曲忠亮，卜樂平

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

如今鎂合金已經(jīng)在航空航天、汽車以及數(shù)碼電子產(chǎn)品等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，被譽(yù)為“21世紀(jì)綠色工程金屬結(jié)構(gòu)材料”。在航空航天和汽車方面，由于鎂合金密度小、質(zhì)量輕等優(yōu)點，能有效降低飛機(jī)和汽車的重量，節(jié)省了油耗和降低了成本。同時鎂合金易回收，對環(huán)境污染少，廢舊汽車和飛機(jī)可以回收再利用。在手機(jī)行業(yè)鎂合金質(zhì)量輕、光澤度好、散熱好、抗震抗沖擊、對無線電波的傳播影響小等優(yōu)點得到廣泛的應(yīng)用。同時鎂合金也存在著室溫塑性差、耐腐蝕性差、易燃性等缺點，使其應(yīng)用受到了一定的限制。

1 硼化物在鎂合金中的作用

鎂合金中含有少量的夾雜物鐵，鐵在鎂合金中會降低其抗腐蝕性能同時使晶粒粗大。根據(jù)高洪濤等[1]氧化硼除鐵凈化鎂合金的研究結(jié)果，表明在鎂合金中加入三氧化二硼能有效地除去鎂合金中的夾雜物鐵使鎂合金中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到0.002%以下。在高溫下B能和Fe反應(yīng)形成FeB，生成的FeB是一種固態(tài)沉淀物，靜置時沉淀于熔爐底部從而分離出來達(dá)到除鐵的目的。除去鎂合金中的夾雜物鐵后鎂合金腐蝕速度從15.0 mg/（cm2·d）減為0.4 mg/（cm2·d），大大提高了鎂合金的抗腐蝕性能。根據(jù)陳晶陽[2]等微量硼對鎂合金耐腐蝕性能的研究，發(fā)現(xiàn)微量B能有效細(xì)化α-Mg，達(dá)到晶粒細(xì)化的目的。隨著添加量B的增加，晶粒細(xì)化程度越好，當(dāng)添加B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%時，晶粒的尺寸大約由140 μm細(xì)化到40 μm.鎂合金致密性更好，更加均勻，晶粒更加細(xì)小。根據(jù)林志塤[3]等關(guān)于鎂合金熔模鑄造成型工藝與組織性能研究，發(fā)現(xiàn)硼酸溶液在高溫加熱分解成H2O和B2O3.在600℃左右，B2O3、B和 Mg、MgO 的反應(yīng)如式（1）、式（2）、式（3）.

Mg3B2膜和MgO·B2O3釉質(zhì)膜起保護(hù)作用，大大提高了鎂合金阻燃效果。

2 等通道轉(zhuǎn)角擠壓

2.1 等通道轉(zhuǎn)角擠壓（ECAE）的介紹

目前既能提高鎂合金強(qiáng)度硬度又能提高鎂合金塑性的主要方法是對鎂合金的晶粒進(jìn)行細(xì)化。細(xì)化晶粒的方法主要有快速凝固法、粉末法、劇烈塑性變形（SPD）。SPD包括等通道轉(zhuǎn)角擠壓、循環(huán)擠壓、大比率擠壓和異步軋制等。其中等通道轉(zhuǎn)角擠壓是目前國內(nèi)外比較關(guān)注的一種研究方法。

1981年前蘇聯(lián)科學(xué)家Segal提出了等截面通道角形擠壓法（equal channel angular pressing）即等通道轉(zhuǎn)角擠壓法（ECAP）又稱ECAE。90年代，Valiev教授利用了ECAE對粗晶金屬及合金進(jìn)行實驗成功的實現(xiàn)了組織超細(xì)化。Valiev教授的研究引起了世界各國科學(xué)家關(guān)于ECAE方法的探索與研究。等通道轉(zhuǎn)角擠壓能夠使金屬晶粒的到超細(xì)化因此經(jīng)常被應(yīng)用在改善金屬力學(xué)性能細(xì)化晶粒中。

