鎂合金成型技術(shù)介紹

鎂合金是目前工程應(yīng)用中重量輕的工程金屬材料，具有比重輕、導(dǎo)熱性好、電磁屏蔽能力強(qiáng)、易于回收等特點，被認(rèn)為是21世紀(jì)富于開發(fā)和應(yīng)用潛力的“綠色材料”，目前已在汽車電子、航天、通訊等行業(yè)得到了應(yīng)用。

一、鎂合金材料優(yōu)點

1、重量輕

鎂合金作為一種輕質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)材料，其密度為鋁的2／3、鋼的1／4；在同等剛性條件下，1Kg鎂合金的堅固度等于18Kg鋁和2.1Kg鋼，這一特性對于現(xiàn)代手提類產(chǎn)品的重量減輕及車輛能耗減少有重要意義。

2、吸震性能高

鎂有極好的滯彈吸震性能，可吸收震動與噪音。在相同載荷下，其減振性是鋁的100倍、鈦合金的300~500倍，抗沖擊性是塑料的20倍。用于設(shè)備機(jī)殼可減少噪音傳遞、提高防沖擊與防凹陷能力。

3、切削性能良好

鎂有良好的切削性能，能接受較高的切削速度，可減少切削加工時間，延長刀具使用壽命；有優(yōu)良的表面光潔度，并可一次切削獲得，極少出現(xiàn)積屑瘤；有良好的斷屑特性及溫度傳導(dǎo)性，可免于使用冷卻液或潤滑液。

4、再生性

廢舊鎂合金鑄件可再熔化作為AZ91D、AM50或AM60的二次材料進(jìn)行鑄造。由于壓鑄件的需求不斷增長，可回收的能力是非常重要的，也更符合環(huán)保要求。

二、鎂合金材料在筆電中的應(yīng)用

筆記本電腦（以15寸筆電為例）常用鎂合金與鋁合金的對比：

目前在輕量化要求下，輕薄筆電結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品主厚都在0.5~0.6mm，傳統(tǒng)壓鑄工藝已不能滿足要求，因此筆電鎂合金薄壁件加工主要采用半固態(tài)射出成型，及少量的沖壓成型。

下面我們來了解一下，鎂合金成型技術(shù)。

三、鎂合金的成型技術(shù)

根據(jù)成型工藝的不同，鎂合金材料主要分為鑄造鎂合金和變形鎂合金兩大類。前者主要通過鑄造獲得鎂合金產(chǎn)品。包括砂型鑄造、永久型鑄造、熔模鑄造、消失模鑄造、壓鑄等。其中壓鑄是最成熟、應(yīng)用最廣的技術(shù)，目前90%以上的鎂合金產(chǎn)品是壓鑄成形的。。而后者則是通過變形生產(chǎn)尺寸多樣的板、棒、管、型材及鍛件產(chǎn)品。并且可以通過材料組織的控制和熱處理工藝的應(yīng)用，獲得更高的強(qiáng)度、更好的延展性、更好的力學(xué)性能，從而滿足更多結(jié)構(gòu)件的需要。另外，鎂合金的半固態(tài)成型作為一種新型鑄造技術(shù)也得到了廣泛的研究與應(yīng)用。

目前采用較多的鎂合金成型方法和主要工藝如下表所示：

四、鑄造鎂合金成型技術(shù)介紹

壓鑄是鎂合金最主要、應(yīng)用最廣泛的成形工藝。用鎂合金可以很容易地生產(chǎn)壁厚1.0mm～2.0mm的壓鑄件，現(xiàn)在最小壁厚可達(dá)0.6mm。鎂壓鑄件的鑄造斜度為1.5，而鋁合金是2～3度。鎂壓鑄件的尺寸精度比鋁壓鑄件高50%。鎂合金的熔點和結(jié)晶潛熱都低于鋁合金，壓鑄過程中對模具沖蝕比鋁合金小，且不易粘型，其模具壽命可比鋁合金件長2—4倍。鎂合金件壓鑄周期比鋁件短，因而生產(chǎn)效率可比鋁合金提高25%。鎂合金鑄件的加工性能優(yōu)于鋁合金鑄件，鎂合金件的切削速度可比鋁合金件提高50%，加工耗能比鋁合金件低50%。生產(chǎn)經(jīng)驗表明由于生產(chǎn)效率高，熱室壓鑄的鎂合金小件的總成本低于冷室壓鑄的鋁合金同樣件。

