。
3.5 模具结构
合理的凹模结构可以降低挤压力，提高挤压时 金属的流动性，减少产品表面的裂纹。张丁非等 研究了模具结构对AZ31镁合金棒材表面裂纹的影 响。结果表明，相比锥模，采用流线模挤压能避免表 面裂纹的产生，死区产生的可能性减小。这是由于 表面的附加拉伸应力降低。黄东男等研究了模 具结构对AZ91镁合金的挤压过程温度场、速度场 及应力场的影响。结果表明，采用锥模和流线模挤 压时，当定径带长度为15～20mm时，可在挤压速 度达到5mm/s的条件下成形出表面光滑无裂纹的 镁合金棒材；而采用平模挤压时，当定径带长度为 10～20mm时，获得良好表面质量的挤压速度达到2.5mm/s。
任何金属材料进入市场的主要产品都是板材、 型材、管材、棒材、线材和箔材。其中，板材是塑性加 工中最重要的材料之一，板材的发展决定了型材和 线材的发展。其主要的塑性加工方法有挤压、轧 制和锻造等。挤压加工相比的优势如下。
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。张来 青等将铸造出的镁合金棒材，挤压获得不同厚度 的薄板，再通过轧制、退火制备出晶粒尺寸较小的镁 合金薄板，其具有良好的力学性能。
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，可有效的防止 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。余琨等研究证明了ZK60镁合金经过挤压和T5热处理后，硬度和强度 都大幅度提高。汪凌云等研究挤压的镁合金管材， 其晶粒直径<20μm。
2 镁合金挤压变形技术
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, SPD）挤压等先进挤压技术得 到迅速的发展。
2.1 连续挤压技术
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。
在工艺方面，杨俊英等以AZ31镁合金为研 究对象，研究了挤压轮转速对坯料各层面速度分布 的影响机制。结果表明，在连续挤压的过程中，金属 在不同变形区域的流动速度有差异。挤压轮转速越 大，不同层面金属的流动速度差值越大，流动的程度 越不均匀。这种流动分布特点是由于轮槽面的摩擦 驱动力与型腔壁摩擦阻力的相互作用形成的。吴桂 敏等对Z31镁合金连续挤压成形的工艺条件进 行了研究，结果表明，变形金属的等效应力在压实轮 下方最高，等效应变在模具入口处最大，型腔内的温 度最高。
在对显微组织的影响方面，宁海石等发现随 着挤压轮转速的增高，镁合金芯部区域的晶粒尺寸 逐渐增大；当转速达到一定速度时镁合金的表层和 芯部区域的显微组织达到均匀分布。杨俊英等 研究发现，加热温度对AZ31镁合金组织有显著影 响，随着温度的提高，显微组织的均匀程度也在提 高，当达到450℃时，芯部晶粒有长大的现象。由于 温度的提高，使材料发生充分的再结晶，材料的抗拉 强度增强，伸长率变化不大。连续挤压使得晶粒细 化，这是由于材料在挤压过程中经历了多种变形。
2.2 ＳＰＤ挤压技术
SPD挤压技术是指材料经过SPD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。细化晶粒是提高镁合金塑性的最有效的 途径，所以研究变形镁合金的SPD挤压技术，对提 高镁合金材料的性能有重要的理论意义和实际意 义。镁合金的SPD挤压技术包括等通道转角挤压（ECAP）、往复挤压（CEC）和S型等径侧向挤压 和大比率挤压（HRE）等。其中，等通道转角挤压是 目前最具有工业应用前景的挤压技术，所以在此主 要介绍ＥCAP技术的发展情况。
在工艺方面，任国成等研究了温度对AZ31镁合金ECAC挤压塑性变形机制的影响。结果表 明，在挤压过程中，试件存在明显的温度梯度，其中 在模具转角部分温度最高。通过XRD分析及微观 组织的观察发现，AZ31镁合金在经过挤压变形之 后，可以明显提高其锥面衍射的强度，而且可以加快 镁合金的再结晶速度，使其与变形温度成正比。刘 英 等研究了挤压道次对AZ31镁合金的性能影 响。结果表明，挤压次数的增多，晶粒明显细化，但 是不同的挤压路径对材料的性能影响不同，当到达 一定的挤压次数，镁合金的强度变化不大。
