自20世纪90年代末以来，塑钢混合材料一直被用作经济型轻质部件。 ​薄壁拉延金属型材的特性与薄壁塑料肋条的进行特殊组合。 ​通过使用IKV和IUL中使用的变形镁合金作为金属部件，可以提供更大的轻质结构潜力。

塑料 - 镁混合物

镁只有钢密度的22％，或铝密度的64％。由于强度较低，与钢相比需要更高的板厚。然而，与钢相比，具有相同机械性能的重量减重超过50％。由于机械性能与铝相当，与铝相比，重量减轻了约30％。然而，与具有相似密度的纤维增强塑料相比，镁具有典型的金属性质，例如高导电性和导热性以及更高的延展性。

结合拉延和背面成型工艺

轻质结构不是产品，而是材料，连接和生产整合的过程。因此，重量，功能，成本和数量的最佳属性是决定性的。出于这个原因，多特蒙德大学的成形技术和轻量化部件研究所（IUL）和亚琛工业大学塑料加工研究所（IKV）开发了一种深拉延延和背面成型工艺，图1。在这个过程中，经典的拉延与通过塑料熔体的基于活性介质的成形步骤相结合。对于该工艺组合，拉延工具的部件集成在注塑模具中。

在第一成形步骤中，通过拉延模具形成金属板部件。通过注塑机的夹紧单元施加所需的拉延力。为了改善拉延结果，通过压边框控制金属流入模具，避免了凸缘区域的褶皱。通过芯拉动将压边力与夹紧单元分离。在第一拉延步骤中，形成大约90％的金属组分。

在第二成形步骤中，根据高压金属板成形原理，通过将塑料熔体注入封闭腔中来进行。由于较大尺寸的模具间隙，塑料熔体通过金属部件的残余成形打开腔体（模具和金属板之间）。可以通过注塑参数调节成形度。施加到金属板上的潜在反应性粘合促进剂用于在熔融热活化时连接两种组分。

对于镁合金的加工，组合模具必须适应镁的成形条件。另外，必须开发用于连接塑料和镁的粘合促进剂。

加工中的挑战

由于镁合金的低冷成形性，镁合金主要用作铸造材料。然而，与铸造合金相比，镁合金具有更好的机械性能（更高的屈服强度，强度和断裂伸长率）。可以通过轧制或挤压将锻造合金加工成扁平半成品。由镁合金ME20（组成为重量％：1.8-2.0Mn，0.6-0.9Ce / La，静态Mg）制成的薄镁板用于该项目。

有限的冷成形性是由于镁的晶体结构。只有当成型温度超过225°C时，才能在六角形致密球形填料中激活足够的滑动面，并且可以进行变形。在组合过程中，必须加热镁板以形成并在注入塑料熔体后再次冷却以消散熔体热量（最小ΔT= 125℃）。

镁加热的形式

研究了两种工艺路线，如图2所示，用于加热镁板坯料：在连续炉中对板材进行外部加热，以及通过集成的动态回火概念在组合工具中加热。

两种工艺路线都有优点和缺点。片材的外部加热易于实现。在注塑过程上游的连续炉用于以限定的方式加热片材，这意味着不需要调整注塑模具。由于并行运行的过程，也避免了循环时间的延长。但是，在炉子和注塑模具之间的处理过程中，金属板会冷却下来。这受到诸如环境温度或湿度等干扰因素的影响，并且难以进行精确的过程研究。由于片材必须加热到远高于所需的成形温度，因此粘合促进剂层在很长一段时间内暴露在高温下。这些层通常含有有机热敏成分，因此不能排除温度负荷对粘合强度的影响。另一方面，注塑模具中的集成加热需要对模具部件进行充分动态的温度控制，以防止循环时间的延长。集成加热允许精确控制成型温度。

通过外部加热形成

由于外部加热需要足够的过热，因此在IKV上研究了镁板坯的冷却行为。为此，将直径为120 mm的圆形坯料在加热箱中加热至300°C，并在三个与过程相关的测量设置中检查冷却过程，如图3（右）所示。

为了冷却，加热的坯料铺设在整个表面上并径向地放置在工具钢上或整个表面上的5mm厚的绝缘板上。通过水加热（用于加工聚酰胺6的模具温度）将工具钢和绝缘板两者回火至80℃。使用Flir Systems的Thermo Vision A40M红外热像仪，将空白温度随时间记录在空白的中心和边缘（110 mm节圆）。

在从炉子中取出坯料，坯料的放置和测量的开始之间，经过2秒。在此期间，镁合金板在工具钢的边缘区域冷却至175°C，如果放置在绝缘板上则降至190°C，如图3（左）所示。这意味着边缘区域中的坯料在后续成形的处理过程中冷却太多。坯料中间的冷却速度要慢得多。全表面接触显示出最快的冷却行为。

大约7秒后，达到坯料中间所需的225℃的成形温度。由于径向接触，绝缘板的冷却时间可以增加到9秒或18秒，直到达到最低成型温度。然而，由于镁锻造合金的低成形速度为2mm / s，冷却时间仍然太短。

