镁合金模锻成形技术优化方案

变形镁合金的塑性成形方法与变形铝合金的塑性成形方法基本相同，常用的成形方式有：挤压成形、锻造成形、轧制成形、等温及超塑成形和板料成形。由于镁具有密排六方晶体结构，在室温条件下变形只有基面{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，必须升高成形温度以实现镁合金的塑性成形。当成形温度升高到180～240℃时，随着孪晶的形成而有更多的附加滑移面产生，即仅次于基面的{1011}、{1012}晶面先后产生滑移，使镁合金的塑性得到很大提高。当温度进一步升高达到300℃以上，即可出现再结晶过程，使镁合金具有更好的成形性能。因此，镁合金的塑性成形加工一般均是在热态条件下完成的。图8-8所示为镁在静镦粗条件下的极限镦粗比与温度的关系曲线^[4]。

图8-8 镁在静镦粗条件下的极限 镦粗比与温度的关系曲线

1.镁合金锻造工艺

大多数情况下，镁合金锻件的力学性能取决于锻造过程中产生的应变硬化，温度越低应变硬化趋势越明显，但如果温度太低，锻件将产生裂纹。在多道次锻造过程中，锻造温度应逐次降低，避免再结晶和晶粒的长大，同时保持最终成形的锻件应变硬化后的形变强化效果。多道次锻造过程中，常采用每一次降低温度15～20℃。表8-5列出常用变形镁合金推荐锻造温度及模具温度^[5]。

表8-5 常用变形镁合金推荐锻造温度及模具温度

注：1.QE22A、ZK21A、ZK60A为美国ASTM牌号。

2.MB8M、MB8Y2、MB22、MB25为近期开发的镁合金品种，还没有进入国家标准。

镁合金具有的密排六方晶体结构造成了材料在强度上的各向异性。以镦粗为例，试验表明镁合金材料的主要流动方向是垂直于镦粗方向，也就是材料向施力方向的侧方向流动，由于加工硬化，加上变形织构的形成，造成镦粗方向的抗压强度比侧方向大，而在材料的流动方向或侧方向，则比镦粗方向有较大的抗拉强度。在进行镁合金材料的锻造时应注意到材料的异向特性。希望锻件强度要具有各向同性时，锻造过程中应在不同方向上都能够产生足够的变形，以防止锻件强度产生各向异性。对每次锻造的变形量要进行合理控制，如果变形断面收缩率超过50%时，产生的各向异性将足以抵消上一次变形所产生的各向异性。同时，镁合金材料的各向异性也为锻件在某一特定方向要具备较佳的强度性能提供了有利的条件，在进行锻造工艺设计时，可以人为地将成形过程设计为能保持甚至加强该方向特性到最终锻件。

（1）坯料 虽然镁合金材料在铸造时已经对晶粒进行了细化，然而铸锭材料的晶粒仍不能适合直接用于锻造成形工艺，通常要先将铸锭进行均匀化退火，再加以较大变形程度的挤压，以得到锻造成形所需的晶粒结构。通过对铸锭进行挤压，铸锭晶粒得到细化，在锻造成形时，可以使用较高的变形速度。

（2）坯料加热 随着温度的升高，镁合金塑性增加，成形性较好。然而一味提高温度以增加镁合金材料的成形性，将导致镁合金锻件的力学性能降低，出现软化现象，而大多数变形镁合金不能通过热处理强化。镁合金加热可参考表8-5所列加热温度范围。

（3）成形设备 由于镁合金塑性差、变形抗力大，并且对应变速率很敏感，锻造温度范围窄，因此，液压机或慢动作机械压力机是镁合金锻造时最常用的成形设备，很少在锻锤或快速压力机上进行镁合金的锻造加工。在液压机或压力机上进行锻造时，变形程度可达60%～90%，而在锻锤或快速压力机上锻造的变形程度仅为30%～40%^[6]。

（4）锻造模具及润滑 镁合金成形模具总体上可以按铝合金成形模具设计规范进行设计。但是，镁合金的流动性差，比较适合单型腔模锻。对于一些形状复杂且尺寸较大的镁合金锻件，一般采用自由锻制坯，单型腔模锻。由于镁合金锻造温度较低，低合金热作模具钢就可以满足锻造模具的材料性能要求。模具制造时型腔表面质量要求较高，表面粗糙度要控制在Ra≤0.2。精心抛光型腔表面有助于锻造过程中金属的流动，提高零件的充型性，并可防止锻件表面粗糙、划伤。用于压力机上的模具内外圆角半径可小到1.5～5mm、筋板和腹板可薄到3.5mm。模锻斜度可控制在3°或更小。

