镁合金塑性成形新工艺研究
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摘 要：镁合金挤压预成形坯模压近终成型工艺具有短流程、高效率、低能耗、高材料收得率、变形组织性能分布均匀等特点，和常规锻造工艺相比，具有显著的技术经济优势，因此，有必要对其进行研究，以促进该工艺的推广和应用。
关键词：镁合金；挤压；模压；近终成型
中图分类号：TG306 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）06-0001-02
随着我国汽车保有量的不断增大，环保、节能、低碳理念深入人心，我国在汽车轻量化事业方面取得了显著的进步。目前，全球公认的汽车轻量化材料主要有高强度钢、镁合金、铝合金、碳纤维复合材料等，具体选用时则要根据构件的服役状况、材料的性能、工艺开发成本等综合考虑决定。随着我国汽车企业在轻量化技术方面的投入不断加大，国产汽车在新车型开发中对轻合金零部件同步集成开发进行了系统研究，推动了轻量化技术的不断进步。
1 镁合金特点及应用现状
镁合金作为最轻的工业用金属结构材料， 具有比重低、比强/刚度高、阻尼性能优良、铸造性能好、自动化生产能力强、可回收性好等优点，因而在航空航天、汽车、3C产品和国防军事等领域有着广阔的应用前景，是目前世界各国竞相开发的新型材料之一[1-3]。近年来，西方发达国家高度重视镁合金基础研究和应用研究，为各大高校和研究中心投入巨资，实施多项大型联合研究发展计划，以解决镁合金应用中遇到的各种关键共性技术难题。
表1为镁合金与钢铁、铝合金及工程塑料这几种结构材料的性能对比。从表1可以看出，镁合金的密度仅为1.75～1.85 g/cm3，跟钢铁和铝合金相比要轻很多，甚至比某些工程塑料还要轻。另外，镁合金的比强度较高，在保证结构件服役性能的前提下，镁合金零部件可以更好地实现减重。再者，镁合金的减震系数为30～60，远高于其他三种结构材料，能更有效地吸收振动能量。因此，将镁合金应用于汽车承载结构件的生产，可以更好地减少振动和噪音，显著提高汽车的操控性能和驾乘舒适性。
对于汽车零部件而言，用镁合金代替传统的钢铁材料，可以取得比铝合金更显著的减重效果。镁合金作为一种新型的汽车轻量化材料，在汽车制造领域的广泛应用，符合节能、减排、低碳、清洁生产等环保要求。实现汽车减重、减少能源消耗与尾气排放、积极改善噪声、振动、冲击等NVH指标，对汽车车身和零部件材料提出了更高的要求，这也是全球汽车产业发展的必然趋势。根据业界公认的实验数据，汽车每减重10%，则可实现节油5.5%，轮毂等车辆高速运动部件的减重能实现更强的节油效果，而且尾气排放也大大减少。积极开发和应用新型轻质合金材料及其成形工艺，在整车制造过程中大量采用镁合金材料，可以显著提高车辆的加减速、制动、过弯稳定性、操控性能和安全性能。因此，美国、日本、欧洲一些跨国汽车公司已将汽车轻量化作为长期发展战略，而汽车产业界也已将整车采用镁合金零件的多少作为衡量车辆制造技术先进性的标志之一。镁合金在汽车零部件上的应用如图1所示。
现有的镁合金产品主要通过铸造的方式获得，而变形镁合金产品相对较少。其主要原因是铸造镁合金具有优良的成形性能，可以成形各种复杂的曲面薄壁零件，且工艺成本低，易于实现大批量生产。但铸造镁合金产品机械性能较差，往往还存在一定的组织缺陷，只能用于常规零部件，不能满足服役性能要求较高承载结构件（如轮毂、转向控制臂等）的使用指标。而经过挤压、轧制、锻造等塑性成形工艺生产的变形镁合金产品可以有效消除铸造过程中产生的各种缺陷，生成晶粒细小的组织，强度、硬度、伸长率也大大提高。由于镁合金为密排六方晶体结构，室温下可以开动的滑移系少，因此镁合金在室温下的塑性较差，需要在一定温度范围内进行塑性变形[4]。目前，各种镁合金型材（如管材、棒材、T型材）主要采用挤压方法加工成形。镁合金锻造因难度较大，应用较少，工艺开发周期长，这就限制了镁合金锻件的使用规模。通常情况下，镁合金锻造前需要先进行挤压预处理，以便消除铸造工艺缺陷，减小力学性能的各向异性，而挤压过程中获得的均匀组织也有利于进一步的塑性变形。此外，变形速度也是镁合金塑性变形中的一个重要工艺因素。随着变形速度的不断增大，镁合金的塑性呈明显下降趋势。因此，结构复杂的大型镁合金锻件需要多道次成形，同时需要控制好不同道次的锻打温度，以避免晶粒长大使构件性能恶化。
