唐爾偉

(上海澳石機(jī)電科技有限公司, 上?！?01612)

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采用半熔擠壓法制備鎂合金板的技術(shù)及應(yīng)用

唐爾偉

(上海澳石機(jī)電科技有限公司, 上海201612)

采用半熔擠壓法制備鎂合金板在鎂合金板制造行業(yè)是一項(xiàng)新技術(shù).傳統(tǒng)制備鎂合金板的生產(chǎn)工藝都是將鎂合金板坯經(jīng)過(guò)預(yù)熱、反復(fù)升溫和多道軋制才能制成鎂合金薄板,設(shè)備大、能耗高,因?yàn)殒V合金板在軋制過(guò)程中邊緣部分容易開(kāi)裂,因此成品率很低、成本很高.采用半熔擠壓法制備鎂合金板,先將鎂合金加工成細(xì)小粒子,然后送進(jìn)螺桿旋轉(zhuǎn)式擠壓機(jī),在氬氣(Ar)保護(hù)下通過(guò)梯度加熱、旋轉(zhuǎn)擠壓、圓管模具和圓管切縫整平來(lái)制成鎂合金薄板.半熔擠壓法制備鎂合金板的生產(chǎn)工藝具有設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單可靠、能耗低、成品率高、廢料少和生產(chǎn)成本低的顯著優(yōu)勢(shì).為生產(chǎn)高質(zhì)量低成本的鎂合金板提供了一條有前景的道路.

鎂合金板; 半熔擠壓; 擠壓圓管; 模具

我國(guó)是世界上的鎂資源大國(guó),也是鎂合金生產(chǎn)、出口的第一大國(guó).據(jù)2012年中國(guó)有色金屬工業(yè)年鑒統(tǒng)計(jì),2011年全球原鋁產(chǎn)量約4 600萬(wàn)噸,雖然鎂合金制品性能比鋁優(yōu)越,但由于其加工難度大、生產(chǎn)成本高,因此全球原鎂的消費(fèi)量只有82萬(wàn)噸,不到原鋁消費(fèi)量的1/50.2011年中國(guó)的原鎂產(chǎn)量已達(dá)66萬(wàn)噸[1],產(chǎn)量居世界第一,占全球的80%.隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展、環(huán)保要求和節(jié)能要求的不斷提高,世界上航空航天、通訊、電子3C產(chǎn)業(yè)、汽車領(lǐng)域及國(guó)防工業(yè)對(duì)鎂合金板及其鎂制品的需求越來(lái)越大,全球每年約以10%～20%的幅度增長(zhǎng).由于鎂合金的電磁屏蔽性能好、散熱性高以及加工尺寸穩(wěn)定性高,故它是電腦和手機(jī)外殼、電視機(jī)散熱板的首選材料,作為電子器件的外殼,不經(jīng)過(guò)表面處理就可獲得很好的屏蔽效果,做手機(jī)外殼可吸收90%的幅射.由于鎂合金重量輕,比強(qiáng)度、比剛度均很高,彈性模量小,一些牌號(hào)的鎂合金經(jīng)過(guò)熱處理后強(qiáng)度可達(dá)400 MPa,適宜制造承受猛烈沖擊的零部件.

目前,航空飛機(jī)的機(jī)翼、蒙皮、起落架,航天飛船的外殼已大量使用鎂合金.在軍工產(chǎn)品中,雷達(dá)、火箭、導(dǎo)彈的外殼也大量使用鎂合金材料.在民用產(chǎn)品中,單以汽車市場(chǎng)為例,根據(jù)有關(guān)研究統(tǒng)計(jì),汽車所用燃料的60%消耗于汽車自重,汽車自重每減輕10%,其燃油將減少8%～10%,燃油效率可提高5.5%;汽車自重每降低100 kg,油耗可減少0.7 L/100 km左右,從而可減少大量的CO2排放.所以減輕汽車重量對(duì)環(huán)境和能源的影響非常大,國(guó)家目前已提出汽車輕量化目標(biāo).世界上很多電子通訊制造商、汽車制造商日益向往低成本的鎂合金板,需求意向很高.采用半熔擠壓法制備鎂合金板,具有設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單可靠、能耗低、成品率高、廢料少和生產(chǎn)成本低的顯著優(yōu)勢(shì),在投入實(shí)際使用后,如能使市場(chǎng)上對(duì)鎂合金板及鎂制品的需求量得到提高,就可產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)效益.因此可以預(yù)見(jiàn),它的經(jīng)濟(jì)前景將是十分可觀的.

