CN103981414A - 一种平板电脑和手机用镁合金型材及其挤压工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及镁合金挤压成型技术领域，具体涉及一种平板电脑和手机用镁合金型材及其挤压工艺，该型材原料成分按重量百分比为：Zn：0.8～0.95%、Al：3.1～3.4%、Mn≤0.1%、其它不可避免的杂质≤0.02%、余量Mg；本发明的平板电脑和手机挤压型材的抗拉强度和屈服强度高，断裂伸长率大，硬度高，延展性好，各项性能优异，可保证平板电脑和手机用镁合金型材的连续挤压生产。本发明的挤压工艺包括熔制原料、均匀化处理、挤压前处理和挤压成型步骤；本发明的挤压工艺生产效率高、成材率高、成本相对较低，操作简单，可大规模工业化生产。

Description

一种平板电脑和手机用镁合金型材及其挤压工艺

技术领域

 本发明涉及镁合金挤压成型技术领域，具体涉及一种平板电脑和手机用镁合金型材及其挤压工艺。

背景技术

镁合金是目前最轻的金属结构材料，其具有导电性、导热性、电磁屏蔽性，同时比强度和比刚度高，减震性好，切削加工和尺寸稳定性佳，易回收，有利于环保等优点，被誉为“21世纪的绿色工程材料”，随着汽车、航空、电子及运输等工业轻量化的发展要求，镁合金的应用范围越来越广。镁合金分为铸造镁合金和变形镁合金，目前应用较广的铸造镁合金，其铸态组织晶粒粗大，力学性能较低。常用的变形镁合金主要有AZ31、AZ61、AZ80、ZK31、ZK61、HK31、HK21等牌号，变形镁合金主要是通过挤压、轧制、锻造或拉伸等塑性压力加工，经过挤压、锻造和轧制等生产工艺产出的变形产品具有更高的强度、更好的延伸率和更多样化的力学性能，可以满足更多样化结构件的需求。目前我国开发成功并已形成小批量生产和应用的是采用挤压法生产的 Mg-Al-Zn系列镁合金AZ31B，该镁合金有较好的挤压性能，可通过挤压变形制造出多种规格的管、棒、条、板带型材和断面形状比较复杂的型材，型材的最薄壁厚可以达到 0.6mm甚至更薄。因此，开发变形镁合金产品是镁合金加工发展的必然趋势。

镁合金的诸多优点为其在平板电脑和手机中的应用提供了宽广空间，其挤压型材可应用于平板电脑和手机上。但由于镁为密排六方晶体结构，镁合金塑性变形能力较差，因此镁合金产品大部分使用铸造工艺来实现。镁合金室温下塑性加工相对较为困难，且热加工后的残余应力难以消除，对大尺寸或高精度型材或零件的生产与后续加工带来不利影响。因此，目前市场上迫切需要开发一种生产效率高、成材率高、成本相对较低的平板电脑和手机用镁合金型材及其制备方法。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种平板电脑和手机用镁合金型材，该型材抗拉强度和屈服强度高，断裂伸长率大，硬度高，延展性好，各项性能优异。

本发明的另一目的在于提供一种平板电脑和手机用镁合金型材的挤压工艺，该挤压工艺生产效率高、成材率高、成本相对较低，操作简单，可大规模工业化生产。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种平板电脑和手机用镁合金型材，其特征在于：该型材原料成分按重量百分比为：Zn：0.8～0.95%、Al：3.1～3.4%、Mn≤0.1%、其它不可避免的杂质≤0.02%、余量Mg。

