镁合金锻造技术及工艺优化

1.镁合金锻造的主要工序

（1）锻坯 合金晶粒的大小直接影响合金材料的可锻性，因而镁合金锻造坯料在铸造时都对晶粒进行了细化。尽管如此，铸锭材料的微观组织有时仍不能满足直接锻造成形工艺的要求。通常要先将铸锭进行均匀化退火，再加以较大变形率的挤压。通过对铸锭进行挤压，可细化晶粒，得到锻造成形所需的组织结构，从而改善材料的可锻性，提高成形速度。表5-12列出了镁合金铸锭均匀化退火规程。

表5-12 镁合金铸锭均匀化退火规程

镁合金锻坯下料一般采用锯切而不采用剪切的方法，以防止在切口处形成裂纹。铸锭在锻造前应进行表面机械加工，对坯料和棒料也应消除表面缺陷，以防在锻造中发生开裂。一般镁合金挤压棒材表面都带有粗晶环，锻造前还应进行车皮。

（2）锻坯预热 镁合金锻坯的预热方法类似于挤压坯料，通常采用燃料炉或电阻炉进行预热。由于镁合金的锻造温度远低于其熔点，因而只要合理控制加热温度便不会发生燃烧，但是必须保证坯料温度均匀，且必须避免预热区存在大的温度梯度和局部过热。通常在480℃以下预热坯料时不需要使用惰性或还原性保护气氛。

图5-8 ZK60A镁合金的软化曲线（保温8h）

随温度的升高，镁合金的塑性成形能力增强。但是，如果成形温度过高，将会导致镁合金锻件的力学性能降低，出现软化现象。大多数变形镁合金不能通过热处理强化。如果加热温度过高、保温时间过长或加热次数过多，则再结晶充分，造成晶粒粗大。这种粗大晶粒和软化现象在后续热处理中也不能消除，所以对坯料的加热过程必须严格控制。图5-8所示为ZK60A镁合金在保温8h后测得的力学性能变化情况。但由于镁合金在加热过程中原子扩散速度慢，强化相的溶解需要较长时间，故实际采用的加热时间还是比较长。锻造时，坯料加热及保温时间可按每毫米坯料直径或厚度1.5～2min计算，为避免发生加热软化和晶粒长大，镁合金材料总的加热时间最好不超过6h。

（3）锻模及其预热 由于镁合金的锻造温度相对较低，一般采用低合金热作模具钢就能满足锻造模具的要求。镁合金锻模总体上可以按照铝合金锻模的设计规范进行模具设计。但是，镁合金的流动性差，比较适合于单型腔模锻。对于形状复杂且尺寸较大的镁合金锻件，多采用自由锻制坯，单型腔模锻。锻模型腔表面质量要求较高，表面粗糙度值应控制在Ra≥0.2μm，因为高的表面质量一方面有利于锻造过程中金属的流动，另一方面可以防止锻件产生表面粗糙、划伤或其他锻造缺陷。

镁合金的比热容小、导热性好，而且其锻造温度区间窄，锻造时与冷模具接触会产生激冷而降低锻件的充型能力，甚至导致锻件开裂，因此模具必须预热。在锻造过程中锻件与模具的接触面积大，接触时间长，因此锻模的温度不能比锻坯的温度低太多。对于环轧用模具，由于铸件与模具的接触面积小，接触时间相对较短，因而对锻模温度的要求不太严格。此外，在轧制变形过程中产生的温升可以补偿散热导致的热量损失，所以环轧用模具只需稍微加热就可以避免激冷。

（4）润滑 锻造镁合金时，通常使用弥散分布于轻质油或煤油中的细小石墨作为润滑剂。将润滑剂涂抹或喷涂在热的模具上，当载体油燃烧完毕后，在模具表面仅留下一层石墨薄膜。对铸锭进行局部锻造后，通常再次对模具进行稍微润滑，有时还可以在锻造前先将锻坯预热至100～150℃后在水基或油基石墨中浸渍一次，使坯料表面得到一层均匀的石墨润滑层。模具温度较低时，使用含水的胶态石墨作为润滑剂有助于净化工作环境。无论选用何种润滑剂，润滑剂的涂层都应该以极薄且能够完全覆盖工作面为原则。对于黏附到铸件上的浓稠石墨沉积物，必须进行清理，因用酸洗会使锻件表面出现严重的点蚀或坑蚀，因此最好采用喷砂法清除石墨膜。

（5）锻造压力 对镁合金进行镦粗时，两平板模间的锻造压力如图5-9所示。在正常的锻压速度条件下，锻造压力先增大，然后随着镦粗压下量的增加而略微减小，这可能是由于锻造过程中金属变形时产生的热量致使温度升高所引起的。

