镁合金成形技术发展现状研究

高 顺 马晓录

（河南工业大学机电工程学院，河南 郑州450007）

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镁合金是工业应用中最轻的结构金属，具有轻质、高比强度、高硬度、抗震、高导热性、抗电磁干扰、防辐射性能强、易于加工成形等优异性能［1］。随着很多金属矿产资源储量日趋减少，被誉为“21世纪的绿色工程材料”的镁合金材料，将在汽车、3C产品、航空航天、国防军工等领域具有越来越重要的应用价值和广阔的应用前景，为适应迅速扩大的镁合金市场，在传统成形工艺的基础上开发出新的成形方法，以适应不同领域对镁合金成形件的不同要求。

1 镁合金成形技术

1.1 镁合金的液态成形

1.1.1 镁合金压铸

镁合金低熔点、低相变凝固潜热、凝固速度快、易充满型腔适合于压铸生产［1］。

1.1.1.1 冷室压铸和热室压铸。采用热室压铸还是冷室压铸取决于壁厚，热室压铸一般用于形状复杂、薄壁小尺寸的镁合金铸件，生产效率高、浇注温度低、容易实现熔体保护，但设备成本高、维修过程复杂。冷室压铸的优缺点与热室压铸相反，并需配置定量浇注设备，主要用于壁厚相对较大的中小型零件的批量生产。

1.1.1.2 真空压铸。普通压铸需高速充型，型腔及压室内的部分气体难以排除，易形成层状孔穴缺陷。真空压铸使型腔内的气体被抽出而减少铸件内的气孔和溶解气体，以降低铸件的缩松量和缩孔倾向，增强镁合金压铸件的力学性能。与普通压铸相比，真空压铸AZ91镁合金其抗拉强度、屈服强度、硬度和伸长率分别提高了10.19%、33.07%、13.04%和40.63%［2］。

1.1.1.3 充氧压铸。充氧压铸是用氧气或其他活性气体充入型腔排出腔内空气，使充型的熔融态金属与活性气体发生反应，生成的氧化物微粒分布在压铸件内从而消除压铸件内的气体和气孔，使压铸件可经热处理提高其力学性能。普通压铸条件下，AM60HP镁合金的抗拉强度为235～245Mpa，屈服极限为118～147Mpa。在充氧压铸条件下，AM60HP镁合金屈服极限为137～147Mpa，抗拉强度为265～274Mpa［3］。

1.1.2 镁合金挤压铸造

一般挤压铸造工艺分为直接挤压铸造和间接挤压铸造2种，直接挤压铸造无须浇注系统，凝固速度快，且抑制金属液中气体的析出，减少缩松和气孔缺陷，所得镁合金铸件组织细密、晶粒细小，浇注过程需要精确定量，该方法主要适用于生产形状简单地结构件。间接挤压铸造不易在凝固过程中保持高压，不适于凝固区间大的铸件，铸件致密度较低，但此方法不需要配置定量浇注系统，生产柔性好［4］。重庆大学武增臣等［5］用一种新型挤压铸造工艺进行镁合金摩托车轮毂生产研究，工艺过程中采用自动定量浇注和加压，低压充型和高压凝固分离的模式，结果表明该新型挤压铸造技术生产效率高、工艺成本低，且铸件内部组织致密、表面质量好，表明新型挤压铸造成形具有技术、经济优势。

1.1.3 镁合金重力铸造

镁合金铸件可以用熔模铸造、消失模铸造等重力铸造方法生产。

1.1.3.1 熔模铸造。熔模铸造铸件尺寸精度高、表面质量好，但工艺过程复杂、生产周期长，多应用于要求具有形状较为复杂、薄断面的铸件，不适于生产轮廓尺寸较大的铸件。防燃问题限制熔模铸造成形在镁合金生产中的应用，目前镁合金一般采用石膏型熔模铸造镁合金的方式进行防燃处理。S.Lun Sin等［6］研究了熔模铸造中AZ91D镁合金与石膏模具材料的反应性能，在缓慢凝固条件下，模具高温、大截面厚度、六氟化硫气体保护，不能有效阻止模具与金属界面反应，所得实验镁合金铸件表面粗糙有附着颗粒，分析发现Mg2Si等生成物，说明镁蒸汽扩散与硅粒子反应，且镁蒸汽具有较好的保温隔热性能，能降低凝固速率，说明石膏模具与铸件之间发生界面反应。