优选的，所述型材成分按重量百分比为：Zn：0.84～0.92%、Al：3.2～3.3%、Mn：0.02～0.08%、其它不可避免的杂质≤0.015%、余量Mg。

更为优选的，所述型材成分按重量百分比为：Zn：0.88%、Al：3.25%、Mn：0.05%、其它不可避免的杂质≤0.01%、余量Mg。

本发明采用AZ31B镁合金，为Mg-Al-Zn系合金，本发明的镁合金型材的成分设计理由如下：

在Mg-Al-Zn系合金中，Zn元素对镁合金力学性能的影响主要表现在强度方面，研究表明，当Zn含量大于0.8%时，随着Zn含量的上升，镁合金的屈服强度和抗拉强度上升，伸长率降低，因此，为了提高镁合金的屈服强度和抗拉强度，Zn含量应控制在0.8%以上；但当Zn含量超过0.95%时，随着Zn含量的升高，抗拉强度与伸长率均下降，因此，为了避免Zn含量过高导致抗拉强度与伸长率下降，Zn含量应控制在0.95%以下。本发明中Zn的含量控制在0.8～0.95%，可以使镁合金具有较高的抗拉强度和屈服强度。优选的，Zn的含量为0.84～0.92%，更为优选的，Zn的含量为0.88%。

在Mg-Al-Zn系合金中，少量的Mn可提高镁合金的焊接性能和耐热性能，研究表明，当Mn含量≤0.1%时，随着Mn含量的上升，镁合金的焊接性能和耐热性能上升；而但当Mn含量大于0.1%时，随着Mn含量的升高，焊接性能和耐热性能反而下降，因此，为了避免Mn含量过高导致抗拉强度与伸长率下降，Mn含量应控制在0.1%以下。本发明中Mn的含量控制在≤0.1%，可以使镁合金具有较好的焊接性能和耐热性能。优选的，Mn的含量为0.02～0.08%，更为优选的，Mn的含量为0.05%。

在Mg-Al-Zn系合金中，Al元素可显著提高镁合金的抗拉强度，尤其是屈服强度。研究表明，当 Al含量大于3.1%时，屈服强度和抗拉强度随Al含量的提高而提高，因此，为了提高镁合金的屈服强度和抗拉强度，Al含量应控制在3.1%以上；且当Al含量为3.25%时，Mg-Al合金达到最佳强度与塑性的配合；当Al含量超过3.4%时，屈服强度和抗拉强度随Al含量的提高反而减小，因此，为了避免Al含量过高导致屈服强度和抗拉强度下降，Al含量应控制在3.4%以下。本发明中Al的含量控制在3.1～3.4%，可以使材料具有较好的抗拉强度和屈服强度。优选的，Al的含量为3.2～3.3%，更为优选的，Al的含量为3.25%。

优选的，所述型材成分满足如下公式：

17.1%≤8.2Zn+3.5Al-12.8Mn≤18.7%    （1）

1.2%≤（6.4Zn/1.5Al）+9.6Mn≤2.0%    （2）。

（1）式的（8.2Zn+3.5Al-12.8Mn）是影响镁合金抗拉强度和屈服强度的重要因素，在本发明中限定在17.1～18.7%范围内，通过实验证明，当（8.2Zn+3.5Al-12.8Mn）大于17.1%时，镁合金的抗拉强度和屈服强度都随着（8.2Zn+3.5Al-12.8Mn）的增大而升高；但当（8.2Zn+3.5Al-12.8Mn）超过18.7%，合金的抗拉强度和屈服强度反而降低。因此，从提高镁合金的抗拉强度和屈服强度出发，（8.2Zn+3.5Al-12.8Mn）应控制在17.1～18.7%。

（1）式的[（6.4Zn/1.5Al）+9.6Mn]是影响镁合金焊接性能和耐热性能的重要因素，在本发明中限定在1.2～2.0%范围内，通过实验证明，当[（6.4Zn/1.5Al）+9.6Mn]大于1.2%时，随着[（6.4Zn/1.5Al）+9.6Mn]的上升，镁合金的焊接性能和耐热性能上升；而但当[（6.4Zn/1.5Al）+9.6Mn] 超过2.0%时，随着[（6.4Zn/1.5Al）+9.6Mn]含量的升高，焊接性能和耐热性能反而下降，因此，从提高镁合金的焊接性能和耐热性能出发，[（6.4Zn/1.5Al）+9.6Mn]应控制在1.2～2.0%。

