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镁合金成形工艺研究现状与展望目录•引言•镁合金传统成形工艺研究现状•镁合金新型成形工艺引言镁是工程应用中最轻的金属结构材料，其密度仅为1.74g/cm3。由于镁合金质量轻、比强度和比刚度高、阻尼减振性好，还具有优良的切削加工性能，在汽车、电子和航空航天工业中的应用日益广泛。镁合金的分类按成形工艺的不同可划分为铸造镁合金与变形镁合金，二者在成分、组织以及性能上都存在着比较大差异。铸造镁合金主要应用于汽车零件、机件壳罩和电气构件等。铸造镁合金主要通过压铸工艺来生产，它的主要工艺特点是生产效率高精度高、铸态组织良好、铸件表面质量高、可生产薄壁及外形复杂的制品等。变形镁合金主要用来生产镁合金板、挤压件、锻件等，主要用于结构件。变形镁合金的力学性能与加工工艺、热处理状态等关系很大的，变形镁合金，一般是通过熔铸以后取得坯料，将坯料通过锻造、轧制、挤压等工艺，进行变形而获得的管材、型材、板材及制品，因而命名为变形镁合金。镁合金传统成形工艺研究现状•镁合金的铸造工艺•镁合金挤压成形工艺•镁合金锻造成形工艺•镁合金轧制成形工艺•镁合金的冲压成形工艺•镁合金的拉拔成形工艺镁合金的铸造工艺铸造工艺主要有重力铸造、压力铸造、低压铸造、精密铸造、消失模铸造、挤压铸造等。传统的压铸技术使镁合金液以高速的紊流和弥散状态充填状态充填压铸型腔，使型腔内的气体及由压铸涂料产生的气体无法顺利排出，这些气体在高压下或者溶解在压铸合金内，或者形弥散分布在压铸件内的高压微气孔。在高温下，这些高压下溶解的气体和微气孔析出或膨胀导致铸件变形和表面鼓泡。因此用传统的压铸方法生产的镁合金压铸件，不能进行热处理强化，也不能在较高温度下使用。镁合金的挤压成型工艺镁合金可以在油压机上通过等温挤压和热挤压成棒材、管材，以及具有各种截面形状的结构型材。随着加工方法的进步，挤压态镁合金型材呈现出越来越复杂化、整体化、大型化的发展特点，这也是轨道交通及航空航天业用型材的要求。重庆大学在2013年对镁合金型材的在汽车及轨道交通上的应用做了进一步的深入研究。其设计了一款中空薄壁型材产品，并利用AZ31镁合金进行加工生产，利用有限元仿真模拟方法对挤压成形过程进行模拟，并对成形过程中的应力应变进行分析，以摸索该镁合金型材的成形工艺成形过程中组织变化规律。该课题的对变形镁合金工业化生产推广提供工艺借鉴作用以及理论指导作用。特种型材的横截面图镁合金锻造成形工艺镁合金的可锻性取决于固相线、变形速率和晶粒度等3个因素。等温锻造是镁合金的主要锻压成形工艺。镁合金导热系数很大，为钢的两倍，锻造温度范围窄，接触模具降温很快，塑性降低，变形抗力增大，充填性能下降，因此适合等温锻造成形。采用等温锻造工艺成功地成形了复杂的镁合金飞机上机匣，是我国目前最大的镁合金模锻件。镁合金轧制成形工艺通过轧制获得变形镁合金板材是变形镁合金材料最重要的生产方式。国内外学者对镁合金的轧制成形工艺已做了较多的深入研究，但仍有一些问题尚未解决：（1）现阶段很多轧制技术尚未在镁合金的实际生产中得到广泛的应用．很多技术还处在实验室阶段．还不是十分成熟。需探究镁合金的塑性变形机理和轧制原理。改善轧制工艺或方式。（2）继续深人研究镁合金板材轧制中晶粒细化机制以及织构控制理论，以提高板材的两次成形性能。（3）推广镁合金板板材大量应用的主要难关是价格太贵，为进一步提高镁合金板材产品的综合市场竞争力，需进一步加强与工业生产相结合的理论研究。镁合金的冲压成形工艺镁合金薄板冲压成形工艺主要包含拉深、弯曲、翻边、缩口、扩口、胀形以及特种成形等，冲压成形时材料主要是通过伸长和压缩两大类变形性质发生变形的。目前镁合金冲压成形工艺研究主要集中于拉深成形，主要包含等温拉深、差温拉深等。目前，国内外对镁合金冲压成形技术的研究已经取得一定成果，但离工业化规模生产还有很大的距离．