鎂合金成形技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀研究

高 順 馬曉錄

（河南工業(yè)大學機電工程學院，河南 鄭州450007）

［欄目責任編輯 邵冰欣 郵箱shaobx0729@163.com］

鎂合金是工業(yè)應(yīng)用中最輕的結(jié)構(gòu)金屬，具有輕質(zhì)、高比強度、高硬度、抗震、高導熱性、抗電磁干擾、防輻射性能強、易于加工成形等優(yōu)異性能［1］。隨著很多金屬礦產(chǎn)資源儲量日趨減少，被譽為“21世紀的綠色工程材料”的鎂合金材料，將在汽車、3C產(chǎn)品、航空航天、國防軍工等領(lǐng)域具有越來越重要的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景，為適應(yīng)迅速擴大的鎂合金市場，在傳統(tǒng)成形工藝的基礎(chǔ)上開發(fā)出新的成形方法，以適應(yīng)不同領(lǐng)域?qū)︽V合金成形件的不同要求。

1 鎂合金成形技術(shù)

1.1 鎂合金的液態(tài)成形

1.1.1 鎂合金壓鑄

鎂合金低熔點、低相變凝固潛熱、凝固速度快、易充滿型腔適合于壓鑄生產(chǎn)［1］。

1.1.1.1 冷室壓鑄和熱室壓鑄。采用熱室壓鑄還是冷室壓鑄取決于壁厚，熱室壓鑄一般用于形狀復(fù)雜、薄壁小尺寸的鎂合金鑄件，生產(chǎn)效率高、澆注溫度低、容易實現(xiàn)熔體保護，但設(shè)備成本高、維修過程復(fù)雜。冷室壓鑄的優(yōu)缺點與熱室壓鑄相反，并需配置定量澆注設(shè)備，主要用于壁厚相對較大的中小型零件的批量生產(chǎn)。

1.1.1.2 真空壓鑄。普通壓鑄需高速充型，型腔及壓室內(nèi)的部分氣體難以排除，易形成層狀孔穴缺陷。真空壓鑄使型腔內(nèi)的氣體被抽出而減少鑄件內(nèi)的氣孔和溶解氣體，以降低鑄件的縮松量和縮孔傾向，增強鎂合金壓鑄件的力學性能。與普通壓鑄相比，真空壓鑄AZ91鎂合金其抗拉強度、屈服強度、硬度和伸長率分別提高了10.19%、33.07%、13.04%和40.63%［2］。

1.1.1.3 充氧壓鑄。充氧壓鑄是用氧氣或其他活性氣體充入型腔排出腔內(nèi)空氣，使充型的熔融態(tài)金屬與活性氣體發(fā)生反應(yīng)，生成的氧化物微粒分布在壓鑄件內(nèi)從而消除壓鑄件內(nèi)的氣體和氣孔，使壓鑄件可經(jīng)熱處理提高其力學性能。普通壓鑄條件下，AM60HP鎂合金的抗拉強度為235～245Mpa，屈服極限為118～147Mpa。在充氧壓鑄條件下，AM60HP鎂合金屈服極限為137～147Mpa，抗拉強度為265～274Mpa［3］。

1.1.2 鎂合金擠壓鑄造

一般擠壓鑄造工藝分為直接擠壓鑄造和間接擠壓鑄造2種，直接擠壓鑄造無須澆注系統(tǒng)，凝固速度快，且抑制金屬液中氣體的析出，減少縮松和氣孔缺陷，所得鎂合金鑄件組織細密、晶粒細小，澆注過程需要精確定量，該方法主要適用于生產(chǎn)形狀簡單地結(jié)構(gòu)件。間接擠壓鑄造不易在凝固過程中保持高壓，不適于凝固區(qū)間大的鑄件，鑄件致密度較低，但此方法不需要配置定量澆注系統(tǒng)，生產(chǎn)柔性好［4］。重慶大學武增臣等［5］用一種新型擠壓鑄造工藝進行鎂合金摩托車輪轂生產(chǎn)研究，工藝過程中采用自動定量澆注和加壓，低壓充型和高壓凝固分離的模式，結(jié)果表明該新型擠壓鑄造技術(shù)生產(chǎn)效率高、工藝成本低，且鑄件內(nèi)部組織致密、表面質(zhì)量好，表明新型擠壓鑄造成形具有技術(shù)、經(jīng)濟優(yōu)勢。

