鎂合金等溫鍛造與超塑性成形

文/付傳鋒·南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司胡亞民·重慶理工大學(xué)材料學(xué)院劉艷雄·武漢理工大學(xué)汽車學(xué)院

鎂合金等溫鍛造與超塑性成形

文/付傳鋒·南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司胡亞民·重慶理工大學(xué)材料學(xué)院劉艷雄·武漢理工大學(xué)汽車學(xué)院

等溫鍛造提高了加工金屬的塑性，能夠模鍛出有小模鍛斜度或無模鍛斜度的鍛件、有明顯階梯截面的鍛件、過渡半徑較小的鍛件和小切削加工余量的鍛件；還可以成形出形狀復(fù)雜的高精度鍛件。

等溫鍛造與超塑性成形

等溫鍛造是指在鍛造時(shí)把模具加熱到與坯料變形溫度相同或相近的溫度，在較低的應(yīng)變速率下，使熱坯料與模具溫度基本保持不變的一種鍛造方法。

超塑性成形是指將金屬在接近正常再結(jié)晶的溫度下熱變形（擠壓、軋制或鍛造等）獲得超細(xì)晶粒組織，然后在超塑溫度和適當(dāng)?shù)膽?yīng)變速率下，在預(yù)熱到一定溫度的模具中成形為所需形狀的一種成形方法。

等溫鍛造的應(yīng)用范圍比超塑性變形要廣得多，把模具與金屬加熱到一定的溫度是保證金屬獲得良好超塑性狀態(tài)所必需的條件。等溫鍛造時(shí)，在很寬的溫度—速度范圍內(nèi)以及坯料在任一原始組織狀態(tài)下都可以減少壓力和提高其金屬塑性。這主要由于在降低應(yīng)變速率的條件下，軟化過程時(shí)間延長。超塑性效應(yīng)在相當(dāng)窄的溫度—速度范圍內(nèi)出現(xiàn)，對(duì)材料的原始組織狀態(tài)要求相當(dāng)嚴(yán)格。

等溫鍛造工藝的特點(diǎn)

等溫鍛造通常在液壓機(jī)上進(jìn)行，與950℃下普通熱模鍛比較，慢速等溫鍛造時(shí)，金屬材料的變形抗力大大減小，可使用功率較小的設(shè)備，節(jié)省設(shè)備占地面積和電能。采用等溫鍛造還可以簡化設(shè)備的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件，用整體大鍛件代替小鍛件組合件。

等溫鍛造提高了加工金屬的塑性，這是由于在等溫鍛造過程中軟化過程比較充分，較低的變形速度能使鍛件內(nèi)部的顯微裂紋愈合。等溫鍛造能夠模鍛出有小模鍛斜度或無模鍛斜度的鍛件、有明顯階梯截面的鍛件、過渡半徑較小的鍛件和小切削加工余量的鍛件；還可以成形出形狀復(fù)雜的高精度鍛件，而用普通模鍛很難實(shí)現(xiàn)。等溫鍛造制造高精度鍛件有以下優(yōu)勢：

⑴降低了坯料的金屬變形抗力，減小了模具系統(tǒng)的彈性變形，提高了現(xiàn)有設(shè)備的生產(chǎn)能力。

⑵提高了鍛造材料的塑性，甚至達(dá)到超塑性，使低塑性材料的成形成為可能。

⑶操作簡單，技術(shù)條件易于控制，減小了變形溫度的波動(dòng)，使體內(nèi)及表層溫度均勻、變形均勻，使鍛件的組織性能均勻，幾何尺寸穩(wěn)定。

⑷降低了鍛件的殘余應(yīng)力，減少了鍛件在冷卻和熱處理時(shí)的變形量。

使用保護(hù)—潤滑玻璃涂層，降低了變形溫度，減小了熱金屬與周圍介質(zhì)的相互作用，減薄了氧化皮和其他缺陷層的厚度，改進(jìn)了表面質(zhì)量。

超塑性成形工藝的特點(diǎn)

