1 引言

鎂合金是較輕的金屬結(jié)構(gòu)材料偷拔，具有高的比強度和比剛度惰疯、良好的阻尼、電磁屏蔽及尺寸穩(wěn)定性腮德、易加工、可回收等特點俄脂。近年來枫技，鎂合金在汽車、通訊相吭、3C產(chǎn)品秧朝、交通運輸、家用電器郊拄、新能源等領(lǐng)域中的應(yīng)用增長迅速噩振。

目前，鎂合金產(chǎn)品的成形方式主要是鑄造楚陶，其中尤以壓鑄件為主導(dǎo)钻寿，但壓鑄產(chǎn)品性能、可靠性左刽、成品率捺信、材料利用率和設(shè)備能力等都受到限制，且無法滿足航空欠痴、軍工等領(lǐng)域中高性能結(jié)構(gòu)件的要求残黑。鍛造鎂合金具有更高的強度、更好的延展性和更多樣化的力學(xué)性能斋否，從表1及圖1給出的不同成形方法的鎂合金件及幾種常用鍛造鎂合金的典型力學(xué)性能可以看出梨水，鍛造成形方法能獲得滿足更多需要的高性能鎂鍛件，是鑄造鎂合金產(chǎn)品所無法取代的茵臭。

表1幾種常見鍛造鎂合金的典型力學(xué)性能

但是幾十年來疫诽，鎂合金的鍛造產(chǎn)品僅用在很少的幾個方面，主要原因是鎂合金自身塑變特性決定其難于鍛造成形旦委，制造成本較高奇徒，產(chǎn)品價格昂貴。

圖1變形缨硝、砂型鑄造摩钙、壓鑄鎂合金的屈服強度與延伸率

有關(guān)鎂合金鍛造成形方面的研究投入不多，成果也相對較少谎拴。上世紀(jì)90年代荚谢，國內(nèi)李相容、關(guān)學(xué)豐呐品、王迪瓚等曾進(jìn)行了鎂合金鍛件方面的研究凯挟，但僅有哈爾濱的研究者在1998年鍛制出力學(xué)性能逸铆，高、低倍組織和尺寸精度均符合要求的上機匣辱滤，是目前國內(nèi)最大的鎂合金鍛件苦钱。隨后的幾年沒見有該方面的報道。直到2002年的TMS鎂討論會上才展示了汽車上使用的部分鎂合金鍛造產(chǎn)品沽贸，但主要是擠壓或軋制板材避晾、管材和棒材，真正的高性能鎂合金模鍛件仍很少看到抑昨。最近兩三年來啥匀，德國、日本倾圣、以色列等其他國家在鎂合金鍛造方面都做了許多工作。2003年K.U.Kainer報道了用三軸鍛造工藝制備出多種能承受極高的靜態(tài)和動態(tài)交變載荷直升機及賽車發(fā)動機鎂合金鍛件扁眯，且這些鍛件能服役于航空壮莹、汽車等工業(yè)領(lǐng)域的高溫環(huán)境中。鎂合金鍛造正日益受到重視姻檀，但目前命满，我國基本上還是一片空白。本文從最常用的兩類鍛造鎂合金著手绣版，重點論述了鎂合金鍛造成形的特點胶台、影響鍛造成形的幾個關(guān)鍵因素及研究概況，為鍛造鎂合金的研制提供參考杂抽。

2常用的鍛造鎂合金

2.1常用的鍛造鎂合金

常用的鍛造鎂合金有Mg-Al-Zn系和Mg-Zn-Zr系诈唬，其中大部分是基于Mg-Al-Zn系的，某些要求高溫強度的場合缩麸，也使用含有Y和稀土元素的WE系列鎂合金铸磅。幾種常見鍛造鎂合金的名義化學(xué)成分如表2所示。

