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(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州450007）

［欄目責(zé)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(qiáng)度、高硬度、抗震、高導(dǎo)熱性、抗電磁干擾、防輻射性能強(qiáng)、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(chǔ)量日趨減少，被譽(yù)為“21世紀(jì)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(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，為適應(yīng)迅速擴(kuò)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(diǎn)、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(shí)現(xiàn)熔體保護(hù)，但設(shè)備成本高、維修過程復(fù)雜。冷室壓鑄的優(yōu)缺點(diǎn)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(duì)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(qiáng)鎂合金壓鑄件的力學(xué)性能。與普通壓鑄相比，真空壓鑄AZ91鎂合金其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)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(xué)性能。普通壓鑄條件下，AM60HP鎂合金的抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(xì)密、晶粒細(xì)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(xué)武增臣等［5］用一種新型擠壓鑄造工藝進(jìn)行鎂合金摩托車輪轂生產(chǎn)研究，工藝過程中采用自動(dòng)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(jì)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(jìn)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(hù)，不能有效阻止模具與金屬界面反應(yīng)，所得實(shí)驗(yàn)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(kuò)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(fù)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(dòng)性，并且分解產(chǎn)物具有阻燃性對(duì)充型時(shí)容易氧化的鎂合金有保護(hù)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(jìn)一步提高力學(xué)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(shí)易形成粗大的組織，機(jī)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(xué)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(xué)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(shí)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(xì)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(xì)晶粒組織、獨(dú)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(diǎn)，成形過程中減少了氣孔、縮孔等缺陷，同時(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(yùn)輸不便，自動(dòng)化生產(chǎn)較難，且工藝流程較長，鑄件綜合成本相對(duì)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(qiáng)。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(duì)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(qiáng)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(shí)，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(dǎo)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(jìn)行成形，從而減小由變形合金表面激冷造成的流動(dòng)阻力的增加和變形抗力的升高，有效降低了模鍛時(shí)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(jì)方式，同時(shí)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(xué)性能好、晶粒細(xì)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(qiáng)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(xì)化、致密，通過保留擠壓纖維織構(gòu)增強(qiáng)其強(qiáng)度，從而改善其力學(xué)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(yán)重變形，伸長率由2到12.5，伸長率的增加可以細(xì)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(jī)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?cái)嗝娣植疾痪鶆?，且易造成其力學(xué)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(shí)際工藝條件對(duì)沖壓模具進(jìn)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(qiáng)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(jī)、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(jìn)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(xì)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(shí)，晶界上低熔點(diǎn)相會(huì)部分熔化，促進(jìn)晶?；七^程。溫度不宜過高，溫度升高引起晶界擴(kuò)散和晶界遷移能力增加，晶粒易長大而致粗化。Jin Quanlin等進(jìn)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(dāng)成形溫度低于350℃時(shí)，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和晶粒細(xì)化，可以有效提高鎂合金超塑性，而當(dāng)成形溫度高于350℃時(shí)，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(cuò)能來不及抵消，位錯(cuò)、再結(jié)晶形核增加，促進(jìn)晶粒細(xì)化。鎂合金的抗拉強(qiáng)度隨變形速度的增加而增強(qiáng)，而較高的變形速度會(huì)引起變形抗力升高，導(dǎo)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(cuò)重排使組織晶粒細(xì)化到亞微米級(jí)，增強(qiáng)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(xì)晶強(qiáng)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(gè)道次后伸長率達(dá)到30%［17］。大塑性變形技術(shù)獨(dú)特的受力狀態(tài)，大的累積應(yīng)變量而獲得細(xì)晶組織，同時(shí)改善力學(xué)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(duì)成形溫度敏感。鎂合金的成形溫度低時(shí)，易產(chǎn)生冷裂紋；成形溫度過高時(shí)，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(xué)性質(zhì)活潑，熔煉時(shí)與空氣中的氧氣接觸產(chǎn)生強(qiáng)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(yán)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(jìn)行塑性變形，獨(dú)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(huì)使晶粒粗化、脆性增大，力學(xué)性能下降。⑥偏析問題。溶質(zhì)元素凝固過程中流動(dòng)造成制件各部分之間化學(xué)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(yùn)用到鎂合金塑性加工過程中，發(fā)揮其細(xì)化晶粒的作用，提高鎂合金綜合性能。②基于計(jì)算機(jī)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(zhǔn)確選擇工藝過程參數(shù)，將工藝參數(shù)對(duì)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(diǎn)，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(dāng)?shù)某尚畏绞揭钥刂?、調(diào)整鎂合金織構(gòu)的形態(tài)。

［1］劉正，張奎，曾小勤.鎂基輕質(zhì)合金理論基礎(chǔ)及其應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［2］王峰，張鋒，劉靜，等.真空壓鑄對(duì)AZ91鎂合金組織及性能的影響［J］.鑄造，2015，64（1）：13-16.

［3］王建國，任朋立，王清川.高性能鎂合金鑄造技術(shù)的研究現(xiàn)狀［J］.熱加工工藝，2014，43（17）：21-23.

［4］丁文江，等.鎂合金科學(xué)與技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［5］武增臣，龍思遠(yuǎn)，徐紹勇.鎂合金輪轂的一種新型擠壓鑄造方法［J］.鑄造，2005，54（9）：878-880.

［6］S.Lun Sin，R.Tremblay，et al.Interfacial reactions between AZ91D magnesium alloy and plastermould material during investment casting［J］.Materials Science and Technology，2006，22（12）：1456-1463.

［7］吳國華，劉子立，等.消失模鑄造AZ91鎂合金組織及耐蝕性研究［J］.鑄造，2005，54（8）：767-771.

［8］滕海濤，張小立，齊凱，等.離心鑄造AZ61A鎂合金管的顯微組織和力學(xué)性能［J］.稀有金屬材料與工程，2010，39（8）：1465-1469.

［9］耿浩然，滕新營，王艷等.鑄造鋁、鎂合金［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［10］李強(qiáng)，黃國杰，謝水生等.鎂合金半固態(tài)成形研究進(jìn)展［J］.金屬鑄鍛焊技術(shù)，熱加工工藝2009，38（23）：62-65.

［11］I-K Kim，T-H Kang，et al.Analytic and experimentalmethod formakingmagnesium alloy products based on an injection moulding process［J］.Internation Journal of Advanced Manufacturing Technology，2004，23：566-571.

［12］Yang Yu，Erde Wang.The Effects of Cold Extrusion On Grain Size Refinement And Plasticity For Magnesium Alloy［J］.Interation Journal of Modern Physics B，2009，23（6）：821-825.

［13］張亞萍，艾娟，等.軋制鎂合金中的板織構(gòu)及其控制工藝［J］.金屬鑄鍛焊技2012，41（11）：116-118.

［14］Fuh-Kuo Chen，Chih-Kun Chang.Stamping of Thin-Walled Structural Components with Magnesium Alloy AZ31 Sheets［J］.AIPConference Proceedings，2005，778（1）：619-624.

［15］Quanlin Jin，Huiying Wu，et al.Superplastic Forming Behaviors and Microstructure Characters of Magnesium Alloy Sheet AZ31B［J］.AIP Conference Proceedings，2004，712（1）：1682-1686.

［16］陳振華.變形鎂合金［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［17］Liu T，Zhang W，Wu SD，et al.Mechanical properties of a two-phase alloy Mg-8%Li-1%Al processed by equal channel angular pressing.Materials Science and Engineering，2003，A360：345.

［18］李峰，秦明漢，曾祥，等.鎂合金大塑性變形技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，19（6）：1-5.