聶 焱，王祝堂

(1.東北輕合金有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150060；2.中國有色金屬加工工業(yè)協(xié)會，北京 100814)

鍛造是一種常用的金屬加工工藝，但與鋼鍛件、鋁合金鍛件及鈦合金鍛件不相同，鍛件在鎂合金壓力加工產(chǎn)品中所占的比例很小，可能還不到1%。鎂合金鍛件僅在直升機、汽車與摩托車領(lǐng)域有少量的應(yīng)用，但是不可缺少的重要受力結(jié)構(gòu)件。鎂合金鍛造工藝與鋁合金的大體相同，但有一些差異。與鎂合金鑄造相比，鍛造的主要優(yōu)點有二：當(dāng)晶粒流向與主載荷方向一致時，鍛件有高的靜態(tài)和動態(tài)強度性能；鍛件組織致密、無氣孔與疏松，力學(xué)性能好，是優(yōu)異的氣密性結(jié)構(gòu)件。

鎂合金的鍛造特性：

1)鍛坯溫度高，表面摩擦因數(shù)較大，粘附力大，流動性差，不易填充較深的垂直盲孔。因此，鎂合金鍛造時的內(nèi)外圓角半徑和肋厚等都要比鋁合金的大，最好能大50%；

2)宜采用擠壓坯料。為了保證坯料有良好的鍛造性能，鑄錠必須車皮和較深度的均勻化處理，修整表面缺陷；

3)鍛造鎂合金時，不但要嚴(yán)格控制坯料與鍛件溫度，而且應(yīng)嚴(yán)格控制模具溫度，如果鍛坯與溫度過低的模具接觸，其表面就會因為激冷而產(chǎn)生龜裂，甚至無法鍛造；

4)鎂合金的可鍛性比鋁合金的低得多，同時對變形速度極為敏感，增大變形速度，塑性明顯下降，因此一些復(fù)雜的鎂合金鍛件需要二、三次加熱成形，即多火次鍛造，同時加熱溫度應(yīng)一次比一次的低，以免晶粒長大。

1 鍛造鎂合金及其可鍛性

1.1 鍛造鎂合金及其鍛造溫度

中國常用鍛造鎂合金及其鍛造溫度見表1。鎂合金的最高鍛造溫度與固相線溫度相差不可超過55 ℃。

表1 中國常用鍛造鎂合金及其鍛造溫度Table 1 Forging magnesium alloys commonly used in China and forging temperatures

根據(jù)美國諾蘭達鎂業(yè)公司(Noranda)M.阿維德西安的推薦，美國鍛造鎂合金的成分及鍛造溫度見表2。

表2 美國鍛造鎂合金的成分及鍛造溫度Table 2 Compositions and forging temperatures of American wrought magnesium alloys

應(yīng)在不會發(fā)生再結(jié)晶的溫度下進行鍛造。鍛造時坯料發(fā)生變形，變硬了一些。鎂合金的塑性與其成分相關(guān)，可鍛性取決于其固相線溫度、變形率和坯料顯微組織。Mg-Al-Zn系、Mg-Zn-Zr系合金是常用的鍛造鎂合金，如工件需在高溫下工作可采用含釔和稀土元素的WE系鎂合金。當(dāng)今由于鑄造工藝的改進、設(shè)備性能的提高與晶粒細化劑的采用，可以鑄造出顯微組織良好的圓鑄錠，可直接作為鍛造坯料不必經(jīng)過擠壓，從而可以簡化鍛造工藝，降低生產(chǎn)成本。大多數(shù)鎂合金可以在290 ℃～385 ℃鍛造，但鋅含量高的ZK60鎂合金不可以，因為它在凝固時會在共晶溫度315 ℃時有少量的共晶形成，在共晶溫度以上鍛造會產(chǎn)生嚴(yán)重開裂。不過，若延長均勻化處理時間，使少量的共晶相充分溶解，也可以解決鍛造時的開裂問題。

