镁合金低温锻造技术 通过镦粗使晶粒细化以提高生产效率

镁合金锻造材料的用途有望扩大，但成本成为其瓶颈。因此，业界为降低成本积极推进新技术的开发。日本产业技术综合研究所(以下简称“产综研”)的可持续材料研究部门与宫本工业公司(总部：东京)合作开发的镁合金低温锻造技术就是其中之一。该技术通过降低锻造温度，可获得诸多好处。

　　

该技术事先对锻造材料的组织实施控制，使晶体粒径减小至10μm以下，然后使用伺服冲压工艺在低温(200℃以下)条件下锻造。镁合金一般都是在400℃左右的高温下锻造，并使用固体润滑剂。不过，如果实现200℃左右的低温锻造，便可使用容易处理、容易去除的水溶性润滑剂，并延长模具的寿命。这样便有望降低锻造构件成本，提高生产效率。

　　

此外，低温锻造还可减少为使加热炉及模具保持温度而投入的成本，而且温度膨胀也很小，有助于提高成型后的尺寸精度。宫本工业预测，凭借这些优点，最终有望使目前的锻造成本削减20～30%。

　　

将晶体粒径减小至10μm以下

　

此次开发的锻造技术的工艺流程如下：首先对锻造用镁合金实施“均质化处理”，就是将金属材料加热至某一温度并保持一定时间，使合金元素均质分散在材料中。具体操作时，将材料加热至410℃并保持24小时，然后在空气中环境中自然冷却，由此便可获得晶体粒径统一为0.1～0.2mm的金属组织，这样便形成了锻造用的坯料。

　　

接下来是使用伺服冲压机，以5～10mm/s的低速镦粗加工，将加热至300℃的坯料加工到压下率达到10%的程度。这样，坯料中就会发生应变，发生“动态再结晶”现象。

　　

动态再结晶是金属在受热并受到应力变形的过程中，为消除应变能量而重新生成结晶粒的现象，在上述条件下，坯料的晶体粒径可变为约5～10μm(图1)*。要想使锻造实现低温化，“这样的组织控制是非常重要的”(产综研可持续材料研究部门高级主任研究员斋藤尚文)。对于这种晶体粒径微细化后的材料，便可在200℃以下的低温下锻造。

　　

* 晶体粒径为10μm以下的区域占整体的95%左右。

 

 

图1：300℃的镦粗加工引起的镁合金晶粒的变化

　

利用动态再结晶现象使晶粒微细化。AZ31虽然局部残留有较大的晶粒，但绝大部分变成了5μm左右的晶粒。AZ61的晶粒虽然比AZ31稍大，但镦粗加工后也实现了微细化。

　　

“虽然还要看坯料的使用场所如何，但显示出了与铝合金相同程度的强度和拉伸性”(斋藤尚文)。这样一来，便可锻造出图2中那种、散热柱的长度达到8mm左右的散热器。

 

　　图2：试制的散热片锻造品

　　

照片中的产品是在150℃下锻造AZ31铸造材料制成的。在300℃条件下对经过均质化处理的坯料进行镦粗加工后，切割材料并锻造。散热片的尺寸为，底部边长30mm左右、厚度3.5mm，散热柱2mm见方、高8mm。用AZ61也可顺利锻造。

　　

通过分割工序来降低温度

　　

该技术由2006～2010年产综研和日本素形材中心共同开发的锻造技术发展而来。原来的技术也是利用锻造加工中发生的动态再结晶现象，将锻造材料的晶粒微细化至10μm以下，从而实现了低温锻造。加工时，一开始就对加热至300℃的坯料进行低速下压，引起动态再结晶现象，然后直接进入锻造工序实施成型。也就是说，从动态再结晶到锻造的过程是用一道工序来处理的。

　　

不过，由于是在300℃下锻造，因此仍然要使用固体润滑剂，无法充分发挥低温锻造的优势。此外，镦粗与锻造使用同一模具，因此能够锻造成型的形状也很有限。

　　

而产综研和宫本工业发现，通过将意在引起动态再结晶现象的低速镦粗工序与锻造工序分开，还能将锻造时的温度下降100℃左右。

　　

扩大适用材料的范围

　　

目前来看，已确认能够在200℃以下的温度锻造的镁合金只有AZ31及AZ61。今后，产综研和宫本工业还将研究如何使锻造性差的AZ91以及添加有钙的阻燃性镁合金实现低温锻造。尤其是后者，由于钙含量多的话加工效率就会下降，因此将寻找能够在保持阻燃性的情况下减少钙的含量，从而提高加工效率的方法。

　　

同时，产综研和宫本工业还将努力实现温度进一步降低的100℃以下的锻造。这样便有望进一步提高生产效率，降低成本。如果能够达到冷锻水平，“还可替换目前使用铝合金及钢制造的锻造品，有望向汽车等广泛领域推广”。

 

【中国镁质材料网 采编：ZY】