材料加工与成型4

黄光胜材料加工与成型41、对镁常见的一些误解镁是易燃的金属。容易燃烧的是镁粉、镁丝和镁箔，镁制品、镁锭等在熔点之前不会燃烧。镁是易蚀金属。随着冶炼水平的提高，镁中杂质含量大大降低，其耐腐蚀性能等到提高，比部分铝合金的耐蚀性能还好。镁是稀缺的金属镁是难成形的金属镁是昂贵的金属。目前与铝相当，偶尔比铝低。3.3.3镁及镁合金概述2、镁资源全球镁资源十分丰富，镁在地壳中的含量为2.35%，总储量估计为100亿t以上。海水、天然盐湖水中还含有大量的镁。海水中的镁含量为0.14%，全世界海水中的含镁量估计为×1013kt。我国镁资源我国是世界上镁资源最为丰富的国家之一，镁资源矿石类型全，分布广，总储量占世界的22.5%，居世界第一。我国菱镁矿（MgCO３）资源丰富、质地优良，已探明菱镁矿储量34亿吨，占世界菱镁矿总储量的28.3%，居世界首位。白云石与盐湖镁盐含镁白云石资源储量达40亿吨以上。白云岩是以白云石（CaMg[CO3]2）为主要组份的碳酸盐岩，白云石含量约占95%，方解石含量小于5%。主要分布于山西、河南、湖南、湖北、广西、贵州、宁夏、吉林、青海、云南、四川等省区。重庆万盛盛产镁矿，其储量高达5亿吨，可采量达3亿吨。我国的盐湖镁盐主要分布于西藏自治区的北部和青海省。青海盐湖氯化镁32亿吨，硫酸镁16亿吨。镁盐储量占我国总储量的89.3%，其中卤水平均含氯化镁17.74%，高出海水海水氯化镁含量的几十倍。密度低、质量轻：镁的比重为1.74g/cm3，是铝的2/3，钢的1/4。因为其低的密度，采用镁合金可以减轻结构的重量，降低能源消耗，减少污染排放，增大运输机械的载重量和速度。阻尼性能、抗震性能好：即高的振动阻尼容量。高导热性、抗电磁干扰：镁合金的导热性能要优于常用的铝合金，此外，镁合金还具有很高的屏蔽电磁干扰的能力。在高温下具有较好的塑性，因而可以用压力加工的方法获得各种规格的棒材、管材、型材、锻件、模锻件和板材以及压铸件、冲压件等。3、镁合金特点镁合金特点具有优良的切削加工性能，其切削速度大大高于其它金属，具有较高的稳定性，铸件的铸造和加工尺寸精度较高。无毒、易机加工和可以回收再利用：镁及镁合金无毒，镁产品的使用不会造成环境污染。镁的熔化热比铝低很多，同体积镁的熔化热仅为铝的65%，因此回收镁合金比铝合金所消耗的能量低很多。由于镁合金的上述优点，使得镁合金在机械、电子、交通、仪表、体育器材及航天航空等领域具有很大的应用潜力，是极具应用前景的轻质金属，被誉为“21世纪的绿色结构工程材料”。面对依旧纷繁复杂的经济发展形势，2014年的中国镁工业可以用王朔的小说来概括：《一半是火焰，一半是海水》。火焰！那是因为金属镁的工艺技术在不断进步，应用领域也越来越宽广，汽车、航空、军工、高铁等领域开始大量应用镁合金，这给镁的推广应用打开了无限的想象空间。海水！那是因为涉镁企业尤其是原镁企业在超前投资，短贷长投中活得欲哭无泪，部分企业已经开始减产，甚至停产。由于镁产业规模迅速扩大，产能增长过快，我国原镁产能接近150万吨，据中国有色金属工业协会统计数据，2014年1~11月中国共生产原镁79.52万吨，近一半的产能闲置。预计2014年中国产原镁约84万吨，同比增长9.14%。4.我国镁业现状根据海关总署统计数据，预计2014年中国累计出口各类镁产品共42.93万吨，同比增长4.43%。据中国有色金属工业协会镁业分会统计数据，预计2014年中国镁消费40.07万吨。中国出口原生镁锭决不是方向，不能把污染留给自己，产品卖到国外，这不是健康发展的方向。涉镁企业开工率再次下降。超前投资带来的结果是镁工业市场量增价跌。2014年全年国内镁价呈震荡下跌走势，年均价14741.67元/吨，同比下跌8.29%。全年镁日均价波动范围在13600~15200元/吨，全年最高价15400元/吨，最低价13500元/吨。2013年镁产量769,669吨，同比增长3.65%。5、镁合金的应用由于低碳环保节能需求，世界各国交通领域内非常重视镁合金的应用，其原因就是它可以大大降低车重，减少油耗，降低CO2排放量。镁合金具有密度小、比强度高、减振等优点，在汽车、飞机、航空、航天、摩托车、自行车等交通工具上已有部分应用，并有巨大的应用前景。比强度高、良好的导热、电磁屏蔽性能，用于电子产品外壳上。化学性质活泼，用于牺牲阳极、电池。其它应用汽车上的应用轮毂方向盘摩托车镁合金摩托车自行车变形材，可用于飞机、高铁、地铁、轻轨、汽车等电子产品外壳飞利浦GoGearSA52便携式数字音频/视频播放器采用镁机身佳能EOS50D单反数码相机镁合金阳极镁电池其它应用其它应用3.3.4镁合金板材轧制技术镁合金成形技术发展示意图镁合金与其它金属相比难于塑性加工（铸锭轧制），主要原因有：常用镁合金属于密排六方晶体结构，在室温下，通常只有一个滑移面，三个滑移系。这是塑性较差的根本原因。镁合金的温热加工温度范围较窄。以AZ31B为例，热轧开坯温度通常为460℃左右，终轧温度为300℃，其热加工温度范围仅为160℃。镁合金的体积热焓较低，与其它金属相比，更容易散热。