1.2 可鍛性

鎂合金的塑性與其化學(xué)成分有關(guān)，可鍛性決定于：合金凝固溫度、變形率和錠坯顯微組織。AZ31B鎂合金和6061鋁合金在液壓機上鐓粗10%時的鍛壓力比較見圖1。表3所示為鐓粗10%時，各種材料所需鍛壓力的比較。由所列數(shù)據(jù)可見，鎂合金所需的鍛壓力比碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼和鋁合金的都大，但小于不銹鋼的。因此，在鍛造相同的結(jié)構(gòu)件時，鎂合金的鍛造比鋁合金的困難一些，鍛造道次宜多一些。

據(jù)美國諾蘭達鎂業(yè)公司的數(shù)據(jù)，幾種鎂合金鍛壓時所需的鍛壓力見圖2。

圖1 AZ31B鎂合金和6061鋁合金在液壓機鐓粗10%時的鍛造壓力比較Fig.1 Comparison of forging pressure between AZ31B magnesium alloy and 6061 aluminum alloy under 10% upsetting in hydraulic press

2 鎂合金的鍛造設(shè)備與坯料準(zhǔn)備

2.1 設(shè)備

鎂合金可以鍛壓成不同形狀與大小的工件，鍛件大小決定于鍛壓機的噸位。鎂合金在低速鍛造時還是有相當(dāng)高的熱塑性。鍛壓通常采用液壓機或低速壓力機。采用鑄坯直接鍛造時應(yīng)注意工藝參數(shù)的控制，液壓機或低速壓力機的鍛壓速度不高，鎂合金在鍛造時的形變過程中會發(fā)生再結(jié)晶，從而提高合金的可成形性，還可以擴大變形范圍，溫度控制范圍也可加大一些，特別是能在最大壓力下保持一定的時間，從而改善充模能力。鎂合金的錘鍛變形量不得超過30%～50%，但在液壓機上可達70%～90%。采用液壓鍛造機可以制得小尖角、圓角及薄腹板或底板的鎂合金鍛件，如半徑為1.6 mm的尖角、半徑4.8 mm的圓角或3.2 mm厚的腹板或底板的鎂合金鍛件。鍛件的拔模斜度宜不大于3°，因此，在錘鍛或高速鍛造鎂合金時，應(yīng)嚴(yán)格控制各項工藝參數(shù)。AZ80A鎂合金極難鍛造，而ZK60A和AZ31鎂合金則可用錘鍛機和高速壓力機鍛造。鎂合金在進行無支撐中等變形彎曲時也會開裂。

表3 不同材料在鐓粗10%時所需的鍛壓力Table 3 The forging pressure required for 10% upsetting of different materials

圖2 幾種鎂合金進行鍛壓時所需的鍛造壓力Fig.2 The forging pressure of various magnesium alloys during forging

2.2 工模具

鎂合金的自由鍛造大都在平砧或異形砧上進行，也可以用輥輪環(huán)軋環(huán)形件或圓形件。鍛壓前工具應(yīng)加熱，以確保終鍛溫度。工模具的設(shè)計與制備是鎂合金鍛件的關(guān)鍵技術(shù)。鎂合金的鍛造溫度并不高，可用5 CrNiMo鋼或5 CrNiMn鋼制造鍛模。鍛模工作面應(yīng)經(jīng)過精磨，降低表面粗糙度，以利于鍛造過程中鎂合金的流動，防止鍛件表面粗糙、劃傷或其他鍛造缺陷。

由于鎂合金的比熱容不大，模具務(wù)必充分預(yù)熱，否則鍛坯溫度會明顯下降，充型能力會大大下降，甚至?xí)嗔选Ｄｅ憰r工件與模接觸面積大，接觸時間長，因此鍛模溫度不能比坯料溫度低很多(參見表1、2)。環(huán)軋時，工件與模具的接觸面小，接觸時間也短，對模具溫度要求寬松，另外，環(huán)軋時金屬還會釋放一些變形熱，可以補償部分熱損失，因而模具稍微加熱即可。

