挤压镁合金

镁合金挤压
S.Matsuoka1, T.Miyamoto2, Y.Oki3, S.Nagao3, 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

挤压速度（m/min）
Zn％
2.5 5 10 15 20 25 30

Mn 0％ 0.0 0.5 1.0 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ×
○ ○ ○ ○ × × ×

Mn0.3％ 0.0 0.5 1.0 ○ ○ ○ ○ ○ ○ × ○ ○ ○ ○ ○ × ×
○ ○ ○ ○ × × ×

○ ：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。

表3 保证提高挤压性能的坯料挤压极限
坯料序号 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨
Al（质量分
数％）
0.5 1.0 2.0

挤压速度极限（m/min） 70 40 50 60 70 15 30 15 20
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）