2.2 ECAE的基本原理

圖1為ECAE的原理圖。首先將擠壓筒（Die）進(jìn)行潤滑（主要的潤滑方法即在擠壓筒內(nèi)壁涂上石墨與石蠟混合物或者玻璃潤滑劑進(jìn)行潤滑），然后把與擠壓筒橫截面積幾乎相同的鎂合金試樣（Sample）放入通道口內(nèi)，沖頭（Punch）在外加載荷的作用下通過擠壓筒與鎂合金接觸將其擠出通道口。在擠壓的過程中鎂合金在拐角處發(fā)生剪切變形。鎂合金在擠壓的過程中產(chǎn)生劇烈的塑性變形，晶粒出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象使鎂合金的延伸率、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度得到有效提高，晶粒得到有效的細(xì)化和位錯重新排列。

2.3 等通道轉(zhuǎn)角擠壓優(yōu)點

1）在擠壓前后被擠壓試件的橫截面積大小不變的情況下獲得劇烈塑性變形；2）材料能夠?qū)崿F(xiàn)重復(fù)變形，均勻剪切變形；3）擠壓試件內(nèi)部組織分布均勻性能統(tǒng)一；4）經(jīng)過擠壓后能夠有效地將金屬晶粒細(xì)化至1μm以下；5）能夠加工大尺寸材料；6）加工工藝簡單，成本低；7）未來可以應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中。

3 鎂合金在ECAE擠壓過程中主要影響因素

鎂合金在ECAE擠壓過程中主要影響因素：模具的結(jié)構(gòu)、擠壓道次、擠壓度、擠壓速度等[4-6]。

3.1 模具結(jié)構(gòu)的影響

等通道轉(zhuǎn)角擠壓模具的影響因數(shù)主要是內(nèi)交角 和外接弧角ψ[7-8].

在不考慮模具摩擦因素的情況下Iwahashi等人提出了N道次擠壓后不同φ、ψ角的等效應(yīng)變公式：

圖1 ECAE擠壓模具圖

其中εN代表的是變形N次后試件的應(yīng)變累積量大小。 角的取值范圍是0°～180°.根據(jù)公式可知當(dāng)內(nèi)交角 一定時，外接弧角ψ越少會使得應(yīng)變累積量增大同時鎂合金的晶粒會得到細(xì)化。通過Nakashima等人的研究在室溫下采用90°～157.5°之間的不同內(nèi)交角的模具進(jìn)行實驗，得出結(jié)論：采用內(nèi)交角 接近90°的模具進(jìn)行實驗，單次擠壓就可以獲得較大的剪切變形量，容易獲得大角度等軸晶粒。

3.2 擠壓道次的影響

在EACE擠壓中模具的內(nèi)交角φ和外接弧角ψ對鎂合金的組織性質(zhì)有所影響，同時擠壓次數(shù)對鎂合金組織性質(zhì)影響也十分重要。根據(jù)周斌[4]等關(guān)于ECAE擠壓道次對AZ81鎂合金組織的研究，得出ECAE擠壓能大大細(xì)化AZ81鎂合金晶粒。隨著擠壓次數(shù)的增加，晶粒的尺寸變得越來越小。但是經(jīng)過四次以上擠壓后晶粒尺寸又慢慢開始變大。第四次擠壓AZ81鎂合金的晶粒尺寸最小。

