變形鎂合金的變形特征

1鎂合金的結構特點

鎂屬于密排六方晶體結構，在室溫下只有1個滑移面，也稱基面、底面或密排面，滑移面上有3個密排方向，即密排六方晶體在室溫下只有3個滑移系，其塑性比面心和體心立方金屬都低，塑性變形需要更多地依賴于滑移與孿生的協調動作，并最終受制于孿生；滑移與孿生的協調動作是鎂合金塑性變形的一個重要特征。室溫下，鎂合金的塑性較差，變形困難，且易出現變形缺陷，是鎂合金自身性質決定的，也是制約變形鎂合金加工成形的本質原因。

2鎂合金的應力應變曲線

根據實驗測得鎂合金室溫下的伸長率一般不超過20%，塑性變形能力低，不能滿足大多數金屬成形工藝的要求。溫度對變形鎂合金的塑性影響很大，溫度愈高，塑性愈好，變形抗力愈低，易于成型加工。

提高變形溫度，能夠使鎂合金晶體內棱面、錐面的滑移系啟動，顯著的改善鎂合金的塑性。在溫度高于2200C時，鎂晶體中的附加滑移面[101]開始起作用，變形容易的多。因此變形鎂合金主要是在300~4000C溫度范圍，就可以順利進行擠壓、軋制和鍛造等成形工藝。溫度過高，則材料氧化嚴重，成形加工性能變差。

變形鎂合金的成形工藝

與其他易成形金屬一樣，變形鎂合金幾乎可以用所有的金屬塑性成形工藝來實現成形。成形原理相同，不同的是具體工藝參數的變化。

1擠壓成形工藝

典型的擠壓成形工藝流程為：擠壓坯生產→加熱→擠壓→矯直→熱處理

變形鎂合金的加熱溫度一般不超過4000C，可用電爐加熱擠壓坯，一般不需要保護氣氛。擠壓溫度為300~4000C之間。擠壓截面收縮范圍在10：1~100：1之間。在擠壓過程中，由于大變形而產生大量的熱量，需要采取冷卻措施，以避免溫度過高，出現熱裂紋。

坯料擠壓成型后進行熱處理，可以獲得細小而均勻的合金組織，去除殘余應力，穩定形狀和尺寸，改善其使用性能。

金屬擠壓工藝生產變形鎂合金型材和管材目前國內還不太成熟，尤其是生產薄壁管材和高精度型材還有困難，主要缺陷有裂紋、皺紋和扭曲等。

2軋制工藝

變形鎂合金板材的生產主要是通過軋制工藝來完成，擠壓和鑄造很少采用。軋制工藝流程如下：

鑄錠銑面→鑄錠均勻化→加熱→開坯→板坯剪切→板坯加熱→粗軋→酸洗→加熱→中軋→中斷或下料→加熱→精軋→產品退火→精整→氧化上色→涂油包裝。

鎂合金板材的軋制采用熱軋方式，必要時進行中間退火。采用多道次、小壓下量工藝進行軋制。一般厚度20-80mm的板材為厚板，厚度6－20mm為中板，薄板厚度在0.5-6mm范圍。

（1）厚板軋制工藝

板坯通常在軋制前要在軋制面或側面銑面并經過探傷檢查。要求板坯內部組織均勻，晶粒細小，第二相分布均勻。采用帶有空氣循環的電阻鏈式加熱爐加熱，加熱溫度一般為450-5000C，加熱過程中要使爐膛內溫度分布均勻，避免局部高溫。

在軋制過程中要保證軋制溫度在2500C以上，確保合金具有良好塑性變形能力。鎂合金中板和厚度的組織和性能主要取決于終軋溫度。隨著終軋溫度的提高，除伸長率增加外，抗拉強度和屈服強度均有所下降。

（2）薄板軋制工藝

薄板生產采用軋制板坯或者擠壓板坯。熱軋時加熱溫度一般比鑄錠溫度低30~600C，加熱時間主要取決于加熱溫度、板坯厚度、裝爐量及采用加熱爐的形式。常用的板坯加熱爐有箱式電阻空氣循環電阻加熱爐。

一般采用厚度為5~6㎜，特殊情況用厚度3㎜的鎂板作為薄板坯。薄板在軋制過程中要保證軋輥的溫度維持在200~2500C范圍，軋輥溫度過低會降低合金的軋制性能和表面質量，而溫度過高難以保證板材平直度。

