本科毕业设计（论文）AZ80镁合金挤压工艺研究
学院名称：材料工程学院
专业：材料成型及控制工程
班级：10模具1ZW
学号：10341111
姓名：陈志鹏
指导教师姓名：卢雅琳
指导教师职称：
二〇一四年六月
AZ80镁合金挤压工艺研究
摘要：本论文进行了一系列的应用研究工作，主要包括：AZ80镁合金材料和加工工艺的选择，AZ80镁合金材料的组织和性能的分析研究。研究所方法是先将镁合金铸锭通过加热到410℃保温12h的均匀化退火的方式处理一下，然后通过热挤压的方式加工成棒料，最后再进行适当的固溶跟时效热处理，再在进行了系统的力学性能测试和金相组织分析的基础上，选择出最佳的挤压工艺相关参数。经过系统的研究，获得AZ80镁合金材料最佳热处理工艺为：380℃固溶2小时+170℃时效18h。
关键词：固溶时效；热处理；组织；强度
AZ80 magnesium alloy extrusion technology was studied Abstract：This paper conducted a series of application research, mainly including: the choice of AZ80 magnesium alloy materials and processing technology, the analysis and research of the organization and performance of AZ80 magnesium alloy materials. Research method is to magnesium alloy ingot by heated to 410 ℃heat preservation of 12 h of homogenizing annealing treatment, then through the way of hot extrusion processing into a bar, and then make the appropriate solid solution and aging treatment, and then in the system of mechanical properties testing and microstructure analysis, on the basis of choosing the best extrusion process related parameters. Through systematic study, to obtain the best heat treatment process of AZ80 magnesium alloy material is: 380 ℃solution 2 hours 18 h + 170 ℃ageing. Keywords：Solid solution aging; Heat treatment; Organizations; The intensity of
目录
第1章文献综述 (1)
1.1挤压成形工艺研究 (1)
1.1.1挤压成形的定义 (1)
1.1.2挤压成形的原理 (1)
1.1.3金属挤压成形的特点 (2)
1.1.4金属挤压成形技术发展的现状 (2)
1.1.5金属挤压技术的发展前景 (3)
1.2镁和镁合金的介绍 (3)
1.2.1镁的介绍 (3)
1.2.2镁合金的介绍 (3)
1.2.3镁合金的分类 (3)
1.2.4镁合金的特点 (4)
1.2.5镁合金的发展方向 (5)
第2章实验方案 (7)
2.1实验材料 (7)
2.2正挤压实验 (7)
2.3热处理实验 (8)
2.3.1实验目的 (8)
2.3.2实验设备 (9)
2.3.3热处理的类型及工艺参数 (9)
2.4金相实验 (10)
2.4.1实验目的 (10)
2.4.2腐蚀剂的配制 (10)
2.4.3金相试样的制备 (10)
2.4.4显微硬度测量 (11)
2.5力学性能实验 (12)
2.5.1拉伸试样的制取 (13)
2.5.2实验设备 (15)
第3章AZ80镁合金组织与性能研究 (16)
3.1原始材料组织及均匀化组织 (16)
