锻造镁合金及影响锻造成形的几个关键因素
1 引言
镁合金是较轻的金属结构材料，具有高的比强度和比刚度、良好的阻尼、电磁屏蔽及尺寸稳定性、易加工、可回收等特点。近年来，镁合金在汽车、通讯、3C产品、交通运输、家用电器、新能源等领域中的应用增长迅速。
目前，镁合金产品的成形方式主要是铸造，其中尤以压铸件为主导，但压铸产品性能、可靠性、成品率、材料利用率和设备能力等都受到限制，且无法满足航空、军工等领域中高性能结构件的要求。锻造镁合金具有更高的强度、更好的延展性和更多样化的力学性能，从表1及图1给出的不同成形方法的镁合金件及几种常用锻造镁合金的典型力学性能可以看出，锻造成形方法能获得满足更多需要的高性能镁锻件，是铸造镁合金产品所无法取代的。 但是几十年来，镁合金的锻造产品仅用在很少的几个方面，主要原因是镁合金自身塑变特性决定其难于锻造成形，制造成本较高，产品价格昂贵。
2常用的锻造镁合金
2.1常用的锻造镁合金
常用的锻造镁合金有Mg-Al-Zn系和Mg-Zn-Zr系，其中大部分是基于Mg-Al-Zn系的，某些要求高温强度的场合，也使用含有Y和稀土元素的WE系列镁合金。几种常见锻造镁合金的名义化学成分如表2所示。 Mg-Al-Zn系合金一般属于中等强度、塑性较高的变形材料。由于原材料来源广泛，生产成本低，因此被广泛用于制备镁合金锻件。按照ASTM标准，该系中常用于锻造的镁合金有AZ31B、AZ61A、AZ80A，我国与此相当的牌号分别是MB2、MB5、MB7。但是，Mg-Al-Zn系合金铸件的实际晶粒尺寸不适于铸造后直接锻造，因此锻造前有必要对铸锭进行预挤压，以获得合乎要求的细晶组织，提高合金的可锻性。早在上世纪90年代李相容基于MB2制订出了镁合金的合理锻造工艺规范，随后国内很少有利用该系镁合金研制或生产镁锻件的报道。据悉俄罗斯已拥有用成套镁合金熔炼锻造生产线专利及专有技术，进行MA2-1(相当于我国牌号的MB3)镁合金锻造汽车轮毂和摩托车轮毂生产。
Mg-Zn-Zr系一般属于高强度材料，变形能力不如MgAl系合金。按照ASTM标准，Mg-Zn-Zr系常用的牌号有ZK21A和ZK60A，我国目前只有MB15一个牌号，是工业变形镁合金中强度最高、综合性能最好、应用最广泛的结构合金。该系合金由于Zr的存在及细化作用，其镁合金铸锭可以直接进行锻造，改变了传统的采用一次挤压坯料来生产锻件的工艺流程，从而简化制备镁合金锻件的生产工艺，降低消耗。目前，国内Mg-Zn-Zr系镁合金锻件的研制都是基于MB15合金的。1996年，关学丰通过向MB15合金(与美国的ZK60A相当)中联合添加稀土元素钕与钇进行变质处理以改善合金铸锭的组织和性能、细化铸锭晶粒，研究用铸锭直接锻得性能合格的镁锻件的方法。1997年，我国航空工业总公司的研究者尝试了以MB26(由MB15添加稀土元素钇而成)高强度稀土镁合金铸锭直接锻制装机零件来改变传统挤压棒材的模锻新工艺，结果表明，用该合金铸锭直接锻制飞机零件，无论从工艺角度、力学性能角度和实际应用角度看都是完全可行的，而且效果较佳。
2.2镁合金锻造的特点
镁合金为密排六方(HCP)晶格结构，晶格常数为a=0.3202nm，c=0.5199nm，轴比c/a=1.624，对称性低。低于498K，塑性变形仅限于通过基面{0001}<1120>滑移和锥面{1012}<1011>孪生实现，因此，镁合金晶体仅有3个几何滑移系和2个独立的滑移系，滑移系较少(与铝合金12个几何滑移系和5独立滑移系相比)。压缩过程中仅能通过机械的孪生变形。多晶试样拉伸试验中，孪生不能激发新的滑移系，因此，镁合金的延展性低，在常温下塑性变形能力较差，锻造容易脆断。高于498K，滑移也出现在锥面{1011}和柱面{1010}的<1120>方向上，滑移系增多，同时由于发生回复和再结晶而造成的软化，镁合金的塑性大大提高，锻造成形变得相对容易。
3成形工艺关键因素
