典型鎂合金材料生產(chǎn)流程:錠坯加熱→一次擠壓→切中間坯料→加熱→二次擠壓→人工時效→拉伸矯直→切頭尾與取試樣→輥式矯直→手工矯直→檢查→切成品與打印→氧化著色→成品檢查→包裝→入庫→發(fā)運。
大家都比較熟悉鋁合金材料擠壓的過程,但對于鎂合金的擠壓過程可能較為陌生,因此,需要特別注意。眾所周知,鋁合金錠坯可在燃油爐、燃氣爐、空氣電阻爐、感應電爐中加熱,然而,鎂合金錠坯只允許在空氣電阻爐內(nèi)加熱。筆者擠壓鎂合金時,在加熱鋁合金的燃油爐內(nèi)加熱鎂合金,結(jié)果著火了,幸好沒傷人,也沒造成火災;還有一次,在加熱鋁扁錠的電阻爐內(nèi)加熱鎂錠也著火了。因此,在加熱鎂錠坯時應特別小心。
鎂合金錠坯的加熱溫度不高,為防止燃燒,加熱溫度宜≤470℃,而鋁合金的高加熱溫度可達550℃;鎂合金的大擠壓速度為20m/min,比硬鋁的快,但僅為軟鋁合金的1/3;熱擠壓鎂合金材料的收縮率比鋁合金的大,在設(shè)計模具時應注意;擠壓鎂材的拉矯不可在室溫進行,宜加熱到150℃~250℃,且須用拉矯機,而鋁合金的拉矯可在室溫下進行。
在擠壓出模口或脫模后可對高溫擠壓材進行在線淬火,也可以精整后進行離線淬火。淬火后的擠壓材具有細小的彌散顯微組織,人工時效后,力學性能可有較大提高。
擠壓鎂合金的使用狀態(tài)為T5、T6、F。T5為在線淬火后再進行人工時效的狀態(tài)。T6為固溶處理與人工時效狀態(tài)。固溶處理不但可提高材料強度,使其韌性大化,還可以改善抗震性能。固溶處理后再進行人工時效,可使材料強度性能大化,但韌性有所下降。F為原加工狀態(tài),即擠壓狀態(tài),擠壓后不進行任何熱處理。
ZK60、WE43、WE54合金擠壓材的熱處理狀態(tài)為T5、T6。ZK系列合金擠壓材不但有高的力學性能,而且各向同性得到改善。WE系材料的室溫力學性能對熱處理不敏感,但能提高其高溫穩(wěn)定性。AZ61合金和AZ80合金擠壓材也有時效強化作用,經(jīng)T5或T6處理后,強度性能雖稍有提高,但塑性卻大幅下降。ZK系列合金擠壓材既有高的強度又有良好的塑性,沒有必要進行熱處理。
鎂合金在熱加工、矯直和焊接后都殘留著應力,需進行退火,以消除應力。擠壓鎂材與軋制硬狀態(tài)板材焊于一起時也進行退火,以消除殘余應力;減少扭曲變形,在150℃加熱60分鐘即可消除應力,不需要在260℃退火。擠壓鎂合金的退火制度:AZ31B、AZ31C,345℃;AZ61A,345℃;AZ80A,385℃;ZK60A,290℃;保溫1小時至數(shù)小時。
擠壓鎂合金材料消除應力退火規(guī)范見表1。若合金的Al含量大于1.5%,這種處理是的,不但可防止變形,而且更重要的是可以預防應力腐蝕開裂。鎂合金擠壓材的固溶處理及人工時效制度見表2。AZ71A合金材料固溶處理后,于65℃水中淬火或于其他冷卻強度相當?shù)慕橘|(zhì)中淬火。其他鎂合金材料固溶處理后可在靜止的空氣中冷卻,即可以達到淬火效果。
務(wù)必注意,淬火時冷卻介質(zhì)不可直接接觸擠壓模,以免模具開裂;淬火后應對材料進行精整矯直,可采用輥矯,也可以壓力矯或拉矯,但拉矯相當困難,而輥矯則十分方便。斷面形狀簡單的角材、槽材、工字材、圓管和帶內(nèi)筋的圓管都可以輥矯。拉矯可確保材料的直線度,但要在加熱狀態(tài)下進行。擠壓材料的矯直溫度為200℃~225℃,變形量應≤3%。在矯直截面厚度≤10mm的薄材料時,宜采用接觸電熱法加熱,加熱5秒~2分鐘;而對截面厚度大于10mm的材料,宜利用擠壓后的余熱進行即時矯直。