1.1.3 鎂合金重力鑄造

鎂合金鑄件可以用熔模鑄造、消失模鑄造等重力鑄造方法生產(chǎn)。

1.1.3.1 熔模鑄造。熔模鑄造鑄件尺寸精度高、表面質(zhì)量好，但工藝過程復(fù)雜、生產(chǎn)周期長，多應(yīng)用于要求具有形狀較為復(fù)雜、薄斷面的鑄件，不適于生產(chǎn)輪廓尺寸較大的鑄件。防燃問題限制熔模鑄造成形在鎂合金生產(chǎn)中的應(yīng)用，目前鎂合金一般采用石膏型熔模鑄造鎂合金的方式進行防燃處理。S.Lun Sin等［6］研究了熔模鑄造中AZ91D鎂合金與石膏模具材料的反應(yīng)性能，在緩慢凝固條件下，模具高溫、大截面厚度、六氟化硫氣體保護，不能有效阻止模具與金屬界面反應(yīng)，所得實驗鎂合金鑄件表面粗糙有附著顆粒，分析發(fā)現(xiàn)Mg2Si等生成物，說明鎂蒸汽擴散與硅粒子反應(yīng)，且鎂蒸汽具有較好的保溫隔熱性能，能降低凝固速率，說明石膏模具與鑄件之間發(fā)生界面反應(yīng)。

1.1.3.2 消失模鑄造。消失模鑄造工藝過程中采用干砂負壓造型消除了合金液與型砂內(nèi)水分的接觸，澆注溫度下使泡沫模樣的分解產(chǎn)物迅速排出，以提高其流動性，并且分解產(chǎn)物具有阻燃性對充型時容易氧化的鎂合金有保護作用。與一般壓鑄工藝相比，慢、穩(wěn)的充型速度使卷入氣體量減少，可進一步提高力學性能，綜合投資成本降低。消失模鑄造是精密度較高的鑄造成形方式，可以用來鑄造形狀復(fù)雜或精密度高的鑄件。因所用干砂的蓄熱系數(shù)較小，鎂合金鑄件在緩冷時易形成粗大的組織，機械性能降低。吳國華等［7］研究表明消失模鑄造AZ91鎂合金組織除粗大的α相與β相外，還有球狀的Al-Mn-Fe三元相，造成鎂合金的力學性能和耐蝕性低于砂型鑄造和金屬型鑄造。

1.1.4 鎂合金離心鑄造

離心鑄造與重力鑄造相比較，鑄件中氣孔少、組織致密，鑄件力學性能較好，成品率較高，降低了成本，適用于鎂合金管件生產(chǎn)。鎂合金離心鑄造由于其偏析等問題在實際生產(chǎn)中應(yīng)用少。滕海濤等［8］利用離心鑄造方式制備大口徑AZ61A鎂合金薄壁管，形狀完整、壁厚均勻，晶粒顯著細化，避免了裂紋、折皺等缺陷，與傳統(tǒng)砂型凝固鑄件相比，鎂合金管的拉伸性得到改善，σ0.2從砂型鑄造約95Mpa提高到約138Mpa；σb從約146Mpa提高到約215Mpa，而延伸率σ有很大改善，從4.7%提高到9.4%。

1.2 鎂合金半固態(tài)成形

半固態(tài)金屬具有均勻的細晶粒組織、獨特的流變特性，與傳統(tǒng)液態(tài)鑄造相比，具有成形溫度低等優(yōu)點，成形過程中減少了氣孔、縮孔等缺陷，同時改善生產(chǎn)環(huán)境。根據(jù)生產(chǎn)工藝流程的不同，半固態(tài)成形工藝分為觸變成形和流變成形2類。

1.2.1 觸變成形

鎂合金錠坯在觸變成形前，需進行半固態(tài)重熔加熱，使制坯工序產(chǎn)生的破碎枝晶組織均勻化，重熔程度受合金成分和觸變工藝影響。二次加熱增加了能耗，整體能耗成本高。工藝過程復(fù)雜，但容易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，半固態(tài)漿料加熱、輸送方便，因而得到較大發(fā)展，是現(xiàn)階段半固態(tài)成形的主要工藝方法。

