（农业水土工程专业论文）喷灌用镁合金薄壁管成形技术研究.pdf

喷灌用镁合金薄壁管成形技术研究 摘要 本论文对我国水资源十分紧缺状况进行了分析，得出农田灌溉必须 走节水、高效之路。喷灌是一种先进的节水灌溉方式，而管道式喷灌一 直是喷灌设备的主流，从最初的薄壁钢管到后来的薄壁铝管，至今延续 了三十多年。由于铝合金管道价格较贵，亩投资大，一直制约着我国喷 灌事业的发展，所以，利用我国镁的资源优势，开发高强度镁合金喷灌 管材，是当前我国喷灌发展的趋势。 为了生产镁合金喷灌管道，首先针对镁合金挤压模具进行了系统设 计。在分析了挤压模具的原理和结构基础上，解决了模具设计中的技术 难点：分流孔几何形状和空间尺寸；分流桥的强度及过度曲线面；焊合 室的空间尺寸及镁合金流向过度面；阴、阳模的工作带的几何尺寸。经 过多次设计和修改，设计出镁合金挤压模具，该模具能够生产出合格的 镁合金喷灌管道。 其次对各种镁合金成分和特点进行了分析并对影响镁合金塑性变形 理论进行了探讨，同时对温度与应变，应力与应变，强度、延伸率与应 变，挤压比与力学性能等进行了试验。在以上试验的基础上，选择m b 2 镁合金在1 2 5 0 吨卧式挤压机上进行挤压试验。通过试验得到主要工艺参 数：镁棒预热温度为5 4 8 - 6 9 8 k 、模具预热温度5 3 0 6 7 3 k 、挤压筒温度 5 7 3 - - 7 2 3 k 、挤压速度0 0 6 7 - 0 0 8 3 m s 。及挤压比4 0 - 6 0 。 最后，对m b 2 镁合金喷灌管道进行了后期防腐处理，在考虑成本和 满足环保要求的前提下，经过多次试验、分析和检测，确定了化学溶液 的酸度、浓度、钝化时间及温度以及聚脂粉体涂料和铝粉的添加量。 对研制成功的三种镁合金管道进行酸、碱耐腐蚀试验、力学性能测 试，检测结果表明研制的镁合金管道在耐腐蚀和力学性能等方面完全满 足喷灌的实际要求。而且重量比铝合金管道轻3 0 ，成本低1 6 。 关键词喷灌，镁合金管道，模具，挤压试验，参数，防腐处理 r e s e a r c ho nt h es h a p i n go fm b 2m a g n e s i u ma l l o yp i p e i ns p d n k l e ri r r i g a t i o n a b s t r a c t f a r m l a n di r r i g a t i o nh a st os a v ew a t e r b a s eo na n a l y s i n gt h ec o n d i t i o n t h a tw a t e rr e c o u r s ei si ns h o r t s p r i n k l e ri r r i g a t i o ni so n ek i n do fa d v a n c e d s a v i n gt e c h n o l o g y s p r i n k l e ri r r i g a t i o no fp i p e l i n ei sa l w a y sm a j o re q u i p m e n t f o r3 0y e a r sf r o mt h es t e e lt u b et ot h ea l u m i n i u ma l l o yp i p e t h ea l u m i n i u m a l l o yp i p er e s t r i c t e sd e v e l o p m e n to fs p r i n k l e ri r r i g a t i o n ，b e c a u s ei t sp r i c e i sh i g h 抛k eu s eo fo u rc o u n t r ym a g n e s i u ma d v a n t a g e si nn a t u r a lr e s o u r c e s t od e v e l o p m e n tm a g n e s i u ma l l o yp i p ei st h et r e n d f i r s tw ew i l ld e s i g nt h ee x t r u s i o nm o u l do fm a g n e s i u ma l l o yp i p e t e c h n o l o g yd i f f i c u l tp o i n t e si nm o u l di n c l u d es t r e n g t ho fd i f f l u e n c eb r i d g ea n d e x c e s s i v ec u r v e ，a n dd i m e n s i o no fs e a mr o o m ，a n dd i m e n s i o no f w o r kb e l t t h e e x t r u s i o nm o u l do fm a g n e s i u ma l l o yh a sb e e nr e v i s ea n dp e r f e c tf o rm a n yt i m e s s e c o