压力加工用的镁及镁合金大都采用半连续铸造法(DC法)生产,可以选择性的对铸锭进行均匀化处理,但高成分合金进行均匀化处理。均匀化处理可显著降低挤压力,一般可以降低20%~25%,甚至更多。均匀化处理规范通常为350℃×12h。Mg-3%Al合金管材(锭坯规格98mm×150mm,管材规格44mm×1.5mm)在挤压时,均匀化处理对挤压力的影响见表1。
镁合金在挤压前都须车皮、管坯和镗孔,尤其反挤压的管坯和异形薄壁型材锭坯还应有较高的尺寸精度和均匀的壁厚,以确保挤压材壁厚均匀。在实际生产中,有时还用挤压坯料生产小规格或有特殊要求的产品。挤压材的锯屑应及时清理,以确保生产人员的安全,挤压车间应配备沙箱和D级灭火器材。挤压前,通常用电阻炉加热挤压材,电阻丝埋设在耐火砖内。
镁的熔点比铝的约低10℃,其密度比铝的低35.6%,其线胀系数又比铝的高5.9%,因此,在设计模具与锭坯加热时间等方面都应考虑。特别在设计模具工作带时,模孔加工尺寸的热胀冷缩余量应约比铝的大一倍。
由于镁合金的塑性较差、不易变形,且镁合金与钢的亲和力较低,所以挤压垫与挤压筒内径的配合偏差定为0.2mm~0.3mm。挤压后残料(压余)与挤压垫易分离,因此,无需润滑垫片。
镁合金的可焊性较低,因此,用平面分流组合模挤压管材和空心型材时,应精心设计分流孔和导流系统,以减少流量阻力,增强焊合均匀性。分流挤压AZ31B管材时的挤压工艺与产品质量关系见表2。镁合金挤压模材料大都为H13模具钢,与制备铝合金挤压模用材料相同,材料在淬火与回火后的HRC硬度应达到47~51。挤压前,模具的预热温度比锭坯温度低20℃~30℃(表3)。加热时间取决于模的大小,以热透和温度均匀为准。
在挤压出模口或脱模后可对高温挤压材进行在线淬火,也可以精整后进行离线淬火。淬火后的挤压材具有细小的弥散显微组织,人工时效后,力学性能可有较大提高。
挤压镁合金的使用状态为T5、T6、F。T5为在线淬火后再进行人工时效的状态。T6为固溶处理与人工时效状态。固溶处理不但可提高材料强度,使其韧性大化,还可以改善抗震性能。固溶处理后再进行人工时效,可使材料强度性能大化,但韧性有所下降。F为原加工状态,即挤压状态,挤压后不进行任何热处理。
ZK60、WE43、WE54合金挤压材的热处理状态为T5、T6。ZK系列合金挤压材不但有高的力学性能,而且各向同性得到改善。WE系材料的室温力学性能对热处理不敏感,但能提高其高温稳定性。AZ61合金和AZ80合金挤压材也有时效强化作用,经T5或T6处理后,强度性能虽稍有提高,但塑性却大幅下降。ZK系列合金挤压材既有高的强度又有良好的塑性,没有必要进行热处理。
镁合金在热加工、矫直和焊接后都残留着应力,需进行退火,以消除应力。挤压镁材与轧制硬状态板材焊于一起时也进行退火,以消除残余应力;减少扭曲变形,在150℃加热60分钟即可消除应力,不需要在260℃退火。挤压镁合金的退火制度:AZ31B、AZ31C,345℃;AZ61A,345℃;AZ80A,385℃;ZK60A,290℃;保温1小时至数小时。
挤压镁合金材料消除应力退火规范见表1。若合金的Al含量大于1.5%,这种处理是的,不但可防止变形,而且更重要的是可以预防应力腐蚀开裂。镁合金挤压材的固溶处理及人工时效制度见表2。AZ71A合金材料固溶处理后,于65℃水中淬火或于其他冷却强度相当的介质中淬火。其他镁合金材料固溶处理后可在静止的空气中冷却,即可以达到淬火效果。
务必注意,淬火时冷却介质不可直接接触挤压模,以免模具开裂;淬火后应对材料进行精整矫直,可采用辊矫,也可以压力矫或拉矫,但拉矫相当困难,而辊矫则十分方便。断面形状简单的角材、槽材、工字材、圆管和带内筋的圆管都可以辊矫。拉矫可确保材料的直线度,但要在加热状态下进行。挤压材料的矫直温度为200℃~225℃,变形量应≤3%。在矫直截面厚度≤10mm的薄材料时,宜采用接触电热法加热,加热5秒~2分钟;而对截面厚度大于10mm的材料,宜利用挤压后的余热进行即时矫直。
在挤压镁合金时,应特别注意安全:应及时清除锯切锭坯上的大小毛刺,因为它们极易燃烧,锯切时也有着火、爆炸的危险;积存的切屑应及时清除,当切屑粒子小于80m时,环境则相当危险,工作人员切勿大意。
目前镁合金制造工艺技术能够有效的实现利用镁合金制造集成性能较高的车辆结构构件,一方面,镁合金具有良好的铸造性,加工条件较为简答,加工工艺简单,且加工有效性较高,不易产生废品;另一方面,镁合金较高的阻尼系数,能够增添汽车结构的抗震性,十分符合汽车工业制造对于材料的多项功能的追求目标。目前,镁合金在车辆结构构件的制造中广泛应用,例如在车辆的传动系统中,在离合器外壳、齿轮箱外壳、离变速箱外壳等零件的铸造方面就大量的使用了镁合金。在车体结构中,车门内衬、仪表板、车灯外壳、引擎盖、车身骨架、底盘系统转向架等也大量使用了镁合金压铸产品。许多国外发达国家对于镁合金的应用程度要远远国内汽车制造业,例如品牌兰博基尼、保时捷等都采用了镁合金减重设计,其车辆的相关性能都得到了很好的提升。但由于国内基于汽车安全性的考虑,对于镁合金材料的应用情况较少,仍多用铝合金的形式来对汽车重量进行控制。