2.3 坯料

鎂合金鑄錠變形能力遠不如鋁合金的，因此大多數(shù)采用經(jīng)過預(yù)擠壓的棒料作為鍛造坯料。當(dāng)然在個別情況下，也可以用經(jīng)過均勻化處理的精細鑄錠直接鍛造，鑄錠必須經(jīng)過均勻化處理，鎂合金鑄錠的均勻化退火規(guī)范見表4。預(yù)擠壓棒料的顯微組織為晶粒較為細小的變形組織，鍛造時可以施加較大的變形速度，變形量也可以大一些。

表4 鎂合金鑄錠的均勻化退火規(guī)范Table 4 Specification for homogenizing annealing of magnesium alloy ingot

錠坯下料采用鋸切，不采用剪切，以免切口處出現(xiàn)裂紋。鍛造前應(yīng)對鍛坯進行機械加工，消除各種缺陷，以免鍛造時開裂。鎂合金擠壓棒料表面有一層粗晶環(huán)，應(yīng)車削去掉。

鎂合金坯料塑性隨著溫度升高而上升，成形性也上升，但溫度一旦過高，鍛件的力學(xué)性能會下降，即變軟。若加熱溫度過高、保溫時間過長或加熱次數(shù)過多，則再結(jié)晶充分，形成粗晶組織。這種粗大晶粒和軟化現(xiàn)象在以后熱處理時無法清除，所以應(yīng)嚴(yán)控坯料的加熱參數(shù)。

鎂合金中的原子在加熱過程中的擴散甚慢，強化相溶解時間長，故實際加熱時間并不短。鍛造前坯料加熱及保溫時間可按每毫米直徑或厚度1.5 min～2 min計算，但總的加熱時間不得超過6 h，以免晶粒長大和軟化。鎂合金的鍛造溫度范圍及坯料加熱規(guī)范見表5。

表5 鎂合金的鍛造溫度和錠坯的加熱規(guī)范Table 5 Specification for magnesium alloy forging temperature and ingot heating

3 鍛壓工藝

3.1 鍛造壓力的估算

幾種鎂合金坯料所需的鍛造壓力參數(shù)見圖2。由圖2可見，鍛造壓力隨著壓下量的增加先增大后稍有下降，這是由于鍛壓過程中鎂合金變形時產(chǎn)生的溫度升高引起的。閉模鍛造中鍛造壓力隨鍛造形狀而異，如飛邊尺寸略有變化就會使載荷發(fā)生很大變化，飛邊尺寸與鍛造載荷的關(guān)系見表6。

表6 飛邊尺寸與鍛造載荷關(guān)系Table 6 The relation between flash dimension and forging load

鎂合金的室溫可變形量小，鍛造時易開裂，鍛造溫度對鍛造壓力大小影響明顯，圖1出示AZ31B鎂合金、6061鋁合金鍛壓溫度與鍛造壓力的關(guān)系，由圖1可見，溫度對鍛造鎂合金壓力的影響比對鋁合金的大得多。鎂合金填充深模腔的能力比鋁合金的低得多。若制備一個典型鋁合金結(jié)構(gòu)鍛件需要兩副模具，而鍛造相應(yīng)的鎂合金鍛件至少需要三副模具。

3.2 鍛造溫度

根據(jù)美國諾蘭達鎂業(yè)公司的資料，一些鎂合金的鍛造溫度示于表2。鎂合金鍛件的力學(xué)性能取決于鍛造應(yīng)變硬化程度，鍛造溫度越低，應(yīng)變硬化越大，但溫度不能過低，否則鍛件易開裂。鑄坯與鍛坯最好在電爐內(nèi)加熱，在低于480 ℃加熱時可不采用惰性或還原性氣氛。在多火次鍛造形狀復(fù)雜鍛件時，后一次的溫度宜比前一次的低15 ℃～20 ℃，除了可以控制再結(jié)晶外，還有利于保留殘余應(yīng)變硬化。由于鎂合金的鍛造溫度比其熔點低很多，只要合理控制加熱溫度，不會發(fā)生安全事故，但應(yīng)確保鍛造溫度均勻，必須避免預(yù)熱坯料存在大的溫度梯度和局部過熱。