研究成果也主要局限于冲压成形工艺方面，对镁合金冲压成形模具及装备方面涉及较少。为了进一步提高镁合金冲压成形性能．扩大镁合金的应用范围。今后可在以下几个方面开展研究工作：（1）必须加强镁及其合金的冲压变形机理研究。建立完备的镁合金冲压成形理论体系。（2）借鉴传统钢铁材料的冲压成形工艺，研究开发新的镁合金冲压成形工艺，并与计算机技术相结合形成数字化、可控化、智能化的镁合金冲压系统，预测镁合金薄板成形能力，优化镁合金冲压工艺与模具结构，降低生产成本，提高生产效率。（3）根据镁合金的性能特点，对冲压成形模具的几何形状进行优化设计，开发镁合金专用成形模具材料，提高其成形能力，制造出结构更复杂、精度更高的镁合金冲压件。（4）研究开发镁合金冲压专用设备。镁合金的拉拔成形工艺拉拔是坯料在牵引力作用下通过模孔拉出，使之产生塑性变形而得到截面缩小、长度增加的工艺。对镁合金而言，拉拔成形过程中材料处于一向拉应力二向压应力的状态，对其塑性的发挥不利，因此镁合金难以在冷态下进行拉拔成形。但通过升高温度、细化晶粒等技术手段可以改善镁合金的塑性，实现镁合金丝的拉拔成形，因此，镁合金丝的拉拔成形技术的研究逐渐受到关注。近年来一些科技工作者的研究结果表明，在镁合金拉拔过程中引入电磁场、电脉冲等新的技术手段可以使镁合金坯料的温度快速升高、晶粒细化，从而大幅提高镁合金的塑性，实现镁合金丝的拉拔成形，因此，在外场作用下生产效率极高的拉拔成形新技术不久后有望在镁合金丝的制备过程中得到广泛的研究和应用。镁合金新型成形工艺•镁合金的半固态注射成形•镁合金的超塑性成形•镁合金铸造成形新技术•镁合金其他新型成型技术镁合金的半固态注射成形镁合金的注射成形为“一步法”，是镁合金液态成形中的前沿技术。这种技术成形温度低(比镁合金压铸温度约低100℃)，产品表面质量高，可成形超轻薄件，尺寸精准，重复性好，不需要熔炼炉，而且安全性高，且劳动环境好。镁合金的半固态注射成形分为半固态流变注射成形和半固态触变注射成形。（1）半固态流变注射成型液态金属依靠重力从融化及保温炉中进人搅拌筒体，然后在螺旋的搅拌作用下玲却至半固态，半固态金属液由注射装置完成注射成型(见图a）。图a半固态流变注射示意图半固态流变注射成型的特点：金属以液态供料，原料可以是锭、棒、回炉料等，节省了材料的预处理的成本；液态金属中的气体易析出，从而制件中的空隙率低．致密度高；“一步法”过程简单，易于实现自动化。当前，镁合金流变注射成形的最新成果是双螺旋搅拌式流变注射成形。这种设备可以获得很高的剪切速率，因而初生晶可直接生长为球形。（2）半固态触变注射成形将普通铸造镁或镁合金锭坯切削成轴长为3～6mm的粒状料，加入料斗内，粒料在给料器和螺旋作用下前进．积累在螺旋前端并加热至半固态。最后在注射缸作用下，半固态金属液经由喷嘴注射人模具内成型(见图b)。图b半固态触变注射成形示意图该方法的优点是成型温度低、制件的空隙率低、尺寸精度高、重复性好。目前，日本钢铁厂(JSW)和哈士奇(Husky)两家公司已开发出第二代触变注射成型机，广泛用于生产汽车零部件。镁合金的超塑性成形按获得超塑性的条件，超塑性可归为两大类：细晶超塑性和相变超塑性。（1）细晶超塑性细晶超塑性又称组织超塑性，是指具有微细等轴晶粒组织的材料在一定温度区间和一定应变速率范围内呈现的超塑性。镁台金超塑性成型的核心在晶粒的微细化上，这主要是通过剧塑性成形(SPD)获得。（2）相变超塑性相变超塑性是指金属材料在一定相变的温度范围内和载荷作用下，经多次循环相变或同索异构转变而获得的累积大延伸变形。这种超塑性不要求材料具备微细等轴晶组织，只要求材料发生相变，因而又称转变超塑性或动态超塑性。目前，在镁舍金相变超塑性方面研究较少。2010年，哈尔滨工业大学学者通过气胀成形实验研究细晶AZ31镁合金的超塑成形性能，确定使镁合金具备最佳超塑成形的温度。