表2鍛造鎂合金的名義化學(xué)成分

Mg-Al-Zn系合金一般屬于中等強度杭朱、塑性較高的變形材料阅仔。由于原材料來源廣泛，生產(chǎn)成本低窑笑，因此被廣泛用于制備鎂合金鍛件秕射。按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)，該系中常用于鍛造的鎂合金有AZ31B综界、AZ61A瞎角、AZ80A，我國與此相當(dāng)?shù)呐铺柗謩e是MB2贴祷、MB5晃逞、MB7箍颗。但是，Mg-Al-Zn系合金鑄件的實際晶粒尺寸不適于鑄造后直接鍛造虽才，因此鍛造前有必要對鑄錠進(jìn)行預(yù)擠壓纲愁，以獲得合乎要求的細(xì)晶組織，提高合金的可鍛性寨都。早在上世紀(jì)90年代李相容基于MB2制訂出了鎂合金的合理鍛造工藝規(guī)范诫汇，隨后國內(nèi)很少有利用該系鎂合金研制或生產(chǎn)鎂鍛件的報道。據(jù)悉俄羅斯已擁有用成套鎂合金熔煉鍛造生產(chǎn)線專利及專有技術(shù)昼接，進(jìn)行MA2-1(相當(dāng)于我國牌號的MB3)鎂合金鍛造汽車輪轂和摩托車輪轂生產(chǎn)爽篷。

Mg-Zn-Zr系一般屬于高強度材料，變形能力不如MgAl系合金慢睡。按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)逐工，Mg-Zn-Zr系常用的牌號有ZK21A和ZK60A，我國目前只有MB15一個牌號漂辐，是工業(yè)變形鎂合金中強度最高泪喊、綜合性能最好、應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)合金髓涯。該系合金由于Zr的存在及細(xì)化作用袒啼，其鎂合金鑄錠可以直接進(jìn)行鍛造，改變了傳統(tǒng)的采用一次擠壓坯料來生產(chǎn)鍛件的工藝流程纬纪，從而簡化制備鎂合金鍛件的生產(chǎn)工藝蚓再，降低消耗。目前包各，國內(nèi)Mg-Zn-Zr系鎂合金鍛件的研制都是基于MB15合金的摘仅。1996年，關(guān)學(xué)豐通過向MB15合金(與美國的ZK60A相當(dāng))中聯(lián)合添加稀土元素釹與釔進(jìn)行變質(zhì)處理以改善合金鑄錠的組織和性能问畅、細(xì)化鑄錠晶粒锉寿，研究用鑄錠直接鍛得性能合格的鎂鍛件的方法。1997年趴国，我國航空工業(yè)總公司的研究者嘗試了以MB26(由MB15添加稀土元素釔而成)高強度稀土鎂合金鑄錠直接鍛制裝機零件來改變傳統(tǒng)擠壓棒材的模鍛新工藝泣虚，結(jié)果表明，用該合金鑄錠直接鍛制飛機零件债苍，無論從工藝角度坠痒、力學(xué)性能角度和實際應(yīng)用角度看都是完全可行的，而且效果較佳咳铅。

2.2鎂合金鍛造的特點

鎂合金為密排六方(HCP)晶格結(jié)構(gòu)选阔，晶格常數(shù)為a=0.3202nm，c=0.5199nm具椒，軸比c/a=1.624坎扰，對稱性低曹均。低于498K，塑性變形僅限于通過基面{0001}<1120>滑移和錐面{1012}<1011>孿生實現(xiàn)物虑，因此纤悉，鎂合金晶體僅有3個幾何滑移系和2個獨立的滑移系，滑移系較少(與鋁合金12個幾何滑移系和5獨立滑移系相比)鲤遥。壓縮過程中僅能通過機械的孿生變形沐寺。多晶試樣拉伸試驗中，孿生不能激發(fā)新的滑移系盖奈，因此混坞，鎂合金的延展性低，在常溫下塑性變形能力較差钢坦，鍛造容易脆斷究孕。高于498K，滑移也出現(xiàn)在錐面{1011}和柱面{1010}的<1120>方向上爹凹，滑移系增多厨诸，同時由于發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶而造成的軟化，鎂合金的塑性大大提高逛万，鍛造成形變得相對容易泳猬。

3成形工藝關(guān)鍵因素

鎂合金的密排六方晶格結(jié)構(gòu)決定了鎂合金的塑性變形能力較差批钠，如何改善合金的塑性變形能力成為問題的關(guān)鍵之一宇植。通常，鎂合金的可鍛性主要依賴3個因素:合金的固熔溫度了岸、變形速率和晶粒尺寸颗屏。因此，對鍛造鎂合金的研究也主要集中在造蒋，如何合理的控制溫度范圍卑托、適當(dāng)?shù)倪x取變形速率及控制組織、細(xì)化晶粒等方面來提高或改善鎂合金的塑性變形能力上篱辫。

