鎂合金鍛造材料的用途有望擴(kuò)大，但成本成為瓶頸。因此，業(yè)界為降低成本積極推進(jìn)新技術(shù)的開(kāi)發(fā)。日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所(以下簡(jiǎn)稱“產(chǎn)綜研”)的可持續(xù)材料研究部門(mén)與宮本工業(yè)公司合作開(kāi)發(fā)的鎂合金低溫鍛造技術(shù)就是其中之一。該技術(shù)通過(guò)降低鍛造溫度，可獲得諸多好處。
該技術(shù)事先對(duì)鍛造材料的組織實(shí)施控制，使晶體粒徑減小至10μm以下，然后使用伺服沖壓工藝在低溫(200℃以下)條件下鍛造。鎂合金一般都是在400℃左右的高溫下鍛造，并使用固體潤(rùn)滑劑。
不過(guò)，如果實(shí)現(xiàn)200℃左右的低溫鍛造，便可使用容易處理、容易去除的水溶性潤(rùn)滑劑，并延長(zhǎng)模具的壽命。這樣便有望降低鍛造構(gòu)件成本，提高生產(chǎn)效率。
此外，低溫鍛造還可減少為使加熱爐及模具保持溫度而投入的成本，而且溫度膨脹也很小，有助于提高成型后的尺寸精度。宮本工業(yè)預(yù)測(cè)，憑借這些優(yōu)點(diǎn)，最終有望使目前的鍛造成本削減20～30%。
將晶體粒徑減小至10μm以下
此次開(kāi)發(fā)的鍛造技術(shù)的工藝流程如下：首先對(duì)鍛造用鎂合金實(shí)施“均質(zhì)化處理”，就是將金屬材料加熱至某一溫度并保持一定時(shí)間，使合金元素均質(zhì)分散在材料中。具體操作時(shí)，將材料加熱至410℃并保持24小時(shí)，然后在空氣中環(huán)境中自然冷卻，由此便可獲得晶體粒徑統(tǒng)一為0.1～0.2mm的金屬組織，這樣便形成了鍛造用的坯料。
接下來(lái)是使用伺服沖壓機(jī)，以5～10mm/s的低速鐓粗加工，將加熱至300℃的坯料加工到壓下率達(dá)到10%的程度。這樣，坯料中就會(huì)發(fā)生應(yīng)變，發(fā)生“動(dòng)態(tài)再結(jié)晶”現(xiàn)象。
動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是金屬在受熱并受到應(yīng)力變形的過(guò)程中，為消除應(yīng)變能量而重新生成結(jié)晶粒的現(xiàn)象，在上述條件下，坯料的晶體粒徑可變?yōu)榧s5～10μm(圖1)。產(chǎn)綜研可持續(xù)材料研究部門(mén)高級(jí)主任研究員齋藤尚文稱，要想使鍛造實(shí)現(xiàn)低溫化，“這樣的組織控制是非常重要的”。對(duì)于這種晶體粒徑微細(xì)化后的材料，便可在200℃以下的低溫下鍛造。
圖1：300℃的鐓粗加工引起的鎂合金晶粒的變化
利用動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象使晶粒微細(xì)化。AZ31雖然局部殘留有較大的晶粒，但絕大部分變成了5μm左右的晶粒。AZ61的晶粒雖然比AZ31稍大，但鐓粗加工后也實(shí)現(xiàn)了微細(xì)化。
齋藤尚文指出：“雖然還要看坯料的使用場(chǎng)所如何，但顯示出了與鋁合金相同程度的強(qiáng)度和拉伸性。”這樣一來(lái)，便可鍛造出圖2中那種、散熱柱的長(zhǎng)度達(dá)到8mm左右的散熱器。
圖2：試制的散熱片鍛造品
照片中的產(chǎn)品是在150℃下鍛造AZ31鑄造材料制成的。在300℃條件下對(duì)經(jīng)過(guò)均質(zhì)化處理的坯料進(jìn)行鐓粗加工后，切割材料并鍛造。散熱片的尺寸為，底部邊長(zhǎng)30mm左右、厚度3.5mm，散熱柱2mm見(jiàn)方、高8mm。用AZ61也可順利鍛造。
通過(guò)分割工序來(lái)降低溫度
該技術(shù)由2006～2010年產(chǎn)綜研和日本素形材中心共同開(kāi)發(fā)的鍛造技術(shù)發(fā)展而來(lái)。原來(lái)的技術(shù)也是利用鍛造加工中發(fā)生的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象，將鍛造材料的晶粒微細(xì)化至10μm以下，從而實(shí)現(xiàn)了低溫鍛造。加工時(shí)，一開(kāi)始就對(duì)加熱至300℃的坯料進(jìn)行低速下壓，引起動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象，然后直接進(jìn)入鍛造工序?qū)嵤┏尚?。也就是說(shuō)，從動(dòng)態(tài)再結(jié)晶到鍛造的過(guò)程是用一道工序來(lái)處理的。
不過(guò)，由于是在300℃下鍛造，因此仍然要使用固體潤(rùn)滑劑，無(wú)法充分發(fā)揮低溫鍛造的優(yōu)勢(shì)。此外，鐓粗與鍛造使用同一模具，因此能夠鍛造成型的形狀也很有限。
而產(chǎn)綜研和宮本工業(yè)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)將意在引起動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象的低速鐓粗工序與鍛造工序分開(kāi)，還能將鍛造時(shí)的溫度下降100℃左右。
擴(kuò)大適用材料的范圍
目前來(lái)看，已確認(rèn)能夠在200℃以下的溫度鍛造的鎂合金只有AZ31及AZ61。今后，產(chǎn)綜研和宮本工業(yè)還將研究如何使鍛造性差的AZ91以及添加有鈣的阻燃性鎂合金實(shí)現(xiàn)低溫鍛造。尤其是后者，由于鈣含量多的話加工效率就會(huì)下降，因此將尋找能夠在保持阻燃性的情況下減少鈣的含量，從而提高加工效率的方法。
同時(shí)，產(chǎn)綜研和宮本工業(yè)還將努力實(shí)現(xiàn)溫度進(jìn)一步降低的100℃以下的鍛造。這樣便有望進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，降低成本。宮本工業(yè)表示，如果能夠達(dá)到冷鍛水平，“還可替換目前使用鋁合金及鋼制造的鍛造品，有望向汽車等廣泛領(lǐng)域推廣”。