镁合金的密排六方晶格结构决定了镁合金的塑性变形能力较差，如何改善合金的塑性变形能力成为问题的关键之一。通常，镁合金的可锻性主要依赖3个因素:合金的固熔温度、变形速率和晶粒尺寸。因此，对锻造镁合金的研究也主要集中在，如何合理的控制温度范围、适当的选取变形速率及控制组织、细化晶粒等方面来提高或改善镁合金的塑性变形能力上。
3.1 温度
通常，镁合金锻造成形在固相线温度以下55℃左右的高温范围内进行。如果锻造温度过低(低于200℃)可能形成裂纹、易脆断，难于进行塑性加工。
与常温下的变形特性相比，在高温下镁合金的塑性变形不仅滑移系增多而且还有晶界滑移，晶界滑移可提供另外两个有效的滑移系，根据VonMises准则，合金将发生高温蠕变，有利于成形。研究发现，镁合金在200℃以上时塑性明显提高，225℃以上时塑性提高更大。但温度过高，尤其在超过400℃时，易产生腐蚀性氧化及晶粒粗大。因此，对大多数镁合金而言，锻造温度须在200℃～400℃之间，可锻温度范围较窄。目前研究最多的主要有ZK60、AZ31等。N.Ogawa等研究发现，ZK60(MB15)在250℃～400℃温度区间具有优越的可加工性。日本小坂田宏造等研究认为ZK60最佳锻造温度为300℃～400℃。陈拂曦等对变形镁合金MB26的塑性变形行为进行了研究，结果发现，MB26在应变速率为1.67×10-3～4.1×10-2s-1时，具有超塑性的温度范围是250℃～480℃。A.Jager等研究了高温下热轧AZ31镁合金板材的拉伸性能，AZ31在250℃时没有明显的加工硬化现象，在350℃和400℃时流变应力分别为715MPa和4MPa，延展性分别达到294%和420%，展现了良好的塑性变形能力。
镁合金导热系数为157W/m·K，几乎为铸钢(导热系数为80W/m·K)的2倍，导热系数较大，并热熔较低，接触模具后降温很快，变形抗力增加，塑性降低，充填性能下降，因此镁合金高的导热性也是锻造过程中亟待解决的难题。E.Aghion等对AZ31和ZK60的锻造成形性进行对比发现，利用传统的开模锻造工艺直接把坯料加热到300℃～400℃成形难于获得合格的锻件及合理的表面流线，探索新的锻造工艺势在必行。D.B.Shan进一步研究认为，精密锻造技术具有少切削、近终成形，比较适合镁合金的锻造生产。吕炎等基于镁合金锻造温度范围窄的特点，采用等温锻造工艺，成形温度为350℃～360℃的条件下成功地研制成了形状复杂的镁合金上机匣，是近年来精密锻造技术用于镁合金成形的成功典范之一。随后，中国兵器工业第59研究所在3150kN油压机上进行了镁合金枪械零件的等温成形，试验结果表明:镁合金等温成形零件充型饱满，表面质量好，晶粒度尺寸细小均匀，流线分布合理，无紊乱流线、涡流和穿流现象。
3.2变形速率
镁合金对变形速率非常敏感。镁合金在较低变形速度下锻造时显示出较高的热塑性，变形速率增大时，镁合金的塑性显著下降。张晓凉等报道了350℃条件下AZ80合金的变形速率与成形性的关系，即变形速率增大，成形性降低。但和铝合金等其他材料不同，镁合金锻造特点之一是热锻次数不宜过多，每加热锻造一次，强度性能下降一次，尤其锻前加热温度高、保温时间长，下降到程度更大。对于一些较复杂的镁合金锻件需多次成形时，应逐步降低各次的锻打温度。
3.2 晶粒
实践证明，细小等轴晶可以改善镁合金的塑性变形能力，同时晶粒的实际尺寸也是决定镁合金铸锭是否可以进行直接锻造的主要因素。有人研究了350℃、加工速率为0.01/S时，AZ80的晶粒直径与锻造成形性的关系(图2)，得到墩粗率随晶粒度减小几乎成直线增大。因此如何控制合金的组织、细化晶粒是提高可锻性的关键之一。 目前，对镁合金组织控制的研究，主要集中于外来质点对形核的促进作用、抑制晶粒生长的作用和溶质对形核率的影响。在镁合金熔体中加入少量的孕育剂或溶质原子能细化镁合金的铸造组织并改变沉淀物的形貌，改善镁合金的压力加工性能。
