鎂合金成型技術介紹

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

一、鎂合金材料優點

1、重量輕

鎂合金作為一種輕質金屬結構材料，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，這一特性對于現代手提類產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。用于設備機殼可減少噪音傳遞、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；有優良的表面光潔度，并可一次切削獲得，極少出現積屑瘤；有良好的斷屑特性及溫度傳導性，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，也更符合環保要求。

二、鎂合金材料在筆電中的應用

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，輕薄筆電結構件產品主厚都在0.5~0.6mm，傳統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。

三、鎂合金的成型技術

根據成型工藝的不同，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、應用最廣的技術，目前90%以上的鎂合金產品是壓鑄成形的。。而后者則是通過變形生產尺寸多樣的板、棒、管、型材及鍛件產品。并且可以通過材料組織的控制和熱處理工藝的應用，獲得更高的強度、更好的延展性、更好的力學性能，從而滿足更多結構件的需要。另外，鎂合金的半固態成型作為一種新型鑄造技術也得到了廣泛的研究與應用。

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介紹

壓鑄是鎂合金最主要、應用最廣泛的成形工藝。用鎂合金可以很容易地生產壁厚1.0mm～2.0mm的壓鑄件，現在最小壁厚可達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，因而生產效率可比鋁合金提高25%。鎂合金鑄件的加工性能優于鋁合金鑄件，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%。生產經驗表明由于生產效率高，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，使腔內氣體無法排出，會導致組織疏松，甚至鑄件表面鼓包或變形。壓鑄工藝參數如壓力、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的鑄造技術之一，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，鎂合金的消失模鑄造具有較巨大的應用前景。

五、變形鎂合金成型技術介紹

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

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，同時變形速率和應力狀態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℃范圍內進行鍛造，鍛造溫度過低可能形成裂紋。液壓機和低速機械壓力機是其模鍛的常用設備。

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。因為鎂在變形過程中會產生大量熱，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上直接生產，而薄板一般采用冷軋和溫軋兩種方式生產。

超塑性變形

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

超塑性加工鎂合金產品的主要有以下優點：

1、成品率高：成品率可達90%以上，且產品表面缺陷少，可減少后續工序與生產成本。例如，日本用不同方法生產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91%。

2、產品厚度?。河贸苄怨に嚿a的產品，厚度比壓鑄件及半固態壓鑄件產品要薄很多。例如用超塑沖壓鍛造生產的鎂合金工件其厚度可達0.4mm，而壓鑄件及半固態壓鑄件的大多在0.8mm以上。

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

4、產品成形時不產生彈性變形，成形后幾乎不會發生回彈，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的關注，一些具備條件的企業已經開始著手相關設備的研發并成功試樣。估計再過不久，待設備和技術都成熟了，鎂合金超塑性產品會在多個行業發揮重要作用。

六、鎂合金半固態射出成型技術介紹

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

工藝流程：半固態射出成型由塑膠射出成型衍生應用在金屬的成型制程，其工藝流程：噴涂脫模劑→合?！涑觥尚汀〕龀尚图?。根據工藝流程的不同，半固態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行攪動，將形成的固相枝晶破碎，形成一定固相分數的半固態金屬漿料，然后將漿料注入壓鑄機或擠壓機內成形(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狀態，最后移送至壓鑄機等再壓鑄或擠壓成形(俗稱“兩步法”)。

工藝優勢：筆電外殼采用半固態射出成型產品具有組織均勻，無縮孔縮松缺陷等優勢，其綜合力學性能與鍛件相近，高于傳統壓鑄件，通過半固態成型技術增加強鎂鋁合金等輕合金的力學性能。

與壓鑄比較，半固態射出成型有如下優勢：

七、存在的問題及前景展望

近年來，鎂合金應用逐年提高，但一些尚待解決的問題使得鎂合金的廣泛生產受到限制。表現在以下幾個方面：鎂的化學活性很強，在空氣中易氧化，在高溫情況下可以發生燃燒，因此熔煉過程中須采用復雜的保護措施。工業中主要采用熔劑保護法和氣體保護法。熔劑保護法最大缺點是反應過程中產生的有害氣體嚴重污染環境并損害人體健康;而氣體保護法中經常采用且具有良好保護效果的SF6氣體，但其溫室效應是CO2的23500倍；鎂常溫下成形性差，目前工業上應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模使用的另一個原因是其耐蝕性差，采用表面防護又增加了其生產成本。

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；開發和改善鎂合金的成形工藝；進一步研究鎂合金的表面處理技術，改善其外觀和耐蝕性以及高強韌鎂合金和耐熱鎂合金的研究。