1　采用半熔擠壓法制備鎂合金板方案的可能性

1.1工藝流程

采用半熔擠壓,改革舊工藝,探索新途徑是生產(chǎn)鎂合金板亟待解決的一項(xiàng)新課題.由于金屬鎂的晶體為密排六方體結(jié)構(gòu),在室溫下只有一個(gè)滑移面,其塑性比面心和體心立方晶體都低,故難以軋制變形,容易開(kāi)裂.傳統(tǒng)制備鎂合金板的生產(chǎn)工藝都是將鎂合金板坯經(jīng)過(guò)反復(fù)升溫和多道軋制才能加工成鎂合金板.而且鎂合金板在軋制過(guò)程中邊緣部分散熱冷卻快,造成材料內(nèi)部組織邊緣部分疏松,芯部組織比較致密[2],見(jiàn)圖1.軋制的鎂合金板邊角開(kāi)裂多,軋制成品率通常不到50%,因此制備合格的鎂合金板難度大.為了克服以上問(wèn)題,采用半熔擠壓法是制備鎂合金板的一種新嘗試.固態(tài)的金屬難以加工變形,使其塑性變形所需的力很大,液態(tài)金屬雖然容易變形,但卻難于控制.而半熔態(tài)處于固液交變處,塑性變形時(shí)具有兩者的優(yōu)點(diǎn),故傳統(tǒng)的鎂合金板擠壓、軋制設(shè)備都在2 000 t以上,設(shè)備大、占地面積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本很高.在半熔擠壓法中,先將鎂合金棒料加工成米粒狀的碎粒,再送入擠壓機(jī),所需的擠壓機(jī)壓力不到前者的1/4.半熔態(tài)類似工程塑料的擠壓狀態(tài),故可參考多種塑料擠壓機(jī),并針對(duì)半熔態(tài)的鎂合金性能加以多項(xiàng)改進(jìn)調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn).

圖1　材料顯微組織Fig.1　Microstructure of the materials

1.2Ar保護(hù)

提高溫度可改善鎂合金的擠壓變形性能,但鎂合金容易氧化,在高溫下極易燃燒.為避免發(fā)生燃燒的可能性,在壓鑄擠壓過(guò)程中必須采取隔離空氣的保護(hù)措施.理想的方法是采用穩(wěn)定的Ar對(duì)整個(gè)擠壓過(guò)程進(jìn)行保護(hù),可以對(duì)進(jìn)料筒、進(jìn)料閥門和螺旋擠壓機(jī)內(nèi)連續(xù)輸送Ar,將鎂合金屑與空氣隔離.

1.3控制加熱溫度

鎂合金的固態(tài)和液態(tài)的臨界溫度在580～640 ℃,故鎂合金的半熔態(tài)應(yīng)控制在580 ℃左右.為了實(shí)現(xiàn)這一條件,試驗(yàn)采用圓環(huán)狀電加熱器對(duì)螺桿式擠壓機(jī)殼體進(jìn)行加熱,并采用梯度加熱的方法,將擠壓機(jī)內(nèi)的鎂合金碎粒逐步加熱至580 ℃左右,成為半熔態(tài).

1.4控制擠壓機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速及壓力

半熔態(tài)鎂合金在擠壓機(jī)中受到攪拌剪切和擠壓,在螺桿式擠壓機(jī)中半熔的鎂合金所受到的壓力主要靠螺桿的旋轉(zhuǎn)速度,螺桿轉(zhuǎn)速大,則半熔態(tài)的鎂合金得到的壓力大.經(jīng)過(guò)金相觀察,在一定的壓力下,鎂合金在半熔態(tài)冷卻變成固態(tài)后其材料內(nèi)部晶粒會(huì)變得均勻細(xì)小,接近球形.圖2為固態(tài)和半熔態(tài)下的鎂合金軋制后內(nèi)部金相組織的對(duì)比圖.所以,通過(guò)擠壓生產(chǎn)出來(lái)的鎂合金板會(huì)提高板材的力學(xué)及加工性能.控制螺桿轉(zhuǎn)速(約100～300 r/min),就能控制半熔態(tài)鎂合金的壓力.只要有合理的背壓,經(jīng)過(guò)擠壓出來(lái)的鎂合金板內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密、晶粒細(xì)小,板材性能有所提高.

圖2　鎂合金軋制后組織金相圖Fig.2　OM images of the Magnesium alloy after rolling

圓管擠壓模具是半熔擠壓鎂合金板的核心,只有采用圓管模具,才能擠壓出薄壁圓管[3].鎂合金圓管通過(guò)單邊剖開(kāi)后,就能得到圓管直徑3.14倍寬度的薄板,而且整個(gè)圓周內(nèi)鎂合金板材的內(nèi)部金相結(jié)構(gòu)都是均勻的,見(jiàn)圖3.因此板材的力學(xué)加工性能有所提高,不像普通軋制的鎂合金板材需切去兩邊不均勻的邊料.只要鎂合金圓管直徑達(dá)到200 mm,就可制成寬度達(dá)600 mm以上的鎂合金薄板,滿足一般電子行業(yè)的需要.擠壓模具的前端不僅要有電加熱保溫措施,還應(yīng)在模具后端配置冷卻降溫裝置,使擠壓出來(lái)的鎂合金管逐步冷卻為半固態(tài)和固態(tài),具有一定的剛度,以便用激光切割或等離子切割剖開(kāi)管壁.

