1、镁合金加工技术研究进展镁合金加工技术研究进展摘 要 镁合金是实用金属中密度最低的金属，是一种高性能轻质结构材料，具有比强度高、抗震减噪性能好、电磁界面防护性能强等优点。镁合金的成形技术有压铸加工工艺和塑性加工工艺。镁合金目前主要采用压铸方法加工成形，但经过塑性加工后的镁合金性能会进一步提高。关键词： 镁合金 压铸加工工艺 塑性加工工艺Research progress of magnesium alloy processing technologiesAbstract Magnesium alloy is high performance and lightweight structural
2、material, with the advantages of the lowest density, higher specific strength, better shakeproof and noise reduction performance, greater electromagnetic interface shielding performance. There are die-casting forming processing and plastic forming processing, which be used in the forming of magnesiu
3、m alloy. Die-casting forming processing method is usually adopted in the producing of magnesium alloy. However, the performance of magnesium alloy would be better with plastic forming processing.Key words: magnesium alloy die-casting forming processing plastic forming processing1 引言 镁是地球表面上丰富的化学元素，含
4、量2.5%。镁合金是实用金属中密度最低的金属，是一种高性能轻质结构材料，具有比强度高、抗震减噪性能好、电磁界面防护性能强等优点，在汽车、航空航天、电子电器以及运动器械等行业具有广泛的应用前景1。 在迫切要求节能、减污和节省地球有限资源的今天，镁合金结构材料的开发和应用越来越受到世界各国的重视。目前，镁及镁合金的需求量以每年20%以上的速率增长。我国的镁资源十分丰富，但远没有充分开发利用2。 随着社会的进步和科技的发展，特别是进入新世纪以来人们对新的生活理念以及高品质、个性化、时尚、便利、快捷的生活方式的追求与憧憬，生态思想与可持续发展观深入人心，这就为材料科学以及材料的加工成形技术的研究提出了
5、更多、更高的要求，势必加速材料的更新换代，以新型的节能、环保、轻型、高力学性能的材料来取代现有的非经济型材料。在金属材料方面，镁合金材料将是未来金属材料发展的优先选择。特别是近年来，随着各种工业的迅速发展，人们对材料的要求日益提高，使得镁合金越来越受到材料开发和材料加工研究者们的青睐3。 2 镁合金压铸加工工艺的发展 在镁合金的铸造成形方法中，压铸成形是非常具有潜力的一种成形方法。由于镁合金具有低密度，低熔点，低动力学粘度，低比热容，低相变潜热以及与铁的亲和力小等特点，使其更具有熔化耗能少、充型速度快、凝固速度快、实际压铸周期短，模具使用寿命长等优点，极适合采用压铸技术进行成形加工，直接制备出
6、薄壁和具有复杂形状的零部件，从而达到替代钢、铝合金、塑料，而实现产品轻量化的目的4。 镁合金产品的应用开发得益于压铸工艺技术的发展。进入20世纪90年代以来，发达国家如美、日、德在镁合金压铸领域，无论从加工工艺技术、加工设备、加工方法等方面都表现出了强劲的发展势头5。 压铸机通常可分为热室与冷室两类。前者的优点是：具中积累的残料少，铸件表面平整，内部气孔、疏松少，但设备维护费较高。镁合金的熔体对钢的侵蚀并不特别严重，因此，除采用热室压铸机制造零件外，也可选用冷室压铸机。通常，可根据零部件大小与铸件特性来选择压铸工艺。如铸造大的与较大的汽车零件，若压铸机的压力较小，则只好用冷室压铸，若压铸机较多