AZ系鎂合金的最高鍛壓溫度約為420 ℃，最低為225 ℃左右。在225 ℃以上變形，鎂晶體在滑移時可以啟動錐面滑移，提高成形性能。在生產(chǎn)中，Mg-Al-Zn系和Mg-Zn-Zr系合金鍛壓溫度為250 ℃～400 ℃； ZW系耐熱鎂合金的坯料和模具溫度為400 ℃～450 ℃，否則，將導(dǎo)致鍛件力學(xué)性能下降、開裂和不易充模等。

3.3 鍛造速度

鎂及鎂合金的鍛造速度取決于：鍛壓機類型、合金成分、錠坯的組織狀態(tài)、模具情況、潤滑狀況等。由于鎂合金的塑性較低，多采用速度較低的液壓機鍛造，在快速機械壓力機和鍛錘上鍛壓往往鍛件會開裂。

3.4 變形程度

鎂合金的鍛造變形程度取決于合金種類、錠坯是否均勻化處理、顯微組織、模具狀況、鍛造溫度、鍛造速度等。由于鎂合金塑性低、變形抗力大、對應(yīng)變速度敏感、鍛造溫度范圍窄，因而多采用液壓鍛造壓力機或慢動作的機械鍛壓機。在液壓機上鍛造時，變形程度可達60%～90%，而用鍛錘或快速鍛壓機鍛造，則變形程度應(yīng)減少50%或更多一些。一些鎂合金的最大變形程度見表7。

3.5 模具

鎂合金的鍛模大體上可按照鋁合金鍛模設(shè)計規(guī)范進行設(shè)計與制造，但是鎂合金的流動性差,適合于單型腔模鍛，而形狀復(fù)雜的大型鎂合金鍛件，最好先自由鍛制坯，然后單型腔模鍛。鎂合金的鍛造溫度

表7 鎂合金鍛造最大變形程度Table 7 Maximum forging deformation of magnesium alloys

不高，模具材料可用低合金熱作模具鋼，但模具的制造應(yīng)精良，型腔表面應(yīng)光潔，以提高零件的充型能力，防止鍛件表面粗化與劃傷。在液壓機上鍛造時，模的內(nèi)外圓角半徑可小到1.5 mm～5 mm，筋板和腹板的厚度可薄至3.5 mm，脫模斜度可不大于30。由于鍛件與模具接觸面積大、接觸時間長、傳熱快，應(yīng)按表1～2的規(guī)范預(yù)熱鍛模。

3.6 潤滑

鍛造鎂合金時使用彌散于輕油或煤油中的細石墨粉作為潤滑劑，將其涂于或噴灑于熱模上，作為載體的油燃燒后，留下一層薄薄的石墨，是很好的潤滑劑。常常在坯料鍛造后再稍微潤滑一次鍛模。有時在鍛造前先預(yù)熱坯料到100 ℃～150 ℃，而后在水基或油基石墨中浸漬一下，便可在坯料上形成一層均勻的石墨層，可明顯提高鍛造成形性和鍛件表面質(zhì)量，也可以直接利用噴燈火焰中的殘余煙墨作為潤滑劑。不管什么方法與何種材料作為潤滑劑，潤滑劑在鍛件上的潤滑層應(yīng)該又薄又均勻又致密，若附于鍛件上的石墨層厚且不均勻，在后續(xù)酸洗時易產(chǎn)生點腐蝕或電化學(xué)腐蝕。鍛件上的殘余石墨膜層可用噴砂法去除。