n d ，v a r i o u sm a g n e s i u ma l l o yc o m p o n e n ta n dc h a r a c t e r i s t i ca r ea n a l y s e d , t h et h e o r yt h a ti ta f f e c t sw a r m i n gf o r g i n go ft h em a g n e s i u ma l l o yp i p eh a s b e e nd i s c u s s a tt h es a m et i m e ，t e m p e r a t u r e - s t r a i n ，s t r e s s s t r a i n ， s t r e n g t h a n de x t e n d s t r e s s ，e x t r u s i o nr a t i oa n dt e n s i l es t r e n g t hh a v eb e e n t e s t e x t r u s i o ne x p e r i m e n tw a sc a r r i e dw i t ht h e 惦2o n1 2 5 0t o ne x t r u d e r m a i n c r a f tp a r a m e t e r ：t h em a g n e s i u ms t i c kt e m p e r a t u r ei sa t5 4 击9 8 k ，m o u l d t e m p e r a t u r ea t5 3 0 与7 3 k ，e x t r u s i o nt u b et e m p e r a t u r ea t5 7 3 7 2 3 k ，e x t r u s i o n s p e e da t0 0 6 7 0 0 8 3 m s 1 ，e x t r u s i o nr a t i oa t4 0 - 扁0 0 f i n a l ，u s i n ga d v a n c e ds u r f a c ea n t i c o r r o s i o np r o c e s s i n gc r a f t ，a sc o m p a r e d t oa l u m i n u ma l l o yp i p e s ，t h em a g n e s i u mm e t a la l l o yp i p e sh a v et h eg o o d m e c h a n i c sf u n c t i o na n dt h em a c h i n ef u n c t i o na n da n t i c o r r o s i o nf u n c t i o n ，i t s a t i s f i e ds p r i n k l e re n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：s p r i n k l e ri r r i g a t i o n ，m a g n e s i u ma l l o yp i p e ，m o u l d ，e x t r u s i o n e x p e r i m e n t ，c r a f tp a r a m e t e r ，a n t i c o r r o s i o np r o c e s s i n g 3 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学 术规范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包含其他人 或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北水利水电学院或其它 教育机构的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后 果由本人承担。 学位论文作者签名：枇 签字日期：跏口7 支心 保证人( 导师) 签名： 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。特授权华 北水利水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数据库提供 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文原件或复印件和电子文档。( 涉密的学 位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：j 孳；，4 粉 导师签名； 签字日期：如口7 、s ，l t 签字日期：叼厂ti ， 华北水利水电学院硕士学位论文 1 1 选题的理论意义 1 绪论 我国是世界上1 3 个贫水国家之一，人均水资源占有量仅2 3 0 0 m ，不足世界人均 水平的1 4 ，居世界第1 0 9 位；每公顷平均水资源占有量2 7 0 0 0 m 3 ，只有世界平均水 平的2 3 。