Zr是镁合金中使用最广泛的一种细化剂，1937年，人们就发现Zr对镁合金有明显的细化效果，并开始了对镁及镁合金晶粒细化剂的研究，但目前Zr细化镁及其合金的机理仍不十分清楚。ZK系是比较常用的含Zr锻造镁合金，由于Zr的细化作用突出，其合金坯常可直接锻造成形。需要注意是，由于Zr能与Al、Fe、Si等元素形成稳定的化合物，因此Zr不能细化含有这些元素的镁体系。RE是另一种应用较广泛的细化剂，MB26就是由MB15添加稀土元素钇而成的高强度稀土镁合金，王迪瓒研究了利用此合金铸锭直接锻制飞机零件的可行性。
张晓凉报道了选用CaCN2作为细化剂对AZ80进行细化，取得较好效果，对于即使是用于锻造直径为220mm之锻造圆柱坯的连续铸件材料也可在整个断面上获得尺寸在220μm以下的微细晶粒。另外含碳物质、C2Cl6、Ti等也比较常见的变质剂。
实践证明，采用变质剂的同时辅以强外场作用，如电场、磁场、超声波、机械振动和搅拌等，效果会更佳。对于不能用来直接锻造的合金坯，通常采用大比率预挤压法等进一步细化晶粒。
镁合金经晶粒细化后铸件中的金属间化合物相更细小且分布更均匀，从而提高了塑性加工性能，或者至少可以缩短均匀化处理时间、提高均匀化处理效率。但是，镁合金组织细化的研究和应用不够深入，值得进一步研究。
4结语
随着世界各国对节能、环保的日益重视，镁合金及其铸造产品已获得突飞猛进的发展。与之相比，镁合金锻造产品优良的综合性能能满足多种结构件的需要，加工过程中的少切削、净终成形，材料利用率高，使得工业的兴趣正向镁合金锻造方面扩展。
但塑性变形能力较差，影响锻造成形因素的相关数据缺乏，仍是制约锻造镁合金产品广泛应用的主要原因。因此，着力进行各种不同牌号锻造镁合金塑性成形因素的基础数据研究，是当务之急。同时，利用等温锻造进行上机匣的成功锻造成形表明，发展精密锻造技术将是今后锻造镁合金的主要加工成形方法。高性能的镁锻件将会在航空航天、武器装备等轻量化进程中起到较为重要的作用，大范围拓展了镁合金的应用领域。
镁合金是较轻的金属结构材料，具有高的比强度和比刚度、良好的阻尼、电磁屏蔽及尺寸稳定性、易加工、可回收等特点。近年来，镁合金在汽车、通讯、3C产品、交通运输、家用电器、新能源等领域中的应用增长迅速。
目前，镁合金产品的成形方式主要是铸造，其中尤以压铸件为主导，但压铸产品性能、可靠性、成品率、材料利用率和设备能力等都受到限制，且无法满足航空、军工等领域中高性能结构件的要求。锻造镁合金具有更高的强度、更好的延展性和更多样化的力学性能，从表1及图1给出的不同成形方法的镁合金件及几种常用锻造镁合金的典型力学性能可以看出，锻造成形方法能获得满足更多需要的高性能镁锻件，是铸造镁合金产品所无法取代的。 但是几十年来，镁合金的锻造产品仅用在很少的几个方面，主要原因是镁合金自身塑变特性决定其难于锻造成形，制造成本较高，产品价格昂贵。
图1变形、砂型铸造、压铸镁合金的屈服强度与延伸率
2常用的锻造镁合金
2.1常用的锻造镁合金
常用的锻造镁合金有Mg-Al-Zn系和Mg-Zn-Zr系，其中大部分是基于Mg-Al-Zn系的，某些要求高温强度的场合，也使用含有Y和稀土元素的WE系列镁合金。几种常见锻造镁合金的名义化学成分如表2所示。 Mg-Al-Zn系合金一般属于中等强度、塑性较高的变形材料。由于原材料来源广泛，生产成本低，因此被广泛用于制备镁合金锻件。按照ASTM标准，该系中常用于锻造的镁合金有AZ31B、AZ61A、AZ80A，我国与此相当的牌号分别是MB2、MB5、MB7。但是，Mg-Al-Zn系合金铸件的实际晶粒尺寸不适于铸造后直接锻造，因此锻造前有必要对铸锭进行预挤压，以获得合乎要求的细晶组织，提高合金的可锻性。早在上世纪90年代李相容基于MB2制订出了镁合金的合理锻造工艺规范，随后国内很少有利用该系镁合金研制或生产镁锻件的报道。据悉俄罗斯已拥有用成套镁合金熔炼锻造生产线专利及专有技术，进行MA2-1(相当于我国牌号的MB3)镁合金锻造汽车轮毂和摩托车轮毂生产。
