理论与实践：挤压A263镁阳极模具设计及挤压工艺

    镁牺牲阳极具有较高的开路电位，单位质量输出的电流较大，广泛用于石油、天然气设施、深海中海洋平台等电阻率较高的环境中钢结构的保护。镁牺牲阳极按照开路电位高低，可分为高电位镁牺牲阳极和低电位镁牺牲阳极。低电位镁牺牲阳极为Mg-AI-Zn-Mn系合金，包括A231、A241、A263镁合金。其中，A263镁阳极电流效率较高、单位质量发电量大、工作电位稳定、消耗均匀、腐蚀产物容易脱落，被广泛用于埋地管道、电厂接地网、循环水管道等的保护。而且，A263镁阳极也可以用于淡水中船闸拦污栅的防腐蚀保护。铝合金牺牲阳极常用于水介质中金属构件的防腐。但淡水的电阻率高，铝阳极输出的保护电流较小而难于起到有效的保护作用。

    热水器的内胆的保护需要采用A263镁阳极进行保护，且内胆要求牺牲阳极的长度大于300 mm。镁牺牲阳极多采用金属型铸造生产，生产长度大于300 mm以上的镁阳极很困难。而采用挤压工艺可生产长度不限的镁阳极产品。A263镁合金中A1含量较高，组织中分布较多的硬脆化合物Mg17A112，致使合金的变形抗力增大，塑性下降。

    挤压镁牺牲阳极中嵌有钢芯。若钢芯与镁阳极不同轴，易使钢芯较早暴露，致使钢芯与镁阳极之间发生缝隙腐蚀，使阳极的电流效率显著降低。本课题针对牺牲阳极直径为26.7 mm，内部钢芯的直径为3.4 mm，长度为400 mm，截面为圆形的热水器内胆防腐工程中常用的棒状镁阳极，设计了平面分流模具，采用了均匀化退火工艺，研究了挤压工艺参数对镁阳极质量的影响，以期制备尺寸合格、形状偏差较小、电化学性能优异的棒状A263挤压镁阳极。

1  平面分流模具设计

    图1为镁合金平面分流模具。模具结构为上、下两开。挤压过程中，被加热塑化的镁合金坯料从挤压筒中挤向模具上模，在分流孔中被劈成三股。在分流桥的中心设置钢芯孔，挤出钢芯。三股塑性流体在下模的模腔中（焊合室）被重新焊接，使钢芯被嵌入镁合金的中心形成棒状坯料。坯料在压力作用下，通过模孔定径带被挤压成最终尺寸。通过矫直使阳极棒满足直线度要求。

    对于镁合金平面分流模具，重要的参数为分流孔的形状、分流桥的形状、钢芯的设置、焊合室的形状、模孔定径带的长度。分流孔为3个呈扇形分布、锥度的斜孔，有效降低塑性材料的流动阻力，见图1。A263镁合金的塑性变形抗力较大，设计中分流孔均进行圆角过渡，降低塑性材料的流动阻力。为进一步降低流动阻力，对矩形截面的分流桥进行完全倒圆角。为保证模具的强度，在分流桥与模具圆周方向过渡处采用圆角过渡。在模具的中心处设置钢芯孔。为增大模具的强度，分流桥与模具中心的过渡处也采用圆角过渡。焊合室的截面形状为圆形，底部和上部均进行圆角过渡，降低坯料的流动阻力。

2  棒状A263镁阳极的挤压工艺

    试验中阳极棒截面形状为圆形，采用正挤压的方式挤压成形。采用6 300 kN卧式挤压机进行挤压试验。对铸造试样进行均匀化退火，并对经过均匀化处理的试样进行车加工，直径控制在(92.5±0.5)mm。接着将坯料加热至挤压温度，预热模具和挤压筒至预定温度，加热时间不低于1.5 h，对挤压模具进行润滑，调整挤压速度，进行挤压试验。用锯截取长度为400 mm的阳极棒，保证切口与阳极棒轴线垂直。镁阳极挤压工艺中重要的工艺参数包括均匀化退火加热温度、保温时间、挤压温度、挤压速度、润滑条件等。

2.1  均匀化退火制度

    A263镁合金由于Zn含量较高，在铸造的过程容易发生枝晶偏析，形成较多的Mg17 A112硬脆相。这些低熔点共晶相在挤压过程中容易使镁合金发生热裂。硬脆的Mg17A112相严重降低了镁合金的塑性。因而，需采用均匀化退火工艺使低熔点共晶相减少或完全溶解。A263镁合金具有较大的热裂倾向，采用330℃×2 h+380。C×10 h+在空气中冷却的工艺，降低热应力。

2.2挤压温度

    若挤压温度较低，A263镁合金的变形抗力较大，塑性较差，致使挤压力较大，难于挤出铸件或损伤模具；即使被挤出，也容易被挤裂，表面质量很差。而且A263镁合金结晶温度区间较大，容易产生热裂纹。因而，须严格控制A263镁合金的挤压温度。试验中A263镁阳极棒的挤压温度为340～350℃。在挤压过程中镁合金发生强烈的塑性变形，通过粘性耗散产生大量的热量，引起镁合金温度的上升。设计时应考虑这部分热量引起的升温，否则容易发生热裂。

