镁合金成形技术简介与分析

近年来对轻质材料的需求越来越大，镁合金作为结构材料由于具有比重小、比强度和比刚度高、导热和导电性好、切削加工性好、优良的阻尼性和电磁屏蔽性、易于加工成形和回收等优点，因此广泛应用于汽车、电子、通讯等行业，被誉为"21世纪的绿色工程材料”。 根据成形工艺的不同，镁合金材料主要分为铸造镁合金和变形镁合金两大类。前者主要通过铸造获得镁合金产品。包括砂型铸造、永久型铸造、熔模铸造、消失模铸造、压铸等。其中压铸是最成熟、应用最广的技术。而后者则是通过变形生产尺寸多样的板、棒、管、型材及锻件产品。并且可以通过材料组织的控制和热处理工艺的应用，获得更高的强度、更好的延展性、更好的力学性能，从而满足更多结构件的需要。另外，镁合金的半固态成形作为一种新型铸造技术也得到了广泛的研究与应用。 1铸造镁合金 铸造是镁合金的主要成形方法，包括砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、消失模铸造和压铸等在内的多种铸造方法均可用于镁合金成形。目前，90％以上的镁合金产品是压铸成形的。 1．1压铸 压铸是镁合金最主要、应用最广泛的成形工艺。镁合金有优良的压铸工艺性能：镁合金液粘度低，流动性好，易于充满复杂型腔。用镁合金可以很容易地生产壁厚1．0mm～2.0mm的压铸件，现在最小壁厚可达0.6mm。镁压铸件的铸造斜度为1．5，而铝合金是2～3度。镁压铸件的尺寸精度比铝压铸件高50％。镁合金的熔点和结晶潜热都低于铝合金，压铸过程中对模具冲蚀比铝合金小，且不易粘型，其模具寿命可比铝合金件长2—4倍。镁合金件压铸周期比铝件短，因而生产效率可比铝合金提高25％。镁合金铸件的加工性能优于铝合金铸件，镁合金件的切削速度可比铝合金件提高50％，加工耗能比铝合金件低50％。生产经验表明由于生产效率高，热室压铸的镁合金小件的总成本低于冷室压铸的铝合金同样件。 压铸镁合金可按其成分分为四个系列：AZ(Mg—AL—Zn)系列(AZ91)、AM(Mg—AL—Mn)系列(AM60、AM50)、AS(Mg-A1-Si系列(AS41、AS21)、AE(Mg-AL-RE)系列(AEA2)。 AZ系列合金AZ91具有良好的铸造性能和最高的屈服强度，其压铸件广泛应用于汽车座椅、变速箱外壳等多种形式部件。AM系列合金AM50、AM60具有较高的延伸率和韧性，用于抗冲击载荷、安全性高的场合如车轮、车门等。AS系列的镁合金AS41、AS21和AE系列的AFA2是20世纪70年代开发的耐热压铸镁合金。 镁合金压铸中广泛采用冷、热室压铸方法。一般薄壁铸件采用热室压铸机，厚壁铸件采用冷室压铸机。镁合金热室压铸机是目前国外使用数量最多的镁合金压铸专用设备，具有生产效率高，浇注温度低，注型寿命长，易实现熔体保护等特点。主要缺点是设备成本和维修费用较高。 镁合金压铸时，合金液冲填压型时的高速湍流运动，使腔内气体无法排出，会导致组织疏松，甚至铸件表面鼓包或变形。压铸工艺参数如压力、速度、熔体温度、模具温度等对铸件性能都有显著影响。许多新压铸方法，包括真空压铸、充氧压铸和挤压铸造等一定程度上克服了以上缺点，减少了铸件组织疏松和气孔等缺陷，提高了铸件致密度。美国俄亥俄州精密成型公司C．Rozak介绍了镁合金的金属压缩成型技术(MCF)在整个铸件表面加压的成型方法，在压力下凝固，改善了微观组织，减少了晶粒尺寸和孔隙率，铸件致密均匀，可用于生产性能要求高、形状复杂的铸件。1．2熔模铸造 熔模铸造是目前国际上较为先进的铸造技术之一。熔模铸造从原理上讲适合于制备小体积高精密的铸件。目前它已用于生产铝合金甚至镍基超合金。在镁合金铸件的发展历程中，有些工件结构复杂，一些部位壁厚非常薄，并且对表面粗糙度和尺寸公差要求严格，则可以采用熔模铸造来生产。 