鎂合金半固態(tài)成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展

1、鎂合金半固態(tài)成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展王武孝1,2,袁森2,熊愛(ài)華2,程建杰2,蔣百靈2,介萬(wàn)奇1(1.西北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,陜西西安710072;2.西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,陜西西安,710048摘要:介紹鎂合金半固態(tài)坯料的制備方法和成形工藝,綜述國(guó)內(nèi)外對(duì)鎂合金微觀組織和半固態(tài)成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀,并展望鎂合金半固態(tài)成形技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞:鎂合金;半固態(tài)成形;微觀組織中圖分類(lèi)號(hào):TG 146.2+2;TG 292文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):100028365(20040620469202R esearching Status and Developing of Magn

2、esium Alloy Semi 2solid Forming T echnologyWAN G Wu 2xiao 1,2,YUAN Sen 2,XION G Ai 2hua 2,CHEN G Jian 2jie 2,J IAN G Bai 2ling 2,J IE Wan 2qi 1(1.School of Materials Science and Engineering ,Northwestern Polytechnical University ,Xi an 710072,China ;2.School of Materials Science and Engineering ,Xi

3、an University of Technology ,Xi an 710048,China Abstract :The slurry s production methods and the formation processes of magnesium alloy semi 2solid were introduced here.The researching status of microstruct +ure and semi 2solid forming technology of magnesium alloy were overviewed and the developin

4、g prospects of magnesium alloy semi 2solid forming were forecast.K ey w ords :Magnesium Alloy ;Semi 2solid Forming ;Microstructure收稿日期:2004204209;修訂日期:2004204227基金項(xiàng)目:陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化培育項(xiàng)目(02J C33,西安市工業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目(GG 2002471作者簡(jiǎn)介:王武孝(19662,陜西大荔人,副教授,博士生.研究方向:復(fù)合材料及有色合金1Em ail :w angw uxiao 鎂合金作為一種綠色環(huán)保合金,主要應(yīng)用在汽車(chē)零部件和

5、3C 產(chǎn)品殼體上123。鎂合金在熔融狀態(tài)下容易氧化、燃燒,一般成形方法難以避免克服,采用半固態(tài)成形,避免了為防止高溫液態(tài)鎂金屬揮發(fā)和氧化燃燒而必須采取的覆蓋劑或SF6等氣體保護(hù),省去了保護(hù)裝置及氣體消耗,使裝備投入資金減少,生產(chǎn)成本降低。因此,半固態(tài)成形技術(shù)為解決鎂合金成形中的氧化、燃燒問(wèn)題提供了條件。1鎂合金半固態(tài)坯料制備半固態(tài)成形過(guò)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。制備半固態(tài)坯料的方法有機(jī)械攪拌法、電磁攪拌法、噴射成形法及應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法(SIMA 。1.1機(jī)械攪拌法機(jī)械攪拌法是最早采用的方法,其設(shè)備構(gòu)造簡(jiǎn)單,可以通過(guò)控制攪拌溫度、攪拌速度和冷卻速度等工藝參數(shù),使

6、初生樹(shù)枝晶破碎而成為顆粒結(jié)構(gòu)。主要用于鋁合金半固態(tài)漿料的制備。1.2電磁攪拌法電磁攪拌法原理是在液態(tài)金屬流過(guò)結(jié)晶器時(shí),在結(jié)晶器周?chē)┘有D(zhuǎn)磁場(chǎng),金屬凝固時(shí)會(huì)受到電磁剪切力的作用,晶粒正常生長(zhǎng)受到干擾,最后發(fā)育為大小均勻的球狀晶,在鎂合金方面的應(yīng)用未見(jiàn)報(bào)道。1.3噴射成形法在噴射成形法中,熔融的金屬液被霧化成細(xì)小的顆粒狀,然后再被收集到一塊收集板上。顆粒中較大的在到達(dá)收集板時(shí)仍然是液滴,較小的已經(jīng)完全凝固,中間尺寸的顆粒則為半固態(tài)。這些顆粒碰撞混合后,大的液態(tài)顆粒會(huì)分裂,而小的固態(tài)顆粒會(huì)重新熔化,這樣就使得沉積層表面始終保持半固態(tài)。最后得到的材料的顯微組織為大小均勻的球狀晶。1.4SIMA 法將

