銅鎂鈦及其合金的板料沖壓成形性能說課材料

1、銅鎂鈦及其合金的板料沖壓成形性能2 銅及銅合金板料成形研究前沿現(xiàn)代高精銅及銅合金帶材具備優(yōu)良的表面質(zhì)量，滿足后續(xù)電鍍、焊接、沖壓等二次加工對銅帶表面的技術要求。銅板料沖壓件主要應用于電子工業(yè)。為了克服純銅質(zhì)軟的不足，銅的板料成形朝著兩個方向發(fā)展：一方面改善材料組織性能，利用銅合金板料成形(如：鎢銅合金板材)和超細晶(UFG)銅板料成形；另一方面發(fā)展新的成形方法。2.1 銅及銅合金板料成形研究趨勢銅是面心立方金屬，強度低，變形性能優(yōu)良。超細晶(Ultrafine grained，UFG)銅板料料是由嚴重塑性變形(severe plastic deformation，SPD)方法生產(chǎn)的。具有傳統(tǒng)銅

2、板料不具備的優(yōu)良力學性能。SPD方法中等徑角擠壓法(equal channel angular pressing ,ECAP)是等徑角擠壓(Equal Channel Angular Pressing)是一種利用純剪切變形細化晶粒的大塑性變形加工方法,已引起人們的極大關注。根據(jù)路線、溫度和在加工中使用的工序數(shù)，ECAP可以生產(chǎn)各種超細晶材料。2.2 銅及銅合金板料成形研究成果 等徑角擠壓法屬于一種SPD工藝，主要用于超細晶材料的微成形(microforming)，利用ECAC成形的超細晶銅板厚度達到0.4mm(2009, Australia)。另外，利用ECAC二向成形的超細晶銅板（箔）的極限

3、拉深比為1.92.0，而粗晶粒銅板的為2.2，但是并沒有出現(xiàn)拉伸強度上升延展性下降的現(xiàn)象。 等徑角擠壓法之前，現(xiàn)將工業(yè)純銅（99.95%）在保護氣體中600退火2h，制成截面為2020mm2的桿狀坯料，然后在壓力機上反復擠壓。 在室溫下對Q235鋼成功進行了C方式11道次等徑彎曲通道，等效應變約高達11，獲得了亞微晶鐵素體組織。4次ECAC擠壓后材料的杯狀實物(右上)。ECAC擠壓模具的FE模型（左下）。不同次擠壓后材料的真應力-應變曲線(右上)?？估瓘姸?實線)和拉伸延性(虛線)是擠壓數(shù)量的函數(shù)（右下）。ECAC次數(shù)與極限拉深比的關系（左下）。8次擠壓后不同極限拉深比（LDR）的銅杯(LDR

4、為：a Db/Dp = 2.4; b Db/Dp = 2.2; c Db/Dp = 1.9; d Db/Dp = 1.6)，主要是由摩擦引起的破裂。左邊為實物圖，右邊為FE模擬(ABAQUS/Explicit）圖。LDR為最大拉深半徑與凸模半徑的比。研究表明，隨著擠壓次數(shù)增加，延伸率的降低有原來的50%減少到10%，而LDR幾乎不變。這使得ECAC在超細晶銅板料成形中那個充分挖掘材料的潛力。LDR值越大越有利于變形。實驗和模擬LDR值如右圖。2 鎂及鎂合金板料成形前沿鎂及鎂合金板料成形前沿鎂是常用金屬結構材料中最輕的一種，是地殼中最豐富的元素之一，約占地殼組成的2.5，其熔點為651，比重僅為

5、1749cm3，標準電位為-2.363V，是負電性很強的金屬。鎂合金主要優(yōu)點如下：1)密度小，只是鋼鐵的29，鋁合金的23，是最輕的結構合金，能有效降低部件的重量，節(jié)約能耗；2)比強度大，略低于比強度最大的纖維增強材料，遠高于工程塑料；3)阻尼性很好，吸收能力強，具有極強的減震性，可用于震動劇烈的場合，用在汽車上可增強汽車的安全性和舒適性；4)導熱性好，膨脹系數(shù)較大，彈性模量低，稍遜于一般的鋁合金，是一般工程材料的300倍，且溫度依賴性低，可用于制造要求散熱性能好的電子產(chǎn)品；5)鎂合金是非磁性屏蔽材料，電磁屏蔽性能好，抗電磁波干擾能力強，可用于手機等通訊產(chǎn)品；6)鎂合金加工成形性好，外觀質(zhì)感好

