稀土增强型Mg-10Gd-8Y-1.5Nd-0.5Zr合金挤压工艺研究

韩修柱，徐文臣，单德彬

(哈尔滨工业大学金属精密热加工家国家级重点实验室，哈尔滨 150001)

镁及其合金是目前工业应用中最轻的金属结构材料之一，以其出色的性能赢得广泛青睐，被认为是21世纪有色金属材料中最具开发和应用前途的金属材料［1-2］.然而，由于镁合金具有密排六方结构，其塑性变形能力差，被认为是一种难以塑性加工的金属材料.目前，具有标准牌号的国内镁合金的强度均不高且耐高温性能较差，限制了其广泛的应用于航空航天等急需轻量化的构件的领域.为了提高镁合金的强度，通过在合金中添加稀土元素是目前增强镁合金强度，提高耐热性能的主要途径.稀土元素与镁形成的金属间化合物在铸态熔炼和随后的塑性加工过程中均大量的分布在基体上，且具有较高的熔点和耐热性.因此，稀土的加入可以充分地提高镁基体的强度和耐热性能［3-5］.但是，由于独特的物理和化学性能使得稀土元素在镁合金熔炼过程中很容易产生偏析和减损，从而导致铸造稀土镁合金在随后的塑性加工过程中变形困难，很容易产生裂纹.另外，镁合金的变形温度区间窄是目前镁合金构件成形过程中的首要克服的问题，如何通过改变模具和工艺参数使得稀土镁合金变形容易，增加其变形温度区间一直以来均是研究的热点.

挤压工艺是成形管材、棒材等的一种主要的变形方式.由于在挤压过程中，坯料处在三向压应力状态下，因而挤压工艺最适合应用与低塑性的材料的成形.镁合金的塑性较低，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573～723 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.Mukai等［6］在350℃条件下，将 AZ31镁合金铸锭按100∶1的挤压比进行大比率挤压，其晶粒尺寸由15 μm细化5 μm.采用半连续铸造 AZ31 镁合金在360℃经过45∶1的挤压比，晶粒可以细化到10.2 μm［7］.由此可见，挤压工艺对稀土镁合金的强度和韧性的改善非常明显［10-11］.

目前，由于开发的稀土镁合金的多样化，不同牌号的稀土镁合金的挤压温度均不一样.本文拟选择新研制的高强度稀土Mg-10Gd-8Y-1.5Nd-0.5Zr作为材料，研究其在不同挤压比下的挤压工艺，初步分析其挤压过程中的变形机理.获得该种稀土镁合金的优化的挤压工艺参数.

1 实验

实验材料为已经购买的Mg-10Gd-8Y-1.5Nd-0.5Zr(GWNK108)合金，初始状态为铸态组织，其扫描微观组织如图1所示.大量的第二相在晶界析出，晶粒的平均尺寸为43 μm.采用两种挤压比对GWNK108合金的挤压工艺进行对比研究.挤压坯料为直径φ74 mm×25 mm和φ48 mm×30 mm的两种坯料，通过挤压获得φ12.5 mm、φ10 mm 的棒材，挤压比分别为36∶1 和25∶1.挤压实验在5 000 kN液压机上进行，采用石墨油基润滑，挤压时利用石墨垫块将棒料顺利挤出凹模.

图1 GWNK108合金的原始铸态组织

2 挤压模具设计

根据本文对不同的挤压比的模具的需要，采用5CrNiMo材料设计了两个挤压分瓣凹模，如图2所示.两个凹模共用同一模座，在挤压过程中，凹模现在电阻炉加热，当温度达到所设定的温度后，将凹模取出.随后，把在油基石墨里面浸泡的圆柱型坯料放入凹模，再放入石墨垫.将凹模重新放入加热炉进行保温10分钟后，将凹模夹出放入模座后放入凸模进行挤压实验，横梁运动速度为2 mm/s.

图2 两种挤压比的挤压凹模剖面图

3 GWNK108挤压工艺研究

根据已有的挤压MB26稀土镁合金的温度(210℃)，对GWNK108合金在挤压比36的挤压温度初步定为260℃.挤压后的坯料如图3所示.可以看出:由于只有部分的挤压头部进入凹模的工作带，说明260℃挤压温度对于该种GWNK108合金来说较低.分析认为，由于模具工作带附近的圆角太小有可能是导致挤压失败的主要原因.为此进行修模处理.工作带部分的圆角由R9修改为R30，修后的凹模如图4(a)所示.随后在260℃再次对GWNK108合金进行挤压，挤压后的坯料如图4(b)，说明260℃对于GWNK108合金挤压来说过于偏低.