7、棒料經(jīng)過(guò)壓力變形,再二次加熱,在加熱過(guò)程中,晶粒先發(fā)生再結(jié)晶然后部分熔化,在表面張力和界面曲率的作用下使初生相轉(zhuǎn)變成球狀晶,形成半固態(tài)合金漿料。形變工藝可采用擠壓(由粗細(xì),也可采用墩粗(由細(xì)粗,形變工藝簡(jiǎn)單易行,靈活多樣。二次加熱到半固態(tài),保溫一定時(shí)間,使晶粒球狀化,避免了合金的熔化過(guò)程,工藝操作性強(qiáng)。用于鎂合金半固態(tài)成形也將具有較好的應(yīng)用前景。1.5化學(xué)晶粒細(xì)化法化學(xué)晶粒細(xì)化法是通過(guò)添加晶粒細(xì)化劑或變質(zhì)劑,增加外來(lái)晶粒數(shù)量或改變結(jié)晶方式來(lái)細(xì)化晶粒組織,使生產(chǎn)的錠坯適合于半固態(tài)鑄造,是近幾年開(kāi)發(fā)的新方法。據(jù)報(bào)道4挪威Norsk Hydro 公司已通過(guò)化學(xué)964Vol.25No.6J un.20

8、04鑄造技術(shù)FOUNDR Y TECHNOLO GY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。2鎂合金半固態(tài)成形工藝2.1流變成形流變成形是將金屬液從液相到固相冷卻過(guò)程中進(jìn)行強(qiáng)烈的攪動(dòng),在一定固相分?jǐn)?shù)時(shí)壓鑄或擠壓成形。流變成形的工藝簡(jiǎn)單,能耗較低,鑄件的成本較低,但由于直接獲得的半固態(tài)合金漿液的保存和輸送不方便,因而這種成形方法投入實(shí)際中應(yīng)用得較少。2.2觸變成形觸變成形是將制備的半固態(tài)合金錠料按工件體積切割成一定尺寸的坯料,重新加熱到半固態(tài)進(jìn)行壓鑄或擠壓成型,鎂合金中尚未見(jiàn)報(bào)道。2.3切屑旋壓注射成形工作原理: 由鎂合金鑄錠利用專(zhuān)用的裝置以機(jī)械的方式切削成36mm 的粒

9、狀,在室溫下,通過(guò)料斗送入高溫螺旋混合機(jī)中加熱,在加熱區(qū)內(nèi)同時(shí)受到螺旋剪切與加熱;采用惰性氣體Ar 作為保護(hù)氣體;當(dāng)材料加熱到570590的液固兩相區(qū)時(shí),進(jìn)入定量觸變漿料(固相分?jǐn)?shù)為30%50%收集器,達(dá)到定量后通過(guò)壓室高速射入模具內(nèi)成形。圖1為鎂合金切屑旋壓注射成形原理圖。圖1鎂合金切屑旋壓注射成形原理Fig.1The principle of circumgyratetion -injection forming ofmagnesium alloy3鎂合金半固態(tài)微觀組織的研究3.1枝晶球化機(jī)制鎂合金凝固過(guò)程中,受剪切應(yīng)力作用,枝晶臂發(fā)生彎曲、斷裂、脫落,使二次枝晶臂與主干分離;同時(shí),受熱流