一种平板电脑和手机用镁合金型材的挤压工艺，包括如下步骤：

A、熔制原料：根据型材原料成分的重量百分比要求，熔制镁合金原料制成镁合金圆铸锭；

B、均匀化处理：将步骤A熔制得到的镁合金圆铸锭去除表皮，放入电阻炉加热至400～420℃保温6～8h进行均匀化处理，均匀化处理后随炉冷却至室温；

C、挤压前处理：将步骤B均匀化处理后的镁合金圆铸锭加热至380～390℃保温3～5h，同时将挤压筒和挤压模具进行预热处理，使挤压筒的温度控制在360～380℃，挤压模具的温度控制在390～400℃，保温2～4h；

D、挤压成型：将步骤C得到的挤压模具取出，装配至挤压机中，取出步骤C得到的镁合金圆铸锭，装填至挤压模具的挤压筒进行挤压成型，得到镁合金型材。

均匀化处理作为提高锭坯的冶金质量及挤压性能的手段，目前已经成为了提高锭坯的冶金质量的最重要方法。均匀化处理是利用在高温进行长时间加热，使内部的化学成分充分扩散，因此又称为扩散退火。退火的目的是为了消除组织缺陷，改善组织使成分均匀化以及细化晶粒，提高合金的力学性能，减少残余应力，同时可提高硬度，提高塑性和韧性，改善切削加工性能。

优选的，所述步骤B中，均匀化处理的温度为410℃，保温7h。

挤压温度即挤压磨具的温度，是挤压参数中最活跃的因素，它不但影响挤压过程的进行，还影响收得率、产品的质量以及力学性能等。从理论上考虑，应根据合金的相图、塑性图和再结晶图。即挤压温度应低于合金的固相线高于再结晶温度，并且是塑性较好的温度，但实际上远比此复杂，尤其对镁合金而言，它易烧、易爆，需要格外注意。考虑到以上情况，本发明的挤压温度控制在390～400℃，挤压筒的温度控制在360～380℃。

优选的，所述步骤C中，挤压筒的温度控制在370℃，挤压模具的温度控制在395℃，保温3h。

优选的，所述步骤D中，挤压速度控制在2.5～5m/min。

选择挤压速度的原则是：在保证制品不产生表面裂纹毛刺和扭拧、弯曲、波浪、间隙、扩（并）口以及尺寸等重量问题的前提下，当挤压机能力允许时，速度越快越好。但挤压速度的确定同挤压温度一样，也十分复杂。挤压速度的大小受合金、状态、毛料、尺寸、挤压方法、挤压力、工具、制品复杂程度、挤压温度、模孔数量和润滑条件等的影响。由于镁合金的成型难度较高，原则上要求低速挤出，因此综合考虑，可以根据型材复杂程度调整挤压速度，本发明的挤压速度控制在2.5～5m/min。

优选的，所述步骤D中，挤压模具的进料口呈锥形开口，锥形开口的角度为6～8°。

锥形开口的设置方便镁合金圆铸锭的挤入，锥形开口的角度不宜过大，过大会导致圆铸锭的偏离，锥形开口的角度也不宜过小，过小会导致挤入困难，研究证明，锥形开口的角度应控制在6～8°，才能达到最好的挤入效果。

优选的，所述步骤D中，挤压模具的工作带长度为2～4mm，挤压筒的填充系数为1.02～1.04。由于镁合金的成型难度较高，故工作带较铝合金模具的工作带短二分之一，即2～4mm。挤压筒的填充系数过大，会造成制品表面起皮、气泡缺陷，且对于具有挤压效应的铝合金来说，填充系数增大，挤压效应损失增大。由于镁合金的收缩比例比铝合金大，挤压筒的填充系数应控制在1.02～1.04。

本发明的有益效果在于：本发明的平板电脑和手机挤压型材成分设计上均采用常见合金元素，并无稀土元素或其它贵重金属添加，其原材料成本较低。该成分范围内镁合金型材的抗拉强度和屈服强度高，断裂伸长率大，硬度高，延展性好，各项性能优异，可保证平板电脑和手机用镁合金型材的连续挤压生产。

本发明的平板电脑和手机挤压型材表面质量好，成材率高，有效降低生产成本，型材尺寸稳定、精度高，各项性能可靠，外观尺寸上无需进行二次加工；平板电脑和手机挤压型材的残余应力基本完全消除，在后续的二次加工（如钻孔、铣槽等）中不会出现变形、翘曲等现象，保证了型材的正常使用，满足了自动装配等方面的多样要求。

