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近年來對(duì)輕質(zhì)材料的需求越來越大，鎂合金作為結(jié)構(gòu)材料由于具有比重小、比強(qiáng)度和比剛度高、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性好、切削加工性好、優(yōu)良的阻尼性和電磁屏蔽性、易于加工成形和回收等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于汽車、電子、通訊等行業(yè)，被譽(yù)為"21世紀(jì)的綠色工程材料”。

根據(jù)成形工藝的不同，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)。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)成形作為一種新型鑄造技術(shù)也得到了廣泛的研究與應(yīng)用。

1.鑄造鎂合金

鑄造是鎂合金的主要成形方法，包括砂型鑄造、金屬型鑄造、熔模鑄造、消失模鑄造和壓鑄等在內(nèi)的多種鑄造方法均可用于鎂合金成形。目前，90%以上的鎂合金產(chǎn)品是壓鑄成形的。

1.1壓鑄

壓鑄是鎂合金最主要、應(yīng)用最廣泛的成形工藝。鎂合金有優(yōu)良的壓鑄工藝性能：鎂合金液粘度低，流動(dòng)性好，易于充滿復(fù)雜型腔。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(diǎn)和結(jié)晶潛熱都低于鋁合金，壓鑄過程中對(duì)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(yàn)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(gè)系列：AZ(Mg

—AL—Zn)系列(AZ91)、AM(Mg—AL—Mn)系列(AM60、AM50)、AS(Mg-A1-Si系列(AS41、

AS21)、AE(Mg-AL-RE)系列(AEA2)。

AZ系列合金AZ91具有良好的鑄造性能和最高的屈服強(qiáng)度，其壓鑄件廣泛應(yīng)用于汽車座椅、變速箱外殼等多種形式部件。AM系列合金AM50、AM60具有較高的延伸率和韌性，用于抗沖擊載荷、安全性高的場合如車輪、車門等。AS系列的鎂合金AS41、AS21和AE系列的AFA2是20世紀(jì)70年代開發(fā)的耐熱壓鑄鎂合金。

鎂合金壓鑄中廣泛采用冷、熱室壓鑄方法。一般薄壁鑄件采用熱室壓鑄機(jī)，厚壁鑄件采用冷室壓鑄機(jī)。鎂合金熱室壓鑄機(jī)是目前國外使用數(shù)量最多的鎂合金壓鑄專用設(shè)備，具有生產(chǎn)效率高，澆注溫度低，注型壽命長，易實(shí)現(xiàn)熔體保護(hù)等特點(diǎn)。主要缺點(diǎn)是設(shè)備成本和維修費(fèi)用較高。

鎂合金壓鑄時(shí)，合金液沖填壓型時(shí)的高速湍流運(yùn)動(dòng)，使腔內(nèi)氣體無法排出，會(huì)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(duì)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(diǎn)，減少了鑄件組織疏松和氣孔等缺陷，提高了鑄件致密度。美國俄亥俄州精密成型公司C.Rozak介紹了鎂合金的金屬壓縮成型技術(shù)(MCF)在整個(gè)鑄件表面加壓的成型方法，在壓力下凝固，改善了微觀組織，減少了晶粒尺寸和孔隙率，鑄件致密均勻，可用于生產(chǎn)性能要求高、形狀復(fù)雜的鑄件。

1.2熔模鑄造

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。在鎂合金鑄件的發(fā)展歷程中，有些工件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一些部位壁厚非常薄，并且對(duì)表面粗糙度和尺寸公差要求嚴(yán)格，則可以采用熔模鑄造來生產(chǎn)。

采用熔模鑄造法生產(chǎn)鑄件時(shí)具有不需取模、無型芯和無分型面等特點(diǎn)，因而其鑄件的尺寸精度和表面粗糙度接近于熔模精鑄件。此外，熔模鑄造為鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了充分的自由度，原來多個(gè)零件組裝的構(gòu)件，可以通過分片制型后粘合成一體實(shí)現(xiàn)整體澆注，因此可以經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)許多復(fù)雜零件。但是，熔模鑄造的設(shè)備投入和單位鑄造成本高，工件尺寸有限。此外，鎂與熔模鑄型材料和粘結(jié)材料用氧化物陶瓷之間存在高活性反應(yīng)，從而大大地限制了其應(yīng)用。生產(chǎn)鎂合金薄壁件時(shí)需要預(yù)熱鑄型以便填充薄壁部位，然而預(yù)熱溫度和澆注溫度過高將促進(jìn)鎂合金與鑄型間的反應(yīng)。有研究表明采用低的鑄型預(yù)熱溫度時(shí)，ZrO2是一種很有前景的鑄型材料。