1.1.3.2 消失模铸造。消失模铸造工艺过程中采用干砂负压造型消除了合金液与型砂内水分的接触，浇注温度下使泡沫模样的分解产物迅速排出，以提高其流动性，并且分解产物具有阻燃性对充型时容易氧化的镁合金有保护作用。与一般压铸工艺相比，慢、稳的充型速度使卷入气体量减少，可进一步提高力学性能，综合投资成本降低。消失模铸造是精密度较高的铸造成形方式，可以用来铸造形状复杂或精密度高的铸件。因所用干砂的蓄热系数较小，镁合金铸件在缓冷时易形成粗大的组织，机械性能降低。吴国华等［7］研究表明消失模铸造AZ91镁合金组织除粗大的α相与β相外，还有球状的Al-Mn-Fe三元相，造成镁合金的力学性能和耐蚀性低于砂型铸造和金属型铸造。

1.1.4 镁合金离心铸造

离心铸造与重力铸造相比较，铸件中气孔少、组织致密，铸件力学性能较好，成品率较高，降低了成本，适用于镁合金管件生产。镁合金离心铸造由于其偏析等问题在实际生产中应用少。滕海涛等［8］利用离心铸造方式制备大口径AZ61A镁合金薄壁管，形状完整、壁厚均匀，晶粒显著细化，避免了裂纹、折皱等缺陷，与传统砂型凝固铸件相比，镁合金管的拉伸性得到改善，σ0.2从砂型铸造约95Mpa提高到约138Mpa；σb从约146Mpa提高到约215Mpa，而延伸率σ有很大改善，从4.7%提高到9.4%。

1.2 镁合金半固态成形

半固态金属具有均匀的细晶粒组织、独特的流变特性，与传统液态铸造相比，具有成形温度低等优点，成形过程中减少了气孔、缩孔等缺陷，同时改善生产环境。根据生产工艺流程的不同，半固态成形工艺分为触变成形和流变成形2类。

1.2.1 触变成形

镁合金锭坯在触变成形前，需进行半固态重熔加热，使制坯工序产生的破碎枝晶组织均匀化，重熔程度受合金成分和触变工艺影响。二次加热增加了能耗，整体能耗成本高。工艺过程复杂，但容易实现自动化生产，半固态浆料加热、输送方便，因而得到较大发展，是现阶段半固态成形的主要工艺方法。

1.2.2 流变成形

流变成形是适度过热液态合金在冷凝过程中形成半固态状态，再成形的过程。与触变成形相比，流变成形节省能源，设备更紧凑，但半固态浆料的保存和运输不便，自动化生产较难，且工艺流程较长，铸件综合成本相对较高，从而发展缓慢。

1.2.3 半固态触变注射成形

触变注射成形不需要金属熔化、浇注等工序，原材料损耗量减少、气体卷入量减少，成形件孔隙率小、致密度较高、耐蚀能力强。与传统的压铸工艺相比，操作温度降低了大约100℃，减小了脱型阻力，有利于提高压铸模的使用寿命，改善铸件表面质量［9］。该工艺方法与设备存在局限性，整体投资较大且原材料的选择范围小，常用的一般有AZ91D、AM50A、AM60B等几种镁合金，目前较为成功的是AZ91D镁合金［10］。I.-K.Kim等［11］对AZ91D镁合金注射成形工艺分析，产品形状轮廓清晰、表面光洁，表面粗糙度范围0.66～0.93μm，抗拉强度为1693.2kgf/cm2。

1.3 镁合金固态成形

1.3.1 镁合金锻造成形

镁合金在常温条件下锻造容易发生脆性破裂，在温度高于400℃时，易产生氧化腐蚀、晶粒粗大及合金软化问题，锻造温度须在200～400℃之间。镁合金导热系数大，与冷模接触后温度下降快，引起镁合金变形抗力增大，降低充填性能。采用等温锻造可以消除温度差产生的影响，使加热过的毛坯件在恒温模具中以较小的应变速率进行成形，从而减小由变形合金表面激冷造成的流动阻力的增加和变形抗力的升高，有效降低了模锻时的变形抗力，可使形状复杂、壁薄等类锻件一次模锻成形，改变了模锻设计方式，同时组合件还可以整体锻造成形。镁合金的锻造成形与其他加工成形方式相比，锻件尺寸稳定性好、综合力学性能好、晶粒细小，此外可消除合金成分偏析。

1.3.2 镁合金挤压成形

挤压具有比锻造、轧制等较强的三向压应力状态，采用挤压工艺可使塑性差的镁合金铸态组织细化、致密，通过保留挤压纤维织构增强其强度，从而改善其力学性能及表面质量。研究表明镁合金的塑性经热挤压工艺过程后有所提高，但增加并不明显，冷挤压可以使AZ31镁合金发生严重变形，伸长率由2到12.5，伸长率的增加可以细化晶粒，最后获得的晶粒尺寸2～3μm，塑性明显提高，且可以提高AZ31镁合金的机械性能［12］。镁合金挤压过程所需的变形力较大，模具磨损较快，挤压产品组织沿断面分布不均匀，且易造成其力学性能的各向异性。

