镁合金贫液半固态冲击挤压成形技术

摘要

本发明属于一种金属半固态塑性变形加工技术，涉及一种镁合金半固态挤压变形加工技术。其特征在于通过把普通镁合金坯料预热到组织中出现少量液体的贫液半固态，再以冲击挤压的方法生产。其实质是集压铸、半固态成形、塑性变形的优点于一体的制造技术，该技术生产成本低、生产率高，能生产薄壁、复杂、高产品质量的镁合金零件。

说明书

技术领域

本发明属于一种金属半固态塑性变形加工技术，尤其属于镁合金半固态挤压变形加工技术。

技术背景

镁是最轻的金属结构材料，其比强度和比刚度仅次于钛合金及合金结构钢，其它如抗冲击、可回收性能等均优于铝合金。镁资源丰富，制取容易，冶炼、熔铸耗能低，镁已成为仅次于钢铁、铝合金的第三大金属结构材料，在结构、器具和设备轻量化的制造领域中的用途越来越广。

信息、通讯、影像设备对材料选择的要求是美观、轻便、电磁屏蔽、抗冲击、高刚度、散热能力强、环保等。电子器材的外壳结构一般不需要承受很大的载荷，目前主要采用工程塑料，但壁厚接近1毫米后，塑料件在刚度、耐冲击性、抗挠曲变形能力大大降低，一般已无法满足要求。尤其是随着对环保要求越来越高，各国政府都在制定相应的法规，例如家电回收很快变成强制性的法律，易回收的镁合金代替不能回收的塑料是必然的。家电和3C领域电子设备采用镁合金薄机壳不仅能减轻重量近50％，而且美观、轻便、电磁屏蔽、抗冲击、高刚度、散热能力强、环保等非常适合要求，因此，镁合金在许多应用领域最具竞争力并日益受到青睐。此类设备对外部壳体镁合金件一般不须要承受大的载荷，要求发挥结构性功能，在使用条件下能保护内部的电子、光学元件避免损坏。外观零件不仅要满足产品功能上的需要，而且要达到造型美观协调，能吸引消费者的要求。用户能否接受一个工业品，首先是从它的外观开始的，其设计优美、制作精良的外观不仅给人以美的享受，更重要的是体现产品的设计制造水平，给使用者以精密、可靠的感觉。多数壳体壁厚很薄，对于小尺寸件壁厚甚至薄到0.3～0.5毫米。为了确保零件的强度和刚度，通常在内壁合适的部位设置加强筋。外观零件常常需要直接塑造出文字、符号等。在外观零件的设计中，往往由于整体结构的限制和安装、开启的需要，因此在某些部位用锁扣结构，锁扣结构通常需要在模具中增加内、外横向滑块。多数壳体零件是几个组装在一起，或在其上边安装其它零部件，因此，有严格的配合安装要求，包括配合面、定位柱、定位突台、多数壳体等。因此，此类壳体的共同特点是壁薄、复杂、多有加强筋和组装需要的定位突起、尺寸精度、表面光洁度要求高。

目前镁合金电子设备壳体主要是通过压铸方法生产的。镁合金压铸存在缺点，生产设备费用昂贵；生产工艺复杂、废品率高、生产成本高、污染和安全问题严重等；铸造制品通常存在铸造缺陷，不能完全满足3C产品对性能和美观的要求。特别是为了得到高质量的镁合金浆料、坯料需要与传统金属不一样的专门知识和特殊的设备。

传统的锻造成形条件，对于镁合金这种难成形的金属材料，塑性变形抗力大。镁在高温下比室温下更容易成形加工，但成形温度范围比较狭窄、流动性比较差、伸长率不高。在锻造薄的腹板或高筋的零件时，毛坯的热量迅速向模具散失，造成变性抗力很快增加，塑性急剧降低。这不仅需要大幅度地提高设备的吨位，也容易造成锻件开裂等缺陷，因此，不得不增加锻件的厚度和机械加工余量，从而降低材料的利用率、提高制件成本。在成形形状复杂的镁合金壳体零件时，往往需要较多的工序和较多的工装，成形更加困难，尤其是一些结构复杂的壳体。

