镁合金变形加工)
镁合金塑性变形机制概述
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ： １ ０ ０ ３ — ７ ７ ３ Ｘ（ ２ ０ １ ３ ） ０ １ — ０ ０ ２ ８ — ０ ２
１ 镁合 金的 物理特 性和 发展前 景
镁及其合金是 目前最轻的工程结构材料之一 ， 在 当今 世界新材料领 域 中被誉 为“ ２ １ 世纪绿 色工程材 料” 。自２ ０ 世纪 ９ ０ 年代初开始 ， 随着工业的 日 益发展 ， 国际上主要金属材料的应用发展趋势开始发生了显著 变化 ， 钢铁和铝合金 、 铜、 铅、 锌等传统材料的应用增长 缓慢 ， 而以镁合金为代表的轻金属材料增长较快 ， 以每 年１ ５ ％～ ２ ５ ％的速度 持续 增长 １ 。 常用的镁合 金密度在 １ ． ３ ～ １ ． ９ ＃ ｃ ｍ 范围内 ， 是铝 的２ ／ ３ ， 锌的１ ／ ＃ ， 其 他 物理 性 能 ， 如表 １ 所 示 。纯 镁 的 力 学性 能较 低 ， 但 是 与铝 、 锌、 锰、 钙等 元 素构成 的合金 及 合 金 经 热处 理后 ， 力学 性 能 大大 提 高 。镁 的弹 性模 量约为４ ５ Ｇ Ｐ ａ ， 晶体结构为密排六方（ Ｈ Ｃ Ｐ ） ， 晶格常数 为ａ ＝ Ｏ ． ３ ２ ０ ２ ｎ ｉ ｎ ， ｅ ＝ ０ ． ５ １ ９ ９ ｎ Ｉ ｎ ． ｅ ／ ａ ＝ １ ． ６ ２ ４， 其ｃ ／ ａ 的值 与 标准的 Ｈ Ｃ Ｐ 结构的 ｃ ／ ａ 的值 ｆ １ ． ６ ３ ２ ） ￣常 接近 。
第１ 期（ 总第 １ ３ １ 期）
Ｎｏ ． １ （ Ｓ ＵＭ Ｎｏ ． １ ３ １ ）
机 械 管 理 开 发
ＭＥ ＣＨＡＮＩ Ｃ ＡＬ ＭＡＮＡＧ ＥＭＥ ＮＴ ＡＮＤ ＤＥ ＶＥＬ ０Ｐ ＭＥ ＮＴ
２ ０ １ ３ 年 ２月
铸造工艺必然造成镁合金内部变形原因-概述说明以及解释
铸造工艺必然造成镁合金内部变形原因-概述说明以及解释1.引言1.1 概述镁合金作为一种重要的结构材料，在航空、汽车和电子等领域有广泛的应用。
然而，在镁合金的铸造过程中，不可避免地会产生一定的内部变形。
这种内部变形可能会对材料的性能和使用寿命产生负面影响，因此了解造成镁合金内部变形的原因显得尤为重要。
铸造工艺是造成镁合金内部变形的主要原因之一。
在铸造过程中，温度的变化可能会导致热应力的产生。
当镁合金在冷却过程中迅速从高温状态转变为低温状态时，由于不同部分的冷却速度不一致，会在材料内部产生应力，从而导致变形现象的发生。
此外，快速冷却也是导致镁合金内部变形的一个重要原因。
快速冷却会使镁合金迅速凝固收缩，并且由于凝固过程中的体积变化不一致，可能会引起材料的内部应力，导致材料发生变形。
在浇注过程中，气孔和缩孔的存在也会对镁合金的内部变形产生影响。
气孔和缩孔是由于气体在浇注过程中被困在材料内部或者材料受到收缩作用而形成的。
这些孔隙会导致材料的局部应力集中，从而引起变形。
除了铸造工艺外，材料本身的性质也会对镁合金的内部变形起到重要的影响。
首先，镁合金具有较低的熔点和较高的热膨胀系数，使得在铸造过程中容易出现热应力和热收缩引起的变形。
其次，材料的非均匀性和晶粒结构也会导致内部变形的发生。
这些因素会使得材料的内部应力不均匀分布，从而引起变形。
此外，化学成分的变化和杂质的存在也可能对镁合金的内部变形产生影响。
化学成分的改变可能改变材料的热膨胀系数和熔点，导致变形问题的发生。
而存在于合金中的杂质则可能影响材料的晶粒结构和力学性能，从而导致变形的发生。
总结而言，铸造工艺必然会对镁合金的内部产生一定程度的变形。
这种变形主要是由于温度变化导致的热应力、快速冷却引起的凝固收缩以及浇注过程中的气孔和缩孔等因素所致。
此外，材料本身的性质如低熔点、高热膨胀系数、非均匀性和晶粒结构，以及化学成分的变化和杂质的存在也会对变形问题产生影响。