6、，可制作筆記本電腦、照相機外殼；7)鎂合金線收縮率小，尺寸穩(wěn)定，不易因環(huán)境而改變(相對于工程塑料)；8)材料可100回收，符合環(huán)保要求。 正是基于上述的優(yōu)點鎂合金已經(jīng)部分取代鋅、鋁、鑄鐵和鋼等材料，在3C行業(yè)、汽車行業(yè)、國防、航空航天以及日常生活用品等方面有著廣泛的應用。目前世界上的鎂合金件，以鑄造工藝（包括傳統(tǒng)的鑄造、壓鑄工藝和新型的半固態(tài)鑄造等工藝）生產(chǎn)的占80以上如我國臺灣省每年所生產(chǎn)的鑄造鎂合金筆記本電腦殼體占世界產(chǎn)量的60，而日本則占30 ；鎂合金在汽車上的應用也逐漸發(fā)展：鑄造法生產(chǎn)的發(fā)動機殼體、儀表盤、車輪等正成為各大知名廠家的首選 。 壓力加工方式生產(chǎn)的鎂合金零件也開始進入人們的

7、視野，因為這種工藝生產(chǎn)的零件機械性能較好，并且在薄壁件的生產(chǎn)上占有一定的優(yōu)勢。國際鎂業(yè)協(xié)會(IMA)將開發(fā)變形鎂合金的新合金、新工藝列為長期目標，認為發(fā)展變形鎂合金是最富有挑戰(zhàn)性的工作，對未來鎂合金的應用有重大的意義。3.1 鎂合金板材的加工方法 擠壓鎂合金板材：常采用溫擠或熱擠壓成形，也可采用擠壓圓管的方式進行鎂合金板帶材擠壓成形，擠壓后將圓管沿軸向切開，再對其進行展平或軋制加工則可獲得鎂合金板材或鎂合金帶材。 軋制鎂合金板材：熱軋（材料溫度在在結晶溫度以上的軋制） 。平輥軋制（用軋輥為均勻的圓柱體的平輥進行的軋制）。 連鑄連軋鎂合金板材：將連續(xù)鑄造、鑄造、軋制，甚至熱處理等串連為一體，鑄出

8、毫米級的薄帶坯，經(jīng)在線軋制后一次性形成工業(yè)產(chǎn)品。3.2 國內(nèi)外鎂合金板料生產(chǎn)狀況 擠壓法直接生產(chǎn)所需鎂合金板材工藝的實現(xiàn)應歸功于日本的三協(xié)鋁業(yè)，該公司在2002年宣布擠制出0.4mm厚、180mm寬的AZ31鎂合金薄板，并成功應用于生產(chǎn)數(shù)碼相機和數(shù)碼錄像機的外殼與托架；2003年又宣布擠制出寬300mm、厚0.7mm的AZ31鎂合金板，并應用于筆記本電腦外殼的生產(chǎn) ;我國某鋁合金型材生產(chǎn)廠也于2003年推出自己的擠壓鎂合金板(帶)材，其厚度最薄達0.35mm，最厚為3mm，而寬度較小，僅100mm。美、俄、德等國的鎂合金板材生產(chǎn)能力相當強勁，但主要集中在中、厚板，且主要用在航天器等方面，民品方

9、面開發(fā)得并不多；但德國近年來對薄板的投入較大，已能生產(chǎn)常溫下單向延伸率達15、厚度為1mm的AZ31板。近幾年，各國都根據(jù)需要，開發(fā)出多種新型變形鎂合金板材，但在室溫下塑性成形能力依舊較差，還需借助優(yōu)化熱加工工藝來成形所需的制品。但有一個例外，就是MgLi金板，它在常溫下的成形能力比不銹鋼還好，腐蝕的問題也得到了解決。其唯一的缺點，就是所需添加的稀土元素使這類合金的成本較高，增加了推廣使用的難度。3.3 合金板材的沖壓成形研究在鎂合金板材沖壓加工的研究方面，德國大眾公司已遠遠走在世界其他汽車生產(chǎn)公司的前面，它所生產(chǎn)的Polo、Audi等汽車的內(nèi)車門板就是Az31鎂合金板熱沖成形的。大眾公司做了

10、很多整車碰撞實驗 ，認為用AZ31鎂合金板制造的汽車車門比不銹鋼板材制造的車門具有更大的優(yōu)勢，不僅減輕汽車質(zhì)量，而且耐沖擊能力也得到較大的提高。 他們認為如果常溫延伸率超過就15，就可以解決熱沖鎂合金板所帶來的諸如板材晶粒粗大、氧化嚴重等導致成形件力學性能下降的問題。德國的Doege等在鎂合金板材拉延成形方面做了較多的工作，他研究了溫度和拉延速度對于鎂合金板材拉延率的影響，并成功地拉制出相對復雜的零件。愛爾蘭都柏林城市大學SYoshihara等人進行了AZ31鎂合金筒形拉深實驗，在這個實驗當中所采用的是凹模和壓邊圈與材料變形區(qū)接觸的部分加熱，而凸模通冷卻水冷卻，即局部加熱冷卻的方法進行熱拉深試