由于上面三方面的原因，致使镁合金在轧制过程中容易出现裂纹，废品率较高。板材加工难度高目前镁合金板材的加工方法主要是传统铸锭开坯轧制、挤压开坯－轧制以及薄板带双辊连铸。传统铸锭开坯轧制是金属板材的主要加工方法，对于镁合金来说在目前以及将来也会是一种主流加工方法；挤压开坯－轧制在小批量小规格板材加工中有一定的优势；薄板带双辊连铸在低成本加工镁合金板带材上有较大优势，但目前基本上处于试验研究阶段。总的来说，目前镁合金板材（特别是薄板）缺乏稳定的工业化生产技术，镁合金薄板的成形性能较差。热轧开坯轧制工艺流程铣面熔化炉加热炉退火炉机轧机轧铸坯退火炉机轧开轧温度450～460℃，热轧道次变形量为15～20％，在轧制过程中随时采用测温仪测量坯料温度，当温度低于300℃时就返回加热炉中再加热，温度为430～450℃，保温时间为1小时，这样反复进行，直至板材厚度为2mm。终轧温度为300℃。温轧试验温度为260～300℃，轧制变形量为15％。（1）

热轧开坯轧制（1）轧辊预热：在热轧前，轧辊温度预热至100~200℃。通过预热轧辊可以减少轧制时轧件向轧辊的传热。常用预热方法有火焰加热、红外加热、感应加热、石英管加热等。（2）边部处理：对铸锭，可把直角边加工成多边形的边或有一定圆弧，这样可以降低边部的散热。如果条件允许，还可采用边部加热器，或采用辊道保温等措施来降低铸锭边部以及整个铸锭的温降。（3）控制道次压下量：严格控制道次下量，热轧的道次压下量10~20%，而温轧的道次压下量为5~15%。（4）中间加热：当轧件温度低于终轧温度时或达到一定累积变形量后，必须进炉重新加热，然后再轧制。热轧采用措施AZ31B镁合金宽板宽度为1500mm，厚度为1.8mm25m25m热轧后的典型组织