常用弥散于轻质油或煤油中的石墨进行模具润滑，将其喷洒或涂抹在热模具上，油剂燃烧后在模具上留下一薄层石墨。坯料锻造之后模具常常稍微再润滑一次。有时在锻造前先将坯料预热到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，可明显提高锻造成形性和锻件表面质量。此外，也可直接采用喷灯火焰中残余的烟黑。在较低的模具温度下采用水基胶体石墨作润滑，提供清洁的工作环境。

无论选择什么样的润滑剂，都以很薄的润滑剂涂层包住锻件整体为原则。若附着在锻件上的石墨沉积很厚，在后序进行酸洗时易产生点蚀或电化学腐蚀。

（5）锻件的切边和整形 镁合金锻件切边裂纹的控制是镁合金锻造中的另一关键技术问题。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、粘性大、易拉伤。镁合金锻件飞边的切除，通常采用带锯切割、铣切和切边模热切等方法。

当用切边模切除飞边时，采用咬合式模具，尽可能使凸凹模的间隙很小或无间隙，避免切边裂纹的产生，切边温度应控制在200～300℃之间。

镁合金锻件的精压整形通常是在模锻温度范围内进行。为了提高镁合金制件的力学性能，获得所需要的精度，最好采取在230～300℃范围内进行半热冷作硬化精压整形，半热冷作硬化时的平均变形程度应控制在10%～15%。

（6）锻件后续处理 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，也可以直接用水冷却，这样可以防止镁合金锻件进一步再结晶和晶粒长大。对于可以进行时效强化的合金，水冷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。

镁合金的热处理工艺主要有软化退火、淬火及时效。热处理不能强化的镁合金MZM、ME20M和热处理强化作用不大的镁合金AZ40M锻件，可不经热处理或只经软化退火处理。AZ41M和AZ61M一般只进行软化退火处理。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。

可热处理强化的AZ80M镁合金锻件，采用固溶处理，必要时也可进行固溶加人工时效处理。根据使用温度不同，ZK61M合金锻件锻后可以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，故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。

（7）镁合金锻件的质量控制 镁合金锻件容易产生粗晶环断裂、射穿性裂纹、穿筋、表面腐蚀和氧化等缺陷。

中、低塑性的镁合金对变形速度很敏感。在镦粗时，坯料表面容易沿最大剪切应力方向产生开裂，所以宜在工作速度较慢的液压机上进行锻造。如果在较快的压力机或锻锤上进行锻造，开始时应轻击，否则因变形量过大，容易引起剪切破坏。另外，锻造温度不能太低，同时模具要保证有一定温度，与坯料温度相差不能太大，防止硬脆相析出使合金的塑性更低。

镁合金的塑性差，对拉应力特别敏感，常常因切边裂纹而导致锻件开裂。因此，应严格按前述切边工艺要求进行锻件切边，防止产生切边裂纹。

2.镁合金模锻新技术

（1）精密冲锻成形 所谓冲锻技术，是指工件有截面厚度变化或局部体积变化时需要采用热冲压成形和热锻以获得局部变形的组合成形工艺，是板材的热锻工艺或局部热锻工艺。镁合金精密冲锻成形技术（Press-Forging）最早由日本索尼、日立金属和东京精锻所三家公司于1999年共同开发成功。同压铸和半固态成形生产工艺相比，镁合金精密冲锻成形工艺具有生产效率高和成品率高等优点，目前很多电子器件的外壳都采用热冲锻技术成形。镁合金冲锻成形一般采用AZ31B变形镁合金，其生产设备采用普通机械式锻压机床。

（2）等温锻造与等温精密锻造 等温锻造与常规锻造的不同之处在于它消除了毛坯与模具之间温度差的影响，使热毛坯在被加热到锻造温度的恒温模具中以较低的应变速率成形，从而减小了在常规锻造时由于变形金属表面激冷而造成的金属流动阻力和变形抗力的增加，以及变形金属内部由于变形不均匀而引起的组织性能的差异，有效降低了模锻时的变形抗力，可以在现有小型设备上实现较大锻件的成形，也使复杂程度较高的锻件精密锻造成形成为可能。这项技术也是目前国际上实现净成形或近净成形的重要方法之一。