密排六方结构的镁合金塑性差、变形抗力较大，需要的锻造压力值高。例如，在正常的锻造温度和使用平模的条件下，镁合金AZ31B所要求的锻造压力高于碳钢、合金钢和铝材，而低于不锈钢，见表5-13。镁合金在流入深模膛方面不如铝材那么顺利。如果在典型的铝结构件锻造中需要采用两套模具，则完成相同结构镁合金件的锻造就可能需要使用三套模具。

图5-9 镁合金锭坯在两平板模间镦粗时所需的锻造压力

a）AZ80A合金，应变速率0.11s^-1 b）AZ61A合金，应变速率0.11s^-1 c）AZ31B合金，应变速率0.7s-1

表5-13 各种材料在镦粗率为10%时所需的锻造压力

在闭模锻造中的锻造载荷和压力，将随锻件形状的不同而有很大变化。例如，飞边尺寸的微小变化都将导致锻造载荷发生很大的变动，如图5-10所示。

图5-10 飞边尺寸对镁合金锻造载荷的影响

（6）锻造温度 镁合金锻造温度取决于锻造合金的种类。Mg-Al-Zn系合金的最高锻造温度约为420℃，如前所述，在225℃以上时锥面{1122}＜1010＞滑移系也可开动，使得滑移系增多，塑性成形性增强，因此最低理论锻造温度为225℃。工业生产中Mg-Al-Zn系和Mg-Zn-Zr系合金的锻造温度一般为250℃～400℃。大多高温镁合金要求在较高的温度下锻造成形，并延长铸锭的保温时间以溶解共晶相，以解决锻造过程中的开裂问题。如高温镁合金ZW系列锻件和模具的温度一般为400℃～450℃。镁合金在上述温度范围外进行锻造时，将导致力学性能下降，锻件开裂或模具难以充填等。表5-14列出了常用变形镁合金的锻造温度及模具温度。

表5-14 常用变形镁合金的锻造温度及模具温度

镁合金通常是在与固相线温度相差不超过55℃的范围内进行锻造。但高锌合金（ZK60）除外，此类合金有时含有少量在锭坯固化过程中形成的低熔点共晶体。当锻造此类合金时采用的温度大约超过315℃（共晶体熔点）时，将会产生严重的开裂现象。为了避免这种情况发生，可将锭坯在较高温度下保持足够长的时间以使共晶体发生分解，并恢复到更高的固相线温度。

合理地选择锻造温度，需综合考虑成形工艺的需要以及对锻件性能的要求。镁合金锻件的力学性能通常取决于锻造过程中所产生的应变硬化程度。锻造温度越低，其应变硬化效果越显著，然而温度过低时锻件容易开裂。锻造形状复杂的镁合金锻件时，为避免锻件开裂，可采用逐步降温的多次锻造法，通过两步或三步锻造操作以获得最终的截面轮廓外形。逐步降温锻造还可防止在小变形区再结晶的发生，以避免再结晶而降低锻件的力学性能。如果使用经过预挤压的Mg-Al_- Zn合金坯件，则锻造温度必须低于先前的挤压温度。降低锻造温度除了可以控制再结晶外，还有利于保留残余应变硬化效果，提高锻件的力学性能。XingJie等人利用逐步降温多向锻造（Multi-Directional Forging，MDF）技术，锻造温度从350℃逐步降低到150℃，应变速率为3×10^-3s^-1，得到了组织均匀的高性能AZ31镁合金，晶粒细化到了230nm。

锻造温度对所需锻造压力有很大影响。图5-11表明了利用液压机锻造镁合金AZ31B，镦粗率为10%时温度对所需锻造压力的影响，并与6061铝合金相比较。(https://www.xing528.com)

图5-11 锻造温度对所需锻造压力的影响

（7）切边和清理 镁合金在低于220℃时塑性很差，对拉应力很敏感；在高温时质地很软，黏性大，易拉伤。切边时可以采用带锯切割和铣切的冷态裁边，也可以采用切边模热切。带锯切割和铣切适用于生产批量不大、形状较简单或尺寸大的镁合金锻件，它不会产生切边裂纹，又省去了切边模制造。当用切边模切边时，采用咬合式模具，尽可能使凸凹模的间隙小或无间隙，避免切边裂纹的产生，切边温度应控制在200～300℃。裁边后分两步清理镁合金锻件，首先喷砂以除去镁合金锻件表面残留的润滑剂，然后在质量分数为8%的硝酸和2%的硫酸混合溶液中浸洗，再用温水冲洗。必要时，可将清洁的锻件浸入重铬酸盐溶液进行处理，以防止出现腐蚀现象。