3.1 溫度

通常势粱，鎂合金鍛造成形在固相線溫度以下55℃左右的高溫范圍內(nèi)進(jìn)行。如果鍛造溫度過低(低于200℃)可能形成裂紋彪珍、易脆斷食土，難于進(jìn)行塑性加工。
與常溫下的變形特性相比屿拴，在高溫下鎂合金的塑性變形不僅滑移系增多而且還有晶界滑移医熊，晶界滑移可提供另外兩個有效的滑移系，根據(jù)VonMises準(zhǔn)則笤茴，合金將發(fā)生高溫蠕變蚯唱，有利于成形文宜。研究發(fā)現(xiàn)，鎂合金在200℃以上時塑性明顯提高哗蜈，225℃以上時塑性提高更大前标。但溫度過高，尤其在超過400℃時恬叹，易產(chǎn)生腐蝕性氧化及晶粒粗大候生。因此，對大多數(shù)鎂合金而言绽昼，鍛造溫度須在200℃～400℃之間唯鸭，可鍛溫度范圍較窄。目前研究最多的主要有ZK60硅确、AZ31等目溉。N.Ogawa等研究發(fā)現(xiàn)，ZK60(MB15)在250℃～400℃溫度區(qū)間具有優(yōu)越的可加工性菱农。日本小坂田宏造等研究認(rèn)為ZK60最佳鍛造溫度為300℃～400℃缭付。陳拂曦等對變形鎂合金MB26的塑性變形行為進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)循未，MB26在應(yīng)變速率為1.67×10-3～4.1×10-2s-1時陷猫，具有超塑性的溫度范圍是250℃～480℃。A.Jager等研究了高溫下熱軋AZ31鎂合金板材的拉伸性能岩哥，AZ31在250℃時沒有明顯的加工硬化現(xiàn)象在轮，在350℃和400℃時流變應(yīng)力分別為715MPa和4MPa，延展性分別達(dá)到294%和420%复罕，展現(xiàn)了良好的塑性變形能力铣碴。

鎂合金導(dǎo)熱系數(shù)為157W/m·K，幾乎為鑄鋼(導(dǎo)熱系數(shù)為80W/m·K)的2倍塑业，導(dǎo)熱系數(shù)較大箱仰，并熱熔較低，接觸模具后降溫很快低柑，變形抗力增加屁膝，塑性降低，充填性能下降汉统，因此鎂合金高的導(dǎo)熱性也是鍛造過程中亟待解決的難題穷歹。E.Aghion等對AZ31和ZK60的鍛造成形性進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，利用傳統(tǒng)的開模鍛造工藝直接把坯料加熱到300℃～400℃成形難于獲得合格的鍛件及合理的表面流線族延，探索新的鍛造工藝勢在必行锰扶。D.B.Shan進(jìn)一步研究認(rèn)為，精密鍛造技術(shù)具有少切削寝受、近終成形坷牛，比較適合鎂合金的鍛造生產(chǎn)罕偎。呂炎等基于鎂合金鍛造溫度范圍窄的特點，采用等溫鍛造工藝京闰，成形溫度為350℃～360℃的條件下成功地研制成了形狀復(fù)雜的鎂合金上機匣颜及，是近年來精密鍛造技術(shù)用于鎂合金成形的成功典范之一。隨后蹂楣，中國兵器工業(yè)第59研究所在3150kN油壓機上進(jìn)行了鎂合金槍械零件的等溫成形俏站，試驗結(jié)果表明:鎂合金等溫成形零件充型飽滿，表面質(zhì)量好痊土，晶粒度尺寸細(xì)小均勻肄扎，流線分布合理，無紊亂流線赁酝、渦流和穿流現(xiàn)象犯祠。

3.2變形速率

鎂合金對變形速率非常敏感。鎂合金在較低變形速度下鍛造時顯示出較高的熱塑性酌呆，變形速率增大時总党，鎂合金的塑性顯著下降。張曉涼等報道了350℃條件下AZ80合金的變形速率與成形性的關(guān)系忱脆，即變形速率增大橘匿，成形性降低。但和鋁合金等其他材料不同圈蔬，鎂合金鍛造特點之一是熱鍛次數(shù)不宜過多默言，每加熱鍛造一次，強度性能下降一次搏贤，尤其鍛前加熱溫度高麻镶、保溫時間長桨檬，下降到程度更大匿胎。對于一些較復(fù)雜的鎂合金鍛件需多次成形時，應(yīng)逐步降低各次的鍛打溫度众凝。