超塑性成形的條件是：工件材料是均勻等軸細(xì)晶材料，成形過程中工件溫度保持均勻恒定并等于工件的超塑性溫度，工件各點(diǎn)的應(yīng)變速率盡量保持均勻恒定并等于工件材料的超塑性應(yīng)變速率。

超塑性變形的微觀機(jī)理是在最佳超塑性條件下，以晶界滑動(dòng)為主，擴(kuò)散蠕變和位錯(cuò)蠕變協(xié)調(diào)作用。在低應(yīng)變率區(qū)，擴(kuò)散蠕變作用增強(qiáng)；在高應(yīng)變率區(qū)，位錯(cuò)蠕變?yōu)橹饕冃螜C(jī)制。

理想的超塑性成形的宏觀特征為能夠產(chǎn)生大變形、無應(yīng)變硬化，變形抗力低和高應(yīng)變率敏感性；微觀組織特征對(duì)晶粒度及晶粒形狀敏感，伴隨發(fā)生晶粒長大、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶及孔洞損傷等，微觀組織發(fā)生變化。

成形溫度是超塑性成形中的最重要的技術(shù)參數(shù)。原則上超塑性成形的溫度必須是鍛件材料的超塑性溫度，但這個(gè)溫度不是固定不變，而是隨鍛件材料晶粒度和應(yīng)變速率變化而變化，它有一定的變化范圍。由于在實(shí)際鍛造過程中的鍛件各部位應(yīng)變速率的不均勻性以及鍛件內(nèi)各處晶?？赡艹霈F(xiàn)的大小和形狀的變化，所選擇的成形溫度不可能與坯料各部位的最佳超塑性溫度完全一致，與最佳超塑性溫度相差越小，超塑性能越好。因此，在考慮超塑性成形溫度時(shí)應(yīng)參考坯料的初始晶粒度以及相應(yīng)的應(yīng)變速率，盡量使超塑性成形溫度與實(shí)際情況一致。

超塑性成形具有如下優(yōu)勢：

⑴最大程度保持了鍛件內(nèi)部變形和微觀組織的均勻性，消除了低溫區(qū)容易產(chǎn)生裂紋、開裂缺陷與高溫區(qū)的粗晶和過燒缺陷。

⑵提高了材料塑性和降低了變形抗力，有利于充填模具型腔、降低成形載荷，在低載荷下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的近凈成形。

⑶超塑性成形件的綜合力學(xué)性能全面提高，使用壽命高于普通成形件。

超塑性技術(shù)還可生產(chǎn)加工難度大、工序多、精鍛、精鑄技術(shù)難以滿足精度、強(qiáng)度等力學(xué)性能要求的各類黑色、有色金屬零部件。

鎂合金的等溫鍛造與超塑性成形

鎂合金的等溫鍛造

鎂合金的鍛造溫度范圍窄，而其導(dǎo)熱系數(shù)大，其導(dǎo)熱系數(shù)大約是鋼的2倍。鍛造時(shí)如果模具溫度低、坯料降溫快、塑性降低、變形抗力增大、變形率低，變形過程中坯料易形成裂紋甚至開裂，所以鎂合金一般采用等溫鍛造。鎂合金的等溫鍛造一般把加熱到稍高于鍛造溫度的鎂合金坯料置入加熱到鍛造溫度的模腔里，并使熱毛坯和模具溫度基本保持不變，或?qū)⒛＞呒訜岬缴愿哂阱懺鞙囟龋侔咽覝叵碌逆V合金坯料置入模腔，加熱到鍛造溫度，并保溫一定時(shí)間，施加適當(dāng)壓力，保壓一定時(shí)間，使毛坯以低應(yīng)變速率變形。

在YAW-500kN微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)上利用該等溫鍛造裝置開發(fā)鎂合金電動(dòng)螺絲刀套筒等溫?cái)D壓成形工藝（擠壓溫度為350℃；加載速度為0.1mm/s；潤滑劑為SW/TM綠色環(huán)保脫模劑），成功試制出符合設(shè)計(jì)要求的AZ31B鎂合金電動(dòng)螺絲刀套筒擠壓件，實(shí)物如圖1所示。