温轧后的典型组织实物图冷轧必要性：目前镁合金板材几乎是采用热轧板与温轧板，板材的尺寸精度较差，力学性能也较低。在中高温下，镁合金的强度低，轧制厚度小于1.0mm以下的薄板时容易出现起波浪、起皱、撕裂等。因此可采用冷轧来获得尺寸精度较高的、力学性能较好的板材冷轧边裂（a）变形量为25%，刚出现边裂时，小图为图中虚线匡放大图；（b）变形量为35%，累计变形量过大时出现的细小边裂；（c）单道次压下量（30%）过大时出现的粗大边裂。25m冷轧态组织(a)~(f)变形量分别为2%,8%,15%,25%,35%,55%25m变形量对再结晶组织的影响，退火工艺为300℃×30min，(a)~(f)变形量分别为2%,8%,15%,25%,35%,55%。冷轧退火后要获得细小的晶粒尺寸，必须保证冷轧变形量大于15%，退火温度不超过400℃。最佳的冷轧及退火工艺为：冷轧变形量15%~25%，退火温度200~350℃。AZ31B镁合金的静态再结晶图状态/方向性能冷轧态退火态0°45°90°0°45°90°b/MPa315335320285285290/％2.83.810172321AZ31B镁合金板材的力学性能未来规模生产1输送辊道，2辊道保温罩，3轧辊加热器，4可逆轧机，5轧辊，6镁合金板坯，7卷取机热轧开坯成卷-炉卷轧机温轧-（冷轧）l-保温炉；2-炉内卷取机；3-轧辊；4-轧件热轧开坯成卷炉卷轧机温轧挤压与轧制加工工艺对比（2）

挤压开坯-轧制板材挤压轧制应力状态三向静水压力，有利于塑性发挥三向压应力状态坯料散热坯料处于加热的挤压筒和模具等组成的封闭的腔体内，温度易控制暴露于空气中，易散热工艺流程短长连续性不连续易于自动化连续生产收得率低高基于上述特点，目前出现了挤压开坯然后再轧制工艺。为什么要先挤压再轧制？圆铸锭车外表皮均匀化退火铸锭加热热挤压轧制中间退火冷轧/温轧成品退火矫直表面处理包装入库模具设计矫直挤压轧制工艺流程图

镁合金的挤压工艺为：挤压温度：300-450℃挤压速度：0.5~7.0m/min挤压比：棒材的λ＝10~40，管材、型材的λ＝10~60，镁带的λ＝10~20板坯挤压模具-扩展模挤压模具板坯规格：100×2mm挤压模具板坯规格：160×10mmAZ31镁合金挤压板坯AZ31镁合金挤压板坯卷不同挤压工艺下AZ31板坯的力学性能板坯规格mm×mm模具种类轧制方向45°垂直轧向抗拉强度(MPa)伸长率(%)抗拉强度(MPa)伸长率(%)抗拉强度(MPa)伸长率(%)250×16平模261132591627417250×16260142541627017160×10252172402526219180×3分流模270212742627823轧制工艺：开坯后冷轧，冷轧采用多道次小压下量轧制，道次压下量不超过5-8％，每轧程累计压下量不超过25%。中间退火工艺为300℃保温45min，由挤压开坯后的厚度为10mm和3mm，经温轧和冷轧到0.4mm，板材的宽度为300-660mm。300mm板材660mm板材采用分流宽展模挤压－轧制AZ31板材经退火后的力学性能退火温度/℃轧向45°垂直轧向σb/Mpaδ/％σb/Mpaδ/％σb/Mpaδ/％140285202991431710150287222961729921160276222872029423170281222961928920180287232782128123镁合金薄带坯12453镁合金薄带连铸示意图1.浇口；2.熔体；3.铸辊；4.凝固壳；5.薄板坯（3）

双辊铸轧3.3.5冲压成形技术

（1）

冲压性能板料基本性能指标，是指按国家有关标准规定的试验方法(包括力学试验和金属学试验)测定得到的通用性能指标。板料基本性能指标与冲压成形性能之间存在着密切的关系，通过对板料基本性能的分析，能够间接地判定其冲压成形性能，所以，我们也特此类相关的试验称之为板料冲压成形性能的间接试验法。如板材单向拉伸试验，可得到的指标有：伸长率、均匀伸长率b、屈服伸长s，屈服极限s，、抗拉强度b、屈强比s/b，应变硬化指数n、塑性应变比r、凸耳参数r、应变速率敏感系数m等。1）镁合金板料基本性能力学性能AZ31B镁合金典型的拉伸真应力-应变曲线拉伸断裂延伸率