壓鑄鎂合金可按其成分分為四個系列：AZ系列(AZ91)、AM系列(AM60、AM50)、AS系列(AS41、AS21)、AE系列(AEA2)。

鎂合金壓鑄時，合金液沖填壓型時的高速湍流運動，使腔內(nèi)氣體無法排出，會導(dǎo)致組織疏松，甚至鑄件表面鼓包或變形。壓鑄工藝參數(shù)如壓力、速度、熔體溫度、模具溫度等對鑄件性能都有顯著影響。許多新壓鑄方法，包括真空壓鑄、充氧壓鑄和擠壓鑄造等一定程度上克服了以上缺點，減少了鑄件組織疏松和氣孔等缺陷，提高了鑄件致密度。

另外，1）熔模鑄造是目前國際上較為先進(jìn)的鑄造技術(shù)之一，熔模鑄造從原理上講適合于制備小體積高精密的鑄件，目前它已用于生產(chǎn)鋁合金甚至鎳基超合金。2）消失模鑄造是一種近無余量、精確成型的新型鑄造技術(shù)，鎂合金的消失模鑄造具有較巨大的應(yīng)用前景。

五、變形鎂合金成型技術(shù)介紹

變形鎂合金不同于鑄造鎂合金的液態(tài)成形，而是通過在300℃—500℃溫度范圍內(nèi)擠壓、軋制、鍛造的方法固態(tài)成形。由于變形加工消除了鑄造組織缺陷及細(xì)化了晶粒，故與鑄造鎂合金相比，變形鎂合金具有更高的強(qiáng)度、更好的延展性和更好的力學(xué)性能，同時生產(chǎn)成本更低。

目前鎂合金的塑性成形過程主要為鍛造和擠壓，少量為軋制成形，且均需采用熱加工方式。因此，變形溫度是重要參數(shù)，同時變形速率和應(yīng)力狀態(tài)也是重要的考慮因素。

1)鍛壓成形：鎂合金鍛造性能取決于3個因素：合金的凝固溫度、變形速率及晶粒大小。為了保證良好的加工性能必須采用具有可鍛性的AZ和ZK系鎂合金坯料或坯棒。這兩系合金可通過添加晶粒細(xì)化劑和合金元素得到滿意的晶粒尺寸。但鑄造組織的晶粒度一般不符合鍛造要求，須先將鑄錠加以擠壓，得到鍛造所需晶粒尺寸，再以高變速率鍛造成形。鎂合金在其固相線溫度以下55℃范圍內(nèi)進(jìn)行鍛造，鍛造溫度過低可能形成裂紋。液壓機(jī)和低速機(jī)械壓力機(jī)是其模鍛的常用設(shè)備。

2)擠壓成形：鎂合金可以擠壓成各種管材、棒材和型材。包括帶凹角和暗槽的型材，大直徑和變截面厚度的薄壁管等難加工的產(chǎn)品。擠壓材料也是AZ和ZK系鎂合金，溫度一般控制在300℃—460℃之間，具體溫度的選擇還和特定的合金牌號和擠壓形狀有關(guān)。因為鎂在變形過程中會產(chǎn)生大量熱，所以擠壓過程中必須充分冷卻，否則合金溫度可能超過固相線溫度而導(dǎo)致開裂。

3)軋制成形：鑄造成平面形狀且有圓形邊緣的鎂錠可以用來進(jìn)行厚板和薄板的軋制。一般鎂合金厚板厚度范圍為11.0mm—70mm，薄板厚度為0.8mm—10mm。鎂合金的冷軋性能不佳，一般厚板可以在熱軋機(jī)上直接生產(chǎn)，而薄板一般采用冷軋和溫軋兩種方式生產(chǎn)。

超塑性變形

另外，超塑性是指晶體材料在拉伸時表現(xiàn)出大的應(yīng)變。金屬及合金在一定條件下的流變應(yīng)力應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m大于0.3，表現(xiàn)出特大伸長率（200%~3000%）的性能稱為超塑性。鎂合金的室溫變形能力低，但是在超塑性狀態(tài)下卻有很高的塑性，可利用超塑性加工形狀復(fù)雜的零件與模鍛件。

超塑性加工鎂合金產(chǎn)品的主要有以下優(yōu)點：

1、成品率高：成品率可達(dá)90%以上，且產(chǎn)品表面缺陷少，可減少后續(xù)工序與生產(chǎn)成本。例如，日本用不同方法生產(chǎn)鎂合金筆記本電腦外殼，壓鑄法的成品率在70%左右，而超塑性成形法的可達(dá)91%。

