挤压镁合金

镁合金挤压
S.Matsuoka 1, T .Miyamoto 2, Y .Oki 3, S.Nagao 3, H.Sano 4
1日本富山大学，2
日本富山大学研究生院， 3
日本三共铝业株式会社，4住友轻金属株式会社 杨栋华 李建锋 郭江云 译 胡亚民 校
重庆工学院 材料科学与工程学院
摘要 本文研究了Zn 和Mn 在Mg-Al-Zn 系列合金中的含量对镁合金挤压性能和力学性能的影响。

显然，随Zn 含量的增加，由于表面裂纹而使挤压速度极限变得很低。

Mn 是可以有效提高拉伸强度和延伸率的元素。

所以，试图发展一种低Zn 低Al 的新合金以提高镁合金生产率已迫在眉睫。

关键词 镁合金 表面裂纹 挤压力 表面氧化
1．引言
镁合金被公认为是最轻的结构金属。

生产镁合金采用各种熔化方法诸如铸造、压力铸造和触融压铸。

然而，为了扩大在工业领域的应用，有必要使用锻造的方法生产镁合金。

为了扩大挤压镁合金的使用范围，确立一种可以大批量生产并且质量稳定的生产技术是非常重要的。

本文描述了Al 、Zn 和Mn 含量对镁合金挤压性能和力学性能的影响。

然后我们尝试研发一种具有良好挤压性能的新合金。

2．实验步骤 2.1 试验坯料
为了研究Zn 和Mn 含量对合金性能 的影响，我们准备了两种类型的试验坯料，（1）Al 质量分数为3%、不含Mn ， Zn 质量分数分别为0%、0.5%和1.0%，（2）Al 质量分数为3%、Mn 质量分数为0.3%、Zn 质量分数分别为0%、0.5%和1.0%。

接下来，我们为了提高合金生产率来确定合金成分。

我们所使用坯料的成分如表1所示。

表1坯料是含低Al 低Zn 的AZ31。

我们为了改善其力学性能，在0.1%～0.3%之间变化Mn 的质量分数。

所有的坯料均是在用金属模压铸制成。

然后把坯料
加工成直径为90mm 、长度为125mm 的棒材。

并且每一个坯料都没有均匀化退火。

2.2 挤压
使用最大挤压力为4.9MN 的力对坯料正挤压，最终形状如图1所示，挤压率是89并且模具半角为90°。

坯料在感应加热炉中均匀的预热到400℃。

我们通过七种挤压速度(从2.5，5，10，15，20，25，30和80m/min)进行挤压直到在产品中出现裂纹。

通过对比挤压后表面的光泽并且使用CR-300型色度计得到的光亮度L*来确定氧化程度。

为了分析其力学性能，在室温，挤压速度为10m/min 的条件下,我们以JIS5试验测试试样的拉伸强度，屈服极限和延伸率。

表1 坯料的化学成分
序号 Al% Zn% Mn% ① 0.5 0 0.1 ② 0.5 0.25 0.2 ③ 0.5 0.5 0.3 ④ 1.0 0 0.2 ⑤ 1.0 0.25 0.3 ⑥ 1.0 0.5 0.1 ⑦ 2.0 0 0.3 ⑧ 2.0 0.25 0.1 ⑨ 2.0 0.5 0.2
图1 挤压截面
3．结果和讨论
3.1 挤压表面的裂纹
表2是坯料成分和挤压速度与表面裂纹产生之间的关系。

图2是一个裂纹实例。

裂纹容易在靠近应力集中和产品的长边处产生。

并且含Zn 高的镁合金降低了最大允许的挤压速度。

加入Mn 也有这种趋势。

表2 挤压速度极限
图2 裂纹实例
（0%Mn1%Zn ，20m/min ）
3.2 Zn 和Mn 对表面氧化的影响
图3显示了在不含Mn 时挤压表面的光亮度L*值与Zn 含量和挤压速度的关系。