圖3　半固態(tài)擠壓的鎂合金管金相組織Fig.3　OM images of the semi-solid magnesium alloy extruded tube

2　采用半熔擠壓法制備鎂合金板的具體實(shí)施方法

采用半熔擠壓法制備鎂合金板的具體實(shí)施方法如圖4所示.先將合適的鎂合金棒料加工成米粒大小的鎂合金屑[4],金屬鎂碎粒個(gè)體的大小應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)線本身的規(guī)模以及設(shè)定產(chǎn)出鎂板的寬度來(lái)確定.將鎂合金碎粒放入進(jìn)料筒后,開(kāi)啟進(jìn)料閥門和Ar保護(hù)輸送裝置,Ar保護(hù)氣體壓力為0.015 MPa,Ar經(jīng)過(guò)進(jìn)料閥門進(jìn)入鎂合金屑區(qū)域,保證鎂合金屑不被空氣氧化.

開(kāi)啟擠壓機(jī),鎂合金屑進(jìn)入擠壓機(jī)殼體,在壓料螺旋桿的推動(dòng)下向擠壓機(jī)殼體出料口運(yùn)動(dòng),用電加熱器環(huán)繞在擠壓機(jī)外壁,并采用梯度加熱的方法,通過(guò)逐漸升溫對(duì)鎂合金屑加熱.在這個(gè)過(guò)程中擠壓機(jī)殼體內(nèi)的鎂合金碎屑在受到攪切、擠壓和580 ℃左右的溫度下逐步變成半熔態(tài),材料內(nèi)部晶體會(huì)細(xì)小致密成球形.關(guān)閉出口處閥門,使模具內(nèi)半熔狀的鎂合金獲得背壓,半熔態(tài)的鎂合金進(jìn)入圓管狀型腔后,型腔內(nèi)的保護(hù)氣從排氣孔排出,排氣孔布置在型腔的首尾兩端.與此同時(shí),型腔保溫裝置調(diào)節(jié)型腔內(nèi)的溫度,使其維持在350～400 ℃左右.

然后開(kāi)啟出口處閥門,鎂合金管進(jìn)入冷卻裝置,冷卻至200～300 ℃.經(jīng)過(guò)冷卻裝置后,鎂合金管被切割部件切縫剖開(kāi),擴(kuò)縫部件將切縫擴(kuò)展加寬,展平滾輪組將經(jīng)擴(kuò)縫部件的鎂合金管攤開(kāi)展平成鎂合金板坯,同步整壓裝置再將鎂合金板坯精密整壓為成品鎂合金板.

最后,同步?jīng)_壓裝置將經(jīng)整壓成型的鎂合金板裁剪成定制的鎂合金板材,包裝運(yùn)送裝置將鎂合金板材封裝運(yùn)送到倉(cāng)庫(kù)保存.上述展平、同步整壓以及同步?jīng)_壓的加工過(guò)程也應(yīng)當(dāng)在設(shè)定的溫度下進(jìn)行,保證鎂合金板不易開(kāi)裂.同步?jīng)_壓裝置和包裝運(yùn)送裝置可以選用軋板行業(yè)內(nèi)的通用設(shè)備.

1—進(jìn)料筒;2—進(jìn)料閥門;3—Ar保護(hù)輸送裝置;4—擠壓機(jī)殼體;5—壓料螺旋桿;6—環(huán)形加熱器;7—模具體;8—圓管狀型腔;9—型腔保溫裝置;10—出口閥門;11—冷卻裝置;12—排氣孔;13—切割部件;14—擴(kuò)縫部件:15—展平滾輪組;16—同步整壓裝置;17—調(diào)壓部件;18—調(diào)壓螺栓;19—?dú)怏w冷卻通道.圖4　半熔擠壓法制備鎂合金板生產(chǎn)線示意圖Fig.4　Schematic of the production line of using semi-molten extrusion to prepared Mg alloy sheet

為了提高生產(chǎn)效率,避免人為誤操作帶來(lái)的損失,這一生產(chǎn)線引入了一套電子智能控制系統(tǒng).電子智能控制系統(tǒng)包括PLC控制器、溫度傳感器、壓力傳感器和速度傳感器,它們分別將監(jiān)測(cè)得到的半熔態(tài)鎂合金屑的溫度信號(hào)、壓力信號(hào)和傳送速度信號(hào)傳送給PLC控制器,這樣PLC控制器就可根據(jù)得到的溫度、壓力和速度信號(hào)以及預(yù)先設(shè)定的要求,自動(dòng)調(diào)整加熱器、壓料螺旋桿和同步整壓裝置的工作狀態(tài).