DC04深冲钢在组合深冲和回模工艺中的成形行为，如图4（上图），已经得到了广泛的研究。在第一个成形步骤中，形成90％的杯子。在第二成形步骤中，底部半径由熔体压力形成。即使通过外部加热到300℃也未达到镁坯边缘区域的必要成形温度，拉延性增加。如果坯料在80℃的模具温度下形成，则在拉拔间隙的区域中发生脆性断裂。没有可测量的变形。

通过将片材加热至300℃，可以实现坯料的部分成形，图4（中间）。在大约7mm的拉深之后，在冲头边缘半径的区域中发生断裂。这意味着在现有模具中不能检查第二成形步骤。由于组合模具中的拉延度较低，因此在拉延试验中还要考虑外部加热的最大可达到的拉深，其中拉拔环和冲头边缘半径适合于IUL处的镁。

通过将镁坯加热到480°C，在相同的处理时间下可以达到18 mm的最大拉深深度，如图4（下图）所示。在这里，拉延深度的进一步增加也会导致撕裂。坯料温度的进一步增加和临界屈服应力的相关降低也导致由于金属从板厚度流动而导致的最大拉深减小。凸缘区域中的褶皱是由于使用过的拔罐工具的压边力不足造成的。

根据结果，必须调整组合的拉延和后模成型模具。必须增加拉延冲头和拉延环半径以形成变形镁合金。只有集成的回火概念才允许对过程影响进行实验研究。为此，空白支架，拉环和拉延延冲头温度应独立调节，以便在坯料上设定均匀的温度分布。

通过Backmolding连接

市场上没有可用于塑料镁混合组分的粘合剂的粘合促进剂。出于这个原因，正在与项目合作伙伴Jupo Technologies，Wuppertal合作开发聚酰胺模塑化合物系统。尽管最大粘合强度是工作的主要目标，但必须考虑许多限制因素。这些包括在成型过程中足够的弹性和可塑性，短的活化时间，多种聚酰胺的使用以及对介质的抗性和其他环境影响。此外，可锻镁合金的成形温度被列入考虑范围。

混合组分的粘合强度通过拉延延剪切试验样品（图5，基于DIN EN 1465）测定。为此目的，将涂有粘合促进剂的金属板插入注塑模具中。 在建立夹紧力之后，通过重叠表面区域中的电阻加热器将镁片加热到成形温度。 然后，仍然热的金属板被回模。

研究了变形镁合金的转化层，即所谓的预处理。这适用于多步骤浸渍工艺，并在表面上形成必要的防腐层，并用作后续涂层的底漆，例如阴极浸涂。采用全因子试验计划研究注塑参数和坯料温度的影响。聚酰胺610的结果作为实例示出。

可以实现的拉延剪切强度（图6）在很大程度上取决于注塑参数，但对于所有检测的化合物，趋势是相同的。

通过提高熔融温度，拉延延剪切强度可以从1.8±0.4MPa增加到3.9±0.9MPa，增加2.13MPa。这部分是由于更好的活化预处理，部分是由于较低的熔体粘度导致的机械互锁。

保压压力的增加也对拉延延剪切强度（1.9±0.4MPa至3.8±0.9MPa）具有积极影响。在通过保持压力补偿收缩时，减少了接合表面中残余应力的形成。

两种效应均显着，为99.9％。坯料温度的变化对粘合强度没有影响。镁的热膨胀系数是钢的两倍，应该导致连接表面内应力的减小。然而，通过将坯料夹紧在模具中，可以防止自由热膨胀。在所有测试中，断裂表面位于塑料和预处理之间的界面中。这意味着改进预处理以改善粘合强度必须从塑料的粘合和预处理开始。

由于预处理不仅旨在用作模塑料的粘合促进剂，还检查了聚酰胺6和聚酰胺66。为了将预处理与其他粘合促进剂进行比较，还对来自Hühoco-Metall Oberflächenveredlung的预处理和底漆面漆310025-70组成的参比系统进行背面模塑。

在预处理的背面成型中，对于PA6和PA610，实现了在4MPa范围内的可比较的拉延剪切强度，图7. PA66的拉延延剪切强度为3.5MPa并且具有高标准偏差。在预处理的背面模塑期间，所有聚酰胺在塑料预处理界面处显示出粘合破坏。通过涂覆粘合剂底漆，拉延延剪切强度可以在8至10MPa的范围内增加。在这些测试中，断裂发生在预处理 - 粘合剂界面中。这意味着通过改善底漆和预处理之间的粘合可以进一步提高拉延延剪切强度。

展望

由于混合部件具有良好的机械性能，再加上世界上最轻的结构金属，塑料 - 镁混合部件可以代表轻量化设计的关键技术。通过在组合过程中制造混合组件，可以通过节省工艺步骤来降低单位成本。不同材料和集成工艺的结合是必须解决的挑战。

由于不可能通过外部加热来详细检查组合过程，因此必须开发具有集成加热概念的组合拉延和背面模制模具。试样的几何形状必须适应镁成形的特殊挑战。预处理和粘合剂在一个系统中的组合是一种很有前途的材料加入方法。

尽管所获得的拉延剪切强度仍然低于市售的钢的粘合促进剂，但是合适的改性是有希望的。这意味着扁平和三维镁半成品都可以通过单一系统保护免受腐蚀，也可以通过聚酰胺进行功能化。