屈服强度n值应变硬化指数是指在单轴拉伸力作用下，真实应力与真实应变数学方程式中的真实应变指数。n值大的材料、硬化效应就大。在变形过程中材料局部变形程度的增加会使该处变形抗力较快增大，这样就可以补偿该处因截面积减小而引起的承载能力的减弱，制止了局部集中变形的进一步发展，致使变形区扩展，从而使应变分布趋于均匀化。也就是提高了板料的局部抗失稳能力和板料成形时的总体成形极限。即n值越大，抗失稳能力越强，冲压性能越好！温度对AZ31B镁合金薄板n值的影响温度对AZ31B镁合金薄板n值的影响℃r值塑性应变比

的值为金属薄板试样轴向拉伸15%的均匀塑性变形时，试样标距内的宽度方向真实应变与厚度方向的真实应变之比。

b，t

分别为拉伸试样宽度方向和厚度方向的真应变

温度对AZ31B镁合金薄板r值的影响温度对AZ31B镁合金薄板r值的影响℃2）

杯突值

杯突实验，评价金属薄板成形性的试验方法，又称埃里克森试验(Erichsentest)或埃氏杯突试验，是薄板成形性试验中最古老、最普及的一种，即用端部为一定规格的球形冲头，将夹紧于凹模和压边圈之间的试片压入凹模内，直到出现缩颈现象时为止。冲头的压入深度称为板料的杯突（IE）值。IE值越大，胀形成形性能就越好。杯突试验1-凸模2-凹模

3-压边圈4-试样TheErichsenvaluesoftheas-receivedsheetsatdifferenttemperatures3）

极限拉深比

将圆片试样压置到凹模与压边圈之间，通过凸模对其进行拉深成形。用不同直径的试样，并按照逐级改变直径的操作程序进行拉深成形，以测定拉深杯体底部圆角附近的壁部不产生破裂时允许使用的最大试样直径(D0)max。LDR=(D0)max/Dp

LDR值50℃100℃150℃200℃250℃300℃℃温度LDR4）

成形极限图成形极限图(FormingLimitDiagrams,缩写为FLD)或成形极限曲线(FormingLimitCurves,缩写为FLC)是板料在不同应变路径下的局部失稳极限应变1和2构成的条带形区域或曲线，全面、直观地反映了不同应变状态下板料的成形性能，是对板料成形性能的一种定量描述，它是定性和定量研究板料的局部成形性能的有效手段。FLDsofdifferentsheetsatdifferenttemperatures:(a)Roomtemperature;(b)100°C;(c)200°C;(d)300°C镁合金的冲压性能为什么很差？常用镁合金是密排六方晶体结构，通常室温只有一个基面滑移面，3个滑移系，两个独立滑移系，这是其冲压性能差的根本原因。镁合金的板材有较强的基面织构，其面平行于板面，在沿板面受拉伸力作用时，基面滑移系处于硬取向，很难开动。热加工温度范围较窄。镁合金体积热焓较低，薄板易散热，温度控制困难。（2）

提高冲压的途径织构控制在轧制变形过程中，镁合金板材内将形成强的基面织构。特别在冷轧变形时，镁合金滑移系较少，形成极强的基面织构，｛0001｝基面与轧制面平行。冷轧板材在再结晶退火过程中，由于定向形核及晶粒的选择生长，基面平行于轧制面的晶粒容易长大，导致形成强的｛0001｝基面退火织构。在拉应力下基面滑移系Schmid因子近似为零，不利于基面滑移的开动，对镁合金薄板后续成形非常不利。通过控制基面取向，即控制织构，可产生织构软化，有利于基面滑移的开动。织构软化可降低镁合金的屈服强度和屈强比，有利提高镁合金板材的冲压性能。K.Iwanaga.等研究表明，减少（0002）基面织构可降低屈服应力，改善镁合金板材的成形性能，如板材室温下的杯突值、深冲值。1）多道次弯曲SchematicillustrationofapparatusforRUB.RUB过程中晶粒转动示意图弯曲工艺弯曲工艺