采用熔模铸造法生产铸件时具有不需取模、无型芯和无分型面等特点，因而其铸件的尺寸精度和表面粗糙度接近于熔模精铸件。此外，熔模铸造为铸件结构设计提供了充分的自由度，原来多个零件组装的构件，可以通过分片制型后粘合成一体实现整体浇注，因此可以经济地生产许多复杂零件。但是，熔模铸造的设备投入和单位铸造成本高，工件尺寸有限。此外，镁与熔模铸型材料和粘结材料用氧化物陶瓷之间存在高活性反应，从而大大地限制了其应用。生产镁合金薄壁件时需要预热铸型以便填充薄壁部位，然而预热温度和浇注温度过高将促进镁合金与铸型间的反应。有研究表明采用低的铸型预热温度时，ZrO2是一种很有前景的铸型材料。 1．3消失模铸造 消失模铸造是一种近无余量、精确成型的新型铸造技术，它具有许多的优点，如，型砂不需要粘结剂、铸件落砂及砂处理系统十分简便，容易实现清洁生产；铸件没有分型面及起模斜度，可使铸件的结构高；加工装配时间减少，铸件成本可下降10％—30％等等。 初步试验研究表明，镁合金的特点非常适合消失模铸造工艺，因为镁合金的消失模铸造除具有以上特点外，还具有如下独特的优点：①镁合金在浇注温度下，泡沫模样的分解产物主要为烃类、苯类和苯乙烯等气雾物质，它们对冲型成型时极易氧化的液态镁合金具有自然的保护作用；②采用干砂负压造型避免了镁合金液与型砂中水分的接触和由此而引起的铸件缺陷；③与目前普遍采用的镁合金压铸工艺相比较，其投资成本大为降低，干砂良好地退让性减轻了镁合金凝固收缩时的热裂倾向；金属液较慢和平稳的充型速度避免了气体的卷入，使铸件可经热处理进一步提高其力学性能。所以，镁合金的消失模铸造具有较巨大的应用前景。 镁合金的凝固和化学性能方面的特点，使得镁合金在消失模铸造中产生了很多问题，特别是浇不足和氧化燃烧。由于镁合金低的密度和比热容，气化泡沫模样所需要的热量来自高温液态镁合金的潜热从而阻碍了充型，而且镁合金的结晶温度范围宽，因此消失模充型时金属液的压头作用小，极易过早停止流动，产生浇不足缺陷。镁合金的化学反应可能通过使用在镁合金砂型铸造工业中应用的阻燃剂和辅助使用高孑L隙率的模样涂料进行控制，还可以采用可控气氛进行防止浇注时的氧化燃烧。另外，高密度的泡沫模样吸收更多的热量，产生更多的液态和气态产物，降低了镁合金的充型性。但泡沫模样在浇注过程中产生的还原性气氛降低甚至阻止镁合金的氧化燃烧，保证了镁合金在加工成型过程中的安全性，也有利于保证镁合金熔体的洁净优质。 2变形镁合金 变形镁合金不同于铸造镁合金的液态成形，而是通过在300℃—500℃温度范围内挤压、轧制、锻造的方法固态成形。由于变形加工消除了铸造组织缺陷及细化了晶粒，故与铸造镁合金相比，变形镁合金具有更高的强度、更好的延展性和更好的力学性能，同时生产成本更低。 2．1塑性变形 变形镁合金中，常用的合金系是Mg—Al—Zn系与Mg—Zn—Zr系。Mg—Al—Zn系变形合金——般属于中等强度、塑性较高的变形材料，铝在镁中的含量为0—8％，典型合金为AZ31、AZ61和AZ81合金，由于Mg—Al合金具有良好的强度、塑性综合性能，而且价格较低，因此是最常用的合金系。Mg—Zn—Zr系合金一般属于高强度材料，其变形能力不如Mg—Al系合金，一般采用挤压工艺生产，典型合金为ZK60合金。属高强度变形镁合金的还有Mg—Mn系，其最主要的优点是具有优良的抗蚀性和可焊性，但铸造性能差，收缩率大，有热裂倾向，应用较少。另外，添加Nd、Th、Yb、Sc和Mn等元素可显著提高变形镁合金的耐蚀性。 目前镁合金的塑性成形过程主要为锻造和挤压，少量为轧制成形，且均需采用热加工方式。因此，变形温度是重要参数，同时变形速率和应力状态也是重要的考虑因素。 