高的光亮度L*值（80或更大）意味着表面呈金属光泽。

当不含Zn 时，高的挤压速度可以降低其光亮度L*值，相反，当含Zn 量高时，加快挤压速度也可以降低光亮度L*值，这时表面因氧化已变色。

Mn 也能促进氧化，但是它的效果没有Zn 明显。

并且随着挤压速度的加快，挤压模口的温度会变高。

大约在480℃时氧化膜变厚。

图3 Zn 的含量和挤压速度对
光亮度L*的影响（0％Mn ）
3.3 挤压镁合金的力学性能
图4，5，6显示了镁合金在不同成分下的力学性能。

当不含Mn 时，在低挤压速度区域，表面裂纹较少，并且Zn 含量的升高可以轻微改善拉伸强度和屈
○ ：接受
× ：因表面裂纹不可接受
服极限。

但是当不含Mn时这种改善作用微乎其微。

除此之外，在低的挤压速度区域，加入0.3%的Mn可以大大改善力学性能，它能提高大约50MPa的拉伸强度和屈服极限值，并且还可以增加5%的延伸率。

我们的实验还表明高的含Zn 量会导致深的表面裂纹且力学性能降低。

显然，在镁合金的挤压过程中，Al和Zn含量的高低对于镁合金的生产率是没有影响的。

图4 Zn，Mn含量和挤压速度图5 Zn，Mn含量和挤压速度对σ0.2对拉伸强度的影响的屈服极限的影响
图6 Zn，Mn含量和挤压速度
对延伸率的影响
3.4 提高镁合金的生产率
为了改善镁合金的挤压性能，我们把表1中所有坯料的允许挤压速度升高到60m/min，都没有出现图2显示的情况。

我们可以直观的判断产品允许的极限挤压速度就是在不产生明显的裂纹情况下的最高速度。

表3显示了这种预测结果。

当镁合金Al含量为2%时，表面易产生裂纹，并且极限速度很低。

当Al的含量为1%或更低时，挤压生产率提高并且挤压速度可以超过50m/min而不产生裂纹。

这个结果还显示，Zn含量降低可以提高挤压镁合金的生产率。

图7，8，9显示了镁合金的最大挤压力。

通过与6063铝合金和纯镁挤压力的对比我们发现，Al含量低于2%的镁合金，其挤压力没有6063铝合金那么高。

Al、Zn和Mn含量对挤压力的影响可以用由实验得出的公式（1）进行计算。

P=45（Al）+38（Zn）+187（Mn）+0.658V+388 （1）P ：挤压力（MPa）
（A l）：A l 的质量分数
（Z n）：Z n的质量分数
（Mn）：Mn 的质量分数
V ：挤压速度（m/min）
图10显示了在两种挤压速度下挤压镁合金表面的光亮度L*。

当Al含量为2%时，表面容易氧化变色。

图11显示了挤压镁合金的拉伸强度。

当Mn含量为0.1%时，拉伸强度显著下降（①，⑥，⑧）。

挤压速度为30m/min，超出了表3列出的速度极限（⑥，⑧，⑨），表面产生裂纹，显示出低的拉伸强度。

图12是试验坯料的延伸率。

含高Al，Zn和低Mn的第8号样品显示出其延伸率很小。

图7 含0.5％Al坯料的最大挤压力
图8 含1％Al坯料的最大挤压力
图9 含2％Al坯料的最大挤压力
图10 试验坯料的光亮度L*值
*译者注：坯料序号参见表1，随坯料的化学成分的不同而不同。

图11 试验坯料的拉伸强度
*译者注：坯料序号参见表1，随坯料的化学成分的不同而不同。

图12 试验坯料的延伸率
*译者注：坯料序号参见表1，随坯料的化学成分的不同而不同。

4．结论
1）对于Mg-Al-Zn系列合金的挤压过程，高的含Zn量，含Mn量导致产品表面产生裂纹降低了它的挤压速度。

2）与Zn相反，增加Mn的含量可以大大改善力学性能，包括其拉伸强度，屈服极限和延伸率。

3）限制Al和Zn的含量可以提高挤压镁合金的生产率。

Mn的含量为0.2%或更高时，其力学性能大大改善。

参考文献：
[1]Matsuoka, s., Murai, T., Miyamoto, s., Oki, Y., Sano, H., Nagao, S.: Proc. of 99th Conf. Of Japan Ins. Of Light Metal (2000), 27-28.
[2]T Murai, T., Matsuoka, S., Miyamoto, S., Oki, Y., Sano, H., Nagao, S.: Proc. of 100th Conf. Of Japan Ins. Of Light Metal (2000), 273-274.
（本文译自2001年11月第七届国际塑性加工会议（日本横滨）论文集）。