圖1 鎂合金電動(dòng)螺絲刀套筒擠壓件

為了簡化試驗(yàn)設(shè)備和降低成本，設(shè)計(jì)了鎂合金等溫鍛造裝置（圖2），將鎂合金坯料放在模具里直接加熱，“模膛“就是“爐膛“。

圖2 鎂合金等溫鍛造模具簡圖

GUOTU螺塞擠壓件，材料為AZ31B鎂合金。在YAW-500kN微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了較低應(yīng)變速率的等溫?cái)D壓試驗(yàn)，分別在300℃、330℃和365℃的溫度下，以0.05mm/s、0.1 mm/s、0.25 mm/s、0.75 mm/s和1mm/s的加載速度進(jìn)行等溫?cái)D壓成形鎂合金GUOTU螺塞。不同溫度和加載速度下的力—位移曲線如圖3所示，由圖3可知，在相同加載速度0.1mm/s時(shí)，隨著擠壓溫度的降低，擠壓力顯著上升；在擠壓溫度相同的條件下，隨著加載速度的減小，擠壓力逐漸降低。300℃等溫?cái)D壓時(shí)，擠壓件表面出現(xiàn)裂紋。經(jīng)多次不同擠壓溫度的對(duì)比試驗(yàn)得知，在365℃的溫度下，以不同加載速度等溫?cái)D壓成形的GUOTU螺塞，表面品質(zhì)良好，沒有產(chǎn)生裂紋。裂紋缺陷的產(chǎn)生是由于300℃時(shí)鎂合金的塑性相對(duì)較差。

隨著現(xiàn)代汽車節(jié)能減排要求的不斷推進(jìn)及車輛輕量化的發(fā)展要求，用鎂合金輪轂取代鋁合金輪轂已成為一種發(fā)展方向。采用壓鑄成形的鎂合金輪轂，產(chǎn)生的縮孔、疏松等缺陷降低了零件的力學(xué)性能，應(yīng)用受到限制。

某型號(hào)汽車輪轂零件輪輻表面有凹槽及通孔，輪輞形狀類似于變截面雙杯形，壁厚較薄且孔深較大。該輪轂成形過程分為擠壓和脹形兩部分，由于變形程度很大，需要正擠壓和復(fù)合擠壓工序?qū)崿F(xiàn)成形。成形過程路線為：下料→正擠壓→復(fù)合擠壓→脹形→機(jī)加工連皮及余料→熱處理及表面處理。

經(jīng)過等溫?cái)D壓與脹形生產(chǎn)鎂合金輪轂實(shí)驗(yàn)，確定了主要擠壓—脹形過程參數(shù)：坯料加熱及模具預(yù)熱溫度均為350～400℃，擠壓加載速度為0.2mm/s，脹形坯料及模具溫度均為200～250℃。采用此擠壓技術(shù)參數(shù)成形出表面品質(zhì)良好的鎂合金輪轂，成形樣件輪輞的抗拉強(qiáng)度σb、屈服強(qiáng)度σ0.2及延伸率δ分別為338.4MPa、190MPa和14.1%，鑄態(tài)試樣相應(yīng)部位的力學(xué)性能分別為229.7MPa、101.5MPa和9.1%；相對(duì)于鑄態(tài)試樣，其性能有較大提高。

圖3 不同擠壓溫度和加載速度下的力—位移曲線

某航天AZ80鎂合金殼體零件外徑為φ260mm，側(cè)表面和底表面的壁厚非常薄，僅為1mm，外底部帶有凸緣。經(jīng)過下料→直接等溫?cái)D壓成形工藝方案與下料→鐓粗→等溫?cái)D壓成形工藝方案比對(duì)試驗(yàn)，表明下料→鐓粗→等溫?cái)D壓成形工藝方案可行。并對(duì)其進(jìn)行工藝優(yōu)化，將鐓粗改為預(yù)成形，成形出擠壓件底部的錐面和外凸緣，外凸緣在終擠模內(nèi)便可以將坯料準(zhǔn)確定位。