2.镁合金锻件的热处理

镁合金锻件的热处理与铝合金基本相同，但热处理强化效果不如铝合金好。镁合金锻件锻后通常在空气中冷却，也可以直接进行水淬以防止晶粒长大。对于可以进行时效强化的合金，水淬可获得过饱和固溶体组织，在最后的时效处理过程中，有利于沉淀析出。镁合金的过饱和固溶体比较稳定，自然时效几乎起不到强化作用。除零件要求具有较高的塑性外，一般采用人工时效。表5-15列出了镁合金锻件常用的热处理规范。

表5-15 镁合金锻件常用的热处理规范

ZK21A、M1A、AZ61A、M3、M8及AZ31B合金不能通过热处理强化或强化作用不大，通常在锻态（F）下使用或只经软化退火处理。退火的目的是消除应力，提高尺寸稳定性，降低腐蚀倾向和对应力集中的敏感性，减少或消除各向异性。

EK31A锻件可以进行固溶和人工时效处理以改善性能；AZ80A锻件可采用固溶处理，必要时也可进行固溶加人工时效处理；ZK60A锻件锻造后可直接采用不同温度的人工时效处理。

镁合金在高温下晶粒长大倾向严重，因而热处理温度不宜过高。否则会造成锻件晶粒粗大，降低力学性能及耐蚀性。

3.镁合金锻件缺陷及其防止措施

（1）裂纹 镁合金由于塑性低，流动性差，抗剪强度不高，对缺口十分敏感，所以在锻造特别是在锤上锻造时很容易开裂。在水压机上锻造和模锻时，由于应变速率低，裂纹缺陷大大减少。

为了防止镁合金锻造时产生裂纹，必须采取以下措施：

1）在满足性能要求的前提下，要选择尽可能高的始锻温度。例如，MB2镁合金棒材坯料在水压机上镦粗时，当变形温度低于420℃特别是低于400℃时，近90%的制品都产生了裂纹；当始锻温度稍高于420℃时，就能有效地避免裂纹的产生。

2）锻造时用的工具表面要光滑，模膛表面的表面粗糙度应在Ra0.16μm以下，并采用良好的工艺润滑剂。

3）尽可能采用三向不等值压应力状态，如采用型砧锻造或者在闭式模具中进行模锻。

（2）折叠起皮 镁合金在热态下具有很大的外摩擦因数，从而锻件容易卡模，难以起料，并且容易产生起皮、折叠。这一点对于薄板带肋、冷却很快的模锻件而言尤为突出。此外，锤上模锻比压力机上模锻更容易产生这类缺陷。

为了消除这类缺陷，应该采用以下措施：

1）设计锻件时，肋顶和肋根的圆角半径要尽可能大一些，肋和腹板要适当加厚，肋间距不能太大。同时，在选择分型面时，尽可能选择有利于金属流动的反挤压成形的分型面。

2）制造模具时，模膛的研磨抛光方向最好与模锻过程中金属流动的方向一致，并且抛光的表面粗糙度应尽可能达到Ra0.16μm以下。

3）为了防止折叠、湍流等缺陷，应该选择大小合适、形状合理的坯料；对于形状复杂的锻件，应采用多套模具逐步成形的工艺。

4）在工艺操作上应当注意正确放料，均匀抹油，缓慢下压。

5）每次模锻后模具要彻底修伤，以大的圆角过渡，同时注意清除缺陷。

（3）飞边裂纹 镁合金锻件最容易产生飞边裂纹。这是由于镁合金在220℃以下塑性很差，而高温时质地很软，黏性很大，因此低温切变时容易拉裂，高温切边时容易拉伤。一般推荐在220～300℃之间热切，镁合金锻件不宜采用模具切边，而应采用带锯切边或铣边。

（4）力学性能偏低 镁合金锻件可能由于变形程度不够，坯料选择不合适，或者加热时间太长，加热次数太多和变形温度太高出现力学性能偏低等问题，甚至达不到技术要求指标。因此，为了获得较高的力学性能，应该严格控制其始锻温度、终锻温度、加热时间和加热次数。

（5）表面腐蚀 镁的电极电位比其他金属低。镁合金表面形成的氧化膜，在潮湿的大气中，特别是与氯化物等溶液接触时，更易引起镁的锈蚀，在锻件表面出现点状腐蚀斑。被腐蚀的镁合金呈暗灰色粉末状，经喷砂或酸洗处理，腐蚀点成为凹坑或小孔洞。为防止点状腐蚀，锻造时不能采用含有盐类的润滑剂，锻后镁合金锻件应及时脱脂、酸洗、吹干。如果需要长期存放，则应发蓝处理或脱脂包装。最近开始采用不氧化上色的塑料包装，效果也很好。