镁合金的冲压成形工艺
镁合金的冲压成形工艺近年来镁合金发展速度很快，每年都以20%~30%的速度增长。
镁合金广泛用于汽车、摩托车、自行车等一些交通工具领域内，采用最多的加工方法是模具冲压成形。
冲压生产相比其它成形加工方法来说，具有生产率高，操作简单，零件表面光洁，尺寸精度高，强度和刚度大等优点。
因此，特别适合于车辆的内外壳板、承载零件、散热片、挡泥板等之类零件。
它的冲压性能和成形方法有别于钢板和铝板的成型工艺。
要扩大镁合金的应用范围，研究镁合金板材冲压技术具有重要义。
镁合金的冲压成形冲压加工是借助于常规或专用冲压设备的动力，使板料在模具里直接受到变形力并进行变形，从而获得一定形状,尺寸和性能的产品零件的生产技术。
板料，模具和设备是冲压加工的三要素。
冲压加工是一种金属冷变形加工方法。
所以，被称之为冷冲压或板料冲压，简称冲压。
它是金属塑性加工（或压力加工）的主要方法之一，也隶属于材料成型工程技术。
冲压所使用的模具称为冲压模具，简称冲模。
冲模是将材料（金属或非金属）批量加工成所需冲件的专用工具。
冲模在冲压中至关重要，没有符合要求的冲模，批量冲压生产就难以进行；没有先进的冲模，先进的冲压工艺就无法实现。
冲压工艺与模具、冲压设备和冲压材料构成冲压加工的三要素，只有它们相互结合才能得出冲压件。
与机械加工及塑性加工的其它方法相比，冲压加工无论在技术方面还是经济方面都具有许多独特的优点。
主要表现如下。
(1)冲压加工的生产效率高，且操作方便，易于实现机械化与自动化。
这是因为冲压是依靠冲模和冲压设备来完成加工，普通压力机的行程次数为每分钟可达几十次，高速压力要每分钟可达数百次甚至千次以上，而且每次冲压行程就可能得到一个冲件。
（2）冲压时由于模具保证了冲压件的尺寸与形状精度，且一般不破坏冲压件的表面质量,而模具的寿命一般较长,所以冲压的质量稳定,互换性好,具有“一模一样”的特征。
（3）冲压可加工出尺寸范围较大、形状较复杂的零件，如小到钟表的秒表，大到汽车纵梁、覆盖件等，加上冲压时材料的冷变形硬化效应，冲压的强度和刚度均较高。
变形镁合金的分类、强化机制以及塑性加工
从 而 降耗 节 能 ，减 少 污 染 ，增 加舒 适 度 ；采用 镁 合 金 制造 移 动 电话 、笔 记 本 电脑 、数码 相 机 等“ ３ Ｃ ”（ 即 Ｃ ｏ ｍｍｕ ｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ通 信 、 Ｃ ｏ ｍ ｐ ｕ ｔ ｅ ｒ 计 算机 和 Ｃ ｏ ｎ ｓ ｕ ｍｅ ｒ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ消 费类 电子 ） 产 品 ，能够 显 著 增 强产 品的抗 震 能 力 ，并 能有 效 地 减 轻对 人 体 和周 围环境 的 电磁辐 射 。镁 被 誉
ＭＢ ３ 、ＭＢ５等 。Ｍｇ — Ａ１ 一 Ｚ ｎ系合 金是 发展 最早 ， 应 用 也 很 广泛 的一 类镁 合 金 。它 的主 要 特点 是 具 有 较好 的室 温 力学 性 能 ，能 够进 行 热 处理 强 化 ，并有 良好 的焊 接 性 能和 铸造 性 能 ，能够 制 成 复 杂 形状 的锻 件 和 模锻 件 。但 其 屈 服 强度 和 耐 热性 不 够 高 。铝 是 该合 金 系 中 的主 要合 金 化 元 素 ，其 主 要作 用 是 提 高合 金 的 室温 强 度 ，赋 予 热处 理 强化效 果 。从 Ｍｇ — Ａ１ 二元 合金相 图上 可 以看 出¨ Ｊ ，铝 在镁 中的 溶解 度很 大 ，在 共 晶
变形镁 合金 的分类 ＼强化机 制 以及塑性加工
郭菲菲
（ 北 京有 色金 属与稀 土 应 用研 究所 ，北 京 １ ０ ０ ０ １ ２ ）