另外，我国水资源在时空上分布不均，南多北少，东多西少，夏秋多，冬 春少，农业的季节性、区域性干旱缺水问题十分突出。部分地区地表水资源不足导致 地下水过度开采，全国区域性地下水降落漏斗面积己达8 2 万k m 2 ，地下水位大幅度 下降，不仅造成井泵报废，而且导致生态环境恶化，影响到经济的持续发展和社会稳 定。我国北方以地下水为主要水源的灌区表现的优为明显，辽宁、河北及山东三省的 沿海地区有8 个地市、2 9 个县、1 1 2 个乡镇出现海水入侵问题，报废机井8 0 0 0 多眼， 减少灌溉面积6 0 多万亩，年减产粮食2 亿多公斤，工农业损失达3 6 亿元以上。按 现状用水量统计，全国中等干旱年缺水量3 5 8 亿m 3 ，其中农业灌溉缺水3 0 0 亿一。水 资源的短缺已成为制约国民经济和社会发展的瓶颈“一。 人口、资源、环境的可持续发展是当今世界面临的重大问题氇町，我国水资源十分 紧缺，其中农业用水量占总用水量的7 0 以上，灌溉水的利用率仅为4 3 左右，与发 达国家的8 0 的利用率相差甚远嘲随着我国农业结构战略性调整和高效农业、现代 农业的发展，农业对水提出了更高的要求，充分利用水资源，提高水利用率已成为全 人类迫切需要解决的重要问题。喷灌是一种先进的节水灌溉方式，是我国目前和今后 段时间推广应用的主要节水灌溉方式之一旧，在许多国家得到成功应用与推广从 上世纪七十年代开始，我国一直致力于喷灌的研究、改进和开发。半固定喷灌是可广 泛应用于大田作物的节水灌溉技术，其中管道式喷灌一直是我国喷灌设备的主流，从 最初的薄壁钢管到后来的薄壁铝管和p e 管等。其中薄壁钢管由于加工缺陷、易腐蚀， 已很少使用，薄壁铝管尽管重量轻、耐用，是目前广泛使用的喷灌移动管道，但其生 产成本偏高。而通过减小壁厚降低成本的方法会严重减弱产品的刚度，造成质量下降 华北水利水电学院硕l 学位论文 因此，为了持续发展喷灌事业，需要不断地研制和完善新的喷灌设备，使之既能满足 刚度与强度的需要，又能降低系统成本，以便更好地满足生产实际中的需要。 我国镁资源储量世界第一，矿产资源占世界镁矿产的5 0 ，但是镁合金的应用开 发严重滞后，8 0 以上的镁都作为初级原料低价出口。同时镁合金是目前国内外重新 认识并积极开发的一种新型环保材料，重量轻，是铝的2 3 ；比强度、比钢度和可塑 性优于铝合金；镁及其合金是目前最轻的金属结构材料，具有密度低、比强度和比刚 度、阻尼减震性好、导热性好、电磁屏蔽效果佳、枫加工性能优良、零件尺寸稳定、 易回收等优点，在航空、航天、汽车、计算机、电子、通讯和家电等行业已有多年的 应用历史。尽管如此，由于受材料、设备、加工技术、抗腐蚀性能以及价格等因素的 制约，镁合金尤其是变形镁合金的应用量仍远远落后于钢铁和铝合金。 大多数镁合金具有密摔六方结构，人们一直认为镁合金是一种难以塑性变形、压 力加工成形性能差的金属材料啊同时，大多数镁合金又具有较好的铸造性能，所以 使得目前镁合金产品以铸件，特别是压铸件居多，塑性加工产品极少。然而铸件的力 学性能不够理想，产品形状尺寸存在一定的局限性且容易产生组织缺陷，导致镁合金 的使用性能和应用范围受到很大限制啊由于变形镁合金具有更高的强度、更好的塑 性和更多样化的规格，在汽车、电子、电器、航空、航天等领域有着十分广阔的应用 前景，近年来，工业发达国家对变形镁合金的研究与开发十分重视，合金牌号和产品 规格已开始向系列化和标准化方向发展，变形镁合金的研究已成为世界镁工业发展中 的重要方向，并已经取得了很多重要的成果。 虽然管道式喷灌在国民经济中曾发挥了积极的作用，但是由于价格较贵，亩投资 大，一直制约着我国喷灌事业的发展；所以，利用我国自然资源优势，开发高强度镁 合金喷灌管材及管件，是当前我国喷灌发展的趋势。 1 2 相关研究现状 1 2 1 国内外喷灌发展现状 从上世纪七十年代开始，我国一直致力于喷灌的研究、改进和开发，先后有单喷 2 华北水利水电学院硕士学位论文 头小型机组、多喷头小型机组、大型喷灌机组、卷盘式喷灌机组及管道式喷灌相继问 世；其中管道式喷灌又分为固定式、半固定式及全移动式，而且直到现在，管道式喷 灌一直是我国喷灌设备的主流，从最初的薄壁钢管到后来的薄壁铝管，至今延续了三 十多年；时至今日，大型喷灌机组、卷盘式喷灌机组几乎都是进口产品，外国公司代 理占据着这两种机型国内大部分市场；八十年代中期，我国曾引进奥地利鲍尔公司薄 壁钢管、薄壁铝管及喷头三条生产线，但由于众多原因，薄壁钢管和薄壁铝管生产线 在试产初期就下马了，只有喷头生产线形成了生产能力，直到九五末期一直为我国喷 灌事业发挥着积极的作用 当前世界主要发达国家重点致力于喷头的改进及研究开发，发展趋势是向多功能、 节能、低压方向发展；其次是微滴灌的研究，近年来有着强劲的发展势头，如美国的 雨鸟公司、托罗公司、尼尔森等公司的产品，近年来也相继进入了中国市场，但基于 我国农业产业结构与发达国家的差异及经济基础的差异，在相当长一个时期还不能适 应我国的国情，所以，这几家公司每年在国内的销售总额一直维持在一千万元人民币 以下。 1 2 2 国内镁合金发展现状 经过两年多的努力，我国己初步形成镁合金高新技术产业。镁合金开发应用及 产业化”是科技部。