等溫鍛造與超塑性成形
等溫鍛造是指在鍛造時把模具加熱到與坯料變形溫度相同或相近的溫度，在較低的應(yīng)變速率下，使熱坯料與模具溫度基本保持不變的一種鍛造方法。超塑性成形是指將金屬在接近正常再結(jié)晶的溫度下熱變形（擠壓、軋制或鍛造等）獲得超細晶粒組織，然后在超塑溫度和適當?shù)膽?yīng)變速率下，在預(yù)熱到一定溫度的模具中成形為所需的形狀。
等溫鍛造的應(yīng)用范圍比超塑性變形要廣得多，把模具與金屬加熱到一定的溫度是保證金屬獲得良好超塑性狀態(tài)所必需的條件。等溫鍛造時，在很寬的溫度—速度范圍內(nèi)以及坯料在任一原始組織狀態(tài)下都可以減少壓力和提高其金屬塑性。這主要由于在降低應(yīng)變速率的條件下，軟化過程時間延長。超塑性效應(yīng)在相當窄的溫度—速度范圍內(nèi)出現(xiàn)，對材料的原始組織狀態(tài)要求相當嚴格。
等溫鍛造工藝的特點
等溫鍛造通常在液壓機上進行，與在950℃下普通熱模鍛比較，慢速等溫鍛造時，金屬材料的變形抗力大大減小，可使用功率較小的設(shè)備，節(jié)省設(shè)備占地面積和電能。采用等溫鍛造還可以簡化設(shè)備的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件，用整體大鍛件代替小鍛件組合件。
等溫鍛造提高了加工金屬的塑性，這是由于在等溫鍛造過程中軟化過程比較充分，較低的變形速度能使鍛件內(nèi)部的顯微裂紋愈合。等溫鍛造能夠模鍛出有小模鍛斜度或無模鍛斜度的鍛件、有明顯階梯截面的鍛件、過渡半徑較小的鍛件和小切削加工余量的鍛件；還可以成形出形狀復(fù)雜的高精度鍛件，而用普通模鍛很難實現(xiàn)，甚至不可能。等溫鍛造制造高精度鍛件有以下優(yōu)勢：
�、沤档土伺髁系慕饘僮冃慰沽�，減小了模具系統(tǒng)的彈性變形，提高了現(xiàn)有設(shè)備的生產(chǎn)能力。
�、铺岣吡隋懺觳牧系乃苄�，甚至達到超塑性，使低塑性材料的成形成為可能。
�、遣僮骱唵�，技術(shù)條件易于控制，減小了變形溫度的波動，使體內(nèi)及表層溫度均勻、變形均勻，使鍛件的組織性能均勻，幾何尺寸穩(wěn)定。
�、冉档土隋懠臍堄鄳�(yīng)力，減少了鍛件在冷卻和熱處理時的變形量。
使用保護—潤滑玻璃涂層，降低了變形溫度，減小了熱金屬與周圍介質(zhì)的相互作用，減薄了氧化皮和其他缺陷層的厚度，改進了表面質(zhì)量。
超塑性成形工藝的特點
超塑性成形的條件是：工件材料是均勻等軸細晶材料，成形過程中工件溫度保持均勻恒定并等于工件的超塑性溫度，工件各點的應(yīng)變速率盡量保持均勻恒定并等于工件材料的超塑性應(yīng)變速率。
超塑性變形的微觀機理是在最佳超塑性條件下，以晶界滑動為主，擴散蠕變和位錯蠕變協(xié)調(diào)作用。在低應(yīng)變率區(qū)，擴散蠕變作用增強；在高應(yīng)變率區(qū)，位錯蠕變?yōu)橹饕冃螜C制。
理想的超塑性成形的宏觀特征為能夠產(chǎn)生大變形、無應(yīng)變硬化，變形抗力低和高應(yīng)變率敏感性；微觀組織特征對晶粒度及晶粒形狀敏感，伴隨發(fā)生晶粒長大、動態(tài)再結(jié)晶及孔洞損傷等，微觀組織發(fā)生變化。
成形溫度是超塑性成形中的最重要的技術(shù)參數(shù)。原則上超塑性成形的溫度必須是鍛件材料的超塑性溫度，但這個溫度不是固定不變，而是隨鍛件材料晶粒度和應(yīng)變速率變化而變化，它有一定的變化范圍。由于在實際鍛造過程中的鍛件各部位應(yīng)變速率的不均勻性以及鍛件內(nèi)各處晶粒可能出現(xiàn)的大小和形狀的變化，所選擇的成形溫度不可能與坯料各部位的最佳超塑性溫度完全一致，與最佳超塑性溫度相差越小，超塑性能越好。因此，在考慮超塑性成形溫度時應(yīng)參考坯料的初始晶粒度以及相應(yīng)的應(yīng)變速率，盡量使超塑性成形溫度與實際情況一致。
超塑性成形具有如下優(yōu)勢：
⑴最大程度保持了鍛件內(nèi)部變形和微觀組織的均勻性，消除了低溫區(qū)容易產(chǎn)生裂紋、開裂缺陷與高溫區(qū)的粗晶和過燒缺陷。
�、铺岣吡瞬牧纤苄院徒档土俗冃慰沽Γ欣诔涮钅＞咝颓弧⒔档统尚屋d荷，在低載荷下實現(xiàn)復(fù)雜形狀零件的近凈成形。
�、浅苄猿尚渭木C合力學(xué)性能全面提高，使用壽命高于普通成形件。
超塑性技術(shù)還可生產(chǎn)加工難度大、工序多、精鍛、精鑄技術(shù)難以滿足精度、強度等力學(xué)性能要求的各類黑色、有色金屬零部件。