本发明的平板电脑和手机挤压型材，与同类铝型材相比，因为镁及其合金密度比铝低，所以用镁合金制造出的零件重量减少，零件成本下降，综合加工成本亦有一定幅度下降，因为零件重量减低了，将零件安装在主机上长期运行能耗会降低，其总的成本下降幅度将会更加明显，经济效益显而易见。

本发明的挤压工艺采用均匀化处理，改善组织使成分均匀化以及细化晶粒，提高合金的力学性能，减少残余应力，同时可提高硬度，提高塑性和韧性，改善切削加工性能。

本发明的挤压工艺和与之对应的挤压工艺相配合，可实现复杂截面的平板电脑和手机挤压型材的生产制备。与目前市场上镁合金挤压型材相比，本发明制备的平板电脑和手机挤压型材无需进行额外的尺寸修正即可达到设计要求。

本发明的挤压工艺可使挤压速率达到2.5～5m/min，大大提高了产品的生产效率、有效降低了生产成本，且可保证较高的成材率和良好的表面质量。采用均匀化处理+挤压前处理+挤压成型的加工方式，克服了加热、挤压加工对型材性能与质量的影响，减短挤压时间，提高挤压效率，降低了镁合金、铝合金型材的加工成本，经济效益明显提高。

本发明的挤压工艺生产平板电脑和手机挤压型材时，生产能耗较低，尤其是充分利用了型材挤压后的余温进行矫直，避免了传统工艺中回炉加温所产生的额外能耗。

本发明的挤压工艺生产效率高、成材率高、成本相对较低，操作简单，可大规模工业化生产。

具体实施方式：

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

实施例1

一种平板电脑和手机用镁合金型材，该型材原料成分按重量百分比为：Zn：0.95%、Al：3.1%、其它不可避免的杂质≤0.02%、余量Mg。

一种平板电脑和手机用镁合金型材的挤压工艺，包括如下步骤：

A、熔制原料：根据型材原料成分的重量百分比要求，熔制镁合金原料制成镁合金圆铸锭；

B、均匀化处理：将步骤A熔制得到的镁合金圆铸锭去除表皮，放入电阻炉加热至400℃保温6h进行均匀化处理，均匀化处理后随炉冷却至室温；

C、挤压前处理：将步骤B均匀化处理后的镁合金圆铸锭加热至380℃保温3h，同时将挤压筒和挤压模具进行预热处理，使挤压筒的温度控制在360℃，挤压模具的温度控制在390℃，保温2h；

D、挤压成型：将步骤C得到的挤压模具取出，装配至挤压机中，取出步骤C得到的镁合金圆铸锭，装填至挤压模具的挤压筒进行挤压成型，得到镁合金型材；

其中，挤压速度控制在2.5m/min；挤压模具的进料口呈锥形开口，锥形开口的角度为6°挤压模具的工作带长度为2mm，挤压筒的填充系数为1.02。

本实施例制得的镁合金型材的各项力学性能如表1所示。

实施例2

一种平板电脑和手机用镁合金型材，该型材原料成分按重量百分比为：Zn：0.92%、Al：3.2%、Mn：0.02%、其它不可避免的杂质≤0.015%、余量Mg。

一种平板电脑和手机用镁合金型材的挤压工艺，包括如下步骤：

A、熔制原料：根据型材原料成分的重量百分比要求，熔制镁合金原料制成镁合金圆铸锭；

B、均匀化处理：将步骤A熔制得到的镁合金圆铸锭去除表皮，放入电阻炉加热至405℃保温8h进行均匀化处理，均匀化处理后随炉冷却至室温；

C、挤压前处理：将步骤B均匀化处理后的镁合金圆铸锭加热至382℃保温5h，同时将挤压筒和挤压模具进行预热处理，使挤压筒的温度控制在365℃，挤压模具的温度控制在392℃，保温4h；

