采用半熔擠壓法制備鎂合金板的技術及應用

唐爾偉

(上海澳石機電科技有限公司, 上海　201612)

?

采用半熔擠壓法制備鎂合金板的技術及應用

唐爾偉

(上海澳石機電科技有限公司, 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是一項新技術.傳統制備鎂合金板的生產工藝都是將鎂合金板坯經過預熱、反復升溫和多道軋制才能制成鎂合金薄板,設備大、能耗高,因為鎂合金板在軋制過程中邊緣部分容易開裂,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小粒子,然后送進螺桿旋轉式擠壓機,在氬氣(Ar)保護下通過梯度加熱、旋轉擠壓、圓管模具和圓管切縫整平來制成鎂合金薄板.半熔擠壓法制備鎂合金板的生產工藝具有設備和工藝簡單可靠、能耗低、成品率高、廢料少和生產成本低的顯著優勢.為生產高質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

我國是世界上的鎂資源大國,也是鎂合金生產、出口的第一大國.據2012年中國有色金屬工業年鑒統計,2011年全球原鋁產量約4 600萬噸,雖然鎂合金制品性能比鋁優越,但由于其加工難度大、生產成本高,因此全球原鎂的消費量只有82萬噸,不到原鋁消費量的1/50.2011年中國的原鎂產量已達66萬噸[1],產量居世界第一,占全球的80%.隨著工業技術的不斷發展、環保要求和節能要求的不斷提高,世界上航空航天、通訊、電子3C產業、汽車領域及國防工業對鎂合金板及其鎂制品的需求越來越大,全球每年約以10%～20%的幅度增長.由于鎂合金的電磁屏蔽性能好、散熱性高以及加工尺寸穩定性高,故它是電腦和手機外殼、電視機散熱板的首選材料,作為電子器件的外殼,不經過表面處理就可獲得很好的屏蔽效果,做手機外殼可吸收90%的幅射.由于鎂合金重量輕,比強度、比剛度均很高,彈性模量小,一些牌號的鎂合金經過熱處理后強度可達400 MPa,適宜制造承受猛烈沖擊的零部件.

目前,航空飛機的機翼、蒙皮、起落架,航天飛船的外殼已大量使用鎂合金.在軍工產品中,雷達、火箭、導彈的外殼也大量使用鎂合金材料.在民用產品中,單以汽車市場為例,根據有關研究統計,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環境和能源的影響非常大,國家目前已提出汽車輕量化目標.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,具有設備和工藝簡單可靠、能耗低、成品率高、廢料少和生產成本低的顯著優勢,在投入實際使用后,如能使市場上對鎂合金板及鎂制品的需求量得到提高,就可產生很大的經濟效益.因此可以預見,它的經濟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,探索新途徑是生產鎂合金板亟待解決的一項新課題.由于金屬鎂的晶體為密排六方體結構,在室溫下只有一個滑移面,其塑性比面心和體心立方晶體都低,故難以軋制變形,容易開裂.傳統制備鎂合金板的生產工藝都是將鎂合金板坯經過反復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程中邊緣部分散熱冷卻快,造成材料內部組織邊緣部分疏松,芯部組織比較致密[2],見圖1.軋制的鎂合金板邊角開裂多,軋制成品率通常不到50%,因此制備合格的鎂合金板難度大.為了克服以上問題,采用半熔擠壓法是制備鎂合金板的一種新嘗試.固態的金屬難以加工變形,使其塑性變形所需的力很大,液態金屬雖然容易變形,但卻難于控制.而半熔態處于固液交變處,塑性變形時具有兩者的優點,故傳統的鎂合金板擠壓、軋制設備都在2 000 t以上,設備大、占地面積大、結構復雜、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,所需的擠壓機壓力不到前者的1/4.半熔態類似工程塑料的擠壓狀態,故可參考多種塑料擠壓機,并針對半熔態的鎂合金性能加以多項改進調整來實現.

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

1.2Ar保護

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.為避免發生燃燒的可能性,在壓鑄擠壓過程中必須采取隔離空氣的保護措施.理想的方法是采用穩定的Ar對整個擠壓過程進行保護,可以對進料筒、進料閥門和螺旋擠壓機內連續輸送Ar,將鎂合金屑與空氣隔離.

1.3控制加熱溫度

鎂合金的固態和液態的臨界溫度在580～640 ℃,故鎂合金的半熔態應控制在580 ℃左右.為了實現這一條件,試驗采用圓環狀電加熱器對螺桿式擠壓機殼體進行加熱,并采用梯度加熱的方法,將擠壓機內的鎂合金碎粒逐步加熱至580 ℃左右,成為半熔態.

1.4控制擠壓機螺桿轉速及壓力

半熔態鎂合金在擠壓機中受到攪拌剪切和擠壓,在螺桿式擠壓機中半熔的鎂合金所受到的壓力主要靠螺桿的旋轉速度,螺桿轉速大,則半熔態的鎂合金得到的壓力大.經過金相觀察,在一定的壓力下,鎂合金在半熔態冷卻變成固態后其材料內部晶粒會變得均勻細小,接近球形.圖2為固態和半熔態下的鎂合金軋制后內部金相組織的對比圖.所以,通過擠壓生產出來的鎂合金板會提高板材的力學及加工性能.控制螺桿轉速(約100～300 r/min),就能控制半熔態鎂合金的壓力.只要有合理的背壓,經過擠壓出來的鎂合金板內部結構致密、晶粒細小,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].鎂合金圓管通過單邊剖開后,就能得到圓管直徑3.14倍寬度的薄板,而且整個圓周內鎂合金板材的內部金相結構都是均勻的,見圖3.因此板材的力學加工性能有所提高,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到200 mm,就可制成寬度達600 mm以上的鎂合金薄板,滿足一般電子行業的需要.擠壓模具的前端不僅要有電加熱保溫措施,還應在模具后端配置冷卻降溫裝置,使擠壓出來的鎂合金管逐步冷卻為半固態和固態,具有一定的剛度,以便用激光切割或等離子切割剖開管壁.