1.3消失模鑄造

消失模鑄造是一種近無余量、精確成型的新型鑄造技術(shù)，它具有許多的優(yōu)點(diǎn)，如，型砂不需要粘結(jié)劑、鑄件落砂及砂處理系統(tǒng)十分簡便，容易實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn);鑄件沒有分型面及起模斜度，可使鑄件的結(jié)構(gòu)高;加工裝配時(shí)間減少，鑄件成本可下降10%—30%等等。

初步試驗(yàn)研究表明，鎂合金的特點(diǎn)非常適合消失模鑄造工藝，因?yàn)殒V合金的消失模鑄造除具有以上特點(diǎn)外，還具有如下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

①鎂合金在澆注溫度下，泡沫模樣的分解產(chǎn)物主要為烴類、苯類和苯乙烯等氣霧物質(zhì)，它們對(duì)沖型成型時(shí)極易氧化的液態(tài)鎂合金具有自然的保護(hù)作用;

②采用干砂負(fù)壓造型避免了鎂合金液與型砂中水分的接觸和由此而引起的鑄件缺陷;

③與目前普遍采用的鎂合金壓鑄工藝相比較，其投資成本大為降低，干砂良好地退讓性減輕了鎂合金凝固收縮時(shí)的熱裂傾向;金屬液較慢和平穩(wěn)的充型速度避免了氣體的卷入，使鑄件可經(jīng)熱處理進(jìn)一步提高其力學(xué)性能。所以，鎂合金的消失模鑄造具有較巨大的應(yīng)用前景。

鎂合金的凝固和化學(xué)性能方面的特點(diǎn)，使得鎂合金在消失模鑄造中產(chǎn)生了很多問題，特別是澆不足和氧化燃燒。由于鎂合金低的密度和比熱容，氣化泡沫模樣所需要的熱量來自高溫液態(tài)鎂合金的潛熱從而阻礙了充型，而且鎂合金的結(jié)晶溫度范圍寬，因此消失模充型時(shí)金屬液的壓頭作用小，極易過早停止流動(dòng)，產(chǎn)生澆不足缺陷。鎂合金的化學(xué)反應(yīng)可能通過使用在鎂合金砂型鑄造工業(yè)中應(yīng)用的阻燃劑和輔助使用高孑L隙率的模樣涂料進(jìn)行控制，還可以采用可控氣氛進(jìn)行防止?jié)沧r(shí)的氧化燃燒。另外，高密度的泡沫模樣吸收更多的熱量，產(chǎn)生更多的液態(tài)和氣態(tài)產(chǎn)物，降低了鎂合金的充型性。但泡沫模樣在澆注過程中產(chǎn)生的還原性氣氛降低甚至阻止鎂合金的氧化燃燒，保證了鎂合金在加工成型過程中的安全性，也有利于保證鎂合金熔體的潔凈優(yōu)質(zhì)。

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變形鎂合金

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(shí)生產(chǎn)成本更低。

2.1塑性變形

變形鎂合金中，常用的合金系是Mg—Al—Zn系與Mg—Zn—Zr系。Mg—Al—Zn系變形合金——般屬于中等強(qiáng)度、塑性較高的變形材料，鋁在鎂中的含量為0—8%，典型合金為AZ31、AZ61和AZ81合金，由于Mg—Al合金具有良好的強(qiáng)度、塑性綜合性能，而且價(jià)格較低，因此是最常用的合金系。Mg—Zn—Zr系合金一般屬于高強(qiáng)度材料，其變形能力不如Mg—Al系合金，一般采用擠壓工藝生產(chǎn)，典型合金為ZK60合金。屬高強(qiáng)度變形鎂合金的還有Mg—Mn系，其最主要的優(yōu)點(diǎn)是具有優(yōu)良的抗蝕性和可焊性，但鑄造性能差，收縮率大，有熱裂傾向，應(yīng)用較少。另外，添加Nd、Th、Yb、Sc和Mn等元素可顯著提高變形鎂合金的耐蝕性。