3.3 擠壓溫度的影響

因為鎂是密排六方晶格，對稱性差，室溫下滑移系少，在常溫下基面滑移較困難。影響鎂合金塑性變形能力的一個重要因素是溫度。在常溫下鎂合金塑性能力差，加工成形困難。只有高溫條件下才能對鎂合金進(jìn)行加工。當(dāng)擠壓溫度過低時，鎂合金的變形抗力增大，擠壓試件表面出現(xiàn)水泡、起皮、裂紋現(xiàn)象，材料成型性能力差。當(dāng)溫度高時，溫度越高原子的擴(kuò)散能力越強(qiáng)，越容易發(fā)生再結(jié)晶。隨著溫度的升高等通道轉(zhuǎn)角擠壓鎂合金晶粒尺寸變大，力學(xué)性能下降。當(dāng)溫度過高時，鎂合金在擠壓的過程中會發(fā)生氧化。胡基貴[5]等AZ31鎂合金熱擠壓變形過程溫度變化與控制研究結(jié)果表明，AZ31的最優(yōu)擠壓溫度在400℃附近時晶粒細(xì)小均勻。張廣俊[6]AZ61鎂合金在不同擠壓溫度下的組織與力學(xué)性能研究，得到最優(yōu)擠壓溫度溫度為400℃.李亞寧[7]等對AZ81鎂合金組織與力學(xué)性能的影響結(jié)果表明在370℃時晶粒細(xì)化程度最好，力學(xué)性能最好。張建民[8]等擠壓溫度對AZ91D合金組織性能的影響結(jié)果表明390℃時性能最好。

3.4 擠壓速度的影響

擠壓速度是ECAE中的一個重要因素。擠壓速度升高，擠壓試件的溫度也升高，易發(fā)生再結(jié)晶，試件內(nèi)部滑系相增多。當(dāng)擠壓速度過高時伴隨著擠壓出來的試件出現(xiàn)水泡、起皮、裂紋現(xiàn)象，試件也易發(fā)生氧化，降低了鎂合金的力學(xué)性能。低速擠壓時晶粒細(xì)化程度好，鎂合金的延伸率、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度高于高速擠壓擠壓出來的成品，低速下成品表面光滑，變形均勻，尺寸精度、成品率高。低速的缺點是生產(chǎn)效率低下，不適合于工業(yè)化大批量生產(chǎn)。張志強(qiáng)[9]等擠壓速度和電磁鑄造錠坯對AZ31鎂合金板材組織和性能影響研究表明在0.4 m/min、1.9 m/min和4.2m/min擠壓速度下，晶粒的平均大小分別為6.5μm、7 μm和12 μm.隨著擠壓速度的降低，晶粒細(xì)化程度越明顯尺寸越小同時鎂合金的延伸率增大。馬茹[15]等AZ31鎂合金棒材擠壓過程的三維有限元分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)擠壓速度v=4.5 mm/s時，擠壓試件的等效應(yīng)變值最小分布最均勻合理。張保軍[16]等AZ31鎂合金薄壁管分流擠壓速度影響規(guī)律仿真研究,得出最好的擠壓速度范圍為3.5 mm/s～7 mm/s，最優(yōu)速度為5 mm/s.

4 總結(jié)與展望

通過等通道轉(zhuǎn)角擠壓技術(shù)對硼化物鎂合金進(jìn)行擠壓。大大改善了鎂合金耐腐蝕性差、室溫塑形差、常溫加工成型能力差、易燃性等缺點。使鎂合金的延伸率、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度得到了顯著的提高，同時鎂合金的晶粒得到顯著細(xì)化。在等通道轉(zhuǎn)角擠壓的過程中也存在著一些尚未解決的問題。1）模具結(jié)構(gòu)是否是最優(yōu)的結(jié)構(gòu),通過探索研究更加完美的模具；2）擠壓溫度范圍過大；3）擠壓速度范圍過大。由于鎂合金的諸多優(yōu)點，將被廣泛應(yīng)用于日常生活中，大大緩解了能源與環(huán)境問題。隨著鎂合金技術(shù)的完善，鎂合金將取代鋁合金成為21世紀(jì)綠色工程金屬結(jié)構(gòu)材料。

［1］ 高洪濤，吳國華，丁文江，朱燕萍.氧化硼除鐵凈化鎂合金的研究［J］.鑄造，2004（10）：797-800.

［2］陳晶陽，關(guān)紹康，王建強(qiáng)，陳貴林.微量硼對鎂合金耐腐蝕性能的影響［J］.材料保護(hù)，2005（10）：5-37+10-74.

［3］ 林志塤.鎂合金熔模鑄造成型工藝與組織性能研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2008.