图3 GWNK108合金260℃挤压后坯料

图4 修改后凹模和GWNK108合金260℃挤压后坯料

为了节省试验次数，选取较高的350℃作为第三次挤压的温度，挤压后的坯料如图5(a)和(b)所示.可以看出，在坯料刚从凹模里面被挤出时，并没有产生裂纹，随着挤压过程的进行，有较多的细密的裂纹出现，这说明由于大挤压比的挤压过程中产生的热效应非常明显，使得坯料的后半部分温度过高，产生裂纹.由图5(b)坯料的断口颜色可以看出，该种温度下挤压后坯料存在轻微过烧的痕迹.由此可以判断，350℃挤压温度对于GWNK108合金来说温度稍微过高.综上，GWNK108合金的大致变形温度区间为260～350℃.由于镁合金变形温度区间窄，为了进一步确定GWNK108合金的变形温度，在260～350℃之间每20℃分一个层级各自进行一次挤压试验.图6为挤压温度分别为330、310、290℃挤压后的坯料.可以看出，在290℃挤压GWNK108合金时出现挤不动的现象，而在310和320℃挤压后的棒材完整无裂纹出现.说明GWNK108合金的最优挤压温度区间为310～330℃.

图5 GWNK108合金350℃挤压棒材及其断口

图6 GWNK108合金330、310、290℃挤压后棒材

根据GWNK108合金在挤压比为36时的挤压温度，选择在挤压比分别为较小的25时的挤压温度为270℃.挤压后的坯料如图7(a)所示.可以看出，坯料表面出现较大的撕裂的裂纹，断口并没有呈现出过烧的情况，由此可以判断，该种挤压温度对于合金来说较低.裂纹形成的主要原因是由于温度较低且挤压比较小，较大的压力迫使大部分的坯料进入工作带.稀土镁合金塑性较差，虽然棒料成功挤出凹模，但是由于坯料的心部和边缘流动速度相差较大，最终导致坯料在大的压力下表面撕裂，形成裂纹.随后，每20℃分一个层级各自进行一次挤压试验.310、330和350℃挤压温度下挤压后的坯料如图7(b)、(c)和(d)所示.可以看出，在310～330℃之间坯料挤压棒材成功，可以确定在较小的两种挤压比下GWNK108合金的变形适应区间仍为310～330℃.

图7 GWNK108合金290、310、330和350 ℃挤压棒材

镁合金由于其特有的晶格结构使得在变形过程中温度对其的影响非常重要.稀土的加入使得镁合金的变形温度变得更窄，另外由于稀土元素强化了镁基体，因而稀土镁合金变形困难，很容易产生裂纹.在挤压比为36的挤压变形工艺过程中，在凹模圆角大幅度变大之后，GWNK108合金在290℃仍然没有挤压成功.说明此温度不足以使得该种合金产生明显的塑性变形，因此这时候温度就成为影响稀土GWNK108合金挤压变形的关键因素.而在较小挤压比为25的情况下，在没有修改模具圆角的情况下一次挤压成功，且挤压温度也在310～330℃之间.可以看出，温度对于稀土GWNK108合金的变形起到关键性的作用，虽然通过修理模具圆角半径等措施可以使得金属在变形过程流动的更加顺利，但是挤压温度的合理选择才可以使得金属变形抗力大幅度下降，流动顺利，从而大挤压比工艺过程才可以顺利进行.

4 结论

1)凹模的圆角半径由R9修改为R30后，稀土GWNK108合金在挤压比为36的情况下仍然不能成功基础凹模.稀土GWNK108合金在挤压比为36大变形条件下最合适的变形温度为310～330℃.

2)挤压比为25时，在未修改凹模圆角尺寸的情况下，稀土GWNK108合金可以顺利的被挤出凹模，且此种挤压比下GWNK108合金的最优挤压温度仍然为310～330℃.

3)变形量对稀土GWNK108合金的挤压变形具有重要的影响，但是温度才是影响稀土镁合金能否成功成形的主要因素.综合两种挤压比下的稀土GWNK108合金的挤压工艺研究，该种合金的最适合变形温度区间为310～330℃.

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