1.2.2 流變成形

流變成形是適度過熱液態(tài)合金在冷凝過程中形成半固態(tài)狀態(tài)，再成形的過程。與觸變成形相比，流變成形節(jié)省能源，設(shè)備更緊湊，但半固態(tài)漿料的保存和運輸不便，自動化生產(chǎn)較難，且工藝流程較長，鑄件綜合成本相對較高，從而發(fā)展緩慢。

1.2.3 半固態(tài)觸變注射成形

觸變注射成形不需要金屬熔化、澆注等工序，原材料損耗量減少、氣體卷入量減少，成形件孔隙率小、致密度較高、耐蝕能力強。與傳統(tǒng)的壓鑄工藝相比，操作溫度降低了大約100℃，減小了脫型阻力，有利于提高壓鑄模的使用壽命，改善鑄件表面質(zhì)量［9］。該工藝方法與設(shè)備存在局限性，整體投資較大且原材料的選擇范圍小，常用的一般有AZ91D、AM50A、AM60B等幾種鎂合金，目前較為成功的是AZ91D鎂合金［10］。I.-K.Kim等［11］對AZ91D鎂合金注射成形工藝分析，產(chǎn)品形狀輪廓清晰、表面光潔，表面粗糙度范圍0.66～0.93μm，抗拉強度為1693.2kgf/cm2。

1.3 鎂合金固態(tài)成形

1.3.1 鎂合金鍛造成形

鎂合金在常溫條件下鍛造容易發(fā)生脆性破裂，在溫度高于400℃時，易產(chǎn)生氧化腐蝕、晶粒粗大及合金軟化問題，鍛造溫度須在200～400℃之間。鎂合金導熱系數(shù)大，與冷模接觸后溫度下降快，引起鎂合金變形抗力增大，降低充填性能。采用等溫鍛造可以消除溫度差產(chǎn)生的影響，使加熱過的毛坯件在恒溫模具中以較小的應(yīng)變速率進行成形，從而減小由變形合金表面激冷造成的流動阻力的增加和變形抗力的升高，有效降低了模鍛時的變形抗力，可使形狀復(fù)雜、壁薄等類鍛件一次模鍛成形，改變了模鍛設(shè)計方式，同時組合件還可以整體鍛造成形。鎂合金的鍛造成形與其他加工成形方式相比，鍛件尺寸穩(wěn)定性好、綜合力學性能好、晶粒細小，此外可消除合金成分偏析。

1.3.2 鎂合金擠壓成形

擠壓具有比鍛造、軋制等較強的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，采用擠壓工藝可使塑性差的鎂合金鑄態(tài)組織細化、致密，通過保留擠壓纖維織構(gòu)增強其強度，從而改善其力學性能及表面質(zhì)量。研究表明鎂合金的塑性經(jīng)熱擠壓工藝過程后有所提高，但增加并不明顯，冷擠壓可以使AZ31鎂合金發(fā)生嚴重變形，伸長率由2到12.5，伸長率的增加可以細化晶粒，最后獲得的晶粒尺寸2～3μm，塑性明顯提高，且可以提高AZ31鎂合金的機械性能［12］。鎂合金擠壓過程所需的變形力較大，模具磨損較快，擠壓產(chǎn)品組織沿斷面分布不均勻，且易造成其力學性能的各向異性。

1.3.3 鎂合金軋制成形

1.3.4 鎂合金沖壓成形

常溫下塑性變形能力差，加工容易脆裂，不宜沖壓，一般選擇熱沖壓成形，根據(jù)實際工藝條件對沖壓模具進行加熱、控溫。研究表明，200℃是AZ31鎂合金的最合適的成形溫度，且最適成形溫度可能隨鎂合金薄板厚度和形狀不同而變化，增加壓邊力或升高溫度，不能有效消除開裂和起皺等，增加局部拉延筋，是消除斷裂和起皺等缺陷有效的方法［14］。鎂合金板材屈服強度小，材料容易屈服，有良好的定型性、較好地表面質(zhì)量，可用于飛機、汽車的零部件及各種電子產(chǎn)品的外殼、框架等。