并通过光学显微镜、扫描电镜观察细晶AZ31镁合金在超塑变形中的微观组织演变、表面形貌、空洞行为和断裂行为，分析该合金在不同变形条件下的硬化机制、软化机制和变形机理。气胀成形模具气胀成形原理：将一定厚度的AZ31镁合金板材夹在上、下模具之间，垫上密封材料和绝缘材料，然后将板材与电极相连，通上电流。待镁合金板材温度升高到超塑成形温度后，通入一定压力的氩气，使板材能在一定温度和压力条件下气胀成形，得到一定高度与厚度的胀形件，等待胀形件冷却到室温后将其取出。超塑成形装置示意图镁合金铸造成形新技术•镁合金挤压铸造•镁合金的真空压铸与充氧压铸•镁合金的其他新型铸造成形技术·镁合金挤压铸造挤压铸造法又称高压铸造或液态锻造法，可分为直接挤压铸造和间接挤压铸造。是一种集铸造和锻造特点于一体的新工艺，可以说是金属型铸造和模锻的复合。该方法是利用机械压力将液态金属以低速(0.5~0.1m/s)层流状态填充于铸型的型腔内(铸型温度一般为200~300℃，浇注时过热度一般为30~140℃)，然后对液态金属施加较高的机械压力(50MPa，一般为50～100MPa)，直至凝固终了，从而获得毛坯的一种成型工艺方法。此工艺的产品具有组织致密、晶粒细化、尺寸精度高、表面粗糙度低及高的强度和硬度等特点，特别适合高品质镁合金产品。·镁合金的真空压铸与充氧压铸（1）真空压铸法真空压铸与常见铸造的最大不同在于压铸时先抽空型腔内的气体，以减小或消除压铸件内气孔和溶解气体，提高压铸件的综合力学性能和表面质量。目前已成功地用该方法生产出了AM60B的汽车轮毂、方向盘零件，其铸件伸长率由8％提高至16％（2）充氧压铸法充氧压铸又称无气孔压铸，此方法的特点是在充型前将氧气和其他活性气体充入型腔以置换空气，型腔内的活性气体与金属液反应生成弥散分布的金属氧化物，从而消除压铸件内气体和气孔。这方面的应用如日本轻金属用充氧压铸方法生产出了计算机镁合金整体磁头支架、汽车轮毂等产品。·镁合金的其他新型铸造成形技术（1）低压铸造低压铸造主要运用于生产高致密度有色合金铸件的特种铸造方法。这项技术广泛用于生产高质量、轻合金薄壁件。（2）差压铸造差压铸造是对低压铸造技术的发展，和低压技术的主要区别在于在金属液面和型腔形成压力。目前，该技术的最新发展是真空旋转法差压铸造。（3）熔模铸造熔模铸造又称失蜡法，通常是在蜡模表面涂上数层耐火材料，待其硬化干燥后，将其中的蜡模熔去而制成型壳，再经过焙烧，然后进行浇注，而获得铸件的一种方法。当前，在镁合金方面主要是生产一些壁非常薄，而且对表面粗糙度和尺寸公差要求非常严格的零件。（4）消失模铸造消失模铸造又称实型铸造，是将与铸件尺寸形状相似的石蜡或泡沫模型粘结组合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘干后，埋在千石英砂中振动造型，在负压下浇注，使模型气化，液体金属占据模型位置，凝固冷却后形成铸件的新型铸造方法。镁合金消失模铸造是一种先进材料加工的新技术，在汽车复杂零件制造方面将显示它巨大的优越性。（5）壳型铸造壳型铸造的工艺过程是用一种遇热硬化的型砂覆盖在加热的金属模板上，使其硬化为薄壳，薄壳厚度一般为6～12mm，具有足够的强度和刚度，因此将上下两片型壳用夹具卡紧或用树脂粘牢后，不用砂箱即可构成铸型。壳型铸造特别适用于生产批量较大、尺寸精度要求高、壁薄而形状复杂的镁合金的铸件。镁合金其他新型成型技术（1）快速凝固/粉末冶金技术该技术是制备高性能镁合金及陶瓷晶粒增强复合材料的理想方法。其工艺流程一般为：粉末制造→粉末固结→真空脱气→粉末坯挤压→轧制、锻造或液态模锻→热处理。（2）喷射沉积其原理是将镁合金熔体用高压惰性气体雾化，形成液滴喷射流，直接喷射到水冷或非水冷的集体上，经撞击、聚结、凝固形成大块沉积物。这种沉积物可以是净形产品，也可对其进行锻造、挤压、轧制加工。