鎂合金板材在軋制以后一般要進行退火熱處理，使加工組織發生回復和再結晶，消除應力。鎂合金冷作硬化的敏感性很大，矯頑力很高，低溫下很難矯平，因此厚板在較高溫度下矯直。由于鎂合金滑移系小，一般采用輥式矯直而不是拉伸矯直的方法。

變形鎂合金板材的生產，我國已具備工業化生產能力，洛陽銅加工廠鋁鎂分廠可以生產多品種多規格變形鎂合金板材，如MB1、MB2、MB3、MB8以及AZ31B等合金的厚板、中板和薄板。

重慶大學輕金屬工程研究中心經過研究，已具備生產鎂合金板材的自主產權生產技術，已經生產出0.35－1.2mm的薄板，性能優異，板型良好。

3鍛造成形工藝

鎂合金可以鍛造成不同的尺寸和形狀，鎂合金鍛造精度可以達到同其他金屬一樣的程度，并且根據鍛造尺寸和設計不同而有所變化，鎂合金鍛件的性能要比鑄件具有更好的力學性能和更理想的內部組織。變形鎂合金的鍛造設備一般為液壓鍛壓機或機械式鍛壓機。

鎂合金的導熱性能好，傳熱速度快，如果模具溫度過低會導致鎂合金工件激冷而形成裂紋，一般模具需要加熱，加熱溫度應在220℃以上。

變形鎂合金的鍛造溫度一般在350℃以上，保證良好的塑形，以便于成形。高溫下，鎂合金的表面摩擦系數較大，流動性差，黏附力大，充填較深的垂直模孔較為困難，因此，除了模具設計應注意此特點外，必須采取適當的潤滑。潤滑劑可選用石墨粉或者二硫化鉬。

目前變形鎂合金的鍛造成形主要用于航空航天領域的重要零件的等溫鍛造，如大型直升機的上機匣。近期據報道美國汽車研究協會對汽車某些零部件使用鍛造鎂合金很感興趣，如汽車儀表盤、車門內側面等，并加大研究力度。

4板材成形工藝

（1）彎曲成形

彎曲是最普通最簡單而應用廣泛的成形方法，幾乎出現在所有的薄板成形工藝中，它可以直接作為單獨的成形工藝，也可以作為其他成形方法的一道工序，如拉伸、卷曲或者沉頭孔壓型等。簡單的彎曲就是將一塊平板金屬沿著給定半徑的工具進行彎曲，一般可以得到任何期望的彎曲角。按照彎曲工藝所用的設備和工具不同，可以分為：壓彎、折彎和滾彎三種類型。

彎曲成形的冷成形工藝只限于具有彎曲半徑大的中等變形零件；熱成形時，由于板材溫度的原因，板材的塑性得到改善，可以成形任意彎曲半徑的零件。

彎曲成形過程中會發生回彈現象，需要在模具設計予以考慮。彎曲成形中產生的殘余應力，也需要采取措施，消除和釋放殘余應力。消除殘余應力，需要加熱工件并保溫一定時間。

（2）拉延成形

拉延成形是薄板立體成形中最為重要的塑性成形工藝，能夠成形各種各樣的零件，如平底圓筒形零件，復雜的汽車覆蓋件、手提電腦外殼、手機外殼以及其它3C產品的殼體零件。

鎂合金薄板的拉延性能與板材的塑性應變比ｒ和應變強化指數ｎ以及成形溫度、速度、工件形狀及摩擦潤滑等工藝條件有很大關系。拉延成形工藝與鎂合金的其他成形工藝一樣，成形溫度非常重要，一般說來，隨著溫度的升高，鎂合金薄板的深拉延性能可得到明顯改善。板材要加熱到3000C以上，凹模要加熱到2000C以上，否則很難成形。

據報道德國奧迪汽車公司采用熱拉延（熱沖壓）生產鎂合金汽車車門內飾板，減重效果明顯。據Aida，Shuhei研究AZ31B薄板的沖壓性能，在473K，薄板的沖壓極限可達3.2，最大延伸率可達80-90%，沖壓性能得到明顯改善。

筆者利用板厚為0.6mm的AZ31B鎂合金薄板，通過優化模具設計參數，優化沖壓工藝參數，在一般的機械沖壓機上，于2004年5月首次成功沖壓某機型手機面板。工藝參數具體為：凹模溫度300C左右，凸模溫度1200C左右，板坯溫度3000C左右。在工藝參數控制準確的情況下，制品表面質量符合要求，無皺折、毛刺等缺陷。該手機面板具有質的輕、剛性強、手感好和形狀穩定等優點。