十五”国家科技攻关重大项目之一，最终目标是充分发挥我国的 镁资源优势，通过技术集成创新与体制创新，加强镁合金应用开发，建立具有国际竞 争力的镁合金高新技术产业群，将镁资源优势转化为经济优势全国共有2 1 个省、 自治区、直辖市及计划单列市的4 个研究院所、7 所高校、2 0 多家企业直接参与了项 目实施。目前已初步建立了从镁合金前沿高科技研发到产业化技术开发的技术研发体 系，突破了一批前沿核心技术和产业化关键技术，并培育组建了十几家有关镁合金及 制品的股份制公司，建立了一批镁合金产业化基地该项目已申请有关专利3 3 项， 其中发明专利1 5 项；启动了镁合金标准体系建设工作，并已完成一批标准的制定。 华北水利水电学院硕士学位论文 1 2 3 国外镁合金发展现状 镁合金材料的应用开始于1 8 0 8 年，最早是用在航空工业，后来延伸到汽车工业 的零件铸造上，目前逐步扩大到航空及汽车工业以外的其他产业上面。镁合金是实际 应用中最轻的金属结构材料，具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼减震性好、导热 性好、机加工性能优良、零件尺寸稳定、易回收等优点，在航空、航天、汽车、计算 机、电子、通讯和家电等行业已有多年应用的历史啪尽管如此，由于受材料制备、 加工技术、抗腐蚀性能等因素的制约，镁合金尤其是变形镁合金的应用量仍远远落后 于钢铁和铝合金。在材料领域里还没有任何材料像镁那样，其发展潜力和实际应用现 状之间存在如此大的差距，其主要原因是镁没有找到巨大的应用市场。 从2 0 世纪8 0 年代以来，国外致力于利用炭来提高镁合金的高温抗拉强度和蠕变 性能。最近美国开发的z a c 8 5 0 6 ( m g 一8 z n 一5 a l m 6 c a ) ，以及加拿大研究的 m g 一5 a i - 0 8 c a 等镁合金，其抗拉强度和蠕变性能都较好。2 0 0 1 年，日本东北大学井 上明久等采用快速凝固法制成的具有1 0 0 - 2 0 0 n m 品粒尺寸的高强镁合金，其强度为超 级铝合金的3 倍，还具有超塑性、高耐热性和高耐蚀性。日本1 9 9 9 年开发出超高强 度的i mm g - y 系交形镁合金材料，以及可以冷压加工的镁会金板材。英国开发出 m g - a i b 挤压镁合金，用于m a g n o x 核反应堆燃料罐。以色列最近也研制出用于航天 飞行器上的兼具优良力学性能和耐蚀性能的变形镁合金，法国和饿罗斯开发了鱼雷动 力源变形镁合金阳极薄板材料。 镁合金应用主要集中在北美，从1 9 8 0 年代中叶至9 0 年代初，促使北美镁合金需 求增长的原因在于各种引擎零件、车体零件、内装零件纷纷改用轻量化材料。研究人 员开始展开镁的研究，并克服腐蚀、可燃性、成本等各项问题。而全球其他地区亦密 切注意其发展。8 0 年代末至9 0 年代初，欧洲与日本已开始镁合金零件开发。全球镁 压铸品的应用已由1 9 9 1 年的约2 4 万吨提高至1 9 9 8 年的7 1 万吨，在增加的部份有 8 0 9 6 以上用在汽车零部件上。 虽然近几年压铸镁合金有了快速增长，主要是汽车部门的需求扩大为最大的原 因。为了降低燃油费，汽车轻量化成为主要的推动力，同畴也因对耐碰创性能以及零 件轻量化等要求之故。主要作为铝合金添加材使用的轻金属，从1 9 9 0 年开始用在压 4 华北水利水电学院硕士学位论文 铸方面，市场占有率达5 0 ，现已成为镁合金的最大应用方面。作为镁舍金材料用 的镁在过去1 5 年年增长率达3 左右，2 0 0 2 年产量为1 6 5 万吨。随着镁合金加工 技术的日益成熟，镁合金的应用将更加广泛。 1 ，2 4 变形镁合金的研究进展 镁合金与铝合金相比，研究和发展还很不充分，应用也很有限。目前，镁合金 的产量只有铝合金的1 。镁合金可以分为铸造镁合金和变形镁合金，变形镁合金的 研究开发严重滞后，不能适应不同应用场合的要求，镁合金结构件一般都是压铸件， 现在镁合金的9 8 为压铸件嘲虽然目前铸造镁合金产品用量大于变形镁合金，但经 变形加工的镁合金可以获得更高的强度，更好的延展性及更多样化的力学性能，可以 满足不同场合或行业的使用要求，因此，开发变形镁合金是长远发展的趋势“町。 近几年，变形镁合金的研究呈现迅速发展的趋势，国外有关镁合金的研究文献 从2 0 0 0 年开始急剧增加，直至今日仍然快速增长。在1 9 9 9 年之前r o z a k ga 【l ”，h i l p e r m i l 4 ，m y a g c h i l o vs “”，w a t a n a b eh 【i ”等人研究了稀土元素对镁合金锻造性能的影响， 并对镁合金的多工步精密锻造成形技术进行了研究，制定出合理的锻造变形温度；在 二次成形方面，集中在轧制板材的冲压成形，同时对镁合金板材的冲压成形性能进行 了大量的试验研究；对镁合金的旋压成形也进行了初步研究；另外，在织构、形变热 处理和表面处理对材料的力学性能和成形性能的影响方面也进行了一定的研究。 2 0 0 0 年n a v emd “o ，l e eyc “”等人的研究主要集中在镁合金的力学性能和成 形性能，主要研究内容包括热处理工艺、成形温度变形速度、模具圆弧半径、润滑 剂等对成形性能的影响。同时，还研究了镁合金的等温精锻工艺、拉深模具的表面处 理、冷弯曲性能、板材的成形极限、退火处理工艺等实用技术以及管材的弯曲等。