10、的擾動(dòng),使積聚較多低熔點(diǎn)物質(zhì)的枝晶臂根部產(chǎn)生局部熔斷,并向橢球形或球形演化5。另外,具有枝晶組織的固態(tài)鎂合金產(chǎn)生大的塑性變形,枝晶破碎后,再結(jié)晶亦可使晶粒球化。Kamado 等人5研究了機(jī)械攪拌對(duì)AZ91D 鎂合金半固態(tài)組織的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)采用葉片狀攪拌器時(shí),增大攪拌速率會(huì)加快相的球化過(guò)程,并使晶粒細(xì)化,而采用研磨機(jī)形式的攪拌器時(shí),攪拌速率的增大反而會(huì)使相尺寸增大;對(duì)于兩種攪拌方式,增加攪拌時(shí)間都會(huì)有助于相的球化。而且當(dāng)半固態(tài)等溫時(shí)間一定時(shí),等溫溫度越高,枝晶形態(tài)向顆?；莼瘯r(shí)間縮短。3.2鎂合金半固態(tài)組織的形變特性對(duì)半固態(tài)組織合金而言,形變抗力與固相分?jǐn)?shù)有關(guān),半固態(tài)時(shí)的形變抗力比全固態(tài)時(shí)要小

11、約3個(gè)數(shù)量級(jí)。蘇華欽等人6研究了預(yù)形變量與半固態(tài)等溫溫度對(duì)SIMA 法所獲得的觸變組織的影響。其研究表明,增加預(yù)形變量將促使半固態(tài)等溫時(shí)枝晶形貌轉(zhuǎn)變,但超過(guò)一定形變量將使晶粒尺寸增大。而提高半固態(tài)等溫溫度,可以促進(jìn)枝晶形貌轉(zhuǎn)變,但在預(yù)形變量較大時(shí),提高半固態(tài)溫度會(huì)使晶粒長(zhǎng)大。因此,必須使預(yù)形變量和半固態(tài)等溫溫度有一個(gè)理想的匹配。4鎂合金半固態(tài)成形技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景4.1研究現(xiàn)狀及存在問(wèn)題從現(xiàn)已報(bào)道的鎂合金半固態(tài)成形技術(shù)來(lái)看,以流變成形為主。切屑旋壓注射技術(shù)目前僅用于質(zhì)量小的薄型殼體,未見(jiàn)有應(yīng)用于汽車(chē)零部件的報(bào)導(dǎo)。SIMA 法用于鎂合金半固態(tài)成形需要解決坯料二次加熱過(guò)程中溫度的均勻性問(wèn)題。

12、其他半固態(tài)合金制備方法,尚未見(jiàn)到有產(chǎn)業(yè)化前景。4.2發(fā)展前景在20世紀(jì)末,鎂合金的發(fā)展應(yīng)用迅速,已有逐步代替鋁、工程塑料和鋼等趨勢(shì),但總量相對(duì)不夠多,主要原因是由于鎂合金低的伸長(zhǎng)率,使其無(wú)法應(yīng)用在結(jié)構(gòu)零件上,加之國(guó)外先進(jìn)成形技術(shù)的復(fù)雜性及對(duì)技術(shù)的保密,致使推廣應(yīng)用受到限制。相信通過(guò)材料工作者對(duì)半固態(tài)鎂合金成形工藝改善、組織細(xì)化以及組織形態(tài)改變,都可以使鎂合金的塑性有較大的提高。鎂合金在21世紀(jì)的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。參考文獻(xiàn)1劉正,王越,王中光,等.鎂基輕質(zhì)材料的研究與應(yīng)用J .材料研究學(xué)報(bào),2000,14(5:4492456.2Polmear I J.Magnesium Alloys and A

13、pplications J .Materials Science and Technology ,1994,10(1:1216.3Aghion E ,Bronfin B.Magnesium Alloys Development To 2wards the 21st Century J .Materials Science Forum ,2000(350:19228.4廖敦明,林漢同,張風(fēng)清,等.鎂合金半固態(tài)鑄造工藝及其數(shù)值模擬研究進(jìn)展J .特種鑄造及有色合金,2001(4:39241.5K amado S ,Yuasa A ,Hitoini T ,et al.E ffects of Stirrin gConditions on Str