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(shí)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(gè)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(hào)和擠壓形狀有關(guān)。因?yàn)殒V在變形過程中會(huì)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)。

鎂合金熱軋時(shí)，一方面要保證鑄態(tài)組織得到充分變形，達(dá)到改善組織的目的，因此要有一定的變形量;另外，由于多晶鎂合金滑移系少，晶粒不易產(chǎn)生宏觀屈服而易在晶界產(chǎn)生大的應(yīng)力集中，合金很容易發(fā)生晶間斷裂。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)開坯時(shí)首次變形量控制在壓下量s二30%左右最合適。鎂合金板材在軋制以后一般要進(jìn)行退火及熱處理，加工組織發(fā)生再結(jié)晶。其退火溫度應(yīng)選擇在靠近完全再結(jié)晶溫度范圍內(nèi)。

2.2超塑性變形

超塑性是指晶體材料在拉伸時(shí)表現(xiàn)出大的應(yīng)變。已有的研究結(jié)果表明，鎂合金在一定條件下不但具有很高的塑性，而且甚至出現(xiàn)明顯的超塑性。當(dāng)晶粒細(xì)化到一定程度(約10—6m)，鎂合金可獲得相對(duì)的超塑性。通常超塑性現(xiàn)象主要發(fā)生在高溫(約等于0.7Tm，Tm為材料的熔點(diǎn))，應(yīng)變速率相對(duì)較低，工業(yè)生產(chǎn)中受到限制。Langdon提出了超塑性變形的兩個(gè)必要條件：①局部縮頸受到限制;②空洞內(nèi)部相互連接受到抑制。目前，采用高應(yīng)變速率超塑性成形和低溫超塑性成形獲得細(xì)小晶粒。其中，等通道角擠壓技術(shù)是低溫超塑性的一種方法，在200℃溫度下可使AZ91鎂合金延伸率達(dá)到675%。

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半固態(tài)成形

半固態(tài)成形技術(shù)，是在金屬凝固過程中，將結(jié)晶過程控制在固—液兩相共存溫度，并通過劇烈攪拌破碎枝晶組織，從而獲得一種金屬母液中懸浮一定固相成分的固—液?昆合漿料，再采用壓鑄、模鍛等成形加工工藝進(jìn)行的金屬成形技術(shù)。半固態(tài)加工，是一種新型、先進(jìn)的工藝方法，與傳統(tǒng)液態(tài)鑄造成形相比，具有成形溫度低(鎂合金可降低100℃左右)，延長模具的壽命，改善生產(chǎn)條件和環(huán)境，細(xì)化晶粒，減少氣孔、縮孔，提高組織致密性，提高鑄件質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具有發(fā)展前景的精密成形技術(shù)之一。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(duì)冷卻過程中的金屬液進(jìn)行攪動(dòng)，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”)。

半固態(tài)成形過程一般包括非枝晶組織的制備、二次加熱和半固態(tài)成形3個(gè)步驟。制備非枝晶組織的坯料是半固態(tài)成形的前提，機(jī)械攪拌法是最早采用的方法，其設(shè)備構(gòu)造簡單，但工藝參數(shù)不易控制，很難保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。目前工業(yè)化生產(chǎn)中，應(yīng)用最為廣泛的方法有：電磁攪拌法、應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法(SIMA)和半固態(tài)等溫?zé)崽幚矸?SSIT)以及化學(xué)晶粒細(xì)化法等。

3.1電磁攪拌法

利用電磁感應(yīng)在凝固的金屬液中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在外加磁場的作用下促使金屬固液漿料激烈地?cái)噭?dòng)，使傳統(tǒng)的枝晶組織轉(zhuǎn)變?yōu)榉侵ЫM織。一般用于生產(chǎn)直徑不大于150mm的棒坯。該方法在很大程度上克服了機(jī)械攪拌的缺點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)連鑄，生產(chǎn)效率高，是目前工業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的一種方法。