基于金属材料温度越高，材料的变形抗力越小，尤其是在固相线和液相线之间，变形抗力大幅度降低。因此近年来已发展出触变成形和半固态挤压技术。半固态塑性变形须要使用特殊的坯料经过加热使组织中出现一半以上的液相，或采用经过特殊处理的金属浆料。金属浆料的制备是在液态金属搅拌时生成的梅花状或近似球形的初生相和初生相的周围因快速凝固而生成的细小树枝状组织，初生相是相互隔离开的。此外，由于金属的晶粒大小和晶粒形状对挤压变形有重要的影响，当晶粒尺寸减小时，高温屈服极限降低，因此细晶组织的变形坯料也适用于半固态锻造技术。这样材料的晶粒很容易地滑动通过相互间的距离，此时发生均匀的变形，几乎没有形成破坏，容易得到完整连续的产品。因此金属及合金在半固态挤压时，梅花状凝固组织是半固态成形的关键。半固态挤压一般希望在较慢的速度下变形，由于镁合金的比热和潜热小，模具的传热降温激冷作用使半固态挤压成形的零件不能太薄。目前用镁合金生产薄壁、复杂零件还是十分困难的，例如对于应用前景十分广阔的通讯、信息、音像制品等镁合金壳体复杂件，如手提电脑壳、数码相机壳、手机壳等，零件的生产基本都是依赖压铸生产的。此外由于半固态成形原料成本高、生产设备昂贵而阻碍其推广。

目前十分迫切需要生产成本低、生产率高、产品质量符合镁产品技术发展的先进塑性变形加工技术，尤其是能以低的生产成本大批量生产高品质电子产品的镁合金零件的冲压、挤压技术。

发明内容

发明的目的是采用普通的原材料、以普通冲压的工艺路线方法进行半固态成形，发展一种集传统塑性加工和半固态成形的优点的新技术，以生产成本低、生产率高、产品质量优的薄壁、复杂的镁合金零件。

在塑性成形工艺路线中为了提高薄壁复杂镁合金零件的成形能力，必须大幅度地降低变形抗力。升高变形温度是降低变形抗力的一种最重要的途径。大多数金属材料在接近熔点附近时，变形抗力急剧下降。但一般认为，如果出现液相必然导致金属的塑性大幅度地降低，这是因为液体的存在促进裂纹和孔洞的形成，从而造成永久断裂。对此，本发明基于理论分析得出半固态金属的屈服面近似于密塞实面是一圆柱体，有相同体积固相率的半固态金属，其流动应力的下降程度相近，半固态金属存在流体静拉力极限，超出该极限，半固态金属由于不稳定而破坏，该极限取决于体积固相率的大小。进一步实验发现，在塑性变形过程中，液体的存在对裂纹和孔洞的形成很大程度上取决于应力状态，拉应力是造成永久断裂的根本原因，但在压应力下变形，液相的存在对金属的变形断裂并无害处。在挤压变形时，一定条件下液相的存在能加速固体的滑动，液相也是固体的润滑剂，固体的流动性因少量体积的液体的存在而提高。特别是在润滑流动占主要地位的变形过程，此时液体作为润滑剂存在对变形有利。因此为改进镁合金的成形性能，少量体积的液体有很重要的正面作用。但当液体的体积百分数高，变形速度高时，在液体和固体混合物的运动过程中，液体的前进速度将超过固体而发生液体与固体分离的过滤现象。过滤将伴随镁合金收缩的不均匀、化学成分的不均匀、组织也较粗，从而造成性能的差异。由于过滤形成局部区域液体集中，冷却过程变成铸造的凝固过程，可能在最后出现疏松缺陷，性能大大低于其它部位。当液体的体积百分数高时，只能通过降低变形速度克服过滤现象，但速度的降低可能无法保证复杂薄壁零件的成型。液体的体积百分数高时，各种凝固缺陷增多。液体的体积百分数应控制在尽可能少的范围。