等温锻造是镁合金的重要加工方法之一。这是因为镁合金导热系数很大[钛、铁、镁、铝分别为16.76W/（m·℃）、83.4W/（m·℃）、167.25W/（m·℃）、209.5W/（m·℃）]，为钢的两倍，锻造温度范围窄（150℃左右），接触模具后降温很快，从而导致镁合金塑性降低，变形抗力增大，充填性能下降。图8-9和图8-10所示分别为镁合金等温锻造模具和装置示意图^[7，8]。(www.xing528.com)

图8-9 感应加热的等温锻造 模具装置结构

1—感应圈 2—上模 3—顶杆 4—下模 5—水冷板

图8-10 电阻加热的等温锻造装置

1—模座 2—导柱 3—导套 4—垫块 5—锻件 6—顶杆 7—凸模 8—坯料 9—浮动芯 10—型圈 11—电阻加 热圈12—固定芯

镁合金等温锻造具有以下工艺特点：

1）等温锻造一般在运动速度较低的液压机上进行。根据锻件的外形特点、复杂程度、变形特点、生产率要求以及不同的工艺类型，选择合理应变速率。

2）等温锻造时坯料一次变形程度很大，如再配合适当的热处理或形变热处理工艺，锻件就能获得非常细小而均匀的金相组织，不仅避免了锻件缺陷的产生，还可保证锻件的力学性能，减小锻件性能的各向异性。

3）等温锻造方法能使形状复杂、壁薄、筋高和薄腹板类锻件一次模锻成形，不仅改变了模锻设计方法，还实现了组合件整体锻造成形。通过简化零件外形及结构的合理设计，等温锻造能达到近净成形、降低材料消耗、缩短制造周期和制造费用的目的。

等温精密锻造是在等温模锻基础上发展起来的一种先进的模锻新工艺。其工艺过程为：将加热到锻造温度的毛坯，置入加热到相同温度并保持不变的组合式精密锻模中，施加适当压力，保压一定时间，使毛坯以低应变速率完成锻造过程，从而得到符合各项技术要求的精密锻件。

镁合金等温精密锻件具有以下优点：

1）余量小、精度高、复杂程度高，锻后加工余量小或只需局部加工，甚至不加工。

2）锻件纤维连续、力学性能好、各向异性不明显。由于等温精密锻造毛坯一次变形量大且金属流动均匀，锻件可获得等轴细晶组织，使锻件的屈服强度、低周疲劳性能及抗应力腐蚀性能得到提高。

3）锻件无残余应力。由于毛坯在高温下以极慢的应变速率进行塑性变形，金属充分软化，内部组织均匀，不存在常规锻造时变形不均匀所产生的内外应力差，消除了残余应力，热处理后尺寸稳定。

4）材料利用率高。由于采用了小余量或无余量锻件净化设计，锻件材料利用率由常规锻造时的10%～30%提高到等温精密锻造时的60%～90%。

5）提高了金属材料的塑性。由于在等温条件下慢速变形，变形金属中的位错来得及回复，并能发生动态再结晶，使得难变形金属具有好的塑性。

等温精密锻造的模具及加热装置必须满足以下几点要求：

1）将模具加热到坯料锻造温度，并在锻造过程中保持温度不变。

2）长期在变形温度下工件必须保证性能不变。

3）保证锻压设备与被加热模具之间有可靠的热绝缘。

目前，国内外对模具的加热方法主要有电阻式、电感应式和火焰式几种。

基于等温精密锻造的特点，对锻压设备有以下要求：

1）滑块在工作行程位移的速度慢，可调节，可在工作压力下保压。

2）有足够大的工作空间。

3）有顶出装置。

4）设备刚度好。

等温精密锻造的典型工艺流程是：下料→检验→加热→锻坯→打磨→检验→蚀洗→加热→等温锻第一火→打磨→蚀洗→检验→加热→等温锻第二火→蚀洗→打磨→检验。

由于镁合金在高温下的粘附性大、流动性差，容易产生各种缺陷，因此生产中常采用两火次以上的成形方法，每锻一次后，都对毛坯表面进行清理，以保证精密锻件的质量。