摘 要 ：变形 镁合 金 具有 更低 成 本 、更 高强 度 、延 展性 以及 更 高 力学性 能 的特 点 ，变形 镁 合金主要可以分为镁－ 锂系合金、镁－ 锰系合金、镁一 铝一 锌系合金、镁一 锌一 锆系合金等。 镁合
镁合金的塑性变形及再结晶热处理对其组织性能的影响
4
轧制前的平均晶粒尺寸约40um， 15%压下量轧制并退火后平均晶粒
3.3 EX-AZ31B: tensile properties on different directions
TD 45
TD
orientation
σb/ MPa
σ0.2/ MPa
δ/ %
ED
280.0
200.4
13.2
ED
45°
258.0
125.2
19.0
TD
276.0
107.4
16.2
ED
350
➢ 有色金属材料制品中70%以上是板、带材，轧制变形 镁合金板材的研究和加工技术的突破对开发变形镁合 金产品有重要促进作用。
2、变形镁合金塑性变形原理
➢ 镁合金的塑性变形特征：HCP晶体结构及c/a轴比值造成镁的 塑性变形困难。
➢ 塑性变形机制：滑移、孪生、超塑性； ➢ 板材塑性加工方法：热加工、温加工、冷(常温)加工；
压下量
14
退火工艺
15%
30%
45%
55%
12
200度退火1h
8.9um
6.9um
5.8um
4.9um
10
400度退火5min
12.1um
8.2um
7.5umum
9.2um
7.8um
7.0um
6
annealing1h at 2000c annealing1h at 3500c
0.01 s-1
0.1 s-1
1 s-1
5s-1
10s-1
1
σ
1 0.0227
l 82
n
Z 5.5 5 1 01 2
镁合金的分类及特点
镁合金的分类及特点镁合金的分类镁合金是以金属镁为基体，通过添加一些其它的元素而形成的合金，镁合金中添加的合金元素主要有Al、Zn、Mn、Si、Zr、Ca、Li以及部分稀土族元素等[10]，一般说来镁合金的分类依据有以下三种：合金化学成分、成形工艺和是否含锆。
镁合金按合金化组元数目可分为二元、三元和多元合金体系。
常见的镁合金体系一般都含有不止一种合金元素。
但在实际中，为了分析方便，简化和突出合金中主合金元素的作用，可以把镁合金分为Mg-Mn、Mg-Al、Mg-RE、Mg-Th、Mg-Li 和Mg-Ag 等合金系列[11]。
'按合金中是否含锆，镁合金可划分为含锆和不含锆两大类。
最常见的含锆镁合金系列为：Mg-Zn-Zr、Mg-RE-Zr、Mg-Th-Zr、Mg-Ag-Zr 系列。
不含锆镁合金有：Mg-Zn、Mg-Mn和Mg-Al 系列。
目前应用最多的是不含锆压铸镁合金Mg-Al 系列。
含锆和不含锆镁合金中均既包含着变形镁合金，又包含着铸造镁合金。
锆在镁合金中的主要作用就是细化镁合金晶粒。
含锆镁合金具有优良的室温性能和高温性能。
遗憾的是Zr不能用于所有的工业合金中，对于Mg-Al 和Mg-Mn 合金，由于冶炼时Zr与Al及Mn形成稳定的化合物，并沉入坩埚底部，无法起到细化晶粒的作用[12]。
按成形工艺镁合金可分为两大类，即变形镁合金和铸造镁合金。
变形镁合金是指可用挤压、轧制、锻造和冲压等塑性成形方法加工的镁合金。
铸造镁合金是指适合采用铸造的方式进行制备和生产出铸件直接使用的镁合金[11]。
变形镁合金和铸造镁合金在成分、组织和性能上存在着很大的差异。
目前，铸造镁合金比变形镁合金的应用要广泛，但与铸造工艺相比，镁合金热变形后合金的组织得到细化，铸造缺陷消除，产品的综合机械性能大大提高，比铸造镁合金材料具有更高的强度、更好的延展性及更多样化的力学性能[13]。
因此，变形镁合金具有更大的应用前景。
主合金元素的作用根据镁合金的强化效果，其合金的元素可以分为三类[14,15]：1)既提高强度又提高韧性的合金元素，按作用效果顺序为：(强度标准：Al、Cn、Ag、Ce、Ga、Ni、Cu、Th；韧性标准：Th、Ga、Zn、Ag、Ce、Ca、Al、Ni、Cu；2)强化能力较低，提高韧性的元素：Cd，Ti和Li；3)强化效果较好，但使韧性降低的元素：Sn、Pb、Bi和Sb。