3.2挤压的工艺 (19)
3.2.1挤压工艺的参数 (19)
3.2.2挤压温度对材料性能的影响 (19)
3.2.3挤压比对材料性能的影响 (20)
3．3挤压后的热处理 (22)
第4章结论 (28)
参考文献 (29)
致谢 (30)
第1章文献综述
1.1挤压成形工艺研究
1.1.1挤压成形的定义
将金属毛坯放入模具模腔内，在强大的压力和一定的速度的作用下，迫使金属从模腔中挤出，从而确保挤压件具有一定的力学性能。
1.1.2挤压成形的原理
挤压成形就是将所需要挤压的坯料加热到所需温度，然后将坯料加入挤压筒内，在挤压机的作用下使其通过挤压筒，通过形状、直径的改变使其性能组织发生改变，以获得所需要的结果，如图1-1所示。
1-上模板；2-压板；3-凸模；4-挤压筒；5-凹模；6-下模板
图1-1 挤压成形工艺原理示意图
挤压加工与其它一次塑性加工在本质上的区别就在于，它是在一个近乎密闭的工具内，并且是在很高的静压力下进行的变形，因此具有如下基本特性：
(1)在变形的同时可以使材料接台，因此可以挤压接合金属粉末、金属碎片、异种金属。如果有两种金属的变形抗力相差不太大的话，既便在室温也可以通过挤压来接合。
(2)可以使脆性材料变形。
(3)通过一道工序即可得到断面形状与模子出口形状相同的制品。
(4)可以通过一道工序进行大变形量加工。
(5)工具承受很大压力。
(6)坯料断面形状可自由选择。
(7) 工具和材料的接触时间长，容易引起晶粒长大和表面裂纹。
(8)工具和材料的接触面积大，使正挤压的挤压力增太。
(9)一道工序只能加工装入工具内体积一定的坯料，增加了材料装卸等附加工序。同时由于变形及温度的不稳定，使挤压制品的质量在纵向上不均匀。
1.1.4金属的挤压成形技术及发展现状
(1) 迅速发展的挤压设备。总的来说，就是急剧增加的挤压机数量. 不断扩大的挤压力，不断更新的结构型式，不断提高的自动化程度，得到广泛应用的油压挤压机。
(2) 面貌一新的挤压模具。总的来说，就是从设计得计算、制模的技术、结构的选择、安装与拆卸的方法、新材料的研制以及提高模具寿命等方面都有很大发展。
(3) 不断改进和完善的挤压工艺。最近这些年，不仅仅只有改进和完善正反向挤压的方法及其工艺，还出现了许多强化挤压过程的新的工艺和方法。
(4)挤压产品的总体结构发生了很大的变化。20世60年代至今，轻合金挤压材料的平均增长速度远远超过了钢铁材料的增长速度，其每年的平均速度高达9.5%。
挤压加工的优势在于非常适合当今社会发展的要求。因为我们这个时代对高性能材料（即难以被加工和复合材料）的加工会变得越来越多。而且还需到在低成本的前提下进行许多品种的小批量生产，可以废弃物循环利用来节省资源。铸锭可以用来进行直接的加工，以便节约对铸锭进行加工的机器占地的面积。而且机器只要对其产生噪音的声源处进行适当的屏蔽，他对人群的噪音伤害也会随之大大减小。
1.2镁和镁合金的介绍
1.2.1镁的介绍
镁的外观为银白色，自然界分布比较广的元素中就有镁，它的蕴藏量高达2.77%。同时，在海水中排第三的富有元素，它在海水中的百分比约为0.13%，镁的种类有很多，大约有60多种，镁的晶体结构为密排六方，在自然界以化合物的形式出现，并且活动性比较高的就是镁，主要存在于白云石，盐矿，地下水以及盐湖。镁的化合种类比较多，据了解有碳酸盐类，硅酸盐类等。
1.2.2镁合金的介绍
最轻的金属结构材料被称为镁合金，它的比强度高于铝合金，低于纤维塑料，它的机加工的成本比较低、具有优良的性能。而且随着科学技术的发展，镁合金的耐腐蚀性甚至比低碳钢还要好。它的物理性能，减振性和电磁性能都要高于铝合金，镁合金的力学性能比较好，所以真正压铸的时间比较短，模具可以使用很长的时间，比价适合于成形加工，其次，它的压铸件的性能也比较好，经常可以代替钢，铝合金，和塑料。而且相对于金属镁，它的易燃性也得到了很大的提高。它最大的优点就是可以回收利用，可以环保。就是因为这个优点，被人们称为“21世纪金属”，被应用于汽车，计算机等较多的现代化领域。
1.2.3镁合金的分类
镁合金有三种分类方式：分别为是否含锆、主要合金元素和成形的工艺。