11、驗，并且對相關的工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，得到了較好的拉延極限系數(shù)。結果表明，采用合理的局部加熱和凸模冷卻技術在坯料上建立合適的溫度分布可有效提高鎂合金AZ31的極限拉深比，并降低成形件厚度分布的不均勻性。在成形溫度為180和230，凸模速度為6mm/min，極限拉深比分別達到3.25和3.375；此外，鎂合金AZ31在溫熱條件下顯示出明顯的成形速度敏感性，隨著凸模速度的增加，極限拉深比顯著下降，在成形溫度為230時，增加成形速度從6mm/min到60mm/min，極限拉深比從3.375減少到2.8。 中國科學院金屬研究所的張士宏與上海交通大學合作，利用塑性較好的板材在低于200的條件下研究了Az3

12、1鎂合金板的拉延性能，結果發(fā)現(xiàn)，AZ31鎂合金板在170左右的拉延比可達到2.0。近幾年，各國都根據(jù)需要，開發(fā)出多種新型變形鎂合金板材，但在室溫下塑性成形能力依舊較差，還需借助優(yōu)化熱加工工藝來成形所需的制品。但有一個例外，就是MgLi金板，它在常溫下的成形能力比不銹鋼還好，腐蝕的問題也得到了解決。其唯一的缺點，就是所需添加的稀土元素使這類合金的成本較高，增加了推廣使用的難度。哈爾濱工業(yè)大學的張凱峰等對AZ31鎂合金板材的熱拉深性能進行了研究，同樣認為AZ31最佳的成形溫度為200，在這個溫度下，AZ31板的最大拉延比可達2.65；并提出，由于AZ31板的缺口敏感性較大，在成形中易出現(xiàn)拉裂的現(xiàn)象

13、，因此成形過程宜使用較低速度的液壓機。如下圖所示：小結：鎂合金板料拉深成形的極限高度值隨溫度成凸曲線變化；在相對較底溫度范圍內(nèi)鎂合金板料拉深成形的極限高度值隨溫度的增大而增大，在高溫時隨溫度的升高而降低，一般情況下，鎂合金板料熱沖壓的最佳溫度范圍是200-400。鎂合金板料的成形性能比較復雜，它不僅和成形溫度有關，而且和凸凹模尺寸、圓角半徑、凸模行程大小、凸模速度、潤滑狀態(tài)等也有關系，因此，鎂合金板料成形性能分析必須考慮綜合因素。3.4 有限元軟件應用于鎂合金板料成形隨著計算機技術的飛速發(fā)展，有限元軟件的發(fā)展速度迅速，功能日漸強大。目前，國際上廣泛采用的通用有限元軟件有ABAQUS、ANSYS

14、、MARC等。利用商業(yè)軟件進行計算現(xiàn)在已經(jīng)是科學研究中的一項重要手段。但是，由于工程問題的千差萬別不同的用戶有不同的專業(yè)背景和發(fā)展方向，大部分的通用軟件都提供了二次開發(fā)功能來解決專業(yè)方面的不足。例如ABAQUS軟件提供了兩種不同的二次開發(fā)功能，一是提供用戶子程序(User Subroutines)接口，它的功能非常強大且適用于分析。它主要用在材料本構模型開發(fā)上，通過用戶材料子程序UMAT(User-defindeMaterial Mechanical Behavior)接口可以幫助用戶定義自己的材料本構模型和算法。另一種方法，即用ABAQUS本身自帶的腳本語言(Python)進行二次開發(fā)，目前

15、國內(nèi)還處于起步階段。4 鈦及鈦合金板料成形研究前沿 由于鈦合金在相同比重下具有高強度，良好的耐腐蝕性和高的加工溫度，最近幾十年，鈦合金在航空領域得到了廣泛應用。鈦合金的系列具有很廣的強度范圍，以及很多的強度和斷裂韌性組合，這些特性使鈦合金可以用作航空航天器的關鍵部件。選擇鈦合金的依據(jù)是強度，韌性，疲勞性能和裂紋增長對使用壽命的影響。 4.1 鈦及鈦合金板料研究趨勢 目前應用于飛機行業(yè)的復雜鈦合金組件成形技術主要包括拉深、熱成形、超塑性成形(SPF)和水壓成形。選擇實際的加工方法取決于制件形狀的復雜性和鈦合金材料的性能。1）熱成形和超塑性成形(SPF)工藝主要用于制造幾何形狀復雜和強度要求高的鈦