此 外，对细晶镁合金的伸长率与变形速率的关系、低温成形和高速高温成形也进行了研 究。 到2 0 0 1 年，k a l i d i n d isr 【l ”，y o s h i d ay “”等人对变形镁合金实用技术方面的 研究开始增多，在轧制、挤压、锻造等技术的开发方面取得了一定成果。在薄壁件的 锻造，型材、管材、板材的挤压，线材生产控制，织构的控制以及二次加工，如板、 ， 华北水利水电学院硕上学位论文 管的弯曲，剪切加工，翻孔成形，胀形成形，旋压成形，差温拉深等方面展开了研究、 同时，还开展了应变硬化指数、塑性应变比的影响因素、晶粒细化和织构对镁合金性 能的影响等基础性研究工作。另外，对各向异性与温度的关系、常温成形性能、温拉 探工艺、有限元分析等进行了研究。 在2 0 0 2 年，s h y o n gl e e “”，o g a w an 啪1 对变形镁合金主要是镁合金锻造性能，挤 压工艺，挤压型材组织与性能；单辊驱动轧制镁合金板材的织构、组织与性能，方形 件冲压，等径角挤压( e c a e ) ；制备微晶材料，圆管成形、气胀成形，温加工拉深和 m n 及其化合物对成形的影响等。 2 0 0 3 年嘶删，有关变形镁合金的研究论文急剧增加，对镁合金塑性加工技术展 开了全面的研究，主要内容有成形速度对锻造的影响，管材的分流挤压工艺，挤压工 艺对挤压制品组织与性能的影响，轧制对镁合金组织和性能的影响以及单辊驱动轧制 和叠层轧制，深拉深成形，差温拉深，弯曲成形等。 到2 0 0 4 降蚓年在各个方面对变形镁合金展开了一系列的研究，主要包括多轴锻 造，锻造镁合金的组织与性能，挤压成形极限图，挤压材组织、性能，丝材的拉拔。 轧制工艺对板材性能的影响，异步轧制对镁合金织构、力学性能、成形性能的影响。 非等温拉深等。并且对镁合金的动态再结晶和二次加工以及交形镁合金在汽车上的应 用进行了一些研究。此外，对镁合金回收的研究也取得一定的进展，开发了切屑挤压 固态回收技术。 我国在变形镁合金的研制和开发领域仍处于起步阶段，商业化的变形镁合金产 品则更少。经过两年多的努力，我国已初步形成镁合金高新技术产业。“镁合金歹i ：发 应用及产业化”是科技部。十五”国家科技攻关重大项目之一，最终目标是充分发挥 我国的镁资源优势，通过技术集成创新与体制创新，加强镁合金应用开发，建立具有 国际竞争力的镁合金高新技术产业群，将镁资源优势转化为经济优势。镁合金管按生 产工艺可分为拉拔工艺、焊接工艺、挤压工艺。采用挤压工艺加工的管材降低了原材 料消耗、工艺流程短，生产成本低，力学性能好、晶粒组织更加致密，有利于产品的 推广应用。国内对镁合金挤压工艺进行了一定的研究，例如：张青来嘲等人采用分流 挤压方法制备出用于自行车三角架的镁合金管；李良福啪开发的镁合金管热挤压新工 艺；黄光胜嘲等人研究的a z 3 1 b 镁合金挤压工艺；于翔等人研究了挤压变形对m b l 5 6 华北水利水电学院硕士学位论文 镁合金组织和性能的影响；王忠堂m 。1 等人对镁合金管挤压工艺及组织性能进行了研 究。以上研究和实验大多处于理论探索及样品阶段，没有形成产品和规模化生产。最 近几年国内外对镁合金管进行了大量的研究，但目前仍存在大量的问题，尚未从根本 上解决镁合金管的塑性成形、抗腐蚀性以及生产成本、效率等问题，同时有关镁合金 管的研究主要集中在汽车、摩托车和自行车等方面，而且研制的镁合金管管径较小、 管壁较厚，难以满足喷灌管道使用。对喷灌用镁合金薄壁管( 由5 0 m ) 的模具设计、 挤压过程中各种参数选择以及防腐处理等未见相关文献报道。 1 2 5 变形镁合金加工技术 大多数镁合金具有密捧六方结构，人们一直认为镁合金是一种难以塑性变形、压 力加工成形性能差的金属材料。同时，大多数镁合金又具有较好的铸造性能。所以使 得目前镁合金产品以铸件，特别是压铸件居多，塑性加工产品极少。然而铸件的力学 性能不够理想，产品形状尺寸存在一定的局限性且容易产生组织缺陷，导致镁合金的 使用性能和应用范围受到很大限制。图1 - 1 为镁合金成形技术发展状况示意图，与目 前较成熟的镁合金铸造技术相比，镁合金的锻造、挤压、轧制、拉拔、冲压等塑性加 工技术发展则相对缓慢，原因：( 1 ) 镁合金的塑性变形能力较差，传统加工工艺难以 解决；( 2 ) 对镁合金的变形特点和规律缺乏必要的理论知识；( 3 ) 变形镁合金的成本 相对较高【h 。 产业化时阃 图1 - 1 镁合金成形技术发展状况 f i g1 - 1d e v e l o p m e n tp r o c e s s e so f m a g n e s i u ma l l o yt e c h n o l o g y ， 华北水利水电学院硕：学位论文 变形镁合金塑性加工主要包括锻造、挤压、轧制、拉拔成形、冲压成形和超塑性 成形。每种加工方法都有各自的优缺点和使用范围。 ( 1 ) 锻造 镁合金在锻造过程中容易出现局部不均匀变形，使锻造的部件内部结构不均，各 部分力学性能有差异，并且会减低模具使用时间。影响锻造质量的因素有变形程度， 变形速度，加工温度等。在锻造技术方面，目前发展了冲锻成形、等温锻造以及等温 精锻等技术啊。 ( 2 ) 挤压 挤压加工技术不同于其他加工方法，其变形过程是在接近密封的专用模具内进 行，材料在变形中承受很大的压力，在压力作用下，改变了材料的内部织构，从新捧 列了分子，有利于消除原材料的气孔、疏散孔，提高了成品的力学性能。镁合金挤压 工艺的温度应在2 0 0 ( 2 以上，应变在o 4 0 6 之间，应变速率不能过大；同时还应考 虑模具的形式、挤压机吨位、挤压筒大小、挤压速度等对成品的影响。 ( 3 ) 轧制 轧制工艺一般应用在板材加工上，和其他加工方法一样需要在较高的温度下进 行。一方面有利于提高镁合金的力学性能，减少加工难度：另一方面防止板材出现裂 纹、气泡，不均匀变形。 ( 4 ) 冲压成形 目前，镁合金板材冲压成形工艺中，研究较多的是拉伸成形工艺，板材的拉伸性 能与合金成分、组织、屈强比、加工硬化指数和拉伸温度等有关1 7 1 ，加工工艺研究的 资料较多，实际应用的较少。 1 3 课题研究内容及技术路线 1 3 1 主要研究内容 喷灌用镁合金薄壁管成形技术研究内容主要为：首先分析变形镁合金的分类、特 点和耐腐蚀性，选择喷灌用镁合金的成分；其次针对镁合金挤压模具设计原则和特点， 华北水利水电学院硕士学位论文 设计出喷灌镁合金管道挤压模具；通过挤压试验对比确定成形工艺参数；然后对喷灌 镁合金管道进行防腐处理，并进行力学和腐蚀试验。 1 3 2 研究的技术路线 本课题主要采用理论与实践、研制与应用考核相结合的方法，并聘请国内知名专 家参与课题的技术咨询，然后制定方案，审核产品设计，进行合金成分筛选、模具优 化设计，挤压参数组合试验、防腐试验、力学和水力性能试验。在试验结果满足喷灌 管道的要求后对产品进行生产实际考核，通过考核不断发现问题，完善产品设计技 术路线见图卜2 。 图1 - 2 镁合金管道挤压技术路线 f i g1 - 2 e x t r u s i o np r o c e s s e so f m a g n e s i u m 9 华北水利承电学院硕士学位论文 2 挤压模具设计 挤压是指对放在挤压筒中的镁棒的端施加压力，使之通过模孔以实现塑性变形 的一种压力加工方法。挤压工艺能够使金属具有更为强烈的三向压应力状态，可有效 细化镁合金的晶粒组织，提高合金的强度和塑性；此外，挤压工艺具有较大的灵活性， 操作方便，产品的尺寸精度高，表面质量好吃“”。在铝合金挤压模具的基础上，对 镁合金挤压模具进行设计，挤压喷灌用镁合金管。在挤压过程中管能否成形，壁厚均 匀度、圆度、直度与模具至关重要，也是镁合金管道生产中难度较大的环节。镁合金 挤压模和铝合金挤压模的结构基本相同，空心断面采用分流模具，挤压材料在分流孔 中分离，在焊合室中焊合。模具设计要解决的技术难点：分流孔几何形状和空间尺寸； 分流桥的强度及过度曲线面；焊合室的空间尺寸及镁合金流向过度面；阴、阳模的工 作带的几何尺寸。经过多次改进设计、试验，才能确定模具形状和尺寸等技术参数。 2 1 原理和结构 分流模的工作原理是采用实心镁锭，在挤压力作用下，金属被分流孔分成几股金 属流，汇集在焊合室，在高温、高压条件下从新焊合，最后通过模芯和模孔的间隙流 出，形成设计要求的产品。分流模主要由阳模、阴模、定位销、连接螺钉等4 部分组 成。阳模上有分流孔、分流桥、工作带和模芯等，分流孔是金属通往型孔的通道，分 流桥是支撑模芯的支架，而模芯是为了确定型材的形状和尺寸。在阴模上有焊合室、 模孔、工作带等。挤压材料在分流孔中分离，在焊合室中焊合“1 ，工作带用来确定 型材的外部尺寸及调节金属的流速。定位销用来进行阴、阳模装配定位，连接螺钉将 阴、阳模结合在一起。 1 0 华北水利水电学院硕士学位论文 2 2 可行性分析 分流模的结构直接影响挤压工艺生产效果，同时挤压工艺条件也制约着模具结构 参数。根据不同的设计标准，得出合理的结构参数( 模具外径) 和工艺参数( 挤压比) ， 是进行模具设计的前提条件。 挤压比是挤压筒的截面积和管材截面积乘以模孔数之比值，它的大小直接影响挤 压力的大小、型材成形和焊缝的质量。在保证模具强度的条件下，小的挤压比能够降 低挤压力，提高挤压效率；挤压比过小，将导致金属流不能很好焊合。随着挤压比的 增大，变形阻力也增大，将能提高焊缝质量，但对模具的损耗也增大，降低模具寿命， 生产效率也随之减小。对于分流模挤压比 一般取4 0 7 0 之闯。当型材的直径小于或 等于挤压筒直径1 1 1 2 倍的情况下都是可行的。 2 3 分流模尺寸分析计算 2 3 1 模孔尺寸计算 影响模孔尺寸的因素包括成品的热膨胀系数、模具的挠度、尺寸公差、拉伸矫直 余量等其中成品热胀冷缩和拉伸矫直余量是需要考虑的主要因素，所以，设计中往 往只考虑线( 热) 膨胀系数及拉伸矫直的修正系数伽。挤压圆管时，多采用单孔圆柱 形模芯，模孔尺寸由式( 2 - 1 ) 、( 2 - 2 ) 及( 2 3 ) 确定： r占=rf(1+k)(2-i) 式中rg 模芯直径( r a m ) r r 管材外径( 嘲) k 一线( 热) 膨胀系数，一般取值0 0 1 t 0 0 2 b ：b + ( 2 2 ) 式中b 模孔壁厚尺寸( 衄) b o _ 型材壁厚外形名义尺寸( 咖) a 一型材壁厚的正偏差( 啪) ，b 。3 时，a = o 1 # b 。3 时，= 0 2 华北水利水电学院硕：t 学位论文 r i = r 苍- 2 糨o ( 2 3 ) 经计算三种规格管材模孔尺寸见表2 - 1 。 