本专利的研究发现镁合金的熔化体积百分数是温度和时间的函数。在一定范围内，加热温度越高、保温时间越长，镁合金熔化的体积百分数越大。例如小尺寸AZ91镁合金试样在753、773和803K分别保温15分钟，显微组织研究时发现在晶界有部分熔化，熔化体积百分数分别是753K为3％，773K是7％，803K是15％。753K溶化是分散不连续的，773K和803K是部分连续的。在753、773和803K温度以1.4×10^-3s^-1进行慢速压缩实验，应力随应变的加大而升高，当达到最大值后变小，而且温度越高，应力越小。应力在773K时急剧减小。在753、773和803K分别以1mm/min、10mm/min、100mm/min和500mm/min的压缩变形实验发现，快速压缩时，实验温度越高，成形能力越强，在803K甚至以500mm/min锻造也能完全成形。由此可见，温度是减低变形抗力的关键。变形实验表明，温度和压缩速度，特别是温度强烈影响着镁合金的成形性能。随着温度降低和变形速度提高，晶粒尺寸减小。硬度随温度降低和变形速度增加而增加。当液体量较多时，如果应变速度高，在压缩应力的作用下，其中的液相发生过滤，即液相被挤出，变形机理发生变化，可能会伴随严重的偏析。对于一般的镁合金挤压的变形一般不能太大，特别是成分复杂的合金，由于内摩擦很大，热效应也很大，因温度升高可能引起过烧。在少量液相的镁合金半固态挤压变形过程中，存在液相的凝固过程，因此，过烧问题不复存在。由于少量液相改变了镁合金的塑性变形的机理，成形能力大幅度提高，尤其是裂纹的形成和扩展得到根本的改善，铸造镁合金也能经受此种塑性变形加工，这实际也是一种极限的铸造过程，是一种塑性加工和铸造融合的成形工艺。

少量液相的镁合金半固态的热容量小，金属压力流的流动性随温度的下降而降低。由于一般的半固态塑性变形加工的变形速度缓慢，此时模具的散热很大，只能用来生产厚大零件，如果零件太薄，太大时，很难充满型腔，本发明认为，应变速度很高，即以100～400mm/s的速度充满型腔，由于时间很短，金属模具的散热少，可以按近似于绝热处理。此外，塑性加工对物体施加的机械能量被物体吸收，一部分转化为塑性变形能，一部分转变成热能，从而引起物体温度的升高。变形速度越大，由于材料的热效应很明显和绝热效果，能通过高速挤压变形而使成形复杂、薄壁的镁合金零件成为可能。当以冲击的方式进行挤压时，配合模具适当预热和模具通过涂料绝热处理，甚至0.3毫米厚的壁板也能充满。

在高于773K的变形过程发生动态再结晶以及在动态再结晶的晶界发生重熔，此时的动态再结晶以及在动态再结晶的晶界发生重熔能释放集中的应力，不仅能避免裂纹和孔洞的可能核心的发展，更能愈合已经形成的裂纹和孔洞。此外晶粒内的位错滑移运动引起动态再结晶使组织细化，这可能是半固态高应变超塑性的根本原因。因此在适当的条件下有少量液相的半固态挤压有良好成形性能，也能够细化组织，从而改善镁合金室温强度和韧性，因此所生产镁合金零件的质量也高，从而拓展了产品的应用领域。

当采用感应加热坯料时，能在极短的时间内(一般的小零件仅需要几秒钟)加热到需要的温度，这样不采用保护措施坯料也不会燃烧，大大简化生产过程并改善生产条件。

基于上述研究结果，本发明提出并发展成功的镁合金贫液半固态冲击挤压成形技术是一种先进镁合金成形技术。本发明的意义在于克服传统半固态加工的实施在技术上存在很大困难、生产成本也高的缺点，充分利用了铸造的技术，突破了锻造工艺塑性变形不能太大的限制。

具体实施方式

实施例1

直径32毫米、高度55毫米、壁厚0.3的杯形AZ31镁合金薄壳体零件，采用贫液半固态冲击挤压成形技术生产。采用感应预热坯料，预热时间为1秒钟，可以同时预热几个坯料，整个过程不需要采用防止镁合金氧化和燃烧的保护措施。成形工艺参数为坯料预热温度773K，液体体积比约为3％，变形压力为40Mpa，冲头下压平均速度为400毫米/秒，模具温度保持在200～300℃，件生产周期为0.4～0.5秒，成品率在98％以上。

实施例2

手机壳的贫液半固态冲击挤压成形，采用厚度1毫米AM60镁合金板料，液相量为5％，模具温度180～200℃，挤压力为80MPa。挤压开始阶段，流动阻力不大，当充满模具阶段，阻力提高，为此适当提高压力。其它工艺参数和情况与实施例1相似。

实施例3

镁合金数码相机壳体零件的贫液半固态冲击挤压成形，采用AZ91D镁合金板料，坯料采用感应加热，液相量为7％。模具设计尽可能使金属的流动按一定的方向和顺序流动，避免可能产生诸如断肋等缺陷。模具表面光洁、使用良好的润滑剂，保证挤压过程摩擦系数最小，使金属流动较为均匀。模具温度200～300℃，挤压力为100MPa。充型速度在300～400mm/s，以防止冷却过度，造成抗力急剧增大，因此采用冲击挤压。其他工艺参数和情况与实施例2相似。