何云斌等从镁合金显微组织的角度分析，分 析了ZK60镁合金经过ECAP过程后不同部位所呈 现出来的显微组织特性。结果表明，在240℃ 下对 ZK60镁合金进行ECPA变形１道后，可以显著的 细化合金的晶粒，然而并不能使组织均匀。合金的 晶粒组织在剪切变形之前主要是粗而且大的晶粒， 而且还有很多孪晶，而在剪切变形之后，主要是再结 晶组织。ECAP过程中晶粒细化靠的是机械剪切以 及动态再结晶的综合效应。
3 镁合金挤压工艺
3.1 坯料均匀化处理
一般来说，在挤压之前，镁合金铸造坯料都需要 进行均匀化退火处理。这是因为 ＡＺ系镁合金在铸 造冷却过程中易形成α-Mg＋Mg17Al12，且随Al含 量的增加，γ－Mg17Al12相含量增加，并易呈粗大网状 分布于晶界。对该类合金进行均匀化退火处理， 可以使分布于晶界和枝晶间的粗大网状Mg17Al12相溶解，以细小颗粒分布于α－Mg基体中，从而显著 改善镁合金的塑性和可加工性。张丁非等研 究了在ZM61镁合金挤压过程中均匀化退火热处理 对其微组织和力学性能的影响。结果表明，均匀化 退火处理可以减小铸态组织中的残余应力，降低挤 压时所需要的温度和固溶时间，提高镁合金挤压后 的伸长率；但是均匀化处理并不一定会使镁合金挤 压后的力学性能提高。例如，对AZ91镁合金进行 均匀化退火处理，其伸长率由3.2%显著提高到11.2%。
与直接挤压相比，经过均匀化退火 处理的AZ91镁合金的伸长率有一定的提高，但是 抗拉强度和屈服强度并无明显变化。这可能是在较 大挤压比的条件下，基体发生动态再结晶，晶粒得到 细化，第二相在剧烈的塑性变形过程中被充分的破 碎，大量的第二相沿着挤压方向均匀的分布在基体 中，改善了铸造过程中第二相分布不均的状态，从而 提高了镁合金的力学性能，使其表现出与经均匀化 退火后，挤压态镁合金相当的综合力学性能；但由于 此时组织中已有较多的第二相存在，不利于随后的 时效强化处理。
3.2 挤压温度
温度是决定动态再结晶程度的重要因素。挤压 时，温度越高，所需要的挤压力越低，动态再结晶进 行得就越充分；但是，温度的升高也会导致晶粒的长 大，使组织晶粒粗大，降低了材料的力学性能。温度 相对较低时，可以得到细化的晶粒组织；但是挤压时 所需要的挤压力比温度高时需要的大，制件的残余 应力也变大。因此，合适的挤压温度是能否得到良 好的镁合金挤压件的关键。本文总结了AZ系列镁 合金试验最佳挤压温度。
3.3 挤压比
在镁合金的挤压过程中，挤压比与镁合金晶粒 的尺寸成反比。在挤压比小于一定比例时，挤压比 与镁合金的延伸程度成正比，当挤压比大于一定比 例时，延伸程度逐渐下降。出现这种情况的主要是 因为变形程度与组织特征有一定的关联性，当增大 变形程度时，位错密度也在变大，这样就会增加位错 运动过程中产生的位错塞积、割阶和缠结等，进而对位错的继续运动产生钉扎效应，提高抗拉强度，同时 增加变形晶粒的畸变能，使动态再结晶更加充分，从 而细化晶粒，组织更均匀，提高塑性；但是当挤压比 达到一定数值之后，因为不均匀的变形和应力分布， 会出现残余应力，进而造成金属内部的物理特性及 力学状况不均匀，最后出现塑性下降的情况。
3.4 挤压速度
挤压速度对镁合金挤压时所需的挤压力、凹模 模口坯料金属的峰值温度、产品的显微组织和室温 力学性能都有很重要的影响。张保军等通过有 限元分析模拟了AZ31镁合金薄壁管的分流挤压， 发现随着挤压速度的增大，模口的温度逐渐升高，挤 压力的最大值不断减小，当挤压速度到达一定程度 后，挤压力不再变化。罗永新等通过调节挤压速 度的方法，解决了镁合金挤压时温度范围窄的问题， 保持了挤压模口温度的稳定。赵秀明等发现，合 理的控制挤压速度可以获得细小均匀的晶粒和良好 的综合力学性能，挤压速度越大，合金发生动态再结 晶越充分，组织越均匀；当挤压速度较低时，合金强 度高但是塑性差，这是由于发生部分再结晶；当挤压 速度较高时，合金强度下降，伸长率明显提高，这是 由于发生完全再结晶，晶粒明显长大。
3.5 模具结构
合理的凹模结构可以降低挤压力，提高挤压时 金属的流动性，减少产品表面的裂纹。张丁非等 研究了模具结构对AZ31镁合金棒材表面裂纹的影 响。结果表明，相比锥模，采用流线模挤压能避免表 面裂纹的产生，死区产生的可能性减小。这是由于 表面的附加拉伸应力降低。黄东男等研究了模 具结构对AZ91镁合金的挤压过程温度场、速度场 及应力场的影响。结果表明，采用锥模和流线模挤 压时，当定径带长度为15～20mm时，可在挤压速 度达到5mm/s的条件下成形出表面光滑无裂纹的 镁合金棒材；而采用平模挤压时，当定径带长度为 10～20mm时，获得良好表面质量的挤压速度达到2.5mm/s。
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