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 模口坯料金屬的峰值溫度、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 模口坯料金屬的峰值溫度、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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