3.2應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法(SIMA)

預(yù)先連續(xù)鑄造出晶粒細(xì)小的合金錠，再將合金鑄錠進(jìn)行足夠的預(yù)變形，然后加熱到半固態(tài)。在加熱過程中，先發(fā)生預(yù)變形，然后部分熔化，使初生相轉(zhuǎn)變成顆粒狀，形成半固態(tài)合金材料。此方法對(duì)制備較高熔點(diǎn)的非枝晶組織合金具有獨(dú)特的優(yōu)越性，但只能制備直徑小于60mm的坯料。

3.3半固態(tài)等溫?zé)崽幚矸?/b>

在合金熔融狀態(tài)時(shí)加人變質(zhì)元素，進(jìn)行常規(guī)鑄造，然后把錠坯重新加熱到固液兩相區(qū)進(jìn)行保溫處理(半固態(tài)等溫?zé)崽幚?，最終獲得具有觸變性的非枝晶組織。主要工藝參數(shù)有添加微量元素的種類、加入量、半固態(tài)等溫溫度和保溫時(shí)間等。

3.4化學(xué)晶粒細(xì)化法

是近幾年開發(fā)的新方法。通過添加晶粒細(xì)化劑或變質(zhì)劑，增加外來晶粒數(shù)量或改變結(jié)晶方式來細(xì)化晶粒組織，使生產(chǎn)的錠坯適合于半固態(tài)鑄造。據(jù)報(bào)道，挪威NorskHydro公司已經(jīng)通過化學(xué)晶粒細(xì)化法與特殊的凝固條件結(jié)合制備了鎂合金AZ91的細(xì)晶粒鑄錠。

半固態(tài)觸變成形之前，先要進(jìn)行局部重熔(二次加熱)。應(yīng)根據(jù)加工零件大小精確分割具有非枝晶組織的坯料，然后將其加熱到半固態(tài)溫度后再進(jìn)行成形加工。其目的一是為了獲得不同工藝所需的固相體積分?jǐn)?shù)，二是將有些工藝(電磁攪拌，化學(xué)晶粒細(xì)化法等)獲得的細(xì)小枝晶碎片逐漸長大，并轉(zhuǎn)化成球狀結(jié)構(gòu)，從而為觸變成形創(chuàng)造有利條件。

流變成形與觸變成形技術(shù)的區(qū)別在于前者是由液態(tài)在冷卻過程中形成半固態(tài)狀態(tài)，再成形的過程;后者則是有固態(tài)加熱至半固態(tài)狀態(tài)，然后進(jìn)入成形工藝的過程。與流變鑄造相比，觸變鑄造易實(shí)現(xiàn)坯料的加熱和輸送自動(dòng)化，是目前半固態(tài)鑄造的主要工藝方法。但是，無論是流變成形還是觸變成形，工藝流程較長，鑄件工藝成本相對(duì)較高。

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其它成形方法

鎂合金材料的其他制備方法還有擠壓鑄造法，

粉末冶金法，噴射沉積法，真空浸漬法以及目前僅用于Mg—Li基復(fù)合材料的薄膜冶金法等。

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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(gè)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(diǎn)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SP6氣體，但其溫室效應(yīng)是CO：的24

900倍12”;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(yùn)用;鎂合金沒有像鋁合金那樣大規(guī)模使用的另一個(gè)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(gè)方面：無污染熔煉技術(shù)。研究表明，鎂合金合金化阻燃具有很好的效果;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。

總之，鎂合金作為一種新型的工程材料，滿足了人們對(duì)能源和環(huán)境保護(hù)的要求，正受到世界各國政府和研究機(jī)構(gòu)的高度重視。我國也將“鎂合金開發(fā)應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化”作為科技部“十五”國家科技攻關(guān)重大項(xiàng)目之一。鎂合金的研制、開發(fā)和應(yīng)用符合我國的產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，可以充分發(fā)揮我國的鎂資源優(yōu)勢，加強(qiáng)鎂合金應(yīng)用開發(fā)，將鎂資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，相信隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，鎂合金各種性能將會(huì)得到進(jìn)一步完善，它也必將為人類社會(huì)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。