3.7 切邊與精整

鎂合金鍛件的切邊也是一道很重要的工序，鎂合金在溫度低于220 ℃時塑性差，對拉應(yīng)力很敏感，易產(chǎn)生裂邊；溫度高時又很軟，黏性大，易拉傷，產(chǎn)生毛邊，應(yīng)切除。鍛件少時，可在冷態(tài)下采用帶鋸或銑削切除；批量大時，可用切邊模在200 ℃～300 ℃修除。用咬合式模，凹凸模間隙宜小或無間隙，以免產(chǎn)生切邊裂紋。

一般在模鍛溫度范圍內(nèi)進行鍛件的精壓整形，最好在230 ℃～300 ℃進行半熱冷作硬化精壓整形，變形程度10%～15%。整形后分兩步進行清洗，首先進行噴砂除凈表面殘留潤滑劑，再在含質(zhì)量分數(shù)8%HNO3和2%H2SO4的熱水內(nèi)漂洗，然后以熱水洗凈。必要時可將鍛件浸入重鉻酸鹽溶液中進行防腐蝕處理。

3.8 鍛件熱處理

ZK21A、AZ31B和AZ 61A鎂合金鍛件在鍛造狀態(tài)下使用；EK31A鎂合金鍛件在固溶+人工時效狀態(tài)(T6)使用；AZ80A、ZK60A、HM2IA鎂合金鍛件在鍛壓態(tài)或人工時效狀態(tài)(T5)使用。

鎂合金鍛件在鍛壓后一般進行空冷，也可以水冷，以防進一步再結(jié)晶和晶粒長大。水冷可使熱處理可強化鎂合金獲得過飽和固溶體，在時效處理時可進行沉淀析出。鎂合金過飽和固溶體很穩(wěn)定，幾乎沒有自然時效作用，都在人工時效狀態(tài)應(yīng)用。鎂合金鍛件的熱處理規(guī)范見表8。

鎂合金的熱處理一般為退火、淬火和人工時效。熱處理不可強化的MB1、MB8鎂合金和熱處理強化效果不大的MB2鎂合金鍛件只在退火狀態(tài)應(yīng)用，MB3和MB5鎂合金也只在退火后應(yīng)用。退火作用：消除內(nèi)應(yīng)力，提高尺寸穩(wěn)定性，消除應(yīng)力集中敏感性，減少或消除各向異性。

表8 鎂合金的熱處理規(guī)范Table 8 Specification for heat treatment of magnesium alloys

MB7鎂合金鍛件可進行固溶處理，也可以進行固溶+人工時效處理。鎂合金在高溫下易發(fā)生晶粒長大，應(yīng)嚴(yán)格控制熱處理溫度，否則鍛件晶粒會粗化，降低力學(xué)性能與抗蝕性。

3.9 鍛件質(zhì)量的控制

3.9.1 晶粒度控制

有些鎂合金如AZ31B、AZ6lA和AZ80A在鍛造時會形成粗大晶粒。為防止晶粒長大，必須逐步降低鍛造溫度，后步的鍛造溫度比前一次的低10 ℃～15 ℃，此法在控制晶粒長大方面還是很有效的。ZK61A和HN21A鎂合金鍛件在鍛造溫度下晶粒長得很慢，而且沒有過分長大傾向。

3.9.2 力學(xué)性能控制

鎂合金鍛件的力學(xué)性能取決于合金類型、熱處理狀態(tài)、鍛造溫度和速度、變形程度及方式等。通常，鍛件的強度性能隨著變形程度的增加而增大，隨著鍛造溫度的升高而減小。鎂合金鍛件有相當(dāng)強的各向異性，圖3和表9示出單向壓縮MgAl8Zn(AZ80)合金的強度與晶體取向的關(guān)系。多向鍛造可有效地避免此現(xiàn)象，如三向鍛造的鎂合金車輪，由于各部分應(yīng)變比較均勻，拉伸性能幾乎各向同性(表10)。