［4］ 周斌，孫龍，王紅霞，李黎忱.ECAP擠壓道次對AZ81鎂合金組織及性能的影響［J］.熱加工工藝，2015（07）：24-27.

［5］ 胡基貴，李落星，莫建虎，李光耀，鐘志華.AZ31鎂合金熱擠壓變形過程溫度變化與控制［J］.礦冶工程，2007（04）：83-86.

［6］ 張廣俊，龍思遠(yuǎn)，曹鳳紅.AZ61鎂合金在不同擠壓溫度下的組織與力學(xué)性能［J］.特種鑄造及有色合金，2009（03）：270-272+195.

［7］ 李亞寧，曹韓學(xué)，宋東福.擠壓溫度對AZ81鎂合金組織與力學(xué)性能的影響［J］.特種鑄造及有色合金，2013（09）：852-855.

［8］ 張建民，張寶紅，張治民.擠壓溫度對AZ91D合金組織性能的影響［J］.熱加工工藝，2010（01）：82-84.

［9］ 張志強(qiáng)，樂啟熾，崔建忠.擠壓速度和電磁鑄造錠坯對AZ31鎂合金板材組織和性能影響［J］.塑性工程學(xué)報，2009（02）：176-179.

［10］ 馬茹，王守仁.AZ31鎂合金棒材擠壓過程的三維有限元分析［J］.濟(jì)南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011（04）：344-348.

［11］ 張保軍，楊合，郭良剛，石磊，谷瑞杰，寇永樂.AZ31鎂合金薄壁管分流擠壓速度影響規(guī)律仿真研究［J］.稀有金屬材料與工程，2012（12）：2178-2184.

［12］ 馬百常.高性能Mg-Zn-Sn-Mn擠壓鎂合金組織與力學(xué)性能研究［D］.濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2016.

［13］ 傅麗云.擠壓溫度對Mg-Al-Zn系鎂合金寬幅型材性能的影響分析［J］.熱加工工藝，2015（03）：65-68.

［14］ 郝建強(qiáng).Mg-5.1Sn-1.5Y-0.4Zr鎂合金變通道轉(zhuǎn)角擠壓工藝的研究［D］.太原：太原科技大學(xué)，2014.

［15］ 劉建勃.硼對AZ91鎂合金顯微組織和腐蝕性能的影響［J］.價值工程，2012（09）：23-24.

［16］ 李建國，王莉，郭道強(qiáng)，林高用.多道次連續(xù)擠壓3003鋁合金的組織與性能［J］.熱加工工藝，2011（24）：36-39.

［17］ 高曉龍，夏天東，王曉軍，趙文軍.金屬晶粒細(xì)化方法的研究現(xiàn)狀［J］.金屬功能材料，2009（06）：60-65.

［18］ 曲家惠，岳明凱，黃濤.AZ31鎂合金在不同擠壓比和擠壓溫度下的織構(gòu)演變［J］.沈陽理工大學(xué)學(xué)報，2009（02）：48-51+94.

［19］ 潘輝，劉曉烈，孫立喜，馮崇敬.鎂及鎂合金晶粒細(xì)化的研究現(xiàn)狀［J］.金屬材料與冶金工程，2009（01）：8-12.

［20］ 張振棟，劉楚明，常亞喆，李慧中，王榮，周海濤.擠壓次數(shù)對Mg-Zn-Zr-Re合金組織和性能的影響［J］.中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008（02）：228-233.

［21］ 劉宇.AZ31鎂合金變通道角擠壓變形時組織性能與工藝的研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2008.

［22］ 蔡薇，齊亮，饒克.擠壓溫度對AZ31鎂合金組織性能的影響［J］.輕合金加工技術(shù)，2008（03）：35-36+56.

［23］ 李宏戰(zhàn)，夏蘭廷，師素粉.鎂及鎂合金的晶粒細(xì)化［J］.鑄造設(shè)備研究，2007（05）：39-42.

［24］ 陳彬，林棟樑，曾小勤，盧晨.等通道角擠壓對AZ91鎂合金組織性能的影響［J］.熱加工工藝（鑄鍛版），2006（04）：13-16.