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1 引言

    鎂合金是較輕的金屬結構材料，具有高的比強度和比剛度、良好的阻尼、電磁屏蔽及尺寸穩定性、易加工、可回收等特點。近年來，鎂合金在汽車、通訊、3C產品、交通運輸、家用電器、新能源等領域中的應用增長迅速。

    目前，鎂合金產品的成形方式主要是鑄造，其中尤以壓鑄件為主導，但壓鑄產品性能、可靠性、成品率、材料利用率和設備能力等都受到限制，且無法滿足航空、軍工等領域中高性能結構件的要求。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性能，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性能可以看出，鍛造成形方法能獲得滿足更多需要的高性能鎂鍛件，是鑄造鎂合金產品所無法取代的。

但是幾十年來，鎂合金的鍛造產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，制造成本較高，產品價格昂貴。

    有關鎂合金鍛造成形方面的研究投入不多，成果也相對較少。上世紀90年代，國內李相容、關學豐、王迪瓚等曾進行了鎂合金鍛件方面的研究，但僅有哈爾濱的研究者在1998年鍛制出力學性能，高、低倍組織和尺寸精度均符合要求的上機匣，是目前國內最大的鎂合金鍛件。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品，但主要是擠壓或軋制板材、管材和棒材，真正的高性能鎂合金模鍛件仍很少看到。最近兩三年來，德國、日本、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和動態交變載荷直升機及賽車發動機鎂合金鍛件，且這些鍛件能服役于航空、汽車等工業領域的高溫環境中。鎂合金鍛造正日益受到重視，但目前，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，重點論述了鎂合金鍛造成形的特點、影響鍛造成形的幾個關鍵因素及研究概況，為鍛造鎂合金的研制提供參考。

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，其中大部分是基于Mg-Al-Zn系的，某些要求高溫強度的場合，也使用含有Y和稀土元素的WE系列鎂合金。幾種常見鍛造鎂合金的名義化學成分如表2所示。
    Mg-Al-Zn系合金一般屬于中等強度、塑性較高的變形材料。由于原材料來源廣泛，生產成本低，因此被廣泛用于制備鎂合金鍛件。按照ASTM標準，該系中常用于鍛造的鎂合金有AZ31B、AZ61A、AZ80A，我國與此相當的牌號分別是MB2、MB5、MB7。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，因此鍛造前有必要對鑄錠進行預擠壓，以獲得合乎要求的細晶組織，提高合金的可鍛性。早在上世紀90年代李相容基于MB2制訂出了鎂合金的合理鍛造工藝規范，隨后國內很少有利用該系鎂合金研制或生產鎂鍛件的報道。據悉俄羅斯已擁有用成套鎂合金熔煉鍛造生產線專利及專有技術，進行MA2-1(相當于我國牌號的MB3)鎂合金鍛造汽車輪轂和摩托車輪轂生產。

    Mg-Zn-Zr系一般屬于高強度材料，變形能力不如MgAl系合金。按照ASTM標準，Mg-Zn-Zr系常用的牌號有ZK21A和ZK60A，我國目前只有MB15一個牌號，是工業變形鎂合金中強度最高、綜合性能最好、應用最廣泛的結構合金。該系合金由于Zr的存在及細化作用，其鎂合金鑄錠可以直接進行鍛造，改變了傳統的采用一次擠壓坯料來生產鍛件的工藝流程，從而簡化制備鎂合金鍛件的生產工藝，降低消耗。目前，國內Mg-Zn-Zr系鎂合金鍛件的研制都是基于MB15合金的。1996年，關學豐通過向MB15合金(與美國的ZK60A相當)中聯合添加稀土元素釹與釔進行變質處理以改善合金鑄錠的組織和性能、細化鑄錠晶粒，研究用鑄錠直接鍛得性能合格的鎂鍛件的方法。1997年，我國航空工業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擠壓棒材的模鍛新工藝，結果表明，用該合金鑄錠直接鍛制飛機零件，無論從工藝角度、力學性能角度和實際應用角度看都是完全可行的，而且效果較佳。