圖3　半固態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施方法

采用半熔擠壓法制備鎂合金板的具體實施方法如圖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],金屬鎂碎粒個體的大小應根據生產線本身的規模以及設定產出鎂板的寬度來確定.將鎂合金碎粒放入進料筒后,開啟進料閥門和Ar保護輸送裝置,Ar保護氣體壓力為0.015 MPa,Ar經過進料閥門進入鎂合金屑區域,保證鎂合金屑不被空氣氧化.

開啟擠壓機,鎂合金屑進入擠壓機殼體,在壓料螺旋桿的推動下向擠壓機殼體出料口運動,用電加熱器環繞在擠壓機外壁,并采用梯度加熱的方法,通過逐漸升溫對鎂合金屑加熱.在這個過程中擠壓機殼體內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,材料內部晶體會細小致密成球形.關閉出口處閥門,使模具內半熔狀的鎂合金獲得背壓,半熔態的鎂合金進入圓管狀型腔后,型腔內的保護氣從排氣孔排出,排氣孔布置在型腔的首尾兩端.與此同時,型腔保溫裝置調節型腔內的溫度,使其維持在350～400 ℃左右.

然后開啟出口處閥門,鎂合金管進入冷卻裝置,冷卻至200～300 ℃.經過冷卻裝置后,鎂合金管被切割部件切縫剖開,擴縫部件將切縫擴展加寬,展平滾輪組將經擴縫部件的鎂合金管攤開展平成鎂合金板坯,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,同步沖壓裝置將經整壓成型的鎂合金板裁剪成定制的鎂合金板材,包裝運送裝置將鎂合金板材封裝運送到倉庫保存.上述展平、同步整壓以及同步沖壓的加工過程也應當在設定的溫度下進行,保證鎂合金板不易開裂.同步沖壓裝置和包裝運送裝置可以選用軋板行業內的通用設備.

1—進料筒;2—進料閥門;3—Ar保護輸送裝置;4—擠壓機殼體;5—壓料螺旋桿;6—環形加熱器;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—擴縫部件:15—展平滾輪組;16—同步整壓裝置;17—調壓部件;18—調壓螺栓;19—氣體冷卻通道.圖4　半熔擠壓法制備鎂合金板生產線示意圖Fig.4　Schematic of the production line of using semi-molten extrusion to prepared Mg alloy sheet

為了提高生產效率,避免人為誤操作帶來的損失,這一生產線引入了一套電子智能控制系統.電子智能控制系統包括PLC控制器、溫度傳感器、壓力傳感器和速度傳感器,它們分別將監測得到的半熔態鎂合金屑的溫度信號、壓力信號和傳送速度信號傳送給PLC控制器,這樣PLC控制器就可根據得到的溫度、壓力和速度信號以及預先設定的要求,自動調整加熱器、壓料螺旋桿和同步整壓裝置的工作狀態.

為了便于調節管狀型腔內的壓力,這一生產線在模具體內設置調壓部件.通過調壓部件來調整管狀型腔內半熔態鎂合金的背壓,使型腔內成形的鎂合金管不會出現材料疏松.為了使型腔內鎂合金管坯快速冷卻到設定的保持溫度,生產線在模具出口處的中心軸向位置設置氣體冷卻通道,冷卻氣體可以通過該通道帶走管狀型腔內的多余熱量.

3　結　論

采用半熔擠壓法制備鎂合金板的生產線及其工藝相比傳統的“鎂錠熱軋”和“無錠軋制”鎂合金板生產工藝,具有設備和工藝簡單可靠、能耗低、成品率高、廢料少和生產成本低的顯著優勢,是經濟意義很大的鎂合金板生產工藝的改革.該項目于2012年10月申請國家實用新型專利和國家發明專利,2013年6月該生產線已獲得國家實用新型專利授權[5],2015年6月該生產工藝又獲得國家發明專利授權[6].目前該項目的螺桿式半熔擠壓機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線進展順利則將能取得較好的成績.預期這一新生產技術將會對鎂合金板行業帶來較大的促進.

[1]中國有色金屬工業協會.中國有色金屬工業年鑒2012[M].北京:中國有色金屬協會,2012.

[2]張頌陽.半固態鎂合金鑄軋成形技術[M].北京:冶金工業出版社,2008.

[3]張玉龍,張永俠.塑料擠出成型工藝與實例[M].北京:化學工業出版社,2011.

[4]王開坤.鋁鎂合金半固態成形理論與工藝技術[M].北京:機械工業出版社,2011.

[5]孫逸成,張無量,唐爾偉.一種采用半熔擠壓法制備鎂合金板生產線:中國,CN201220527496.6[P].2012-10-15.

[6]孫逸成,張無量,唐爾偉.一種采用半熔擠壓法制備鎂合金板生產線及其工藝:中國,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,高級工程師. 主要從事液壓機電項目等方面的研究. E-mail: tew130128@163.com

TG 146.2

A