表2 1 三种规格管材模孔尺寸 f i g2 - 1d i m e n s i o no fm o d e lh o l ef o rt h em a g n e s i u ma l l o yp i p e 管材直径m管材壁厚m阳模模芯直径咖模孔壁厚哪 阴模模腔直径 5 0 6 5 7 6 1 4 1 4 l 。4 5 1 6 6 3 7 7 5 2 3 2 分流孔设计 r a m 4 8 2 6 3 5 7 4 7 1 5 1 5 1 5 ( 1 ) 形状、数目及分布嘲 分流孔的最终目的是使金属流动均匀和稳定，并使模面压力不会过大，增加模具 的使用时间和寿命。分流孔的形状有圆形、腰形、扇形和异形等。分流孔形状、分布 的选择，应能使金属流动均匀为原则。一般情况下，分流孔数目要尽量少，以减少焊 合缝；同时也能增大分流孔的面积，降低挤压力。分流孔形状的选择，主要的原则就 是“仿形”，即分流孔的形状模仿该孔下的型材的形状。其次，在保证模具强度的前 提下，使分流孔的面积尽量大。因此一般选用扇形分流孔。 分流孔常见的有2 孔、3 孔、4 孔和5 孔。分流孔的数目要根据制品的外形尺寸、 断面形状、模孔的排列位置等来确定。小直径管材多采用3 - 4 个圆形的或2 - 3 个扇形 的分流孔；大直径管材多采用2 3 个扇形的分流孔。分流孔的布置应尽量均匀对称， 并应把分流桥置于型材的非装饰面上。模孔最好不要暴露在分流孔下。根据镁合金的 塑性成形特点分流孔选择4 个扇形孔对称布置。 ( 2 ) 分流孔外圆直径和截面积 分流孔面积大小很大程度上受制于分流孔的外圆直径。一般分流孔的面积越大越 好，但分流孔的外圆距离挤压筒边缘要有适当的距离，因为这样可以使铸锭表面的杂 质、油污及氧化皮脱落后留在挤压残料中，从而提高表面质量。分流孔面积大小还要 1 2 华北水利水电学院硕士学位论文 与充填区域成正比。如果分流孔大小设计不当，会造成各部分挤出速度不同，从而出 现扭曲，弯曲、平面间隙差等缺陷。分流孔的外圆直径为嘲； d 拜( o 8 5 - - 0 9 ) r - ( 2 4 ) 对于对称性较好的空心制品来说，当分流孔的中心圆直径大约等于0 7 r # 时，金 属流动较为均匀，挤压力最小，模具强度较高，分流孔外圆直径为1 1 7 岫。 分流孔的面积取决于分流比k 的选择“珂： x ：进( 2 5 ) j 趋 式中fa 一单个分流孔面积 f 广型材截面积 对于管材，k 取1 0 - 2 0 ，分流比k 值越大，越有利于金属的流动，有利于制品成 形和提高焊合质量，也可减小挤压力。因此在模具强度允许的范围内应尽量选取较大 的k 值经计算单个分流孔的面积见表2 _ 2 表2 - 2单个分流孔的面积 f i g 2 - 2t h ea r e ao fo n ed i f f l u e n c eh o l e 2 3 3 焊合室的设计 焊合室是金属聚集并焊合的地方，常用焊合室的截面形状有圆形和蝶形两种。当 采用圆形焊合室时，在两分流孔间会产生一个十分明显的死区，不仅增大挤压力，而 且会影响焊合质量。蝶形焊合室有利于消除这种死区，提高焊缝的质量。 一般情况下，焊合室高度应大于分流桥的一半，对于中小型挤压机，焊合室的高 度可取1 ( y , - 2 0 m 或等于管壁厚度的6 - 1 0 倍，在很多情况下，可根据挤压简的直径来 确定焊合室的高度在实际生产中，对于由9 缸1 3 0 咖的挤压筒，取h * = 1 0 - 1 5 r a m 。 华北水利水电学院硕士学位论文 与充填区域成正比。如果分流孔大小设计不当，会造成各部分挤出速度不同，从而出 现扭曲，弯曲、平面间隙差等缺陷。分流孔的外圆直径为“”： dr ( o 8 5 - 4 ) 9 ) r - ( 2 4 ) 对于对称性较好的空心制品来说，当分流孔的中心圆直径大约等于o 7 r _ 时，金 属流动较为均匀，挤压力最小，模具强度较高，分流孔外圆直径为1 1 7 啪。 分流孔的面积取决于分流比k 的选择： x ：班( 2 - 5 ) 赡 式中f 务一单个分流孔面积 f 董一型材截面积 对于管材，k 取i o 一2 0 ，分流比k 值越大，越有利于金属的流动，有利于制品成 形和提高焊合质量，也可减小挤压力。因此在模具强度允许的范围内应尽量选取较大 的k 值。经计算单个分流孔的面积见表2 - 2 。 表2 - 2单个分流孔的面积 f i g 2 - 2 t h ea r e ao fo n ed i f f l u e n c eh o l e 2 3 3 焊合室的设计 焊合室是金属聚集并焊合的地方，常用焊合室的截面形状有圆形和蝶形两种。当 采用圆形焊合室时，在两分流孔间会产生一个十分明显的死区，不仅增大挤压力，而 且会影响焊合质量。蝶形焊合室有利于消除这种死区，提高焊缝的质量。 一般情况下，焊合室高度应大于分流桥的一半，对于中小型挤压机，焊合室的高 度可取1 眦o 呻或等于管壁厚度的融1 0 倍，在很多情况下，可根据挤压筒的直径来 确定焊合室的高度。在实际生产中，对于巾9 5 , - - 1 3 0 m m 的挤压筒，取h - = 1 0 , - - 1 5 m m 华北水利水电学院硕士学位论文 上阴模插入深度为1 0 啦，插入部分厚度为5m 。 