2.2鎂合金鍛造的特點

    鎂合金為密排六方(HCP)晶格結構，晶格常數為a=0.3202nm，c=0.5199nm，軸比c/a=1.624，對稱性低。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，因此，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)。壓縮過程中僅能通過機械的孿生變形。多晶試樣拉伸試驗中，孿生不能激發新的滑移系，因此，鎂合金的延展性低，在常溫下塑性變形能力較差，鍛造容易脆斷。高于498K，滑移也出現在錐面{1011}和柱面{1010}的<1120>方向上，滑移系增多，同時由于發生回復和再結晶而造成的軟化，鎂合金的塑性大大提高，鍛造成形變得相對容易。
3成形工藝關鍵因素

     鎂合金的密排六方晶格結構決定了鎂合金的塑性變形能力較差，如何改善合金的塑性變形能力成為問題的關鍵之一。通常，鎂合金的可鍛性主要依賴3個因素:合金的固熔溫度、變形速率和晶粒尺寸。因此，對鍛造鎂合金的研究也主要集中在，如何合理的控制溫度范圍、適當的選取變形速率及控制組織、細化晶粒等方面來提高或改善鎂合金的塑性變形能力上。

3.1 溫度

    通常，鎂合金鍛造成形在固相線溫度以下55℃左右的高溫范圍內進行。如果鍛造溫度過低(低于200℃)可能形成裂紋、易脆斷，難于進行塑性加工。
    與常溫下的變形特性相比，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，晶界滑移可提供另外兩個有效的滑移系，根據VonMises準則，合金將發生高溫蠕變，有利于成形。研究發現，鎂合金在200℃以上時塑性明顯提高，225℃以上時塑性提高更大。但溫度過高，尤其在超過400℃時，易產生腐蝕性氧化及晶粒粗大。因此，對大多數鎂合金而言，鍛造溫度須在200℃～400℃之間，可鍛溫度范圍較窄。目前研究最多的主要有ZK60、AZ31等。N.Ogawa等研究發現，ZK60(MB15)在250℃～400℃溫度區間具有優越的可加工性。日本小坂田宏造等研究認為ZK60最佳鍛造溫度為300℃～400℃。陳拂曦等對變形鎂合金MB26的塑性變形行為進行了研究，結果發現，MB26在應變速率為1.67×10-3～4.1×10-2s-1時，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，AZ31在250℃時沒有明顯的加工硬化現象，在350℃和400℃時流變應力分別為715MPa和4MPa，延展性分別達到294%和420%，展現了良好的塑性變形能力。

    鎂合金導熱系數為157W/m·K，幾乎為鑄鋼(導熱系數為80W/m·K)的2倍，導熱系數較大，并熱熔較低，接觸模具后降溫很快，變形抗力增加，塑性降低，充填性能下降，因此鎂合金高的導熱性也是鍛造過程中亟待解決的難題。E.Aghion等對AZ31和ZK60的鍛造成形性進行對比發現，利用傳統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，探索新的鍛造工藝勢在必行。D.B.Shan進一步研究認為，精密鍛造技術具有少切削、近終成形，比較適合鎂合金的鍛造生產。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，成形溫度為350℃～360℃的條件下成功地研制成了形狀復雜的鎂合金上機匣，是近年來精密鍛造技術用于鎂合金成形的成功典范之一。隨后，中國兵器工業第59研究所在3150kN油壓機上進行了鎂合金槍械零件的等溫成形，試驗結果表明:鎂合金等溫成形零件充型飽滿，表面質量好，晶粒度尺寸細小均勻，流線分布合理，無紊亂流線、渦流和穿流現象。
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，變形速率增大時，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系，即變形速率增大，成形性降低。但和鋁合金等其他材料不同，鎂合金鍛造特點之一是熱鍛次數不宜過多，每加熱鍛造一次，強度性能下降一次，尤其鍛前加熱溫度高、保溫時間長，下降到程度更大。對于一些較復雜的鎂合金鍛件需多次成形時，應逐步降低各次的鍛打溫度。

3.2 晶粒

    實踐證明，細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行直接鍛造的主要因素。有人研究了350℃、加工速率為0.01/S時，AZ80的晶粒直徑與鍛造成形性的關系，得到墩粗率隨晶粒度減小幾乎成直線增大。因此如何控制合金的組織、細化晶粒是提高可鍛性的關鍵之一。