16、合金零件(如：Ti6-4、Ti 6-2-4-2)。在航空工業(yè)領域的代表性例子是進氣口艙壁，后整流罩部件和渦輪塔組件（如下圖）。圖4.1 航空發(fā)動機渦輪葉片（2011，Germany）航空發(fā)動機渦輪葉片熱成形CAD模具(上左)及其加熱裝置(下圖)，LS-DYNA v971熱成形測試FE模型(2006)(上右)材料Ti6Al4V，成形溫度400560 ，成形尺寸579235mm，最高加熱溫度950，壓邊力1850kN，時間15min，工業(yè)機器人ASEA-ERB3000-S3送料，激光切割。（2011，Germany）2）冷成形主要用于成形低強度到中等強度鈦合金(如：Ti-grade 2, grad

17、e 4, grade 9)(ASTM B265標準)制造的零件。冷成型的代表性應用包括吊架整流罩，系統(tǒng)支撐架和空氣收集器等零件。3）不對稱的增量板料成形(AISF)工藝作為航空航天技術產(chǎn)業(yè)的一種低成本、靈活的成形技術，在過去幾年里獲得了日益廣泛的關注，并有可能成為一項成形復雜鈦組件的突破性技術。AISF是一種基于局部和連續(xù)的板料塑性變形非常規(guī)成形技術，其中板料在凸模的作用下依據(jù)連續(xù)的數(shù)控路徑變形。其中，鈦合金的拉伸行為特征和成形性是主要性能。4.1 鈦合金板料成形研究成果 不對稱增量板料成形(AISF，asymmetric incremental sheet forming，Germany)工

18、藝是一種由加工中心驅(qū)動模具在工件上移動產(chǎn)生局部的塑性變形的板料成形最新工藝。制件的最終形狀是由一系列局部變形組成的。該工藝主要用于加工航空和醫(yī)用小型零件。鈦合金的AISF加工局限在于室溫下鈦合金的室溫變形能力有限，并且鈦合金零件的幾何精度較低。激光輔助AISF(laser-assisted，AISF)在一定程度上擴大了部分鈦合金Ti Grade 5(TiAl6V4)的成形局限，該方法可以推廣到其他鈦合金。4.2 鈦合金板料成形研究成果AISF 成形工具(右上)；AISF 工藝下不同鈦合金的最大成形深度(右下)；激光輔助AISF 工藝下不同鈦合金的最大成形深度98mm(左下)。激光輔助AISF

19、成形設備(右上)；板料上的激光光斑(右中，材料為1.5 mm厚度的Ti Grade 2和TiAl6V4板料，成形速度4,000 mm/min)；制件幾何圖形(右下)。激光輔助AISF的同軸旋轉激光器(左下)。激光輔助AISF成形工藝特點：1）由于AISF工藝是局部成形，因此激光加熱也是局部的；2）激光束加熱需要先于工具成形，以保持毗鄰金屬的穩(wěn)定性；3）激光光斑圍繞成形工具旋轉以獲得復雜幾何形狀(右下)；4）需要計算機輔助加工規(guī)劃以快速成形，并進行FE模擬(左下)；5）激光要與機器控制集成。4.2 鈦及鈦合金板料研究成果 商業(yè)純鈦(CP)和幾種鈦合金的力學行為及變形機制在過去幾年中已經(jīng)被廣泛研究

20、。宏觀層面上，鈦合金在不同應變速率下拉伸時，有一個明顯的效應：即依賴于應變速率的測試溫度也強烈地影響著鈦的拉伸性能。研究表明，測試溫度越高，鈦合金的變形越大。圖為不同應變速率下(hcp)結構Ti-40的拉伸試樣(右上)和真應力-真應變圖(右下)。 鈦合金拉伸測試(中島測試法，Nakajima test)試樣變形圖(右圖),以及(hcp)結構Ti-40合金的FLD(下圖)。5 總結由銅、鎂、鈦的純金屬及其合金制成的板料經(jīng)沖壓工藝成形為各種各樣的工業(yè)制品。ECAC是一種能有效細化材料的微觀組織、提高材料綜合性能、改善難變形材料成形性的新技術?；诔尚螛O限圖(FLDs)高性能的沖壓制件，成形極限圖(FLDs)提供了成形中金屬板維持變形的極限應變。成形極限圖最近在成形工藝的數(shù)值