3.2 晶粒

實踐證明公垒，細(xì)小等軸晶可以改善鎂合金的塑性變形能力，同時晶粒的實際尺寸也是決定鎂合金鑄錠是否可以進(jìn)行直接鍛造的主要因素倍工。有人研究了350℃队魏、加工速率為0.01/S時，AZ80的晶粒直徑與鍛造成形性的關(guān)系(圖2)万搔，得到墩粗率隨晶粒度減小幾乎成直線增大胡桨。因此如何控制合金的組織、細(xì)化晶粒是提高可鍛性的關(guān)鍵之一瞬雹。

圖2AZ80的晶粒直徑與鍛造成形性的關(guān)系

目前昧谊，對鎂合金組織控制的研究刽虹，主要集中于外來質(zhì)點對形核的促進(jìn)作用、抑制晶粒生長的作用和溶質(zhì)對形核率的影響呢诬。在鎂合金熔體中加入少量的孕育劑或溶質(zhì)原子能細(xì)化鎂合金的鑄造組織并改變沉淀物的形貌涌哲，改善鎂合金的壓力加工性能。

Zr是鎂合金中使用最廣泛的一種細(xì)化劑尚镰，1937年阀圾，人們就發(fā)現(xiàn)Zr對鎂合金有明顯的細(xì)化效果，并開始了對鎂及鎂合金晶粒細(xì)化劑的研究狗唉，但目前Zr細(xì)化鎂及其合金的機理仍不十分清楚初烘。ZK系是比較常用的含Zr鍛造鎂合金，由于Zr的細(xì)化作用突出音哟，其合金坯撑馊蓿可直接鍛造成形。需要注意是蝠兽，由于Zr能與Al衡孽、Fe、Si等元素形成穩(wěn)定的化合物警综，因此Zr不能細(xì)化含有這些元素的鎂體系谨寂。RE是另一種應(yīng)用較廣泛的細(xì)化劑，MB26就是由MB15添加稀土元素釔而成的高強度稀土鎂合金呵寂，王迪瓚研究了利用此合金鑄錠直接鍛制飛機零件的可行性脆携。

張曉涼報道了選用CaCN2作為細(xì)化劑對AZ80進(jìn)行細(xì)化，取得較好效果豌魏，對于即使是用于鍛造直徑為220mm之鍛造圓柱坯的連續(xù)鑄件材料也可在整個斷面上獲得尺寸在220μm以下的微細(xì)晶粒瞭核。另外含碳物質(zhì)、C2Cl6唉私、Ti等也比較常見的變質(zhì)劑绎蒙。

實踐證明，采用變質(zhì)劑的同時輔以強外場作用捻爷，如電場辈灼、磁場、超聲波也榄、機械振動和攪拌等巡莹，效果會更佳。對于不能用來直接鍛造的合金坯甜紫，通常采用大比率預(yù)擠壓法等進(jìn)一步細(xì)化晶粒降宅。

鎂合金經(jīng)晶粒細(xì)化后鑄件中的金屬間化合物相更細(xì)小且分布更均勻，從而提高了塑性加工性能，或者至少可以縮短均勻化處理時間腰根、提高均勻化處理效率吧史。但是，鎂合金組織細(xì)化的研究和應(yīng)用不夠深入唠雕，值得進(jìn)一步研究贸营。

4結(jié)語

隨著世界各國對節(jié)能、環(huán)保的日益重視岩睁，鎂合金及其鑄造產(chǎn)品已獲得突飛猛進(jìn)的發(fā)展钞脂。與之相比，鎂合金鍛造產(chǎn)品優(yōu)良的綜合性能能滿足多種結(jié)構(gòu)件的需要湖生，加工過程中的少切削狡煎、凈終成形，材料利用率高澳敞，使得工業(yè)的興趣正向鎂合金鍛造方面擴展瞧纹。

但塑性變形能力較差，影響鍛造成形因素的相關(guān)數(shù)據(jù)缺乏宴宠，仍是制約鍛造鎂合金產(chǎn)品廣泛應(yīng)用的主要原因澳券。因此，著力進(jìn)行各種不同牌號鍛造鎂合金塑性成形因素的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)研究碾危，是當(dāng)務(wù)之急乎渊。同時，利用等溫鍛造進(jìn)行上機匣的成功鍛造成形表明丛铅，發(fā)展精密鍛造技術(shù)將是今后鍛造鎂合金的主要加工成形方法崩蚀。高性能的鎂鍛件將會在航空航天、武器裝備等輕量化進(jìn)程中起到較為重要的作用壤趴，大范圍拓展了鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域涎拉。

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