首先，按是否含镐可分为含锆镁合金和不含锆镁合金两大类，含镐的镁合金中主要的有：Mg-Ag-Zr 、Mg-Th-Zr、Mg-Zn-Zr、Mg-RE-Zr四大系列。不含镐的镁合金中主要的有：Mg-Mn、Mg-A1、Mg-Zn三大系列。Zr在镁合金中的主要作用就是用来细化晶粒。加入镐元素之后美合金的性能随之大大提高，镁合金在室温及高温下的性能有显著的提高。
然后按合金化组元的数目可以分为二元，三元以及多元的合金体系。平时所见到的镁合金至少都含有两种及以上的合金元素。生活中我们可以把他们按其中主要的合金元素分为Mg-Li、Mg-Mn、Mg-Al等合金的系列。
最后按照镁合金的成形工艺可以分为铸造镁合金跟变形镁合金。铸造镁合金就是经过铸造的方法直接加工出来进行使用的镁合金。变形镁合金就是用各种使镁合金发生塑性变形的然后成形的方法（即挤压，冲压等）加工出来的镁合金。虽然目前铸造镁合金远比变形镁合金应用广泛，但是镁合金材料经过变形之后，能够使它的组织变细，强度、延展性和力学性能得到更好的发展并且可以在各种不同的场合满足所需要的使用要求。因此，变形镁合金委会得到更大的发展空间也是未来发展的趋势。
1.2.4镁合金的特点
镁合金具有其它金属材料不可替代的独特性，是现如今在工程上应用的最轻的结构材料，镁合金优点如下：
1)质量小镁合金的密度小，只有1．89g/cm3,在所有商业金属中质量最小。它的质量只有铝的2/3,铁的1/4，也是金属结构中最轻的金属材料。由于镁合金在这方面的优点，所以镁合金以后在航天、航空方面将会被大大的开发利用。
2）导热性能良好由于它的导热性能好，他可以被用来改善现如今使用量非常庞大的电子产品的散热问题，是电子产品的寿命大大提高。
3）比刚度，比强度较高由于镁合金的比刚度、比强度较高，所以在受到同样力的作用下的时候可以消耗更多的变形力。此外还具有减震，减噪的作用，用于汽车上可以大大提高人们驾车时的安全性跟舒适性。
4）抗电磁干扰性好由于它的抗电磁干扰性能良好，可以被用来作为防电磁干扰产品，减小产品，比如手机外壳等。
5）加工性跟铸造性能好由于镁和铁的化学反应低，所以当压铸时对铸模产生的损耗小，大大的提高了压铸模的使用寿命。
6）切削性能良好切削时候的加工速度远大于其他材料，而且加工的精度高。
7）材料可回收镁合金可以回收循环利用，这正符合了现在提倡的绿色环保的主题，这样不仅降低了使用成本而且节约了资源。
截止到现在，镁合金作为工业中的轻金属材料，只被应用在比较狭小的领域中。并没有得到广泛的应用。与铝合金，钢铁材料等其他材料相比，镁合金的使用量还是比较少的。虽然镁合金的优点很多，但是使用量远不及铝合金跟钢铁材料，主要是由于镁合金还没有得到更多的关注，研究发展都不够充分，所以他的应用范围就比较有限。仅仅从镁合金自身来说，他的缺点如下：
（1）塑性变形能力差由于镁的结构为密排六方结构，所以镁合金的变形性能和工艺塑性的提高是镁合金得到广泛应用的关键。
（2）耐磨性，耐腐蚀性差由于镁合金的强度不高，所以镁合金不适用于经常有摩擦的部件的制造。而由于它的化学活性高，在常温下有时都可能发生氧化，所以镁合金的耐腐蚀性差。
（3）高温下易燃由于镁合金的化学性能比较强，在高温的环境下特别容易发生氧化，所以如何解决镁合金的这个问题的方法也成了材料研究领域的一个热点。
1.2.5镁合金的发展方向
（1）高强耐热镁合金
现有的镁合金的室温塑性、强度、高温强度和抗蠕变性能都有待进一步提高。耐热性能差是阻碍镁合金被广泛应用的主要原因。一旦镁合金在温度较高的环境中的时候，它的化学活性强跟耐高温性差就会使它的整体性能大大的降低。所以目前镁合金还很难作为需要在高温环境下工作的关键零件。所以高强耐热镁合金就成为了重点研究的方向。
目前已开发的耐热镁合金中所采用的合金元素主要有RE、SI、Ca及Sr等。稀土是用来提高镁合金耐热性能的主要元素，QE22、WE54等含有稀土元素的镁合金就具有与铝合金相当的高温强度。
（2）超轻镁合金
镁锂合金是迄今为止密度最小的合金材料。以镁和锂为主要元素而制得的镁锂合金的密度一般为1.35-1.65g/cm3,比普通镁合金轻1/4-1/3,比铝合金轻