D、挤压成型：将步骤C得到的挤压模具取出，装配至挤压机中，取出步骤C得到的镁合金圆铸锭，装填至挤压模具的挤压筒进行挤压成型，得到镁合金型材；

其中，挤压速度控制在3m/min；挤压模具的进料口呈锥形开口，锥形开口的角度为8°挤压模具的工作带长度为4mm，挤压筒的填充系数为1.04。

本实施例制得的镁合金型材的各项力学性能如表1所示。

实施例3

一种平板电脑和手机用镁合金型材，该型材原料成分按重量百分比为：Zn：0.88%、Al：3.25%、Mn：0.05%、其它不可避免的杂质≤0.01%、余量Mg。

一种平板电脑和手机用镁合金型材的挤压工艺，包括如下步骤：

A、熔制原料：根据型材原料成分的重量百分比要求，熔制镁合金原料制成镁合金圆铸锭；

B、均匀化处理：将步骤A熔制得到的镁合金圆铸锭去除表皮，放入电阻炉加热至410℃保温7h进行均匀化处理，均匀化处理后随炉冷却至室温；

C、挤压前处理：将步骤B均匀化处理后的镁合金圆铸锭加热至385℃保温4h，同时将挤压筒和挤压模具进行预热处理，使挤压筒的温度控制在370℃，挤压模具的温度控制在395℃，保温3h；

D、挤压成型：将步骤C得到的挤压模具取出，装配至挤压机中，取出步骤C得到的镁合金圆铸锭，装填至挤压模具的挤压筒进行挤压成型，得到镁合金型材；

其中，挤压速度控制在3.5m/min；挤压模具的进料口呈锥形开口，锥形开口的角度为7°挤压模具的工作带长度为3mm，挤压筒的填充系数为1.03。

本实施例制得的镁合金型材的各项力学性能如表1所示。

实施例4

一种平板电脑和手机用镁合金型材，该型材原料成分按重量百分比为：Zn：0.84%、Al：3.3%、Mn：0.08%、其它不可避免的杂质≤0.015%、余量Mg。

一种平板电脑和手机用镁合金型材的挤压工艺，包括如下步骤：

A、熔制原料：根据型材原料成分的重量百分比要求，熔制镁合金原料制成镁合金圆铸锭；

B、均匀化处理：将步骤A熔制得到的镁合金圆铸锭去除表皮，放入电阻炉加热至415℃保温8h进行均匀化处理，均匀化处理后随炉冷却至室温；

C、挤压前处理：将步骤B均匀化处理后的镁合金圆铸锭加热至388℃保温3h，同时将挤压筒和挤压模具进行预热处理，使挤压筒的温度控制在375℃，挤压模具的温度控制在398℃，保温2h；

D、挤压成型：将步骤C得到的挤压模具取出，装配至挤压机中，取出步骤C得到的镁合金圆铸锭，装填至挤压模具的挤压筒进行挤压成型，得到镁合金型材；

其中，挤压速度控制在4m/min；挤压模具的进料口呈锥形开口，锥形开口的角度为8°挤压模具的工作带长度为2mm，挤压筒的填充系数为1.04。

本实施例制得的镁合金型材的各项力学性能如表1所示。

实施例5

一种平板电脑和手机用镁合金型材，该型材原料成分按重量百分比为：Zn：0.8%、Al：3.4%、Mn：0.1%、其它不可避免的杂质≤0.02%、余量Mg。

一种平板电脑和手机用镁合金型材的挤压工艺，包括如下步骤：

A、熔制原料：根据型材原料成分的重量百分比要求，熔制镁合金原料制成镁合金圆铸锭；

B、均匀化处理：将步骤A熔制得到的镁合金圆铸锭去除表皮，放入电阻炉加热至420℃保温6h进行均匀化处理，均匀化处理后随炉冷却至室温；

C、挤压前处理：将步骤B均匀化处理后的镁合金圆铸锭加热至390℃保温5h，同时将挤压筒和挤压模具进行预热处理，使挤压筒的温度控制在380℃，挤压模具的温度控制在400℃，保温4h；