7、，大中小结构搭配合理，还是宜选用热室压铸法。而铸造轻薄的3C (笔记本电脑，照相机、摄像机)机壳零部件与自动控制阀的细小零件，则可选热室压铸工艺，因其压铸速度快，成品率也较高(成品率=铸件质量/所消耗的熔体质量)6。 近二十年来，一些新的压铸方法包括真空压铸、充氧压铸法、半固态压铸和金属压缩成形技术也相继发展应用。它们在消除铸造缺陷，提高铸件内在质量方面具有传统压铸方法无法比拟的优点7。2.1 真空压铸法 真空压铸能够显著降低压铸件中的气体含量，有利于提高充型能力和铸件的焊接及热处理性能。真空压铸是通过在压铸过程中抽除型腔内的气体而消除或减少压铸件内的气孔和溶解气体，提高了压铸件的力学性能和表
8、面质量。真空压铸镁合金件的最小壁厚为1.5-2.0 mm，真空度小于或等于80 kPa，冲头速度最大达10 m/s，铸件强度可提高10%以上，韧性提高20%-50%，这方面的应用例如日本轻金属公司用充氧压铸方法生产出了计算机镁合金整体磁头支架、汽车轮盘等产品8。目前已成功地用该方法生产出了AM60B合金的汽车轮盘、方向盘零件，其铸件伸长率由8%提高至16%。 胡泊9等人在设计真空参数时，认为随着型腔真空压力的降低，铸件密度、抗拉强度和伸长率均随之提高；铸造压力对力学性能的影响在真空压铸和常规压铸中遵循基本相同的规律，即增大铸造压力可以使铸件的致密程度、抗拉强度、屈服强度和伸长率得到提高；随着高
9、速速度的增大，薄壁铸件的抗拉强度、屈服强度和伸长率均表现出明显的增加，这一点与常规压铸的规律相反。结合高真空和高速工艺，可以使薄壁铸件的抗拉强度和伸长率得到较为明显的提升。2.2 充氧压铸法 充氧压铸又称无气孔压铸，是在金属液充型前，将氧气或其他活性气体充入型腔，置换型腔内的空气，金属液充型时，活性气体与充型金属液反应生成金属氧化物微粒弥散分布在压铸件内，从而消除了压铸件中的气体，使压铸件可热处理强化10。充氧压铸件比普通铸件的价格要贵10%-15%，但采用充氧压铸后减少了铸件废品，提高了性能，节省了机械加工费用，综合考虑，对质量要求较高的铸件反而可以节约成本10%-30%。因此，充氧压铸特别
10、适合于需要热处理来提高力学性能、有气密性要求、在较高温度下使用或需要焊接组合的压铸件11。2.3 半固态流变压铸技术 20世纪70年代初，美同麻省理工学院M.C.Flemings教授等人首次提出了半固态成形技术。该技术综合了传统的铸造和锻造两种成形方法的优点。既可以提高零件的力学性能，也可以成形形状复杂的零部件，具有高效、优质、节能和近终成形等优点12。 镁合金半固态成形是近年来发展起来的成形技术，可以获得高致密度的镁合金制品，是具竞争力的成形方法。这种方法不同于压力铸造和液压模锻，它通过剧烈的搅拌将金属凝固过程中形成的枝晶打碎或完全抑制枝晶的生长，然后直接进行流变铸造或制备半固态坯锭后再局部
11、重熔和触变成形，其产品具有一次相为球形颗粒的组织，成形零件精度高、质量好，能与近终成形接轨。通常半固态成形技术包括触变成形和流变铸造13。其中，镁合金半固态触变铸造成形新技术，是一项基于半固态合金触变行为的成形技术；而触变注射成形是在从原料供给到零件制造的封闭系统内一次性完成的过程。 半固态流变压铸具有充型平稳、无金属飞溅，金属液氧化少、节能、操作安全、减少铸件内孔洞类缺陷等优点。该方法的另一个优点是减少了铸件的收缩率，对某些铸件甚至可以采用零起模斜度，显著减少了铸件的脱模阻力，提高了铸件的尺寸精度。1987年，美国DOW化学公司发明的镁合金半固态压铸工艺，为镁合金的半固态金属加工迈出了第一步