1/3-1/2，所以镁锂合金也被称为超轻合金。由于锂的加入，镁的密排六方结构向体心立方结构转变。锂含量为0-0.5%时，镁锂合金为α相；锂含量为5.7%-10.3%时，为α+β相；锂含量大于10.3%时，为β相。体心立方结构的β相具有更多的滑移系，故镁锂合金具有更好的变形性能，甚至超塑性。通常镁锂合金的强度很低，加入AL、Zn、Si、Mn、和RE等元素可提高合金的强度和组织稳定性。高强超轻镁锂合金的开发是镁合金研究的一个热点。
（3）变形镁合金
虽然目前铸造镁合金产品的用量远远大于了变形镁合金的产品用量，但是镁合金材料经过变形之后，能够使它的强度、延展性和力学性能得到更好的发展并且可以在各种不同的场合达到所需要的使用要求。因此，变形镁合金委会得到更大的发展空间也是未来发展的趋势。新型变型镁合金及其成型工艺的开发，已受到国内外才来哦工作者的高度重视。
第二章实验方案
2.1实验材料
本次试验所采用的AZ80铸锭均为未经过任何的处理原始态，其合金成分具体参数如表2-1所示：
表2-1 实验用AZ80镁合金成分（wt%）
2.2正挤压实验
先把准备好的铸锭拿出来通过均匀化热处理一下，拿出来空冷至室温。然后将冷却好的试样经过车削加工到Φ38mm的棒状试样，所东西准备齐全后在1200吨的挤压机上采用正向挤压的方法进行挤压。挤压示意图如图2-1所示。挤压筒和模具都采用淬火钢制成，挤压筒的直径采用Φ40mm的，凹模采用三种挤压比来做。分别为λ=3、6、10。为了挤压的顺利进行，挤压的过程中，在每次挤压之后都要把挤压筒跟凹模的内壁清理干净。为了防止模具跟材料温度相差太大而造成的激冷现象，需要对模具也进行加热。加热温度一般为试样温度以下20℃到30℃。
图2-1铸锭正向挤压模具示意图
镁合金所采用的典型的挤压温度为300℃到450℃。具体采用的温度还是要根据挤压材料的品种、形状等因素来具体确定。一般变形程度的大小通过挤压比来
表现出来。即λ=A
0/ A
1
=(d
/d
1
)2；我们此次试样所选择的挤压分别为λ=3、6、
10三个挤压比作为研究对象具体的挤压参数如表2-2所示。
λ-------挤压比；
A
-------表示原始试样的截面积；
A
1
-------表示挤压过后式样的截面积；
d
-------表示试样原始式样的直径；
d
1
-------表示挤压过后试样的直径；
表2-2 AZ80挤压方案
2.3热处理实验
2.3.1实验目的
对试样进行热处理主要是为了改善材料的机械性能。通过将试样放在炉中加热到一定温度之后进行保温，然后通过适当的冷却方式，最后使材料的组织结构发生一定程度的改变，减少组织内部的缺陷，使材料的潜能得到充分发挥，让材料的综合性能得到提高。
2.3.2实验设备
热处理设备是普通电阻炉，型号为KBF1100，如图2-2所示。由于镁合金化学活性较高，容易氧化，特别是在高温下，而且氧化的速度非常快。通常为了减小镁合金的氧化程度，都会采取以下措施：通入保护气体，或在真空炉中加热。本试验采取的方法是直接在电阻炉中加入少许二氧化硫气体。
图2-2 箱式电阻炉
2.3.3热处理的类型及工艺参数
本次试验经过查阅资料讨论确定了三种热处理类型：固溶处理（T4态）、人工时效(T5态)和固溶处理+人工时效(T6态)。固溶处理（T4态）试验了3种工艺参数，在三种不同的温度下，试样采用温水淬火。人工时效(T5态)试验了1种工艺参数，试样采取空冷。固溶处理+人工时效(T6态)试验了3种工艺参数，如表2-3所示：
表2-3 AZ80镁合金热处理实验工艺参数
2.4金相实验
2.4.1实验目的
材料内部的组织结构对材料的性能有着很大的影响，通过金相实验来对挤压态及热处理态镁合金进行内部组织的观察，通过观察他们的形态、分布、晶粒、晶界、析出物等微观的组成，然后通过对比得出热处理对材料的影响。
2.4.2腐蚀剂的配制
本次试验所使用的腐蚀剂为苦味酸腐蚀剂具体配方如下：苦味酸1.5g，乙酸5ml，水10ml，乙醇25ml。
2.4.3金相试样的制备
实验时，依次使用200目、400目、600目、800目、1200目的砂纸进行打磨，然后在抛光机上进行抛光（抛光布采用的是细呢子布,抛光剂采用的是金刚石抛光剂）。抛光后用配制好的腐蚀剂进行腐蚀，腐蚀时间为1到5s。然后用水冲干净，滴适量的酒精在试样上用吹风机吹干。最后使用XJZ-6A金相显微镜进行金相观察及照片采集。如图2-3所示。