B在镁合金等通道转角挤压中的作用及挤压参数的确定

2018-01-28曲忠亮卜乐平

铸造设备与工艺 2017年6期

曲忠亮，卜乐平

（内蒙古农业大学机电工程学院，内蒙古呼和浩特 010018）

如今镁合金已经在航空航天、汽车以及数码电子产品等领域得到了广泛的应用，被誉为“21世纪绿色工程金属结构材料”。在航空航天和汽车方面，由于镁合金密度小、质量轻等优点，能有效降低飞机和汽车的重量，节省了油耗和降低了成本。同时镁合金易回收，对环境污染少，废旧汽车和飞机可以回收再利用。在手机行业镁合金质量轻、光泽度好、散热好、抗震抗冲击、对无线电波的传播影响小等优点得到广泛的应用。同时镁合金也存在着室温塑性差、耐腐蚀性差、易燃性等缺点，使其应用受到了一定的限制。

1 硼化物在镁合金中的作用

镁合金中含有少量的夹杂物铁，铁在镁合金中会降低其抗腐蚀性能同时使晶粒粗大。根据高洪涛等[1]氧化硼除铁净化镁合金的研究结果，表明在镁合金中加入三氧化二硼能有效地除去镁合金中的夹杂物铁使镁合金中铁的质量分数降低到0.002%以下。在高温下B能和Fe反应形成FeB，生成的FeB是一种固态沉淀物，静置时沉淀于熔炉底部从而分离出来达到除铁的目的。除去镁合金中的夹杂物铁后镁合金腐蚀速度从15.0 mg/（cm2·d）减为0.4 mg/（cm2·d），大大提高了镁合金的抗腐蚀性能。根据陈晶阳[2]等微量硼对镁合金耐腐蚀性能的研究，发现微量B能有效细化α-Mg，达到晶粒细化的目的。随着添加量B的增加，晶粒细化程度越好，当添加B的质量分数为0.15%时，晶粒的尺寸大约由140 μm细化到40 μm.镁合金致密性更好，更加均匀，晶粒更加细小。根据林志埙[3]等关于镁合金熔模铸造成型工艺与组织性能研究，发现硼酸溶液在高温加热分解成H2O和B2O3.在600℃左右，B2O3、B和 Mg、MgO 的反应如式（1）、式（2）、式（3）.

Mg3B2膜和MgO·B2O3釉质膜起保护作用，大大提高了镁合金阻燃效果。

2 等通道转角挤压

2.1 等通道转角挤压（ECAE）的介绍

目前既能提高镁合金强度硬度又能提高镁合金塑性的主要方法是对镁合金的晶粒进行细化。细化晶粒的方法主要有快速凝固法、粉末法、剧烈塑性变形（SPD）。SPD包括等通道转角挤压、循环挤压、大比率挤压和异步轧制等。其中等通道转角挤压是目前国内外比较关注的一种研究方法。

1981年前苏联科学家Segal提出了等截面通道角形挤压法（equal channel angular pressing）即等通道转角挤压法（ECAP）又称ECAE。90年代，Valiev教授利用了ECAE对粗晶金属及合金进行实验成功的实现了组织超细化。Valiev教授的研究引起了世界各国科学家关于ECAE方法的探索与研究。等通道转角挤压能够使金属晶粒的到超细化因此经常被应用在改善金属力学性能细化晶粒中。

2.2 ECAE的基本原理

图1为ECAE的原理图。首先将挤压筒（Die）进行润滑（主要的润滑方法即在挤压筒内壁涂上石墨与石蜡混合物或者玻璃润滑剂进行润滑），然后把与挤压筒横截面积几乎相同的镁合金试样（Sample）放入通道口内，冲头（Punch）在外加载荷的作用下通过挤压筒与镁合金接触将其挤出通道口。在挤压的过程中镁合金在拐角处发生剪切变形。镁合金在挤压的过程中产生剧烈的塑性变形，晶粒出现再结晶现象使镁合金的延伸率、屈服强度、抗拉强度得到有效提高，晶粒得到有效的细化和位错重新排列。

2.3 等通道转角挤压优点

1）在挤压前后被挤压试件的横截面积大小不变的情况下获得剧烈塑性变形；2）材料能够实现重复变形，均匀剪切变形；3）挤压试件内部组织分布均匀性能统一；4）经过挤压后能够有效地将金属晶粒细化至1μm以下；5）能够加工大尺寸材料；6）加工工艺简单，成本低；7）未来可以应用在工业生产中。

3 镁合金在ECAE挤压过程中主要影响因素

镁合金在ECAE挤压过程中主要影响因素：模具的结构、挤压道次、挤压度、挤压速度等[4-6]。

3.1 模具结构的影响

等通道转角挤压模具的影响因数主要是内交角和外接弧角ψ[7-8].

在不考虑模具摩擦因素的情况下Iwahashi等人提出了N道次挤压后不同φ、ψ角的等效应变公式：

图1 ECAE挤压模具图

其中εN代表的是变形N次后试件的应变累积量大小。角的取值范围是0°～180°.根据公式可知当内交角一定时，外接弧角ψ越少会使得应变累积量增大同时镁合金的晶粒会得到细化。通过Nakashima等人的研究在室温下采用90°～157.5°之间的不同内交角的模具进行实验，得出结论：采用内交角接近90°的模具进行实验，单次挤压就可以获得较大的剪切变形量，容易获得大角度等轴晶粒。

