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、型铸造、熔模铸造、消失模铸造、压铸等。其中压铸是成熟、应用广的技术。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。
熔模铸造是目前国际上较为的铸造技术之一。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。
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。
目前镁合金的塑性成形过程主要为锻造和挤压,少量为轧制成形,且均需采用热加工方式。因此,变形温度是重要参数,同时变形速率和应力状态也是重要的考虑因素。
1)锻压成形:镁合金锻造性能取决于3个因素:合金的凝固温度、变形速率及晶粒大小。为了良好的加工性能采用具有可锻性的AZ和ZK系镁合金坯料或坯棒。这两系合金可通过添加晶粒细化剂和合金元素得到满意的晶粒尺寸。但铸造组织的晶粒度一般不符合锻造要求,须先将铸锭加以挤压,得到锻造所需晶粒尺寸,再以高变速率锻造成形。镁合金在其固相线温度以下55℃范围内进行锻造,锻造温度过低可能形成裂纹。液压机和低速机械压力机是其模锻的常用设备。
2)挤压成形:镁合金可以挤压成各种管材、棒材和型材。包括带凹角和暗槽的型材,大直径和变截面厚度的薄壁管等难加工的产品。挤压材料也是AZ和ZK系镁合金,温度一般控制在300℃—460℃之间,具体温度的选择还和特定的合号和挤压形状有关。因为镁在变形过程中会产生大量热,所以挤压过程中充分冷却,否则合金温度可能超过固相线温度而导致开裂。
3)轧制成形:铸造成平面形状且有圆形边缘的镁锭可以用来进行厚板和薄板的轧制。一般镁合金厚板厚度范围为11.0mm—70mm,薄板厚度为0.8mm—10mm。镁合金的冷轧性能不佳,一般厚板可以在热轧机上直接生产,而薄板一般采用冷轧和温轧两种方式生产。
镁合金热轧时,一方面要铸态组织得到充分变形,达到改善组织的目的,因此要有一定的变形量;另外,由于多晶镁合金滑移系少,晶粒不易产生宏观屈服而易在晶界产生大的应力集中,合金很容易发生晶间断裂。试验研究发现开坯时变形量控制在压下量s二30%左右合适。镁合金板材在轧制以后一般要进行退火及热处理,加工组织发生再结晶。其退火温度应选择在靠近完全再结晶温度范围内。
2.2超塑性变形
超塑性是指晶体材料在拉伸时表现出大的应变。已有的研究结果表明,镁合金在一定条件下不但具有很高的塑性,而且甚至出现明显的超塑性。当晶粒细化到一定程度(约10—6m),镁合金可获得相对的超塑性。通常超塑性现象主要发生在高温(约等于0.7Tm,Tm为材料的熔点),应变速率相对较低,工业生产中受到限制。Langdon提出了超塑性变形的两个必要条件:①局部缩颈受到限制;②空洞内部相互连接受到抑制。目前,采用高应变速率超塑性成形和低温超塑性成形获得细小晶粒。其中,等通道角挤压技术是低温超塑性的一种方法,在200℃温度下可使AZ91镁合金延伸率达到675%。
半固态成形技术,是在金属凝固过程中,将结晶过程控制在固—液两相共存温度,并通过剧烈搅拌破碎枝晶组织,从而获得一种金属母液中悬浮一定固相成分的固—液?昆合浆料,再采用压铸、模锻等成形加工工艺进行的金属成形技术。半固态加工,是一种新型、的工艺方法,与传统液态铸造成形相比,具有成形温度低(镁合金可降低100℃左右),延长模具的寿命,改善生产条件和环境,细化晶粒,减少气孔、缩孔,提高组织致密性,提高铸件质量等优点,被认为是21世纪具有发展前景的精密成形技术之一。根据工艺流程的不同,半固态成形通常分为流变铸造(Rheocasting)和触变铸造(Thixocasting)两类:流变铸造是对冷却过程中的金属液进行搅动,将形成的固相枝晶破碎,形成一定固相分数的半固态金属浆料,然后将浆料注入压铸机或挤压机内成形(俗称“一步法”);而触变铸造是先由连铸等方法制得具有半固态金属组织的锭坯,然后切成所需长度,用二次加热装置再加热到半固态状态,后移送至压铸机等再压铸或挤压成形(俗称“两步法”)。