1.4 鎂合金超塑性成形

鎂合金超塑成形是指利用鎂合金材料在一定的溫度、變形速度和顯微組織下進行大變形加工的一種成形方法。鎂合金的超塑性取決于晶粒度，因此鎂合金需要細化晶粒以提高加工塑性及獲得超塑性。超塑性變形屬于高溫變形，溫度較高時，晶界上低熔點相會部分熔化，促進晶粒滑移過程。溫度不宜過高，溫度升高引起晶界擴散和晶界遷移能力增加，晶粒易長大而致粗化。Jin Quanlin等進行了AZ31B鎂合金超塑性成形與微觀結(jié)構(gòu)特征研究，結(jié)果表明當成形溫度低于350℃時，發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶和晶粒細化，可以有效提高鎂合金超塑性，而當成形溫度高于350℃時，晶粒增大［15］。變形速度也影響鎂合金的超塑性變形，變形速度增加，變形過程中產(chǎn)生的位錯能來不及抵消，位錯、再結(jié)晶形核增加，促進晶粒細化。鎂合金的抗拉強度隨變形速度的增加而增強，而較高的變形速度會引起變形抗力升高，導致伸長率下降［16］。雖然現(xiàn)在多種工藝能夠制出超塑性鎂合金，但變形速度較慢、成形溫度高、模具易受損等引起整體成本增加限制了超塑性鎂合金的應(yīng)用發(fā)展。

1.5 鎂合金大塑性變形技術(shù)

與一般固態(tài)成形方法相比，大塑性變形保持坯料的外形基本不變，施加大的應(yīng)變，通過位錯重排使組織晶粒細化到亞微米級，增強鎂合金的超塑性。但在大部分大塑性變形中，鎂合金易產(chǎn)生織構(gòu)軟化和細晶強化現(xiàn)象，不一定能提高材料的塑性性能。鎂合金Mg-8Li-1A經(jīng)ECAC一道次處理后，其伸長率由37%降至12%，經(jīng)4個道次后伸長率達到30%［17］。大塑性變形技術(shù)獨特的受力狀態(tài)，大的累積應(yīng)變量而獲得細晶組織，同時改善力學性能，大塑性變形技術(shù)在高性能鎂合金制備和加工方面有技術(shù)優(yōu)勢［18］。

2 鎂合金成形技術(shù)應(yīng)用中的問題

鎂合金成形過程中應(yīng)注意的問題：①對成形溫度敏感。鎂合金的成形溫度低時，易產(chǎn)生冷裂紋；成形溫度過高時，易產(chǎn)生晶粒粗大、熱裂紋等缺陷。②熔煉中的氧化問題。鎂合金化學性質(zhì)活潑，熔煉時與空氣中的氧氣接觸產(chǎn)生強烈的氧化作用，與氮、水蒸氣反應(yīng)生成非金屬夾雜物影響鎂合金的鑄造性能。③大多數(shù)鎂合金在塑性成形過程容易產(chǎn)生板織構(gòu)或基面纖維織構(gòu)，造成嚴重的塑性各向異性。④室溫塑性差。鎂合金一般僅通過基面滑移和孿晶進行塑性變形，獨立滑移系少。在外力作用下，晶粒間變形調(diào)整能力不夠，變形困難。⑤阻燃問題。鎂合金中加入合金、稀土等元素提高其阻燃性能，但過量會使晶粒粗化、脆性增大，力學性能下降。⑥偏析問題。溶質(zhì)元素凝固過程中流動造成制件各部分之間化學成分的差異。

3 鎂合金成形技術(shù)研究展望

雖然液態(tài)成形技術(shù)目前在鎂合金生產(chǎn)中有非常重要的作用，但其他成形技術(shù)的發(fā)展將超出目前工業(yè)所局限的應(yīng)用領(lǐng)域。鎂合金成形技術(shù)研究展望：①大塑性技術(shù)作為鎂合金改變性能的技術(shù)手段運用到鎂合金塑性加工過程中，發(fā)揮其細化晶粒的作用，提高鎂合金綜合性能。②基于計算機仿真分析軟件，分析成形過程中的應(yīng)力、溫度、應(yīng)變等重要工藝參數(shù)，以準確選擇工藝過程參數(shù)，將工藝參數(shù)對鎂合金組織和性能定量化，來縮短成形周期，提高鎂合金成形效率。③綜合鑄造與鍛造的成形特點，分析連鑄連鍛工藝以縮短工藝流程，減少設(shè)備、模具數(shù)量。④鎂合金成形過程中，一般容易產(chǎn)生不同類型的織構(gòu)，通過分析優(yōu)化加工工藝參數(shù)，盡可能選擇適當?shù)某尚畏绞揭钥刂啤⒄{(diào)整鎂合金織構(gòu)的形態(tài)。

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