坯料去除掉油污、毛刺后，在420℃下保溫12h，空冷一定的時(shí)間；將模具預(yù)熱到360℃，保溫4h；均勻化處理的坯料加熱到380℃保溫1～2h進(jìn)行預(yù)成形；預(yù)成形后的坯料回爐繼續(xù)預(yù)熱到380℃，保溫1～2h等溫?cái)D壓成形，擠壓件如圖4所示。

圖4 AZ80鎂合金殼體擠壓件

鎂合金的超塑性成形

鎂合金的塑性成形技術(shù)發(fā)展相對(duì)緩慢，高性能的鎂合金結(jié)構(gòu)件應(yīng)用較少。鎂合金超塑性成形改善了這一現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)了壁薄、變形量大、用常規(guī)鍛造工藝難以生產(chǎn)的鎂合金零部件的成形。

當(dāng)應(yīng)變速率為5.56×10-4/s時(shí)，在較低溫度范圍（300～340℃）變形時(shí)，溫度升高，伸長率急劇增大；在較高溫度范圍（340～420℃）變形時(shí)，變形溫度升高，伸長率緩慢降低；340℃時(shí)伸長率達(dá)到峰值。

在340℃不同應(yīng)變速率下，當(dāng)應(yīng)變速率小于5.56×10-3/s 時(shí)，MB15鎂合金的伸長率隨應(yīng)變速率的增大而緩慢增加，增加的幅度較?。划?dāng)應(yīng)變速率大于5.56×10-3/s 時(shí)，伸長率隨著應(yīng)變速率的增加而降低。

在340℃，應(yīng)變速率為5.56×10-4/s條件下進(jìn)行超塑性拉伸，MB15鎂合金的伸長率隨著壓下量的增大而增加，當(dāng)壓下量為80%時(shí)，伸長率達(dá)到297%；壓下量在50%～60%時(shí)，伸長率急劇變化。其原因是當(dāng)壓下量小于50%時(shí)是單向壓縮變形，變形不均勻，而當(dāng)壓下量大于50%時(shí)，隨著壓下量的進(jìn)一步增加，變形趨于均勻，而均勻變形有利于提高M(jìn)B15鎂合金高溫伸長率。

擠壓態(tài)AZ80鎂合金的超塑性拉伸試驗(yàn)研究表明，擠壓態(tài)AZ80鎂合金經(jīng)過超塑性變形之后，晶粒得到明顯細(xì)化；在變形溫度為623K，變形速度為0.001mm/s時(shí)，AZ80鎂合金的延伸率最高，達(dá)到了450.53%。金相觀察表明AZ80鎂合金的超塑性機(jī)制為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶輔助的晶界滑移機(jī)制；斷口掃描表明擠壓態(tài)的AZ80鎂合金是以晶間空洞的形式開裂的，沿晶界斷裂特征明顯。

結(jié)論

雖然鎂合金等溫鍛造與超塑性成形產(chǎn)品有很多優(yōu)點(diǎn)，但其成形工藝較復(fù)雜、生產(chǎn)效率較低、成本較高，離規(guī)模化的工業(yè)生產(chǎn)與應(yīng)用還有一段距離。應(yīng)著手開發(fā)以下鎂合金的等溫鍛造與超塑性成形技術(shù)：

⑴研究鎂合金在較高應(yīng)變速率下的超塑性成形，提高其生產(chǎn)效率。

⑵開發(fā)和推廣鎂合金的近等溫鍛造技術(shù)，即坯料和模具溫度一致，加載速度和普通模鍛一樣，但變形抗力比普通模鍛低60%～70%，提高生產(chǎn)效率。

⑶研究鎂合金坯料組織不滿足或不完全滿足超塑性成形要求情況下，在等溫變形過程中組織得到細(xì)化和球化，實(shí)現(xiàn)超塑性成形。

⑷研究鎂合金在較低溫度下（0.5Tm以下或更低）的超塑性變形。