理論與實踐：擠壓A263鎂陽極模具設計及擠壓工藝
鎂犧牲陽極具有較高的開路電位，單位質量輸出的電流較大，廣泛用于石油、天然氣設施、深海中海洋平臺等電阻率較高的環(huán)境中鋼結構的保護。鎂犧牲陽極按照開路電位高低，可分為高電位鎂犧牲陽極和低電位鎂犧牲陽極。低電位鎂犧牲陽極為Mg-AI-Zn-Mn系合金，包括A231、A241、A263鎂合金。其中，A263鎂陽極電流效率較高、單位質量發(fā)電量大、工作電位穩(wěn)定、消耗均勻、腐蝕產物容易脫落，被廣泛用于埋地管道、電廠接地網、循環(huán)水管道等的保護。而且，A263鎂陽極也可以用于淡水中船閘攔污柵的防腐蝕保護。鋁合金犧牲陽極常用于水介質中金屬構件的防腐。但淡水的電阻率高，鋁陽極輸出的保護電流較小而難于起到有效的保護作用。
熱水器的內膽的保護需要采用A263鎂陽極進行保護，且內膽要求犧牲陽極的長度大于300 mm。鎂犧牲陽極多采用金屬型鑄造生產，生產長度大于300 mm以上的鎂陽極很困難。而采用擠壓工藝可生產長度不限的鎂陽極產品。A263鎂合金中A1含量較高，組織中分布較多的硬脆化合物Mg17A112，致使合金的變形抗力增大，塑性下降。
擠壓鎂犧牲陽極中嵌有鋼芯。若鋼芯與鎂陽極不同軸，易使鋼芯較早暴露，致使鋼芯與鎂陽極之間發(fā)生縫隙腐蝕，使陽極的電流效率顯著降低。本課題針對犧牲陽極直徑為26.7 mm，內部鋼芯的直徑為3.4 mm，長度為400 mm，截面為圓形的熱水器內膽防腐工程中常用的棒狀鎂陽極，設計了平面分流模具，采用了均勻化退火工藝，研究了擠壓工藝參數(shù)對鎂陽極質量的影響，以期制備尺寸合格、形狀偏差較小、電化學性能優(yōu)異的棒狀A263擠壓鎂陽極。
1 平面分流模具設計
圖1為鎂合金平面分流模具。模具結構為上、下兩開。擠壓過程中，被加熱塑化的鎂合金坯料從擠壓筒中擠向模具上模，在分流孔中被劈成三股。在分流橋的中心設置鋼芯孔，擠出鋼芯。三股塑性流體在下模的模腔中（焊合室）被重新焊接，使鋼芯被嵌入鎂合金的中心形成棒狀坯料。坯料在壓力作用下，通過�？锥◤綆П粩D壓成最終尺寸。通過矯直使陽極棒滿足直線度要求。
對于鎂合金平面分流模具，重要的參數(shù)為分流孔的形狀、分流橋的形狀、鋼芯的設置、焊合室的形狀、�？锥◤綆У拈L度。分流孔為3個呈扇形分布、錐度的斜孔，有效降低塑性材料的流動阻力，見圖1。A263鎂合金的塑性變形抗力較大，設計中分流孔均進行圓角過渡，降低塑性材料的流動阻力。為進一步降低流動阻力，對矩形截面的分流橋進行完全倒圓角。為保證模具的強度，在分流橋與模具圓周方向過渡處采用圓角過渡。在模具的中心處設置鋼芯孔。為增大模具的強度，分流橋與模具中心的過渡處也采用圓角過渡。焊合室的截面形狀為圓形，底部和上部均進行圓角過渡，降低坯料的流動阻力。
2 棒狀A263鎂陽極的擠壓工藝
試驗中陽極棒截面形狀為圓形，采用正擠壓的方式擠壓成形。采用6 300 kN臥式擠壓機進行擠壓試驗。對鑄造試樣進行均勻化退火，并對經過均勻化處理的試樣進行車加工，直徑控制在(92.5±0.5)mm。接著將坯料加熱至擠壓溫度，預熱模具和擠壓筒至預定溫度，加熱時間不低于1.5 h，對擠壓模具進行潤滑，調整擠壓速度，進行擠壓試驗。用鋸截取長度為400 mm的陽極棒，保證切口與陽極棒軸線垂直。鎂陽極擠壓工藝中重要的工藝參數(shù)包括均勻化退火加熱溫度、保溫時間、擠壓溫度、擠壓速度、潤滑條件等。
2.1 均勻化退火制度
A263鎂合金由于Zn含量較高，在鑄造的過程容易發(fā)生枝晶偏析，形成較多的Mg17 A112硬脆相。這些低熔點共晶相在擠壓過程中容易使鎂合金發(fā)生熱裂。硬脆的Mg17A112相嚴重降低了鎂合金的塑性。因而，需采用均勻化退火工藝使低熔點共晶相減少或完全溶解。A263鎂合金具有較大的熱裂傾向，采用330℃×2 h+380。C×10 h+在空氣中冷卻的工藝，降低熱應力。
2.2擠壓溫度
若擠壓溫度較低，A263鎂合金的變形抗力較大，塑性較差，致使擠壓力較大，難于擠出鑄件或損傷模具；即使被擠出，也容易被擠裂，表面質量很差。而且A263鎂合金結晶溫度區(qū)間較大，容易產生熱裂紋。因而，須嚴格控制A263鎂合金的擠壓溫度。試驗中A263鎂陽極棒的擠壓溫度為340～350℃。在擠壓過程中鎂合金發(fā)生強烈的塑性變形，通過粘性耗散產生大量的熱量，引起鎂合金溫度的上升。設計時應考慮這部分熱量引起的升溫，否則容易發(fā)生熱裂。