镁合金加工工艺流程以及切削加工要点
镁合金加工工艺流程1. 认识镁合金一．重量轻，强度佳。
镁合金的强度是塑胶的二倍，因此以超薄型（厚度在2。
54mm以下）笔记本电脑为例，要让外壳达到一定的强度，镁合金的厚只要1mm，但是塑胶壳则必须做成2mm厚。
因此以同样强度的机壳而言，镁合金的重量不但不比塑胶重，甚至可能更轻；二．散热佳，防电磁波。
镁合金的耐热性，散热性及电磁波遮蔽效果，三者俱佳，可减少资讯产品因过热而死机的频率。
不仅如此，它耐腐蚀的能力也居所有轻金属材料（铝，镁，钛）之首；三．可回收，符合环保趋势。
塑胶无法回收，但镁合金是可回收后再后的轻金属。
近年来许多先进国家已对资讯产品制定一定的回收率的法规，由此可见，未来将会有更多的3C产品采用镁合金材料。
当“轻薄短小”变成资讯及3C产品的发展趋势时，镁合金产业也成了当红原子弹，将来也极有可能取代塑胶原料，成为资讯产品的标准机壳原材料。
镁合金应用于3C产品起始于日本。
1998年，日本厂商开始在各种可携式产品（如PDA，NB，手机）采用镁合金材质。
2.产品特性一．镁合金材料简介：根据美国金属协会（ASM）定义轻金属材料为铝、镁、钛三种金属及其合金。
而根据这三种轻金属的材料特性来分析，可发现轻合金材料具有制震性强、机械加工性优，且具回收性、轻量化/省能化、防EMI、耐蚀性佳、工程作业性佳、设计弹性化（一体型零件/快速制造、组装、拆解回收；具多样性之制程及表面处理应用技术）、高质感/时尚感等，而广泛用于运输工具、航天、国防、石化、能源、包装、信息电子与营建业等；特别是镁合金方面，由于比重低（质轻，镁合金比重仅1.8，已经接近工程塑料1.2-1.7）且强度足（质硬），加上加工性优、质感佳与热传导快（散热佳优于铝、钛），不仅已经逐渐取代工程塑料，同时且替代原有铝合金产品，而广泛应用于笔记性计算机、PDA、手机等携带式装置（Hand-Held），据了解2000年已有1/3左右笔记型计算机改用镁合金背板与框架，显示该产品所具有的潜力。
镁合金轧制工艺
镁合金轧制工艺绪论1 绪论镁是结构材料中最轻的金属，近年来已经逐渐被应用到航空航天、国防军工、汽车、电子通讯等领域，同时这些领域对其力学性能的要求也在不断提高。
传统的铸造镁合金已经渐渐无法满足要求，而通过挤压、锻造、轧制等工艺生产的变形镁合金产品具有更高的强度、更好的延展性、更多样化的力学性能。
其中，轧制作为镁合金塑性加工的重要手段得到了长足的发展。
镁合金是密排六方晶体结构，c/a 轴比为1.6236，在室温下仅具有一个滑移面，在滑移面上有3个密排方向，即有3个滑移系，根据多晶体塑性变形协调性原则，要使多晶体在晶界处的变形相互协调，必须有5个独立滑移系，显然密排六方结构的镁合金不满足该条件。
因此，在室温下，镁合金的塑性很低。
当变形温度达到225℃时，高温滑移面（棱柱面）被激活，镁合金的塑性有所改善。
镁及其合金的另一个重要特征是加热升温与散热降温比其他金属都快。
因此，在塑性加工过程中，温度下降很快且不均匀，则易发生边裂和裂纹，相对于其它金属材料而言，镁及其合金的热加工温度范围较窄。
镁合金滑移系较少，在室温和低温条件下塑性较差，而且迄今对镁合金塑性变形机理的认识还不够全面和深入，镁合金板材制备及其轧制成形工艺的研究尚处于初级阶段。
镁合金板材轧制成形的以下特点制约了镁合金板材的发展与应用：1）镁合金室温塑性变形能力差，轧制过程中易出现裂纹等变形缺陷；2）目前镁合金板材制备多采用普通的对称轧制，轧制后的组织有强烈的（0002）基面织构，存在严重的各向异性，不利于后续加工；3）镁合金轧制道次压下量较钢和铝小很多，生产效率不高。
