镁合金成形技术现状及展望

镁合金成形技术现状及展望镁合金成形技术现状及展望 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 1．铸造镁合金．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．．1 1 压铸压铸 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 件性能都有显着影响。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 1．．2 2 熔模铸造熔模铸造 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 1．．3 3 消失模铸造消失模铸造 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孔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 2．变形镁合金．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 2．．1 1 塑性变形塑性变形 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