1)锻压成形：镁合金锻造性能取决于3个因素：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AZ和ZK系镁合金坯料或坯棒。这两系合金可通过添加晶粒细化剂和合金元素得到满意的晶粒尺寸。但铸造组织的晶粒度一般不符合锻造要求，须先将铸锭加以挤压，得到锻造所需晶粒尺寸，再以高变速率锻造成形。镁合金在其固相线温度以下55℃范围内进行锻造，锻造温度过低可能形成裂纹。液压机和低速机械压力机是其模锻的常用设备。 2)挤压成形：镁合金可以挤压成各种管材、棒材和型材。包括带凹角和暗槽的型材，大直径和变截面厚度的薄壁管等难加工的产品。挤压材料也是AZ和ZK系镁合金，温度一般控制在300℃—460℃之间，具体温度的选择还和特定的合金牌号和挤压形状有关。因为镁在变形过程中会产生大量热，所以挤压过程中必须充分冷却，否则合金温度可能超过固相线温度而导致开裂。 3)轧制成形：铸造成平面形状且有圆形边缘的镁锭可以用来进行厚板和薄板的轧制。一般镁合金厚板厚度范围为11．0mm—70mm，薄板厚度为0．8mm—10mm。镁合金的冷轧性能不佳，一般厚板可以在热轧机上直接生产，而薄板一般采用冷轧和温轧两种方式生产。 镁合金热轧时，一方面要保证铸态组织得到充分变形，达到改善组织的目的，因此要有一定的变形量；另外，由于多晶镁合金滑移系少，晶粒不易产生宏观屈服而易在晶界产生大的应力集中，合金很容易发生晶间断裂。试验研究发现开坯时首次变形量控制在压下量s二30％左右最合适。镁合金板材在轧制以后一般要进行退火及热处理，加工组织发生再结晶。其退火温度应选择在靠近完全再结晶温度范围内。 2．2超塑性变形 超塑性是指晶体材料在拉伸时表现出大的应变。已有的研究结果表明，镁合金在一定条件下不但具有很高的塑性，而且甚至出现明显的超塑性。当晶粒细化到一定程度(约10—6m)，镁合金可获得相对的超塑性。通常超塑性现象主要发生在高温(约等于0．7Tm，Tm为材料的熔点)，应变速率相对较低，工业生产中受到限制。Langdon提出了超塑性变形的两个必要条件：①局部缩颈受到限制；②空洞内部相互连接受到抑制。目前，采用高应变速率超塑性成形和低温超塑性成形获得细小晶粒。其中，等通道角挤压技术是低温超塑性的一种方法，在200℃温度下可使AZ91镁合金延伸率达到675％。 3半固态成形 半固态成形技术，是在金属凝固过程中，将结晶过程控制在固—液两相共存温度，并通过剧烈搅拌破碎枝晶组织，从而获得一种金属母液中悬浮一定固相成分的固—液?昆合浆料，再采用压铸、模锻等成形加工工艺进行的金属成形技术。半固态加工，是一种新型、先进的工艺方法，与传统液态铸造成形相比，具有成形温度低(镁合金可降低100℃左右)，延长模具的寿命，改善生产条件和环境，细化晶粒，减少气孔、缩孔，提高组织致密性，提高铸件质量等优点，被认为是21世纪最具有发展前景的精密成形技术之一。根据工艺流程的不同，半固态成形通常分为流变铸(Rheocasting)和触变铸造(Thixocasting)两类：流变铸造是对冷却过程中的金属液进行搅动，将形成的固相枝晶破碎，形成一定固相分数的半固态金属浆料，然后将浆料注入压铸机或挤压机内成形(俗称“一步法”)；而触变铸造是先由连铸等方法制得具有半固态金属组织的锭坯，然后切成所需长度，用二次加热装置再加热到半固态状态，最后移送至压铸机等再压铸或挤压成形(俗称“两步法”)。 半固态成形过程一般包括非枝晶组织的制备、二次加热和半固态成形3个步骤。制备非枝晶组织的坯料是半固态成形的前提，机械搅拌法是最早采用的方法，其设备构造简单，但工艺参数不易控制，很难保证产品质量的一致性。目前工业化生产中，应用最为广泛的方法有：电磁搅拌法、应变诱发熔化激活法(SIMA)和半固态等温热处理法(SSIT)以及化学晶粒细化法等。 