表9 MgAl8Zn合金鍛件的各向強度性能Table 9 Anisotropic strength performance of MgAl8Zn alloy forgings

圖3 單向壓縮MgAl 8Zn(AZ80)合金的強度與晶體取向關(guān)系Fig.3 Relationship between tensile strength,yield strength and crystal orientation of MgAl 8Zn(AZ80) alloy under unidirectional compression

表10 ZK30鎂合金鍛造車輪的力學(xué)性能Table 10 Mechanical properties of ZK30 magnesium alloy forged wheels

以循環(huán)彎曲試驗結(jié)果表征車輪的疲勞強度，試驗參數(shù)及結(jié)果見表11。若車輪尺寸和結(jié)構(gòu)相同，鎂合金車輪的疲勞強度約為鋁合金車輪的8.5%，加大鎂合金車輪壁厚可提高其疲勞強度，但這意味著車輪質(zhì)量的增大。有限元分析和計算表明，與鋁合金車輪相比，鎂合金車輪質(zhì)量如果減輕10%～15%，則它們的疲勞強度相當(dāng)。鍛造鎂合金車輪的優(yōu)點為：質(zhì)量輕，抗疲勞，耐沖擊，但抗蝕性比鋁合金的低，制造成本則較高(表12)。

表11 鍛造鋁合金及鎂合金車輪的幾種性能Table 11 Varied performance of aluminum alloy and magnesium alloy forged wheels

表12 鍛造鎂合金車輪特點Table 12 Features of forged magnesium alloy wheels

3.9.3 主要缺陷分析

鎂合金鍛件易產(chǎn)生粗晶環(huán)斷裂、穿晶裂紋、表面腐蝕和氧化等缺陷。中、低塑性鎂合金對變形速度很敏感，鐓粗時坯料表面易沿最大切應(yīng)力方向開裂，宜用速度慢的液壓機鍛造；用較快的液壓機或鍛錘鍛造時，開始時宜輕擊慢擊，否則因變形量大，易產(chǎn)生剪切開裂；鍛造溫度不可過低，同時應(yīng)確保模具溫度，與錠坯溫度不能相差太多，以防硬脆相析出，進一步降低錠坯變形能力。鎂合金的塑性低，對拉應(yīng)力又特別敏感，常常因切邊裂紋而導(dǎo)致鍛件開裂，因此應(yīng)嚴(yán)格按切邊工藝操作，防止產(chǎn)生切邊裂紋。

鎂及鎂合金的抗蝕性差，鍛件表面易產(chǎn)生點腐蝕，腐蝕點呈暗灰色粉末狀，噴砂或酸洗后成為凹坑或小孔，如果繼續(xù)鍛造，會在小孔或凹坑密集處開裂，并向鍛件內(nèi)部擴展，造成廢品。為防止點蝕，潤滑劑不能過厚，更不得使用鹽類潤滑劑，鍛后及時清除潤滑劑、酸洗、吹干。酸洗是消除鍛件表面的自然氧化膜層和污物，露出金屬表面，可以明顯地暴露折疊、裂紋、拉傷等缺陷，以便修傷、清除缺陷。

如果工序間停留時間多于10 d，或鍛后不能及時機械加工，則需要進行氧化處理。槽液成分及工藝條件見表13。氧化后立即在室溫水中清洗0.5 min～2 min，再在低于50 ℃熱水槽內(nèi)清洗0.5 min～2 min，最后用50 ℃～70 ℃的壓縮空氣或室溫干燥空氣吹干。

鍛件氧化后，表面上形成一層金黃色膜，如果不進行鍛造或不能及時機械加工，應(yīng)涂油包裝封存，否則保存期不得超過30 d。

表13 鎂合金鍍件化學(xué)氧化處理工藝Table 13 Chemical oxidation treatment of magnesium alloy plating parts