為了便于調(diào)節(jié)管狀型腔內(nèi)的壓力,這一生產(chǎn)線在模具體內(nèi)設(shè)置調(diào)壓部件.通過(guò)調(diào)壓部件來(lái)調(diào)整管狀型腔內(nèi)半熔態(tài)鎂合金的背壓,使型腔內(nèi)成形的鎂合金管不會(huì)出現(xiàn)材料疏松.為了使型腔內(nèi)鎂合金管坯快速冷卻到設(shè)定的保持溫度,生產(chǎn)線在模具出口處的中心軸向位置設(shè)置氣體冷卻通道,冷卻氣體可以通過(guò)該通道帶走管狀型腔內(nèi)的多余熱量.

3　結(jié)　論

采用半熔擠壓法制備鎂合金板的生產(chǎn)線及其工藝相比傳統(tǒng)的“鎂錠熱軋”和“無(wú)錠軋制”鎂合金板生產(chǎn)工藝,具有設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單可靠、能耗低、成品率高、廢料少和生產(chǎn)成本低的顯著優(yōu)勢(shì),是經(jīng)濟(jì)意義很大的鎂合金板生產(chǎn)工藝的改革.該項(xiàng)目于2012年10月申請(qǐng)國(guó)家實(shí)用新型專利和國(guó)家發(fā)明專利,2013年6月該生產(chǎn)線已獲得國(guó)家實(shí)用新型專利授權(quán)[5],2015年6月該生產(chǎn)工藝又獲得國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)[6].目前該項(xiàng)目的螺桿式半熔擠壓機(jī)已在南京一家三板上市裝備公司投入研制,如該半熔擠壓制備鎂合金板的生產(chǎn)線進(jìn)展順利則將能取得較好的成績(jī).預(yù)期這一新生產(chǎn)技術(shù)將會(huì)對(duì)鎂合金板行業(yè)帶來(lái)較大的促進(jìn).

[1]中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì).中國(guó)有色金屬工業(yè)年鑒2012[M].北京:中國(guó)有色金屬協(xié)會(huì),2012.

[2]張頌陽(yáng).半固態(tài)鎂合金鑄軋成形技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2008.

[3]張玉龍,張永俠.塑料擠出成型工藝與實(shí)例[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

[4]王開(kāi)坤.鋁鎂合金半固態(tài)成形理論與工藝技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[5]孫逸成,張無(wú)量,唐爾偉.一種采用半熔擠壓法制備鎂合金板生產(chǎn)線:中國(guó),CN201220527496.6[P].2012-10-15.

[6]孫逸成,張無(wú)量,唐爾偉.一種采用半熔擠壓法制備鎂合金板生產(chǎn)線及其工藝:中國(guó),CN201210391023.0[P].2012-10-15.

Technology and Application of Using Semi-moltenExtrusion to Prepared Magnesium Alloy Sheet

TANG Erwei

(Shanghai Aostec Pty, Ltd., Shanghai 201612, China)

Preparation of semi-melten extrusion magnesium alloy sheet magnesium alloy sheet manufacturing industry is a new technology,the traditional production process for preparing a magnesium alloy sheet magnesium alloy slab is preheated,repeatedly raised and made to multi-channel rolling magnesium alloy sheet,large equipment,and more energy,because the magnesium alloy sheet in the rolling process easy to crack edge portion,and therefore the yield is low,the cost is high.The technology uses a semi-molten magnesium alloy sheet prepared by extrusion,it is the first magnesium alloy processed into fine particles,and a rotary feed screw extruder under argon by heating gradient,spin extrusion,pipe and die pipe slit leveling be made of magnesium alloy sheet.This semi-molten extrusion process of magnesium alloy sheet having a simple and reliable equipment and technology,low energy consumption,high yield,less waste and lower production costs significant progress.For the production of low-cost high-quality magnesium alloy sheet provides a promising path.

magnesium alloy sheet; semi-molten extrusion; tube extrusion; die

1005-2046(2016)03-0099-04

DOI：10.13258/j.cnki.nmme.2016.03.007

2016-03-27

唐爾偉(1947—),男,高級(jí)工程師. 主要從事液壓機(jī)電項(xiàng)目等方面的研究. E-mail: tew130128@163.com

TG 146.2

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