3．1电磁搅拌法 利用电磁感应在凝固的金属液中产生感应电流，感应电流在外加磁场的作用下促使金属固液浆料激烈地搅动，使传统的枝晶组织转变为非枝晶组织。一般用于生产直径不大于150mm的棒坯。该方法在很大程度上克服了机械搅拌的缺点，可实现连铸，生产效率高，是目前工业化生产中应用最为广泛的一种方法。 3．2应变诱发熔化激活法(SIMA) 预先连续铸造出晶粒细小的合金锭，再将合金铸锭进行足够的预变形，然后加热到半固态。在加热过程中，先发生预变形，然后部分熔化，使初生相转变成颗粒状，形成半固态合金材料。此方法对制备较高熔点的非枝晶组织合金具有独特的优越性，但只能制备直径小于60mm的坯料。 3．3半固态等温热处理法 在合金熔融状态时加人变质元素，进行常规铸造，然后把锭坯重新加热到固液两相区进行保温处理(半固态等温热处理)，最终获得具有触变性的非枝晶组织。主要工艺参数有添加微量元素的种类、加入量、半固态等温温度和保温时间等。3．4化学晶粒细化法 是近几年开发的新方法。通过添加晶粒细化剂或变质剂，增加外来晶粒数量或改变结晶方式来细化晶粒组织，使生产的锭坯适合于半固态铸造。据报道，挪威NorskHydro公司已经通过化学晶粒细化法与特殊的凝固条件结合制备了镁合金AZ91的细晶粒铸锭。 半固态触变成形之前，先要进行局部重熔(二次加热)。应根据加工零件大小精确分割具有非枝晶组织的坯料，然后将其加热到半固态温度后再进行成形加工。其目的一是为了获得不同工艺所需的固相体积分数，二是将有些工艺(电磁搅拌，化学晶粒细化法等)获得的细小枝晶碎片逐渐长大，并转化成球状结构，从而为触变成形创造有利条件。 流变成形与触变成形技术的区别在于前者是由液态在冷却过程中形成半固态状态，再成形的过程；后者则是有固态加热至半固态状态，然后进入成形工艺的过程。与流变铸造相比，触变铸造易实现坯料的加热和输送自动化，是目前半固态铸造的主要工艺方法。但是，无论是流变成形还是触变成形，工艺流程较长，铸件工艺成本相对较高。 4其它成形方法 镁合金材料的其他制备方法还有挤压铸造法，粉末冶金法，喷射沉积法，真空浸渍法以及目前仅用于Mg—Li基复合材料的薄膜冶金法等。 5存在的问题及前景展望 近年来，镁合金应用逐年提高，但一些尚待解决的问题使得镁合金的广泛生产受到限制。表现在以下几个方面：镁的化学活性很强，在空气中易氧化，在高温情况下可以发生燃烧，因此熔炼过程中须采用复杂的保护措施。工业中主要采用熔剂保护法和气体保护法。熔剂保护法最大缺点是反应过程中产生的有害气体严重污染环境并损害人体健康；而气体保护法中经常采用且具有良好保护效果的SP6气体，但其温室效应是CO：的24900倍12”；镁常温下成形性差，目前工业上应用的多为镁合金压铸件，限制了其它成形方法的运用；镁合金没有像铝合金那样大规模使用的另一个原因是其耐蚀性差，采用表面防护又增加了其生产成本。 鉴于以上问题，镁合金研究集中在以下几个方面：无污染熔炼技术。研究表明，镁合金合金化阻燃具有很好的效果；开发和改善镁合金的成形工艺；进一步研究镁合金的表面处理技术，改善其外观和耐蚀性以及高强韧镁合金和耐热镁合金的研究。 总之，镁合金作为一种新型的工程材料，满足了人们对能源和环境保护的要求，正受到世界各国政府和研究机构的高度重视。我国也将“镁合金开发应用及产业化”作为科技部“十五”国家科技攻关重大项目之一。镁合金的研制、开发和应用符合我国的产业发展规划，可以充分发挥我国的镁资源优势，加强镁合金应用开发，将镁资源优势转化为经济优势，促进国民经济发展，相信随着科学技术的进一步发展，镁合金各种性能将会得到进一步完善，它也必将为人类社会的发展做出更大的贡献。