結語

變形鎂合金具有諸多優良性能，加之資源豐富，市場潛力巨大，應用前景廣闊。只要工藝參數合理科學，變形鎂合金可以適應任何金屬成形工藝，生產出所需要的產品。今后需要研制新的合金系，通過添加稀土等合金元素，改善合金性能，研究成形工藝的理論和實踐，降低成本，提高成材率，提高產品質量，以拓展變形鎂合金的應用領域。

同時，應當以汽車、3C等領域為變形鎂合金的主要應用領域，盡快形成產業優勢，形成強大的市場需求驅動力，迅速拉動鎂合金板材、型材、管材及各種零件的研究、開發和生產的產業鏈條，加快我國由鎂生產大國到鎂合金應用強國的轉變步伐。

鎂合金具有密度低、比強度和比剛度高、電磁屏蔽效果好、抗震減震能力強、易于機加工成形和易于回收再利用等優點，在航空、航天、汽車、3C產品以及軍工等領域的具有廣泛的應用前景和巨大的應用潛力。目前，鎂合金的應用大多數是以模鑄、壓鑄以及半固態成形等工藝來生產產品。這些工藝生產的產品，存在著組織部太致密、成分偏析，最小厚度偏大、力學性能偏低等缺憾，不能充分發揮鎂合金的性能優勢。研究和實踐表明，塑性變形能夠改善鎂合金的組織和力學性能，大大提高鎂合金的強度和塑性，同時，很多領域重要結構材料需要用的板材、棒材、管材和型材等只能用塑性成形工藝來制取，而不能利用鑄造等工藝來生產，所以，變形鎂合金及其成形工藝的研究越來越受到重視。

但是，由于鎂合金晶體結構是密排六方（Hcp），塑性較差，成形困難，成材率低，加之人們對鎂合金易燃、不耐腐蝕等缺點的過分夸張甚至是錯誤的認識，導致變形鎂合金沒有得到大規模應用，變形鎂合金及成形工藝的研究沒有引起足夠的重視和深入的開展。目前變形鎂合金的板材、型材以及鍛件等生產仍集中在航空航天及軍事等高端領域或部門，沒有普及到一般民用領域。在當今社會節約資源和減少污染成為社會可持續發展戰略的要求的背景下，急需加快研究步伐，轉變觀念，以推動變形鎂合金鎂在民用領域的應用。本文旨在總結變形鎂合金及成形工藝的成果，探討變形鎂合金及其成形工藝的研究方向。

變形鎂合金的合金系

變形鎂合金主要分為四個系列(美國標準)：AZ系列(Mg－Al－Zn)，AM系列(Mg-Al-Mn)，AS系列(Mg-Al-Si)，AE系列(Mg-Al-Re)。中國變形鎂合金牌號為MB系列。幾個主要工業發達國家的變形鎂合金標準及牌號見表1所示。變形鎂合金以AZ系應用最為普遍，其中又以MB2應用最為廣泛。需要指出的是變形鎂合金中MB2的合金成分與AZ31B不同，其力學和成形性能比AZ31B稍差些，介于AZ31B和AZ31C二者之間。

新近研究開發的變形鎂合金如：Mg—Li系合金，由于鋰的加入，Mg-Li系合金成為最輕的變形鎂合金，金屬Li的密度只有0.53ｇ/cm3，用Li作合金元素，除降低密度外，Li的加入可以在合金中形成具有bcc結構的β相，顯著改善鎂合金的塑性，變形加工能力大大增強。

在變形鎂合金系中加入稀土元素后，如在Mg-Zn系合金中加入Y、Ce、Nd以及Re等元素，能夠顯著改善變形鎂合金的耐蝕性和高溫性能，形成新的合金品種。

與鑄造鎂合金相比，變形鎂合金具有更高的強度和塑性，作為板材、型材以及鍛壓成形零件，可以應用在航空航天、汽車、3C及軍工等各個領域，發揮出其獨特的優勢。利用變形鎂合金比重小、比剛度、比強度高的特點，廣泛地應用在一些對重量特別敏感的手提工具、體育器材、航空航天、汽車等領域中。利用鎂合金質輕，減震、電磁屏蔽等優良性能，來制作手提電腦、手機以及便攜音像器具等設施的外殼等，能夠達到輕巧、美觀（金屬質感）、耐用等效果。有關各類變形鎂合金的主要用途見表2所示。隨著新型鎂合金及其成形工藝不斷研究深入，變形鎂合金的用途和應用范圍將會不斷擴大。

表1變形鎂合金牌號對照表

表2 變形鎂合金的主要用途