3 镁合金塑性成形新工艺的技术优势与应用前景
在前期大量实验研究的基础上，本文提出一种短流程、高效率、低成本、高工艺收得率，同时具有良好综合机械性能的镁合金结构件复合成形方法——镁合金挤压预成形坯一次模压近终成型技术[5]。该方法的基本思路为：通过铸造（半连续铸造、半固态成形工艺等）的方法制坯，然后通过热挤压工艺，得到具有锻件二维几何特征的预成形挤压型材，再截取一段比终锻件体积稍大、留有一定余量的模锻坯料，然后通过一次模压成型，得到具有模具内腔形状和尺寸的最终产品[6]。在此过程中，由于引入了大变形量的塑性变形，有效消除了挤压织构，大大细化了晶粒，同时也提高了材料的综合力学性能。采用本复合成形工艺生产镁合金锻件，效率更高，能耗更少，工艺品质更可靠，适合具有挤压和模压特点的高性能承载结构件批量化生产。
挤压预成形模压复合成形工艺也具有显著的技术优势。现有的镁合金模锻成形方法，其主要工艺流程具有以下共性：选材热处理加热（模具和铸坯）锻造——中间加热锻造（不止一次）——切边（不止一次）机加工热处理最终产品。而本文提出的镁合金塑性成形方法，其主要工艺流程为：选材铸造制坯制备挤压预成形坯一次性加热（模具和锻坯）一次模锻成形（最终产品）。
显然，本方法在挤压预成形坯的制坯阶段，就已经实现了锻件的初步成形。引入模压工艺的二次塑性变形，有效保证了挤压预成形坯在模具型腔内足够的变形量，省去了传统锻造工艺必需的多道次加热、变形和切边，大大缩短了工艺流程，显著提高了生产效率，有效降低了生产成本，其技术、经济优势是显而易见的。
我国镁资源储量居世界第一位，正如美国通用汽车公司镁合金首席专家Cole博士所说，镁是属于中国的金属，中国作为世界第一镁大国，应造好镁、用好镁，并成为全球镁科学研究的领头羊。然而，我国镁合金基础研究和应用技术开发严重滞后，80%的镁以镁锭等初级产品低价出口，造成我国镁资源的极大浪费。随着我国汽车产业的快速发展，经济步入战略转型期，汽车轻量化被业界提升到了一个新的高度。我国在许多高校、科研院所相继成立了国家级的研究中心，鼓励相关科研人员对急需的技术难题进行攻关。重庆大学成立了国家镁合金材料工程技术研究中心，联合清华大学等高校主持了国家重点基础研究发展计划项目（973项目），对“高性能镁合金加工与制备中的关键基础问题”进行了深入研究，取得了一系列成果。我们相信，加快镁合金产品制备核心技术的开发，尽快抢占相关领域的技术制高点，变“中国制造”为“中国智造”，我国一定可以成为世界镁业王国。
参考文献：
[1] 丁文江.镁合金科学与技术[M].北京：科学出版社，2007.
[2] M T Perez-Prado，O A Ruano.Texture Evolution During Annealing of Magnesium AZ31 Alloy[J].Scripta Materialia，2002，（46）：149-155.
[3] A A Luo.Recent Magnesium Alloy Development for Automotive Powertrain Applications[J].Magnesium Alloys，2003，（4）：57-61.
[4] 余琨，黎文献，王日初，等.变形镁合金的研究、开发及应用[J].中国有色金属学报，2003，13（2）：277-288.
[5] 龙思远，曹凤红.镁合金复合成形方法[P].中国：ZL200810069225.7， 2008-07-09.
[6] 李亚宁，龙思远，曹韩学.AZ61镁合金挤锻复合成形技术研究[J].特种铸造及有色合金，2009，（4）：384-387.
作者简介：李亚宁（1982-），男，河南郑州人，硕士研究生，助教，主要从事金属材料成形工艺的研究。
基金项目：郑州航院青年基金项目（2011163003）