Mg-Zn-Zr系一般属于高强度材料，变形能力不如MgAl系合金。按照ASTM标准，Mg-Zn-Zr系常用的牌号有ZK21A和ZK60A，我国目前只有MB15一个牌号，是工业变形镁合金中强度最高、综合性能最好、应用最广泛的结构合金。该系合金由于Zr的存在及细化作用，其镁合金铸锭可以直接进行锻造，改变了传统的采用一次挤压坯料来生产锻件的工艺流程，从而简化制备镁合金锻件的生产工艺，降低消耗。目前，国内Mg-Zn-Zr系镁合金锻件的研制都是基于MB15合金的。1996年，关学丰通过向MB15合金(与美国的ZK60A相当)中联合添加稀土元素钕与钇进行变质处理以改善合金铸锭的组织和性能、细化铸锭晶粒，研究用铸锭直接锻得性能合格的镁锻件的方法。1997年，我国航空工业总公司的研究者尝试了以MB26(由MB15添加稀土元素钇而成)高强度稀土镁合金铸锭直接锻制装机零件来改变传统挤压棒材的模锻新工艺，结果表明，用该合金铸锭直接锻制飞机零件，无论从工艺角度、力学性能角度和实际应用角度看都是完全可行的，而且效果较佳。
2.2镁合金锻造的特点
镁合金为密排六方(HCP)晶格结构，晶格常数为a=0.3202nm，c=0.5199nm，轴比c/a=1.624，对称性低。低于498K，塑性变形仅限于通过基面{0001}<1120>滑移和锥面{1012}<1011>孪生实现，因此，镁合金晶体仅有3个几何滑移系和2个独立的滑移系，滑移系较少(与铝合金12个几何滑移系和5独立滑移系相比)。压缩过程中仅能通过机械的孪生变形。多晶试样拉伸试验中，孪生不能激发新的滑移系，因此，镁合金的延展性低，在常温下塑性变形能力较差，锻造容易脆断。高于498K，滑移也出现在锥面{1011}和柱面{1010}的<1120>方向上，滑移系增多，同时由于发生回复和再结晶而造成的软化，镁合金的塑性大大提高，锻造成形变得相对容易。
3成形工艺关键因素
镁合金的密排六方晶格结构决定了镁合金的塑性变形能力较差，如何改善合金的塑性变形能力成为问题的关键之一。通常，镁合金的可锻性主要依赖3个因素:合金的固熔温度、变形速率和晶粒尺寸。因此，对锻造镁合金的研究也主要集中在，如何合理的控制温度范围、适当的选取变形速率及控制组织、细化晶粒等方面来提高或改善镁合金的塑性变形能力上。
3.1 温度
通常，镁合金锻造成形在固相线温度以下55℃左右的高温范围内进行。如果锻造温度过低(低于200℃)可能形成裂纹、易脆断，难于进行塑性加工。
与常温下的变形特性相比，在高温下镁合金的塑性变形不仅滑移系增多而且还有晶界滑移，晶界滑移可提供另外两个有效的滑移系，根据VonMises准则，合金将发生高温蠕变，有利于成形。研究发现，镁合金在200℃以上时塑性明显提高，225℃以上时塑性提高更大。但温度过高，尤其在超过400℃时，易产生腐蚀性氧化及晶粒粗大。因此，对大多数镁合金而言，锻造温度须在200℃～400℃之间，可锻温度范围较窄。目前研究最多的主要有ZK60、AZ31等。N.Ogawa等研究发现，ZK60(MB15)在250℃～400℃温度区间具有优越的可加工性。日本小坂田宏造等研究认为ZK60最佳锻造温度为300℃～400℃。陈拂曦等对变形镁合金MB26的塑性变形行为进行了研究，结果发现，MB26在应变速率为1.67×10-3～4.1×10-2s-1时，具有超塑性的温度范围是250℃～480℃。A.Jager等研究了高温下热轧AZ31镁合金板材的拉伸性能，AZ31在250℃时没有明显的加工硬化现象，在350℃和400℃时流变应力分别为715MPa和4MPa，延展性分别达到294%和420%，展现了良好的塑性变形能力。