鎂合金的等溫鍛造與超塑性成形
鎂合金的等溫鍛造
鎂合金的鍛造溫度范圍窄，而其導(dǎo)熱系數(shù)大，其導(dǎo)熱系數(shù)大約是鋼的2倍。鍛造時如果模具溫度低、坯料降溫快、塑性降低、變形抗力增大、變形率低，變形過程中坯料易形成裂紋甚至開裂，所以鎂合金一般采用等溫鍛造。鎂合金的等溫鍛造一般把加熱到稍高于鍛造溫度的鎂合金坯料置入加熱到鍛造溫度的模腔里，并使熱毛坯和模具溫度基本保持不變，或?qū)⒛＞呒訜岬缴愿哂阱懺鞙囟�，再把室溫下的鎂合金坯料置入模腔，加熱到鍛造溫度，并保溫一定時間，施加適當壓力，保壓一定時間，使毛坯以低應(yīng)變速率變形的鍛造方法。
在YAW-500kN微機控制電液伺服壓力試驗機上利用該等溫鍛造裝置開發(fā)鎂合金電動螺絲刀套筒等溫擠壓成形工藝（擠壓溫度為350℃；加載速度為0.1mm/s；潤滑劑為SW/TM綠色環(huán)保脫模劑），成功試制出符合設(shè)計要求的AZ31B鎂合金電動螺絲刀套筒擠壓件如圖1所示。
圖1 鎂合金電動螺旋絲刀套筒擠壓件
為了簡化試驗設(shè)備和降低成本，設(shè)計了鎂合金等溫鍛造裝置（圖2），將鎂合金坯料放在模具里直接加熱，“模膛”就是“爐膛”。
圖2 鎂合金等溫鍛造模具簡圖
1-內(nèi)六角螺栓 2-下模板 3-凹模套 4-手柄 5-下隔熱層 6-下保溫層 7-加熱圈 8-側(cè)保溫層 9-側(cè)隔熱層 10-上保溫層 11-上隔熱層 12-熱電偶 13-上凸模 14-凹模 15-下凸模 16-頂桿
GUOTU螺塞擠壓件，材料為AZ31B鎂合金。在YAW-500kN微機控制電液伺服壓力試驗機上進行了較低應(yīng)變速率的等溫擠壓試驗，分別在300℃、330℃和365℃的溫度下，以0.05mm/s、0.1 mm/s、0.25 mm/s、0.75 mm/s和1mm/s的加載速度進行等溫擠壓成形鎂合金GUOTU螺塞。不同溫度和加載速度下的力—位移曲線，在相同加載速度0.1mm/s時，隨著擠壓溫度的降低，擠壓力顯著上升；在擠壓溫度相同的條件下，隨著加載速度的減小，擠壓力逐漸降低。300℃等溫擠壓時，擠壓件表面出現(xiàn)裂紋。經(jīng)多次不同擠壓溫度的對比試驗得知，在365℃的溫度下，以不同加載速度等溫擠壓成形的GUOTU螺塞，表面品質(zhì)良好，沒有產(chǎn)生裂紋。裂紋缺陷的產(chǎn)生是由于300℃時鎂合金的塑性相對較差。
隨著現(xiàn)代汽車節(jié)能減排要求的不斷推進及車輛輕量化的發(fā)展要求，用鎂合金輪轂取代鋁合金輪轂已成為一種發(fā)展方向。采用壓鑄成形的鎂合金輪轂，產(chǎn)生的縮孔、疏松等缺陷降低了零件的力學(xué)性能，應(yīng)用受到限制。
某型號汽車輪轂零件輪輻表面有凹槽及通孔，輪輞形狀類似于變截面雙杯形，壁厚較薄且孔深較大。該輪轂成形過程分為擠壓和脹形兩部分，由于變形程度很大，需要正擠壓和復(fù)合擠壓工序?qū)崿F(xiàn)成形。成形過程路線為：下料→正擠壓→復(fù)合擠壓→脹形→機加工連皮及余料→熱處理及表面處理。
經(jīng)過等溫擠壓與脹形生產(chǎn)鎂合金輪轂實驗，確定了主要擠壓—脹形過程參數(shù)：坯料加熱及模具預(yù)熱溫度均為350～400℃，擠壓加載速度為0.2mm/s，脹形坯料及模具溫度均為200～250℃。采用此擠壓技術(shù)參數(shù)成形出表面品質(zhì)良好的鎂合金輪轂，成形樣件輪輞的抗拉強度σb、屈服強度σ0.2及延伸率δ分別為338.4MPa、190MPa和14.1%，鑄態(tài)試樣相應(yīng)部位的力學(xué)性能分別為229.7MPa、101.5MPa和9.1%；相對于鑄態(tài)試樣，其性能有較大提高。
某航天AZ80鎂合金殼體零外徑為φ260mm，，側(cè)表面和底表面的壁厚非常薄，僅為1mm，外底部帶有凸緣。經(jīng)過下料→直接等溫擠壓成形工藝方案與下料→鐓粗→等溫擠壓件成形工藝方案比對試驗，表明下料→鐓粗→等溫擠壓件成形工藝方案可行。并對其進行工藝優(yōu)化，將鐓粗改為預(yù)成形，成形出擠壓件底部的錐面和外凸緣，外凸緣在終擠模內(nèi)便可以將坯料準確定位。
坯料去除掉油污、毛刺后，在420℃下保溫12h，空冷一定的時間；將模具預(yù)熱到360℃，保溫4h；均勻化處理的坯料加熱到380℃保溫1～2h進行預(yù)成形；預(yù)成形后的坯料回爐繼續(xù)預(yù)熱到380℃，保溫1～2h等溫擠壓成形。
