镁合金成形技术发展现状研究

总５５９期第３期　２０１５年３月　河南科技　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｅｎａｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．５５９，Ｎｏ．３　

Ｍａｒ，２０１５　

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）　

摘要：本文综述镁合金的主要成形技术的工艺特点及其发展现状，指出成形技术在实际应用中需注意的问　题，并分析了成形技术的发展前景。　关键词：成形技术；液态成形；半固态成形；固态成形　中图分类号：ＴＧ３８６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３—５１６８（２０１５）０３—００４５—４　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ　Ａｌｌｏｙ　Ｆｏｒｍｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｇａｏ　Ｓｈｕｎ　Ｍａ　Ｘｉａｏｌｕ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｃｉａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｈｅｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ，Ｈｅｎａｎ４５０００７）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｒｅｖｉｅｗｓ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｍａｉｎ￣ｒｍｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｍａｇｎｅｓｉｕｍ　ａｌｌｏｙ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ　ｗｈｉｌｅ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ￣ｒｍｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ｐｏｉｎｔｅｄ　ｏｕｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｏｆ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：￣ｒｍｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｌｉｑｕｉｄ　ｆｏｒｍｉｎｇ；ｓｅｍｉ—ｓｏｌｉｄ　ｆｏｒｍｉｎｇ；ｓｏｌｉｄ￣ｒｍｉｎｇ　

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ｎ　。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，易形成层状孑Ｌ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％　。　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１　１８～１４７Ｍｐａ。在充　

收稿日期：２０１５—２—１７　作者简介：高顺（１９９０．１１一）男，工学硕士，研究方向：材料加工、材料成型。　・４６・　镁合金成形技术发展现状研究　第３期　氧压铸条件下，ＡＭ６０ＨＰ镁合金屈服极限为１３７　１４７Ｍｐａ，抗拉强度为２６５—２７４Ｍｐａｌ３］。　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，减少缩松和气孑Ｌ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。问接挤压铸造　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　。重庆大学武增臣等ｂ　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　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Ｍｇ　ｓｉ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　研究表明消失模铸造ＡＺ９１镁　合金组织除粗大的ｏＬ相与Ｂ相外，还有球状的Ａ１一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　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，　：从砂　型铸造约９５Ｍｐａ提高到约１３８Ｍｐａ；叮ｂ从约１４６Ｍｐａ提高　到约２１５Ｍｐａ，而延伸率１９＂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，成形件孑Ｌ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　。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　。Ｉ．一Ｋ．Ｋｉｍ等…　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—０．９３１￣ｍ，抗拉强度为１６９３．２ｋｇｆ／ｃｍ。。　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￣Ｃ时，易产生氧化腐蚀、晶粒粗大及合金软化　第３期　镁合金成形技术发展现状研究　・４７・　问题，锻造温度须在２００～４Ｏ０℃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２－３ｌｘｍ，塑性明显提高，　且可以提高ＡＺ３１镁合金的机械性能ｎ　。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　镁合金板材轧制过程中板内将形成（０００１）＜１０　１０＞　基面织构，且此基面织构受轧制温度的影响。镁合金室　温下轧制每道次变形量较小，若加大变形量会发生严重　裂变，故镁合金板材生产主要采用热轧、多道次和小压　力的轧制方式。镁合金层错能低，在热轧条件下易发生　动态再结晶，新晶粒沿原始晶界形成细小的再结晶组　织，以细化晶粒，同时激活镁合金中非基面滑移系引起　晶界滑移，使镁合金的塑性变形能力提高。轧制以后一　般需退火处理，使加工组织发生回复和静态再结晶，对　镁合金的织构有一定的弱化作用，可提高镁合金的塑性和　成形性　。轧制板材塑性差，制备工艺不成熟，且轧制时　存在严重的各向异性制约了镁合金板材发展。　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ｎ　。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ｎ　。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　。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