鎂合金的熱導率較高，因而，擠壓過程中模具和擠壓筒必須進行預熱以防止坯料降溫過快而產生較大的熱應力引起熱裂紋。試驗中模具預熱溫度為360～370oC，擠壓筒預熱溫度為350～360℃。2.3擠壓速度
A263鎂合金與A231鎂合金相比，塑性變形性能明顯降低。與鋁合金相比，鎂合金的塑性較差，使其擠壓速度顯著低于鋁合金的。擠壓速度受到合金種類、坯料組織特征、擠壓方式、擠壓設備、制品形狀復雜程度、擠壓溫度、�？讛�(shù)量、潤滑條件等因素的影響。在不影響陽極表面質量、不影響擠壓機、模具壽命情況下，擠壓速度越大越好。
A263鎂合金經過均勻化退火處理可減少熱裂的可能性，也能降低擠壓時的擠壓力。陽極的表面質量隨著擠壓速度的增大而降低；擠壓速度再增大易致使陽極棒表面出現(xiàn)裂紋。試驗中直徑為26.7 mm的A263鎂陽極棒的擠壓速度為5～7 mm/s。
2.4潤滑條件
良好的潤滑能夠降低坯料與擠壓筒、模具之間的摩擦力，減少摩擦生熱，降低陽極熱裂的可能性；促進材料的流動、減小擠壓力；能夠減小模具、擠壓筒受到的熱沖擊提高其使用壽命。
鎂合金擠壓過程中可采用石墨、動物油、機油等潤滑。采用石墨潤滑時容易使石墨殘留在工件表面難于清理。石墨與陽極形成電偶對，石墨為陰極，使鎂基體發(fā)生自腐蝕，顯著降低陽極的電化學性能。試驗中采用動物油進行潤滑。
2.5擠壓比
鎂合金的擠壓比在(10～100)：1之間。試驗中陽極的坯料直徑為(92.5±0.5)mm。陽極棒的直徑為26.7 mm，鋼芯的直徑為3.4 mm。因此，鎂陽極棒的擠壓比為12。
3試驗結果及分析
3.1鎂陽極的表面質量
圖2是直徑為26.7 mm的棒狀A263鎂犧牲陽極的表面形貌。可以看出，陽極表面無毛刺、無色差、無扭擰、無氣泡缺陷，陽極的鋼芯居中良好。陽極的表面質量良好，符合熱水器陽極的使用要求。
3.2 顯微組織分析
圖3為A263鎂陽極的顯微組織。從圖3a看出，采用水冷金屬型鑄造的鑄態(tài)A263鎂陽極的組織為a-Mg基體上分布著塊狀Mg17 A112相，幾乎呈連續(xù)狀分布。這是由于A263鎂陽極中Zn、Al含量較高，致使組織中形成低熔點A13 Mg3Zn2共晶相。經過均勻化退火后A263鎂陽極中的Mgl7 A112相和A13 Mg3 Zn2共晶相全部溶入a-Mg基體，使陽極組織轉變?yōu)閱我坏腶-Mg相，見圖3b。經過擠壓變形后陽極的晶粒被顯著細化，見圖3c。
3.3鎂陽極的電化學性能
按照ASTM-1997鎂陽極電化學性能測試方法，對5個爐次的擠壓棒狀A263鎂陽極進行電化學性能檢測，見圖4。結果表明，鎂陽極的平均電流效率為62.5%，平均開路電位為-1. 55 VSCE。鑄態(tài)A263鎂陽極的平均電流效率和開路電位分別為58. 01%和一1. 511 VSCE�？梢�，擠壓后陽極的電流效率與開路電位比鑄態(tài)的有明顯改善。
4 結 論
(l)采用3個呈對稱分布的扇形錐度孔分流，圓柱形的擠壓腔進行焊合的平面分流模具能夠成形直徑為26.7 mm、中心嵌有鋼芯的A263鎂陽極棒，電流效率和開路電位與鑄態(tài)的相比明顯改善。
(2)擠壓A263鎂合金坯料經過均勻化退火后，使Mg17 A112相溶解進入基體，提高鎂陽極的變形能力，有利于消除擠壓缺陷。
(3)擠壓A263鎂合金應采用較低的擠壓速度，并對模具和擠壓筒進行良好的預熱，能夠獲得表面成形良好、形狀誤差符合行業(yè)標準的棒狀犧牲陽極。
5摘 要
設計A263鎂陽極平面分流模具，布置其擠壓工藝參數(shù)窗口，成形了直徑為26.7 mm、內部嵌有鋼芯(直徑為3.4mm)、截面為圓形的A263棒狀鎂犧牲陽極，研究了均勻化退火工藝對鎂陽極的擠壓變形行為的影響和擠壓陽極的電化學性能。結果表明，采用3個呈對稱分布的錐度斜孔對擠壓坯料分流，在圓柱形的擠壓腔中被焊合，可實現(xiàn)均勻化退火的A263鎂陽極擠壓成形；采用較低擠壓速度可獲得表面成形良好，形狀誤差較小的鎂合金陽極棒；擠壓變形后，陽極棒的電流效率和開路電位比鑄態(tài)的電流效率和開路電位明顯提高。
