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1 引言

    鎂合金是較輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有高的比強(qiáng)度和比剛度、良好的阻尼、電磁屏蔽及尺寸穩(wěn)定性、易加工、可回收等特點(diǎn)。近年來，鎂合金在汽車、通訊、3C產(chǎn)品、交通運(yùn)輸、家用電器、新能源等領(lǐng)域中的應(yīng)用增長迅速。

    目前，鎂合金產(chǎn)品的成形方式主要是鑄造，其中尤以壓鑄件為主導(dǎo)，但壓鑄產(chǎn)品性能、可靠性、成品率、材料利用率和設(shè)備能力等都受到限制，且無法滿足航空、軍工等領(lǐng)域中高性能結(jié)構(gòu)件的要求。鍛造鎂合金具有更高的強(qiáng)度、更好的延展性和更多樣化的力學(xué)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(xué)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(chǎn)品所無法取代的。

但是幾十年來，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，制造成本較高，產(chǎn)品價格昂貴。

    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。上世紀(jì)90年代，國內(nèi)李相容、關(guān)學(xué)豐、王迪瓚等曾進(jìn)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(xué)性能，高、低倍組織和尺寸精度均符合要求的上機(jī)匣，是目前國內(nèi)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(chǎn)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(tài)和動態(tài)交變載荷直升機(jī)及賽車發(fā)動機(jī)鎂合金鍛件，且這些鍛件能服役于航空、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，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(diǎn)論述了鎂合金鍛造成形的特點(diǎn)、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。

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(qiáng)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(xué)成分如表2所示。
    Mg-Al-Zn系合金一般屬于中等強(qiáng)度、塑性較高的變形材料。由于原材料來源廣泛，生產(chǎn)成本低，因此被廣泛用于制備鎂合金鍛件。按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)，該系中常用于鍛造的鎂合金有AZ31B、AZ61A、AZ80A，我國與此相當(dāng)?shù)呐铺柗謩e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(jìn)行預(yù)擠壓，以獲得合乎要求的細(xì)晶組織，提高合金的可鍛性。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，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)，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)。

    Mg-Zn-Zr系一般屬于高強(qiáng)度材料，變形能力不如MgAl系合金。按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)，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(yè)變形鎂合金中強(qiáng)度最高、綜合性能最好、應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)合金。該系合金由于Zr的存在及細(xì)化作用，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，從而簡化制備鎂合金鍛件的生產(chǎn)工藝，降低消耗。目前，國內(nèi)Mg-Zn-Zr系鎂合金鍛件的研制都是基于MB15合金的。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、細(xì)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(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(qiáng)度稀土鎂合金鑄錠直接鍛制裝機(jī)零件來改變傳統(tǒng)擠壓棒材的模鍛新工藝，結(jié)果表明，用該合金鑄錠直接鍛制飛機(jī)零件，無論從工藝角度、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。

2.2鎂合金鍛造的特點(diǎn)

    鎂合金為密排六方(HCP)晶格結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)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(xiàn)，因此，鎂合金晶體僅有3個幾何滑移系和2個獨(dú)立的滑移系，滑移系較少(與鋁合金12個幾何滑移系和5獨(dú)立滑移系相比)。壓縮過程中僅能通過機(jī)械的孿生變形。多晶試樣拉伸試驗中，孿生不能激發(fā)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(xiàn)在錐面{1011}和柱面{1010}的<1120>方向上，滑移系增多，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，鍛造成形變得相對容易。
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，如何改善合金的塑性變形能力成為問題的關(guān)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(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。

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(nèi)進(jìn)行。如果鍛造溫度過低(低于200℃)可能形成裂紋、易脆斷，難于進(jìn)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(jù)VonMises準(zhǔn)則，合金將發(fā)生高溫蠕變，有利于成形。研究發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)生腐蝕性氧化及晶粒粗大。因此，對大多數(shù)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(fā)現(xiàn)，ZK60(MB15)在250℃～400℃溫度區(qū)間具有優(yōu)越的可加工性。日本小坂田宏造等研究認(rèn)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(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，MB26在應(yīng)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(xiàn)象，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%，展現(xiàn)了良好的塑性變形能力。

    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，導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)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(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，探索新的鍛造工藝勢在必行。D.B.Shan進(jìn)一步研究認(rèn)為，精密鍛造技術(shù)具有少切削、近終成形，比較適合鎂合金的鍛造生產(chǎn)。呂炎等基于鎂合金鍛造溫度范圍窄的特點(diǎn)，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(fù)雜的鎂合金上機(jī)匣，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，中國兵器工業(yè)第59研究所在3150kN油壓機(jī)上進(jìn)行了鎂合金槍械零件的等溫成形，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，晶粒度尺寸細(xì)小均勻，流線分布合理，無紊亂流線、渦流和穿流現(xiàn)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(guān)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(diǎn)之一是熱鍛次數(shù)不宜過多，每加熱鍛造一次，強(qiáng)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(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。

3.2 晶粒

    實踐證明，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。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(guān)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(xì)化晶粒是提高可鍛性的關(guān)鍵之一。