2 4 分流模强度校核 分流模主要破坏形式为弯曲应力和剪切应力，分流桥宽2 0 咖，高6 5 砌，倾斜角 为3 0 。，桥底圆角取2 ，h 1 3 模具钢的允许应力o = 1 5 2 6 m p a 。 分流桥抗弯应力采用公式( 2 6 ) 嘲校核 舱b 压 治 h 分流桥高度珊 p 广挤压机最大比压 。广- 许用应力 嘞流桥宽度咖 经计算h - 6 5 2 0 焉- l l ，所以分流桥弯曲应力允许。 分流桥抗剪应力采用公式( 2 - 7 ) “町校核 f 墨( 2 7 ) ，世 t 一抗剪应力，t ：0 5 0b p 2 一挤压机公称压力 n 分流孔数目 f _ 单个分流桥的面积 经计算t = 0 5 x1 5 2 6 = 7 6 3m p a 3 0 0 4 8m p a ，所以分流桥抗剪应力适合。 2 5 分流模设计图 镁合金挤压模具( 图2 - i ) 和铝合金挤压模具的结构基本相同，空心断面采用4 孔分流，挤压筒直径为1 1 5 - 1 3 0 衄，分流桥进口处尺寸增大到1 4 1 7 m m ，焊合室的形 状为梅花型，轴向深度为1 3 - 1 7 m m 。镁合金材料在分流孔中分离，在焊合室中焊合。 l ， 华北水利水电学院硕士学位论文 图2 - i 摸具设计示意图 f i g 1 d e s i g nd r a w i n go f m o d e l 1 6 华北水利水电学院硕士学位论文 3 成形工艺研究 镁合金管的生产，按生产工艺可分为拉拔工艺、焊接工艺、挤压工艺。经调查研 究，查阅资料，分析、比较三种生产工艺的特点，并结合设备情况，确定采用挤压工 艺进行研制、生产。此工艺流程短，生产成本低，有利于产品的推广应用。挤压是指 对放在挤压筒中的镁棒的一端施加压力，使之通过模孔以实现塑性变形的一种压力加 工方法。挤压工艺能够使金属具有更为强烈的三向压应力状态，可有效细化镁合金的 晶粒组织，提高合金的强度和塑性；此外，挤压工艺具有较大的灵活性，操作方便， 产品的尺寸精度高，表面质量好。 3 1 镁合金成分分析与选择 3 1 1 镁合金分类 镁在金属中是电化学顺序最后一位，标准电位为- 2 3 6 3 v ，由于镁具有较大的原 子半径以及较强的负电性，大部分合金元素在镁中的固溶度很小，并且易与镁形成稳 定的金属间化合物，常见的合金元素有l i 、a l 、z n 、y 、n d 、a g 、z r 、m n 、t h 和c e 等1 0 种。 根据化学成分的不同分为镁一猛系、镁一铝一锌系、镁一锌锆系和镁锂系合金m ( 1 ) 镁一锰系合金：镁一锰变形合金，不可热处理强化，锰的作用是提高合金的耐腐 蚀性能，与铁生成锰铁化合物沉积在容体底部，从而消除了铁的有害影响。以锰为主 要合金的具有较高的耐腐蚀性能，没有应力腐蚀倾向，焊接性能良好，可制成各种规 格形状的半成品( 板、棒和锻件) ，主要应用在航空航天领域。 ( 2 ) 镁一铝一锌系合金：在应力下稍有腐蚀倾向，与船3 比，船2 的应力腐蚀性更小 合金元素铝的作用是使合金有较好的热处理强化效果，提高合金的室温性能；锌也能 提高合金强度，在含量适量时可改善合金的塑性该合金焊接性能良好，室温力学性 能优于淞8 ，可制成各种形状的部件。 1 7 ( 3 ) 镁一锌一锆系合金：有m b l 5 、m b 2 2 h e m b 2 5 三种牌号，由于工艺塑性低于中等 强度的船2 、m b 3 ，因此生产的品种限于挤压制品、锻件和模锻件。 ( 4 ) 镁一锂系合金：合金密度很低( 1 3 5 1 6 5 9 c m 3 ) ，也称超轻镁合金，该合金 的低温性能良好，但耐腐蚀性能特别是抗应力开裂性能随锂含量的增加而越来越差， 生产工艺复杂。 3 1 2 镁合金特性 重量轻，是铝的2 3 ，钢铁的l 4 ；比强度和比钢度均优于钢和铝合金；吸震性 好，有利于减震和降嗓；可回收性能好，符合环保要求；极好的切削加工性能；镁合 金与其它物体冲撞时，产生的印痕比铝和钢小等。镁合金与各种材料的物理性质比较 见表3 - l 。 表3 - 1各种材料的物理性质比较 t a b l e3 - 1c o m p a r i s o np h y s i c a lp r o p e r t yo fv a r i o u sm a t e r i a l 镁合金( a z 3 1 b ) 铝厶金( a 3 8 0 ) 钢 铁 b s 聚碳酸酯 3 1 3 耐腐蚀性能分析 镁合金耐碱性能较好，耐酸性能较差。冶金因素包括合金组元、杂质元素、相组 成和微结构。不同元素对镁合金的腐蚀性能影响不同，依据目前常用镁合金材料的合 金组元，一般分为3 类，如表3 2 所示。研究发现，不同化学元素对镁合金材料防腐 1 8 华北水利水电学院硕士学位论文 性能的影响差别较大，对腐蚀速度影响不大的元素有a 1 、m n 、n a 、s i 和z r ，对腐蚀 速度影响稍大的元素有z n 、c d 、c a 和a g ，对腐蚀速度影响较大的元素有n i 、f e 、c u 和c o 通过合金元素对镁合金腐蚀速度影响的分析，通常将第3 类元素的含量降低 到临界值以下，采用提高纯度的方法来增加耐腐蚀性。在熔化工艺过程中，采用气体 保护，减少溶剂用量，把合金中