12、，并取得了三项专利。目前该技术已在美国、加拿大、日本等国家得到了应用，逐步实现了商业化，该公司又于1991年推出了第二代半固态压铸设备。已生产出的镁合金半固态压铸件有汽车传动器壳盖、点火器壳体等。此外，用碳化硅增强的镁基复合材料结合半固态铸造的方法，虽然目前尚未达到商业应用阶段，但今后将是压铸领域的一个发展方向。2.4 镁合金的金属压缩成形技术 美国俄亥俄精密成形公司研究的镁合金金属压缩成形技术是在整个压铸件表面加压的成形方法。在压力下凝固，改善了金属微观组织，减小了晶粒尺寸和孔隙率，铸件致密均匀，所生产的铸件性能接近锻造的，可用于生产性能要求高、形状复杂的铸件14。3 镁合金塑性加工工艺的发
13、展 由于镁具有密排六方晶体结构，在室温下只有基面0001产生滑移，滑移系数仅为3个，晶面产生滑移的可能性相当有限，因而导致镁合金的塑性很低，冷态下变形十分困难。当温度升高到300 上时就可以出现再结晶过程，使镁合金具有更好的成形性。因此镁合金的塑性加工一般均是在热态条件下完成的。镁合金组织性能受塑性变形影响很大，因此可以通过塑性加工过程控制或改善镁合金坯料的组织性能，因而研究塑性加工工艺是很重要的，尤其是热挤压工艺15。通常的压铸工艺生产的镁合金零件无法满足高性能零件的要求，且该工艺必须消耗一定的浇口废料，材料利用率较低，在应用上受到了一定限制。塑性精密成形零件在承载能力、承受冲击载荷等方面都
14、要优于铸件。因此，在生产上迫切要求开发镁合金塑性成形先进工艺。然而，由于镁合金塑性指标低、对变形拉应力极其敏感、承受能力低、易产生脆性断裂，限制了其塑性成形技术的应用。 金属镁室温塑性成形能力差，高温时由于易产生孪晶滑移，塑性变形能力提高，但温度过高，会导致晶粒长大。塑性变形能力降低。因此，变形温度是镁合金成形的重要参数，同时变形速率和应力状态也是重要的考虑因素。目前，镁合金的塑性成形方法主要有挤压成形、热冲成形、热锻成形、等温锻造、超塑性成形以及剧塑性变形技术16。3.1 挤压成形 挤压工艺最适合于低塑性材料的塑性成形。因而是镁合金理想的加工方法。镁及其合金可以在油压机上通过等温挤压和热挤压
15、成棒材、管材以及具有各种截面形状的结构型材，挤压工艺过程和挤压设备与铝合金挤压成形基本相同。挤压速度、挤压温度和挤压比是镁合金挤压工艺的重要工艺参数。通过控制这些工艺参数可以获得理想的组织性能和生产率。影响镁合金挤压速度的是挤压坯料的品粒度和组织均匀性。因而获得小品粒度组织均匀的镁合金，坯料是挤压成形的关键17。目前，镁合金管材、棒材、带材主要采用挤压方法加工成形。因为镁合金在室温下塑性很低，伸长率只有4%-5%,所以挤压加工是理想的方法，轧制加工则比较困难。3.2 热冲成形 镁合金在常温下塑性差，易裂，所以不采用在常温下进行冲压成形，一般板材热冲压都采用在150 以上进行。在175镁合金板杯
16、形件拉深的拉深比可达2.0，而在225 时可达3.0，超过了钢板和铝板在室温下的拉深比（分别为2.2和2.6）18。镁合金板材热冲成形时主要工艺参数有坯料温度、模具预热温度、润滑方式、模具间隙、冲压速度等，这些因素对坯料的冲压成形结果均有不同程度的影响。德国大众公司开发出了镁合金汽车覆盖件的热冲压技术，成功地生产出汽车内门板，而奥迪汽车公司采用热冲压法成功地生产出镁合金汽车件19。3.3 热锻成形 同其他金属一样，镁合金可以锻造成不同的尺寸形状，其产品的尺寸主要决定于锻造设备的尺寸。镁锻件用于锻造数量足以抵消模具成本的场合，或者用于要求具有高强度和延展性的零部件。镁合金的锻造性能主要取决于三个
17、因素：合金的凝固温度、变形速率及晶粒大小。为了保证良好的加工性能必须采用具有可锻性的镁合金坯料。镁合金在其固相线温度以下55 范围内进行锻造。有学者对镁合金ZK60进行了锻造及挤压工艺试验研究，ZK60最佳锻造温度是300 -400 。400 以上坯料发生严重氧化，200 -400 温度下表现出加工软化。 影响镁合金锻件力学性能的因素很多，主要包括变形程度、终锻温度及变形方式等。一般来说，锻件性能随变形程度的增大而提高，而随着变形温度的升高，镁合金锻件的力学性能逐渐降低。变形方式对锻件力学性能的影响，主要是通过改变其各向异性特征来实现的。当镁合金承受单轴压缩时，由于其具有HCP晶体结构，会导致