1.3.3 镁合金轧制成形

1.3.4 镁合金冲压成形

常温下塑性变形能力差，加工容易脆裂，不宜冲压，一般选择热冲压成形，根据实际工艺条件对冲压模具进行加热、控温。研究表明，200℃是AZ31镁合金的最合适的成形温度，且最适成形温度可能随镁合金薄板厚度和形状不同而变化，增加压边力或升高温度，不能有效消除开裂和起皱等，增加局部拉延筋，是消除断裂和起皱等缺陷有效的方法［14］。镁合金板材屈服强度小，材料容易屈服，有良好的定型性、较好地表面质量，可用于飞机、汽车的零部件及各种电子产品的外壳、框架等。

1.4 镁合金超塑性成形

镁合金超塑成形是指利用镁合金材料在一定的温度、变形速度和显微组织下进行大变形加工的一种成形方法。镁合金的超塑性取决于晶粒度，因此镁合金需要细化晶粒以提高加工塑性及获得超塑性。超塑性变形属于高温变形，温度较高时，晶界上低熔点相会部分熔化，促进晶粒滑移过程。温度不宜过高，温度升高引起晶界扩散和晶界迁移能力增加，晶粒易长大而致粗化。Jin Quanlin等进行了AZ31B镁合金超塑性成形与微观结构特征研究，结果表明当成形温度低于350℃时，发生动态再结晶和晶粒细化，可以有效提高镁合金超塑性，而当成形温度高于350℃时，晶粒增大［15］。变形速度也影响镁合金的超塑性变形，变形速度增加，变形过程中产生的位错能来不及抵消，位错、再结晶形核增加，促进晶粒细化。镁合金的抗拉强度随变形速度的增加而增强，而较高的变形速度会引起变形抗力升高，导致伸长率下降［16］。虽然现在多种工艺能够制出超塑性镁合金，但变形速度较慢、成形温度高、模具易受损等引起整体成本增加限制了超塑性镁合金的应用发展。

1.5 镁合金大塑性变形技术

与一般固态成形方法相比，大塑性变形保持坯料的外形基本不变，施加大的应变，通过位错重排使组织晶粒细化到亚微米级，增强镁合金的超塑性。但在大部分大塑性变形中，镁合金易产生织构软化和细晶强化现象，不一定能提高材料的塑性性能。镁合金Mg-8Li-1A经ECAC一道次处理后，其伸长率由37%降至12%，经4个道次后伸长率达到30%［17］。大塑性变形技术独特的受力状态，大的累积应变量而获得细晶组织，同时改善力学性能，大塑性变形技术在高性能镁合金制备和加工方面有技术优势［18］。

2 镁合金成形技术应用中的问题

镁合金成形过程中应注意的问题：①对成形温度敏感。镁合金的成形温度低时，易产生冷裂纹；成形温度过高时，易产生晶粒粗大、热裂纹等缺陷。②熔炼中的氧化问题。镁合金化学性质活泼，熔炼时与空气中的氧气接触产生强烈的氧化作用，与氮、水蒸气反应生成非金属夹杂物影响镁合金的铸造性能。③大多数镁合金在塑性成形过程容易产生板织构或基面纤维织构，造成严重的塑性各向异性。④室温塑性差。镁合金一般仅通过基面滑移和孪晶进行塑性变形，独立滑移系少。在外力作用下，晶粒间变形调整能力不够，变形困难。⑤阻燃问题。镁合金中加入合金、稀土等元素提高其阻燃性能，但过量会使晶粒粗化、脆性增大，力学性能下降。⑥偏析问题。溶质元素凝固过程中流动造成制件各部分之间化学成分的差异。

3 镁合金成形技术研究展望

虽然液态成形技术目前在镁合金生产中有非常重要的作用，但其他成形技术的发展将超出目前工业所局限的应用领域。镁合金成形技术研究展望：①大塑性技术作为镁合金改变性能的技术手段运用到镁合金塑性加工过程中，发挥其细化晶粒的作用，提高镁合金综合性能。②基于计算机仿真分析软件，分析成形过程中的应力、温度、应变等重要工艺参数，以准确选择工艺过程参数，将工艺参数对镁合金组织和性能定量化，来缩短成形周期，提高镁合金成形效率。③综合铸造与锻造的成形特点，分析连铸连锻工艺以缩短工艺流程，减少设备、模具数量。④镁合金成形过程中，一般容易产生不同类型的织构，通过分析优化加工工艺参数，尽可能选择适当的成形方式以控制、调整镁合金织构的形态。

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