但是，由于鎂合金晶體結(jié)構(gòu)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(diǎn)的過分夸張甚至是錯誤的認(rèn)識，導(dǎo)致變形鎂合金沒有得到大規(guī)模應(yīng)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(chǎn)仍集中在航空航天及軍事等高端領(lǐng)域或部門，沒有普及到一般民用領(lǐng)域。在當(dāng)今社會節(jié)約資源和減少污染成為社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求的背景下，急需加快研究步伐，轉(zhuǎn)變觀念，以推動變形鎂合金鎂在民用領(lǐng)域的應(yīng)用。本文旨在總結(jié)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(biāo)準(zhǔn))：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(yè)發(fā)達(dá)國家的變形鎂合金標(biāo)準(zhǔn)及牌號見表1所示。變形鎂合金以AZ系應(yīng)用最為普遍，其中又以MB2應(yīng)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(xué)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(fā)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(jié)構(gòu)的β相，顯著改善鎂合金的塑性，變形加工能力大大增強(qiáng)。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(qiáng)度和塑性，作為板材、型材以及鍛壓成形零件，可以應(yīng)用在航空航天、汽車、3C及軍工等各個領(lǐng)域，發(fā)揮出其獨(dú)特的優(yōu)勢。利用變形鎂合金比重小、比剛度、比強(qiáng)度高的特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)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(lǐng)域中。利用鎂合金質(zhì)輕，減震、電磁屏蔽等優(yōu)良性能，來制作手提電腦、手機(jī)以及便攜音像器具等設(shè)施的外殼等，能夠達(dá)到輕巧、美觀(金屬質(zhì)感)、耐用等效果。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(yīng)用范圍將會不斷擴(kuò)大。
變形鎂合金的變形特征
1 鎂合金的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
鎂屬于密排六方晶體結(jié)構(gòu)，在室溫下只有1個滑移面(0001)，也稱基面、底面或密排面，滑移面上有3個密排方向[ 20]、[ 110]和[ 2 0]，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(xié)調(diào)動作，并最終受制于孿生；滑移與孿生的協(xié)調(diào)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(xiàn)變形缺陷，是鎂合金自身性質(zhì)決定的，也是制約變形鎂合金加工成形的本質(zhì)原因。
2 鎂合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線
根據(jù)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(shù)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。[nextpage]
提高變形溫度，能夠使鎂合金晶體內(nèi)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[10 1]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(jìn)行擠壓、軋制和鍛造等成形工藝。溫度過高，則材料氧化嚴(yán)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(xiàn)成形。成形原理相同，不同的是具體工藝參數(shù)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(chǎn)→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(hù)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(chǎn)生大量的熱量，需要采取冷卻措施，以避免溫度過高，出現(xiàn)熱裂紋。
坯料擠壓成型后進(jìn)行熱處理，可以獲得細(xì)小而均勻的合金組織，去除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定形狀和尺寸，改善其使用性能。
金屬擠壓工藝生產(chǎn)變形鎂合金型材和管材目前國內(nèi)還不太成熟，尤其是生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(jìn)行中間退火。采用多道次、小壓下量工藝進(jìn)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(cè)面銑面并經(jīng)過探傷檢查。要求板坯內(nèi)部組織均勻，晶粒細(xì)小，第二相分布均勻。采用帶有空氣循環(huán)的電阻鏈?zhǔn)郊訜釥t加熱，加熱溫度一般為450-5000C，加熱過程中要使?fàn)t膛內(nèi)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(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均有所下降。
2）薄板軋制工藝
薄板生產(chǎn)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(huán)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(zhì)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(jìn)行退火熱處理，使加工組織發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，消除應(yīng)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。[nextpage]
變形鎂合金板材的生產(chǎn)，我國已具備工業(yè)化生產(chǎn)能力，洛陽銅加工廠鋁鎂分廠可以生產(chǎn)多品種多規(guī)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(xué)輕金屬工程研究中心經(jīng)過研究，已具備生產(chǎn)鎂合金板材的自主產(chǎn)權(quán)生產(chǎn)技術(shù)，已經(jīng)生產(chǎn)出0.35-1.2mm的薄板，性能優(yōu)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(dá)到同其他金屬一樣的程度，并且根據(jù)鍛造尺寸和設(shè)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(xué)性能和更理想的內(nèi)部組織。變形鎂合金的鍛造設(shè)備一般為液壓鍛壓機(jī)或機(jī)械式鍛壓機(jī)。
鎂合金的導(dǎo)熱性能好，傳熱速度快，如果模具溫度過低會導(dǎo)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(yīng)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(shù)較大，流動性差，黏附力大，充填較深的垂直?？纵^為困難，因此，除了模具設(shè)計應(yīng)注意此特點(diǎn)外，必須采取適當(dāng)?shù)臐櫥?。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(lǐng)域的重要零件的等溫鍛造，如大型直升機(jī)的上機(jī)匣。近期據(jù)報道美國汽車研究協(xié)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(nèi)側(cè)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(yīng)用廣泛的成形方法，幾乎出現(xiàn)在所有的薄板成形工藝中，它可以直接作為單獨(dú)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(jìn)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(shè)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(fā)生回彈現(xiàn)象，需要在模具設(shè)計予以考慮。彎曲成形中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，也需要采取措施，消除和釋放殘余應(yīng)力。消除殘余應(yīng)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(fù)雜的汽車覆蓋件、手提電腦外殼、手機(jī)外殼以及其它3C產(chǎn)品的殼體零件。
鎂合金薄板的拉延性能與板材的塑性應(yīng)變比r和應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)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(guān)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(jù)報道德國奧迪汽車公司采用熱拉延(熱沖壓)生產(chǎn)鎂合金汽車車門內(nèi)飾板，減重效果明顯。據(jù)Aida，Shuhei研究AZ31B薄板的沖壓性能，在473K，薄板的沖壓極限可達(dá)3.2，最大延伸率可達(dá)80-90%，沖壓性能得到明顯改善。[nextpage]
筆者利用板厚為0.6mm的AZ31B鎂合金薄板，通過優(yōu)化模具設(shè)計參數(shù)，優(yōu)化沖壓工藝參數(shù)，在一般的機(jī)械沖壓機(jī)上，于2004年5月首次成功沖壓某機(jī)型手機(jī)面板。工藝參數(shù)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(shù)控制準(zhǔn)確的情況下，制品表面質(zhì)量符合要求，無皺折、毛刺等缺陷。該手機(jī)面板具有質(zhì)的輕、剛性強(qiáng)、手感好和形狀穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
結(jié)語
變形鎂合金具有諸多優(yōu)良性能，加之資源豐富，市場潛力巨大，應(yīng)用前景廣闊。只要工藝參數(shù)合理科學(xué)，變形鎂合金可以適應(yīng)任何金屬成形工藝，生產(chǎn)出所需要的產(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量，以拓展變形鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域。
同時，應(yīng)當(dāng)以汽車、3C等領(lǐng)域為變形鎂合金的主要應(yīng)用領(lǐng)域，盡快形成產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，形成強(qiáng)大的市場需求驅(qū)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(fā)和生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)鏈條，加快我國由鎂生產(chǎn)大國到鎂合金應(yīng)用強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變步伐。