18、变形极不均匀，结果平行于金属流动方向的拉伸强度明显比其他方向高，即表现出各向异性行为20。总之，镁合金局部热锻成形难度较大，目前国际上还没有很好的解决办法21。3.4 等温锻造 等温锻造是将模具加热并保持在坯料变形温度下，以低应变速度使模具中坯料变形的模锻方法22。不论是在3C产品中还是在航空航天领域中镁合金的应用是很重要的一部分。镁合金的导热系数为167.25 W/(M)而其锻造温度范围只有150 ，所以适合等温锻造23。模具降温很快，塑性降低，变形抗力增大，充填性能下降。因此适合于等温锻造成形。吕炎等学者24采用等温锻造工艺成功的成形了复杂的镁合金飞机上机匣，是目前我国最大镁合金模锻件，投
19、影面积达0.4 m2。3.5 超塑性成形 镁合金塑性差难以实现塑性加工，但其塑性对合金的晶粒尺寸依赖关系很大，通过晶粒细化能大幅提高镁合金的延展性，实现超塑性。镁合金通过超塑性成形工艺可以得到形状复杂的结构件，在航天航空、汽车行业得到应用。一方面，它能由棒材、板材直接制造形状复杂的产品，且加工成本比相应的压铸件低；另一方面，超塑性成形件的机械性能比相应的压铸件高。镁合金的超塑性成形甚至有可能以压缩气体作为成形的动力，实现复杂形状结构件在固态下近净形成形。超塑性成形工艺的实现关键是细晶镁合金的制备，目前主要通过挤压、轧制、等径弯曲通道变形、快速凝固和粉末冶金等工艺或以上几种成形方法的联合使用来获
20、得镁合金的晶粒细化。当前镁合金超塑性成形存在的两大问题是成形温度高和加工速度太低，极大的限制镁合金超塑性成形工艺的应用。 有关超塑变形的理论和模型很多，由于超塑变形是极微细晶粒在高温下变形，极其复杂，同时各研究者的试验条件各不相同，其结果存在很大的差异，所以迄今为止尚未能形成统一的超塑变形理论。多数研究者倾向于以晶界滑移(GBS)为主的多机制迭加理论25。3.6 剧塑性变形技术 剧塑性变形又称为大塑性变形。通过剧塑性变形技术来细化镁合金的晶粒组织已经成为目前研究的热点。由于镁合金的密排六方晶格结构，通常在室温下塑性较差。改善镁合金的甥性变形性能是开发变形镁合金的关键。对于在镁中添加锂的镁合金，
21、可以形成BCC晶格的相，与HCP晶格的-Mg相比，具有更高的冷、热变形能力。然而这种镁合金固溶强化效果不显著，加工硬化效应低，抗蚀性差，很难在工业上应用。面对这些问题，有学者26认为可以通过细化镁合金的晶粒组织来改善镁合金的延性。 与传统的塑性变形工艺相比，剧塑性变形技术的设计目的是：在变形过程中保持坯料的外形基本不变，在不改变材料外形尺寸的基础上对材料施加大的塑性变形。从而可达到的应变不受材料外形的影响。剧塑性变形技术能制备的最小晶粒尺寸可达亚微米的尺寸水平。其中，制备细晶镁合金的剧塑性变形技术主要有等通道转角挤压、累积轧制和大比率挤压27。4 展望 镁合金是高速发展的结构金属材料，由于密度
22、小、比强度高、储量丰富等很多独特的优点，在汽车、电子电器、宇航、体育设施等领域有重要应用前景。镁合金目前主要采用压铸方法加工成形，但塑性加工技术很不成熟，塑性加工技术的发展是镁合金得到广泛应用的前提。只有解决镁合金塑性加工的技术难题，才能使镁合金得到广泛应用28。经过塑性加工后的镁合金性能会进一步提高，塑性成形是镁合金产品成形的发展方向。参考文献1 张梅琳,朱世根,丁浩,原一高,顾伟生. 镁合金加工技术的现状与发展J. 东华大学学报(自然科学版),2005,06:133-136.2 Friedrich H;Schumann S Research for a New age of magnesi
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