    镁合金的热导率较高，因而，挤压过程中模具和挤压筒必须进行预热以防止坯料降温过快而产生较大的热应力引起热裂纹。试验中模具预热温度为360～370oC，挤压筒预热温度为350～360℃。2.3挤压速度

    A263镁合金与A231镁合金相比，塑性变形性能明显降低。与铝合金相比，镁合金的塑性较差，使其挤压速度显著低于铝合金的。挤压速度受到合金种类、坯料组织特征、挤压方式、挤压设备、制品形状复杂程度、挤压温度、模孔数量、润滑条件等因素的影响。在不影响阳极表面质量、不影响挤压机、模具寿命情况下，挤压速度越大越好。

    A263镁合金经过均匀化退火处理可减少热裂的可能性，也能降低挤压时的挤压力。阳极的表面质量随着挤压速度的增大而降低；挤压速度再增大易致使阳极棒表面出现裂纹。试验中直径为26.7 mm的A263镁阳极棒的挤压速度为5～7 mm/s。

2.4润滑条件

    良好的润滑能够降低坯料与挤压筒、模具之间的摩擦力，减少摩擦生热，降低阳极热裂的可能性；促进材料的流动、减小挤压力；能够减小模具、挤压筒受到的热冲击提高其使用寿命。

    镁合金挤压过程中可采用石墨、动物油、机油等润滑。采用石墨润滑时容易使石墨残留在工件表面难于清理。石墨与阳极形成电偶对，石墨为阴极，使镁基体发生自腐蚀，显著降低阳极的电化学性能。试验中采用动物油进行润滑。

2.5挤压比

    镁合金的挤压比在(10～100)：1之间。试验中阳极的坯料直径为(92.5±0.5)mm。阳极棒的直径为26.7 mm，钢芯的直径为3.4 mm。因此，镁阳极棒的挤压比为12。

3试验结果及分析

3.1镁阳极的表面质量

    图2是直径为26.7 mm的棒状A263镁牺牲阳极的表面形貌。可以看出，阳极表面无毛刺、无色差、无扭拧、无气泡缺陷，阳极的钢芯居中良好。阳极的表面质量良好，符合热水器阳极的使用要求。

3.2  显微组织分析

    图3为A263镁阳极的显微组织。从图3a看出，采用水冷金属型铸造的铸态A263镁阳极的组织为a-Mg基体上分布着块状Mg17 A112相，几乎呈连续状分布。这是由于A263镁阳极中Zn、Al含量较高，致使组织中形成低熔点A13 Mg3Zn2共晶相。经过均匀化退火后A263镁阳极中的Mgl7 A112相和A13 Mg3 Zn2共晶相全部溶入a-Mg基体，使阳极组织转变为单一的a-Mg相，见图3b。经过挤压变形后阳极的晶粒被显著细化，见图3c。

3.3镁阳极的电化学性能

    按照ASTM-1997镁阳极电化学性能测试方法，对5个炉次的挤压棒状A263镁阳极进行电化学性能检测，见图4。结果表明，镁阳极的平均电流效率为62.5%，平均开路电位为-1. 55 VSCE。铸态A263镁阳极的平均电流效率和开路电位分别为58. 01%和一1. 511 VSCE。可见，挤压后阳极的电流效率与开路电位比铸态的有明显改善。

4  结  论

    (l)采用3个呈对称分布的扇形锥度孔分流，圆柱形的挤压腔进行焊合的平面分流模具能够成形直径为26.7 mm、中心嵌有钢芯的A263镁阳极棒，电流效率和开路电位与铸态的相比明显改善。

    (2)挤压A263镁合金坯料经过均匀化退火后，使Mg17 A112相溶解进入基体，提高镁阳极的变形能力，有利于消除挤压缺陷。

(3)挤压A263镁合金应采用较低的挤压速度，并对模具和挤压筒进行良好的预热，能够获得表面成形良好、形状误差符合行业标准的棒状牺牲阳极。

5摘  要

设计A263镁阳极平面分流模具，布置其挤压工艺参数窗口，成形了直径为26.7 mm、内部嵌有钢芯(直径为3.4mm)、截面为圆形的A263棒状镁牺牲阳极，研究了均匀化退火工艺对镁阳极的挤压变形行为的影响和挤压阳极的电化学性能。结果表明，采用3个呈对称分布的锥度斜孔对挤压坯料分流，在圆柱形的挤压腔中被焊合，可实现均匀化退火的A263镁阳极挤压成形；采用较低挤压速度可获得表面成形良好，形状误差较小的镁合金阳极棒；挤压变形后，阳极棒的电流效率和开路电位比铸态的电流效率和开路电位明显提高。