D、挤压成型：将步骤C得到的挤压模具取出，装配至挤压机中，取出步骤C得到的镁合金圆铸锭，装填至挤压模具的挤压筒进行挤压成型，得到镁合金型材；

其中，挤压速度控制在5m/min；挤压模具的进料口呈锥形开口，锥形开口的角度为6°挤压模具的工作带长度为4mm，挤压筒的填充系数为1.02。

本实施例制得的平板电脑和手机用镁合金型材的各项力学性能如表1所示。

表1 实施例1~5制得的平板电脑和手机用镁合金型材的机械物理性能

测试项目	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
						抗拉强度（MPa）	260	270	280	275	265
屈服强度（MPa）	195	2.5	210	200	190
						冲击韧性（J）	9.3	9.6	10.2	9.8	9.5
断裂伸长率（%）	34	30	40	35	38
						硬度（HRB）	44	46	48	47	45

本发明的平板电脑和手机挤压型材成分设计上均采用常见合金元素，并无稀土元素或其它贵重金属添加，其原材料成本较低。该成分范围内镁合金型材的抗拉强度和屈服强度高，断裂伸长率大，硬度高，延展性好，各项性能优异，可保证平板电脑和手机用镁合金型材的连续挤压生产。本发明的挤压工艺生产效率高、成材率高、成本相对较低，操作简单，可大规模工业化生产。

上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本发明构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种平板电脑和手机用镁合金型材，其特征在于：该型材原料成分按重量百分比为：Zn：0.8～0.95%、Al：3.1～3.4%、Mn≤0.1%、其它不可避免的杂质≤0.02%、余量Mg。

2.根据权利要求1所述的一种平板电脑和手机用镁合金型材，其特征在于：所述型材成分按重量百分比为：Zn：0.84～0.92%、Al：3.2～3.3%、Mn：0.02～0.08%、其它不可避免的杂质≤0.015%、余量Mg。

3.根据权利要求1所述的一种平板电脑和手机用镁合金型材，其特征在于：所述型材成分按重量百分比为：Zn：0.88%、Al：3.25%、Mn：0.05%、其它不可避免的杂质≤0.01%、余量Mg。

4.根据权利要求1所述的一种平板电脑和手机用镁合金型材，其特征在于：所述型材成分满足如下公式：

17.1%≤8.2Zn+3.5Al-12.8Mn≤18.7%    （1）

1.2%≤（6.4Zn/1.5Al）+9.6Mn≤2.0%    （2）。

5.如权利要求1～4任一项所述的一种平板电脑和手机用镁合金型材的挤压工艺，其特征在于：包括如下步骤：

A、熔制原料：根据型材原料成分的重量百分比要求，熔制镁合金原料制成镁合金圆铸锭；

B、均匀化处理：将步骤A熔制得到的镁合金圆铸锭去除表皮，放入电阻炉加热至400～420℃保温6～8h进行均匀化处理，均匀化处理后随炉冷却至室温；

C、挤压前处理：将步骤B均匀化处理后的镁合金圆铸锭加热至380～390℃保温3～5h，同时将挤压筒和挤压模具进行预热处理，使挤压筒的温度控制在360～380℃，挤压模具的温度控制在390～400℃，保温2～4h；

D、挤压成型：将步骤C得到的挤压模具取出，装配至挤压机中，取出步骤C得到的镁合金圆铸锭，装填至挤压模具的挤压筒进行挤压成型，得到镁合金型材。

6.根据权利要求5所述的一种平板电脑和手机用镁合金型材的挤压工艺，其特征在于：所述步骤B中，均匀化处理的温度为410℃，保温7h。

7.根据权利要求5所述的一种平板电脑和手机用镁合金型材的挤压工艺，其特征在于：所述步骤C中，挤压筒的温度控制在370℃，挤压模具的温度控制在395℃，保温3h。

8.根据权利要求5所述的一种平板电脑和手机用镁合金型材的挤压工艺，其特征在于：所述步骤D中，挤压速度控制在2.5～5m/min。

9.根据权利要求5所述的一种平板电脑和手机用镁合金型材的挤压工艺，其特征在于：所述步骤D中，挤压模具的进料口呈锥形开口，锥形开口的角度为6～8°。

10.根据权利要求5所述的一种平板电脑和手机用镁合金型材的挤压工艺，其特征在于：所述步骤D中，挤压模具的工作带长度为2～4mm，挤压筒的填充系数为1.02～1.04。