多道次弯曲的方法过程是将镁合金板带材置于固定支架的弧形顶部上，以45～135°的角度弯曲，在一定张力下通过动力拉/卷动板带材一端，产生弯曲变形，然后进行多道次重复弯曲变形，弯曲道次为5～20次。弯曲后，再进行矫直，最后进行退火。薄板在张力T1、T2作用下在顶头处发生弯曲变形。为了保证板材单向匀速运动，要求T1=T2。在弯曲过程中，基面在切分应力作用下发生旋转，从而达到控制镁合金薄板织构的目的。织构变化{0002}polefiguresof(a)theas-receivedsheetand(b)theRUBprocessedsheet应力-应变曲线Thetruestress–straincurvesof(a)theas-receivedsheetsand(b)theRUBprocessedsheetsdeformedtoatensile-directionstrainof12%intensiledirectionsofRDatdifferenttemperatures.屈服强度屈服强度n、r值n值r值EI值与LDR值成形极限图2）室温预拉伸+退火原理：在室温下对镁合金薄板进行小变形量的拉伸，然后在再结晶区退火，获得粗大的晶粒尺寸，可提高其冲压性能。组织变化OpticalmicrographsofAZ31alloyannealedat260Cfor30minafterpre-stretching:(a)as-received;(b)3.8%;(c)5%and(d)15%.织构变化(0002)polefiguresofAZ31alloyannealedat260Cfor30minafterpre-stretching:(a)as-received;(b)3.8%;(c)5%and(d)15%.力学性能与冲压性能

Opticalmicrographsinthetoppartoftheas-receivedandPSAspecimensstretch-formedtofailure:(a)as-received;(b)3.8%;(c)5%and(d)15%。3）热预拉伸AZ31B镁合金薄板，250度拉伸，变形量为5%（3）

冲压工艺

1）

冲裁冲裁是利用模具使板料产生分离的冲压工序，包括落料和冲孔。它可以制成零件，或为弯曲、拉延、成形等工序准备毛坯。从板料上冲下所需形状的零件(或毛坯)叫落料。在工件上冲出所需形状的孔(冲去的为废料)叫冲孔。镁合金的冲裁在镁合金板科上冲裁板料与冲裁特别硬的材料相类似，亦即全部厚度的剪裂是在凸模进入材料不深时发生的。通常当凸模进入镁合金板材的厚度为15～20%时，零件就与板材分离了。为了求得光洁的剪切表面，防止冲栽裂纹，厚l.5mm以上的镁合金需是在加热镁合金坯料的情况下进行冲裁。当冲裁镁合金时，为了得到光洁的剪切表面，凸模(冲孔时)及凹模(裁件时)的刃口必须作成斜的，而当板厚超过1.5mm时，毛料及模具必须加热。此外，刃口的间隙合适选择与刃口锋利程度也是获得优质表面质量的关键因素。2）

弯曲弯曲工序是将材料弯曲成一定角度和形状的工序。V型弯曲过程如下：在弯曲的开始阶段，毛坯是自由弯曲，随着凸模的下压，毛坯的直边与凹模工作表面逐渐靠紧，弯曲个径由R0变为R1，弯曲力臂也由l0变为l1；凸模继续下压，毛坏弯曲区逐渐减小，直到板料与凸模三点接触，这时的曲率半径已由R1变成了R2；此后毛坯的直边部分则向与以前相反的方向弯曲；到行程终了时，凸、凹模对板料进行校正，使板料的圆角、直边与凸模全部靠紧，得到所需要的零件。室温下弯曲性能较差