在擠壓鎂合金時,應特別注意安全:應及時清除鋸切錠坯上的大小毛刺,因為它們極易燃燒,鋸切時也有著火、爆炸的危險;積存的切屑應及時清除,當切屑粒子小于80m時,環(huán)境則相當危險,工作人員切勿大意。
汽車產(chǎn)業(yè)中鎂合金用量較多的國家和地區(qū)主要是北美、歐洲、日本和韓國,1991年汽車工業(yè)中鎂合金的用量僅為2.4萬噸,到1997年則增至6.4 萬噸,目前這些國家和地區(qū)汽車工業(yè)對鎂合金的需求已達到每年40萬噸。歐洲正在使用和研制的鎂合金汽車零部件已超過60種,單車鎂合金用量9.3公斤~20.3公斤;北美正在使用和研制的鎂合金汽車零部件已超過100 種,單車鎂合金用量5.8公斤~26.3公斤;我國汽車鎂合金產(chǎn)業(yè)的總體技術(shù)水平不高,在汽車鎂合金部件設(shè)計、制造加工等方面還有較大差距,平均單車用鎂量不足1公斤。經(jīng)過近幾年的發(fā)展,已有20余種汽車零部件可以采用鎂合金生產(chǎn)。
我國在汽車輕量化方面起步較晚,早將鎂合金應用到汽車上的企業(yè)是上汽集團。上世紀90年代,在桑塔納轎車上采用鎂合金變速箱殼體、殼蓋和離合器外殼,單車用鎂合金共約8.5kg。一汽集團開發(fā)了抗蠕變鎂合金,用于制造高溫負載條件下的汽車動力系統(tǒng)部件,同時順利研發(fā)出氣缸蓋罩蓋等鎂合金壓鑄件。同時,東風汽車公司、長安汽車集團也參與到鎂合金零部件的生產(chǎn)之中,尤其需要指出的是長安集團生產(chǎn)的“長安之星”微型車上實現(xiàn)了單車用鎂8kg的水平,達到了目前的國際水平。在鎂合金工藝方面,鎂合金汽車輪轂成型技術(shù)無疑是一大亮點。
在國家研發(fā)計劃的支持下,在與東風汽車股份有限公司合作中,上海交大正在針對進行有關(guān)汽車用減震臺和副車架結(jié)構(gòu)設(shè)計,旨在早日實現(xiàn)鎂合金在減震塔和副車架兩類大型復雜薄壁部件的成型技術(shù)與應用上的突破。
目前,汽車工業(yè)平均用鎂量在10 公斤以內(nèi)。從2000年開始,各國和研發(fā)機構(gòu)投入大量的資源進行鎂合金的研發(fā)和產(chǎn)品的推廣,特別是我國作為鎂合金資源的大國,一直希望將鎂合金在汽車工業(yè)中的用量進一步提高。但是,車用鎂合金的用量并沒有出現(xiàn)預期的大幅增長,主要的鎂合號還是以AZ91D和AM50為主,主要的鎂合金產(chǎn)品以方向盤骨架、儀表盤骨架、座椅骨架等內(nèi)飾部件。限制鎂合金大規(guī)模應用的一個主要原因還是由鎂合金特性決定的,鎂合金的耐腐蝕性能差,特別是電偶腐蝕是困擾鎂合金在非內(nèi)飾承載部件系統(tǒng)中應用的大阻力。
汽車輕量化和部件集成化的發(fā)展趨勢,能夠發(fā)揮鎂合金材料流動性好、易成形大型復雜結(jié)構(gòu)件的優(yōu)勢,將促使鎂合金的新的大規(guī)模應用,例如:車門內(nèi)板和行李箱后蓋內(nèi)板,采用壓鑄鎂合金可以實現(xiàn)優(yōu)輕量化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效果。目前,我國具有多的鎂合金礦產(chǎn)和冶煉資源,也具有大噸位壓鑄裝備的下游生產(chǎn)企業(yè),在該領(lǐng)域我國已經(jīng)形成了全球為完整的產(chǎn)業(yè)鏈,能夠?qū)崿F(xiàn)從原鎂到鎂合金壓鑄件的全流程生產(chǎn)和制造。
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