镁合金导热系数为157W/m·K，几乎为铸钢(导热系数为80W/m·K)的2倍，导热系数较大，并热熔较低，接触模具后降温很快，变形抗力增加，塑性降低，充填性能下降，因此镁合金高的导热性也是锻造过程中亟待解决的难题。E.Aghion等对AZ31和ZK60的锻造成形性进行对比发现，利用传统的开模锻造工艺直接把坯料加热到300℃～400℃成形难于获得合格的锻件及合理的表面流线，探索新的锻造工艺势在必行。D.B.Shan进一步研究认为，精密锻造技术具有少切削、近终成形，比较适合镁合金的锻造生产。吕炎等基于镁合金锻造温度范围窄的特点，采用等温锻造工艺，成形温度为350℃～360℃的条件下成功地研制成了形状复杂的镁合金上机匣，是近年来精密锻造技术用于镁合金成形的成功典范之一。随后，中国兵器工业第59研究所在3150kN油压机上进行了镁合金枪械零件的等温成形，试验结果表明:镁合金等温成形零件充型饱满，表面质量好，晶粒度尺寸细小均匀，流线分布合理，无紊乱流线、涡流和穿流现象。
3.2变形速率
镁合金对变形速率非常敏感。镁合金在较低变形速度下锻造时显示出较高的热塑性，变形速率增大时，镁合金的塑性显著下降。张晓凉等报道了350℃条件下AZ80合金的变形速率与成形性的关系，即变形速率增大，成形性降低。但和铝合金等其他材料不同，镁合金锻造特点之一是热锻次数不宜过多，每加热锻造一次，强度性能下降一次，尤其锻前加热温度高、保温时间长，下降到程度更大。对于一些较复杂的镁合金锻件需多次成形时，应逐步降低各次的锻打温度。
3.2 晶粒
实践证明，细小等轴晶可以改善镁合金的塑性变形能力，同时晶粒的实际尺寸也是决定镁合金铸锭是否可以进行直接锻造的主要因素。有人研究了350℃、加工速率为0.01/S时，AZ80的晶粒直径与锻造成形性的关系(图2)，得到墩粗率随晶粒度减小几乎成直线增大。因此如何控制合金的组织、细化晶粒是提高可锻性的关键之一。 目前，对镁合金组织控制的研究，主要集中于外来质点对形核的促进作用、抑制晶粒生长的作用和溶质对形核率的影响。在镁合金熔体中加入少量的孕育剂或溶质原子能细化镁合金的铸造组织并改变沉淀物的形貌，改善镁合金的压力加工性能。
Zr是镁合金中使用最广泛的一种细化剂，1937年，人们就发现Zr对镁合金有明显的细化效果，并开始了对镁及镁合金晶粒细化剂的研究，但目前Zr细化镁及其合金的机理仍不十分清楚。ZK系是比较常用的含Zr锻造镁合金，由于Zr的细化作用突出，其合金坯常可直接锻造成形。需要注意是，由于Zr能与Al、Fe、Si等元素形成稳定的化合物，因此Zr不能细化含有这些元素的镁体系。RE是另一种应用较广泛的细化剂，MB26就是由MB15添加稀土元素钇而成的高强度稀土镁合金，王迪瓒研究了利用此合金铸锭直接锻制飞机零件的可行性。
张晓凉报道了选用CaCN2作为细化剂对AZ80进行细化，取得较好效果，对于即使是用于锻造直径为220mm之锻造圆柱坯的连续铸件材料也可在整个断面上获得尺寸在220μm以下的微细晶粒。另外含碳物质、C2Cl6、Ti等也比较常见的变质剂。
实践证明，采用变质剂的同时辅以强外场作用，如电场、磁场、超声波、机械振动和搅拌等，效果会更佳。对于不能用来直接锻造的合金坯，通常采用大比率预挤压法等进一步细化晶粒。
镁合金经晶粒细化后铸件中的金属间化合物相更细小且分布更均匀，从而提高了塑性加工性能，或者至少可以缩短均匀化处理时间、提高均匀化处理效率。但是，镁合金组织细化的研究和应用不够深入，值得进一步研究。
4结语
随着世界各国对节能、环保的日益重视，镁合金及其铸造产品已获得突飞猛进的发展。与之相比，镁合金锻造产品优良的综合性能能满足多种结构件的需要，加工过程中的少切削、净终成形，材料利用率高，使得工业的兴趣正向镁合金锻造方面扩展。
但塑性变形能力较差，影响锻造成形因素的相关数据缺乏，仍是制约锻造镁合金产品广泛应用的主要原因。因此，着力进行各种不同牌号锻造镁合金塑性成形因素的基础数据研究，是当务之急。同时，利用等温锻造进行上机匣的成功锻造成形表明，发展精密锻造技术将是今后锻造镁合金的主要加工成形方法。高性能的镁锻件将会在航空航天、武器装备等轻量化进程中起到较为重要的作用，大范围拓展了镁合金的应用领域。
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