室温条件下，镁合金的成形性能比较差，所以在室温下进行弯曲试验时，试样易发生断裂。镁合金板AZ31垂直纤维方向最小相对弯曲半径Rmin/t=2.35mm，平行纤维方向最小相对弯曲半径Rmin/t=2.35=2.45mm。------数据来源：重庆理工大学邓明温度对回弹的影响3mm厚挤压AZ31B镁板弯曲时的回弹R/t=3.1温度对回弹的影响凸模半径对回弹的影响相对弯曲半径(R/t)愈小，即变形程度愈大，则在毛坯内部的塑性变形区域及总变形程度就愈大，总变形中塑性变形所占的比重也愈大，故回弹就愈小。凸模半径对回弹的影响挤压AZ31B镁板V型弯曲t=3mmT=373K弯曲中性层偏移中性层定义：弯曲线的坯料长度应等于中性层的展开长度。为中性层曲率半径r为零件的内弯曲半径t为材料厚度x为中性偏移系数中性偏移系数xGuangshengHuang,LifeiWang,HuaZhang,YanxiaWang,ZhaoyangShi,FushengPan.EvolutionofneutrallayerandmicrostructureofAZ31Bmagnesiumalloysheetduringbending，MaterialsLetters，2013，98:47-50.弯曲中性层偏移EBSDmaps温度对中性层偏移和回弹的影响LifeiWang,GuangshengHuang,HuaZhang,YanxiaWang,LiangYin.EvolutionofSpringbackandNeutralLayerofAZ31BMagnesiumAlloyV-BendingunderWarmFormingConditions。JournalofMaterialsProcessingTechnology，2013，213（6）：844-850挤压AZ31B镁板V型弯曲条件：t=3mm，R/t=3.1温度对弯曲过程的影响（a）回弹，（b）中性层偏移系数凸模半径对中性层偏移和回弹的影响挤压AZ31B镁板V型弯曲t=3mmT=373K弯曲微区应力分析图冲头圆角半径的影响：（a）回弹，（b）中性层偏移系数应变速率对中性层偏移的影响不同应变速率下中性层偏移系数423K下拉伸和压缩屈服强度以及沿RD方向CYS/TYSLifeiWang,GuangshengHuang,TingzhuangHan,ZhaoyangShi,QingshanYang,MaurizoVedani,FushengPan.Effectofstrainrateontension-compressionyieldasymmetryandtheshiftofneutrallayerduringbendinginrolledAZ31Balloy.MaterialsScience&EngineeringA，inthepeerreview.3）

拉延以平板毛坯通过拉延模制成筒形(或其他断面形状)零件，或以筒形(或其他断面形状)的毛坯，再制成筒形(或其他断回形状)零件的工序称为拉延(或称拉探)。拉延与冲裁的主要区别是：拉延模的凸模和凹模均有较大的圆角半径，凸、凹模之间的间隙也较大，其值一般大于板厚t。拉延是冲压工艺中很主要的一种工序，应用很广。像汽车、拖拉机的一些罩件、覆盖零LDRThedeepdrawingcupsof(a)theas-receivedsheetsand(b)theRUBprocessedsheetsatdifferenttemperatures(b)(a)(c)压边力不同压边力下的冷拉深件：(a)无压边力(b)3KN(c)1KN拉延时的材料转移（4）

冲压速度在电子万能试验机上用电阻炉加热到200℃，然后分别以初始应变速率为10-1s-1，10-2s-1，10-3s-1，10-4s-1的条件下进行拉伸试验。n值从拉伸应力应变曲线中获得，而r值通过应变量15%的不拉断拉伸试验得到。根据GB/T4156-2007埃里森杯突试验方法准备试样，沿轧制方向剪切成为尺寸为90mm×90mm的方形试样，在200℃下以10-1s-1，10-2s-1，10-3s-1，10-4s-1的初始应变速率进行冲压试验。试验中半球形冲头直径为20mm，试样中心以耐高温油脂润滑。力学性能Curvesof0.2%proofstrength(a)andultimatetensilestrength(b)atdifferentstrainratesn、r值n值r值杯突值Erichsenvaluesofsheetsat200℃withdifferentstrainrates（5）

加热方法冲压镁合金时，坯料与模具的加热方法有以下几种：冲压时只加热模具冲压时同时加热模具及坯料冲压时只加热坯料不加热模具实践证明，第一二两加热法效果最好，特别是第二种。1）模具加热目前比较常用的加热方法

电加热，在模具的适当位置安装加热电阻线圈或加热管。可用油温机加热。

还可以用天燃气加热。

2）坯料加热常见金属20℃时的比热容镁1.025kJ/(kg·℃)铝0.88kJ/(kg·℃)钢铁0.46kJ/(kg·℃)Q235比热容为0.502(KJ/℃)铜