制备优质的镁合金板材，大部分工艺都需要经过多道次轧制工序，轧制过程受许多因素的影响，这些因素可以分为两大类：第一类为影响轧制金属本身性能的一些因素，即金属的化学成分和组织状态以及热力学条件；第二类为轧制的工艺因素，如轧制温度、轧制变形量和轧制速度以及后续的热处理工艺。
国内外很多学者针对如何改进镁合金轧制工艺和轧制技术，以获得二次成形性能优良的板材做了大量的研究工作。
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1.1镁合金的挤压成形
镁合金挤压工艺流程
铸锭加热
一次挤压
切中间坯料
加热
二次挤压
人工时效
矫直
氧化上色
包装
入库
1.1镁合金的挤压成形
1.1镁合金的挤压成形
300℃退火1h后的挤压态Mg-9Li-1Al合金的显微组织 (a)50倍 工艺参数
1.2镁合金的轧制成形
镁合金铸锭热轧开坯工艺流程
1.2镁合金的轧制成形
该工艺的优点能够生产出宽幅中厚板，组织性能比 较好，可以大规模连续化生产几乎所有品种镁合金； 缺点是生产流程长，投资和生产成本高。
热轧开坯的镁合金板
AZ40M镁合金板
1.2镁合金的轧制成形
300℃退火1h后的轧制态Mg-9Li-1Al合金的显微组织 (a)50倍 (b)100倍 (c)200倍
锻造ZKA镁合金板
锻镁轮毂
1.3镁合金的锻造成形
镁合金模锻工艺流程
坯料准备
铸锭或 机加工清除表面 挤压毛坯 缺陷，注意防燃
锻前加热
润滑
模锻
锻件冷却
锻件氧化处理
切边
1.3镁合金的锻造成形
镁合金锻造工艺特点
导热性系数大 对应变速率敏感 流动性差 锻造温度范围窄（70-150K之间） 加热过程中易发生软化
1.5镁合金的超塑性成形
镁合金超塑性成形的核心在 于晶粒的微细化。通过如等径角 挤压(ECPA)、大挤压比热挤压等 技术细化晶粒获得具有优良变形 性能的材料。
镁合金变形加工
镁合金变形加工技术
❖镁合金的挤压成形 ❖镁合金的轧制成形 ❖镁合金的锻造成形 ❖镁合金的板料成形 ❖镁合金的超塑性成形
1.1镁合金的挤压成形
目前热挤压是镁合金最主要的塑 性加工方法。变形镁合金一般可采用 正向挤压、反向挤压、单动挤压机、 双动挤压机、卧式挤压机、立式挤压 机、Confrom连续挤压法、静液挤压 法来挤压棒、管、型、线材。
镁合金挤压工艺缺点
由于压余和缩尾，废料损失大 由于摩擦，变形抗力大，模具磨损严重
1.2镁合金的轧制成形
轧制一般分为冷轧与热轧，但镁 合金冷轧困难。一般其变形率只有 10%-15%，若再高会产生裂边甚至 无法轧制。故镁合金板材的轧制多 选用热轧方式,采用多道次、小压下 量工艺进行轧制，必要时进行中间 退火。
1.4镁合金的板料成形
板料成形又称二次成形或深度加 工。镁合金在常温下不易冲压，一 般冲压温度应在150℃。
镁合金冲压件
1.4镁合金的板料成形
冲压成形工艺
拉伸 弯曲 翻边 缩口 扩口
胀形 特种成形
1.4镁合金的板料成形
镁合金冲压成形优点
生产效率高，且操作方便。 质量稳定,互换性好,“一模一样” 可加工尺寸范围较大、形状较复杂的零件 省料节能，成本较低
1.2镁合金的轧制成形
镁合金轧制制度
压下制度 压下制度是板材轧制制度最核心的内容，直接关系着 生产效率和产品质量。
速度制度 镁合金热轧时的轧制速度要远小于钢铁及铜、铝合金。
温度制度 辊型制度 张力制度
1.3镁合金的锻造成形
镁合金的锻造的方法与设备和铝 合金的基本相同，有自由锻造和模 锻；可用开式模锻或闭式模锻。
均匀化处理 挤压温度 再结晶温度 < 挤压温度 < 固相线，573-723K 严格控制，防止燃烧和爆炸 挤压速度 不宜太快，同一合金的中空型材为实心的1/3~1/5 润滑：动物油或植物油 挤压比： 10-100
1.1镁合金的挤压成形
镁合金挤压工艺优势
具有比锻造、轧制更为强烈的三向压应力 具有极大灵活性，在通一台设备上通过更换模具，即 可生产各种板、管、棒、型材 产品精度高