3.2 挤压道次的影响

在EACE挤压中模具的内交角φ和外接弧角ψ对镁合金的组织性质有所影响，同时挤压次数对镁合金组织性质影响也十分重要。根据周斌[4]等关于ECAE挤压道次对AZ81镁合金组织的研究，得出ECAE挤压能大大细化AZ81镁合金晶粒。随着挤压次数的增加，晶粒的尺寸变得越来越小。但是经过四次以上挤压后晶粒尺寸又慢慢开始变大。第四次挤压AZ81镁合金的晶粒尺寸最小。

3.3 挤压温度的影响

因为镁是密排六方晶格，对称性差，室温下滑移系少，在常温下基面滑移较困难。影响镁合金塑性变形能力的一个重要因素是温度。在常温下镁合金塑性能力差，加工成形困难。只有高温条件下才能对镁合金进行加工。当挤压温度过低时，镁合金的变形抗力增大，挤压试件表面出现水泡、起皮、裂纹现象，材料成型性能力差。当温度高时，温度越高原子的扩散能力越强，越容易发生再结晶。随着温度的升高等通道转角挤压镁合金晶粒尺寸变大，力学性能下降。当温度过高时，镁合金在挤压的过程中会发生氧化。胡基贵[5]等AZ31镁合金热挤压变形过程温度变化与控制研究结果表明，AZ31的最优挤压温度在400℃附近时晶粒细小均匀。张广俊[6]AZ61镁合金在不同挤压温度下的组织与力学性能研究，得到最优挤压温度温度为400℃.李亚宁[7]等对AZ81镁合金组织与力学性能的影响结果表明在370℃时晶粒细化程度最好，力学性能最好。张建民[8]等挤压温度对AZ91D合金组织性能的影响结果表明390℃时性能最好。

3.4 挤压速度的影响

挤压速度是ECAE中的一个重要因素。挤压速度升高，挤压试件的温度也升高，易发生再结晶，试件内部滑系相增多。当挤压速度过高时伴随着挤压出来的试件出现水泡、起皮、裂纹现象，试件也易发生氧化，降低了镁合金的力学性能。低速挤压时晶粒细化程度好，镁合金的延伸率、屈服强度、抗拉强度高于高速挤压挤压出来的成品，低速下成品表面光滑，变形均匀，尺寸精度、成品率高。低速的缺点是生产效率低下，不适合于工业化大批量生产。张志强[9]等挤压速度和电磁铸造锭坯对AZ31镁合金板材组织和性能影响研究表明在0.4 m/min、1.9 m/min和4.2m/min挤压速度下，晶粒的平均大小分别为6.5μm、7 μm和12 μm.随着挤压速度的降低，晶粒细化程度越明显尺寸越小同时镁合金的延伸率增大。马茹[15]等AZ31镁合金棒材挤压过程的三维有限元分析发现当挤压速度v=4.5 mm/s时，挤压试件的等效应变值最小分布最均匀合理。张保军[16]等AZ31镁合金薄壁管分流挤压速度影响规律仿真研究,得出最好的挤压速度范围为3.5 mm/s～7 mm/s，最优速度为5 mm/s.

4 总结与展望

通过等通道转角挤压技术对硼化物镁合金进行挤压。大大改善了镁合金耐腐蚀性差、室温塑形差、常温加工成型能力差、易燃性等缺点。使镁合金的延伸率、屈服强度、抗拉强度得到了显著的提高，同时镁合金的晶粒得到显著细化。在等通道转角挤压的过程中也存在着一些尚未解决的问题。1）模具结构是否是最优的结构,通过探索研究更加完美的模具；2）挤压温度范围过大；3）挤压速度范围过大。由于镁合金的诸多优点，将被广泛应用于日常生活中，大大缓解了能源与环境问题。随着镁合金技术的完善，镁合金将取代铝合金成为21世纪绿色工程金属结构材料。

［1］高洪涛，吴国华，丁文江，朱燕萍.氧化硼除铁净化镁合金的研究［J］.铸造，2004（10）：797-800.

［2］陈晶阳，关绍康，王建强，陈贵林.微量硼对镁合金耐腐蚀性能的影响［J］.材料保护，2005（10）：5-37+10-74.

［3］林志埙.镁合金熔模铸造成型工艺与组织性能研究［D］.上海：上海交通大学，2008.

［4］周斌，孙龙，王红霞，李黎忱.ECAP挤压道次对AZ81镁合金组织及性能的影响［J］.热加工工艺，2015（07）：24-27.

［5］胡基贵，李落星，莫建虎，李光耀，钟志华.AZ31镁合金热挤压变形过程温度变化与控制［J］.矿冶工程，2007（04）：83-86.

［6］张广俊，龙思远，曹凤红.AZ61镁合金在不同挤压温度下的组织与力学性能［J］.特种铸造及有色合金，2009（03）：270-272+195.

［7］李亚宁，曹韩学，宋东福.挤压温度对AZ81镁合金组织与力学性能的影响［J］.特种铸造及有色合金，2013（09）：852-855.

［8］张建民，张宝红，张治民.挤压温度对AZ91D合金组织性能的影响［J］.热加工工艺，2010（01）：82-84.

［9］张志强，乐启炽，崔建忠.挤压速度和电磁铸造锭坯对AZ31镁合金板材组织和性能影响［J］.塑性工程学报，2009（02）：176-179.

［10］马茹，王守仁.AZ31镁合金棒材挤压过程的三维有限元分析［J］.济南大学学报（自然科学版），2011（04）：344-348.

［11］张保军，杨合，郭良刚，石磊，谷瑞杰，寇永乐.AZ31镁合金薄壁管分流挤压速度影响规律仿真研究［J］.稀有金属材料与工程，2012（12）：2178-2184.

［12］马百常.高性能Mg-Zn-Sn-Mn挤压镁合金组织与力学性能研究［D］.济南：山东建筑大学，2016.