2、產(chǎn)品厚度薄：用超塑性工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品，厚度比壓鑄件及半固態(tài)壓鑄件產(chǎn)品要薄很多。例如用超塑沖壓鍛造生產(chǎn)的鎂合金工件其厚度可達(dá)0.4mm，而壓鑄件及半固態(tài)壓鑄件的大多在0.8mm以上。

3、形狀復(fù)雜、變形量大的工件可一次成型，并具有流動性高，填充性好、加工設(shè)備工作推力小等特點。

4、產(chǎn)品成形時不產(chǎn)生彈性變形，成形后幾乎不會發(fā)生回彈，工件尺寸精確，表面粗糙度也小。

鎂合金超塑性成型在提出伊始就引起了很多企業(yè)的關(guān)注，一些具備條件的企業(yè)已經(jīng)開始著手相關(guān)設(shè)備的研發(fā)并成功試樣。估計再過不久，待設(shè)備和技術(shù)都成熟了，鎂合金超塑性產(chǎn)品會在多個行業(yè)發(fā)揮重要作用。

六、鎂合金半固態(tài)射出成型技術(shù)介紹

成型原理：在室溫條件下，顆粒狀的鎂合金原料由料斗強(qiáng)制輸送到料筒中，料筒中旋轉(zhuǎn)的螺桿使合金顆粒向模具運動，當(dāng)其通過料筒的加熱部位時，合金顆粒呈現(xiàn)半固態(tài)，在螺旋體剪切作用下，呈半固體的枝晶組織的合金轉(zhuǎn)變成顆粒狀初生相組織，當(dāng)累計到預(yù)定體積時，以高速5m/s將其壓入到預(yù)熱模具中成型，目前廣泛應(yīng)用于筆電外觀件。

工藝流程：半固態(tài)射出成型由塑膠射出成型衍生應(yīng)用在金屬的成型制程，其工藝流程：噴涂脫模劑→合模→射出→成型→取出成型件。根據(jù)工藝流程的不同，半固態(tài)成形通常分為流變鑄造(Rheocasting)和觸變鑄造(Thixocasting)兩類：流變鑄造是對冷卻過程中的金屬液進(jìn)行攪動，將形成的固相枝晶破碎，形成一定固相分?jǐn)?shù)的半固態(tài)金屬漿料，然后將漿料注入壓鑄機(jī)或擠壓機(jī)內(nèi)成形(俗稱“一步法”);而觸變鑄造是先由連鑄等方法制得具有半固態(tài)金屬組織的錠坯，然后切成所需長度，用二次加熱裝置再加熱到半固態(tài)狀態(tài)，最后移送至壓鑄機(jī)等再壓鑄或擠壓成形(俗稱“兩步法”)。

工藝優(yōu)勢：筆電外殼采用半固態(tài)射出成型產(chǎn)品具有組織均勻，無縮孔縮松缺陷等優(yōu)勢，其綜合力學(xué)性能與鍛件相近，高于傳統(tǒng)壓鑄件，通過半固態(tài)成型技術(shù)增加強(qiáng)鎂鋁合金等輕合金的力學(xué)性能。

與壓鑄比較，半固態(tài)射出成型有如下優(yōu)勢：

七、存在的問題及前景展望

近年來，鎂合金應(yīng)用逐年提高，但一些尚待解決的問題使得鎂合金的廣泛生產(chǎn)受到限制。表現(xiàn)在以下幾個方面：鎂的化學(xué)活性很強(qiáng)，在空氣中易氧化，在高溫情況下可以發(fā)生燃燒，因此熔煉過程中須采用復(fù)雜的保護(hù)措施。工業(yè)中主要采用熔劑保護(hù)法和氣體保護(hù)法。熔劑保護(hù)法最大缺點是反應(yīng)過程中產(chǎn)生的有害氣體嚴(yán)重污染環(huán)境并損害人體健康;而氣體保護(hù)法中經(jīng)常采用且具有良好保護(hù)效果的SF6氣體，但其溫室效應(yīng)是CO2的23500倍；鎂常溫下成形性差，目前工業(yè)上應(yīng)用的多為鎂合金壓鑄件，限制了其它成形方法的運用;鎂合金沒有像鋁合金那樣大規(guī)模使用的另一個原因是其耐蝕性差，采用表面防護(hù)又增加了其生產(chǎn)成本。

鑒于以上問題，鎂合金研究集中在以下幾個方面：無污染熔煉技術(shù)；開發(fā)和改善鎂合金的成形工藝；進(jìn)一步研究鎂合金的表面處理技術(shù)，改善其外觀和耐蝕性以及高強(qiáng)韌鎂合金和耐熱鎂合金的研究。