先进凝固技术论文郭皓.doc

二 ○ 一 五 年 专 业 课 论 文先 进 凝 固 技 术学 院：材料科学与工程学院专 业：材料工程姓 名：郭皓学 号：201专业课教师：张晓峰一 前言 镁及镁合金作为一种新型的应用材料，近年来已广泛应用于军用、民用领域，如在航空航天、航海、通信、医疗、广播电视、音响影像器材、微电子技术、光学仪器等领域内，在汽车、摩托车、工具、家电电器、、计算机及电子设备等制品中都可看到镁合金的身影，在炼钢脱硫、铝合金生产、防腐工程中都离不开镁原料在汽车行业，上海汽车集团公司、一汽集团、东风汽车集团、江铃汽车公司等国内大的汽车公司均开始使用镁制零部件根据相关研究，汽车单车自重每减轻100Kg，每百公里耗油可减少0.7L左右，每节省1L燃料可减少二氧化碳排放量2.5g而通过镁合金零部件的使用可有效的实现汽车轻量化目标镁合金应用于交通工具，除减重和降低油耗，还可以提高整车加速、制动性能，还能降低行驶振动和噪声，提高舒适度，可以加快散热，使发动机的综合性能提高一个档次，具有良好的经济效益镁合金的半固态成形目前是各国研究的热点：Ya-no Ei ji等利用余热的冷却斜槽近液相线铸造获得了半固态AZ91D镁合金组织；J M Kim等利用两步加热法得到了半固态AZ91镁合金浆料；Czerwinski F开发了半固态加工与挤压、喷射成形结合在一起的新的镁合金加工技术，以Mg-9% Al-1%Zn为例分析了组织性能变化规律；Chen J Y和Fan Z研究了半固态浆料的流变模型；Koren Z等研究了AZ91和AM503镁合金半固态热压铸和冷压铸成形。

可以看到镁合金半固态的研究虽然很多，但主要集中在浆料制备、二次加热重熔、触变成形几个方面，仅有几个流变成形研究也只是在实验室，工艺还不成熟，与应用有一定的距离虽然半固态流变成形技术应用更少，但与触变成形相比，流变成形更节省能源、流程更短、设备更紧凑，因此流变成形技术仍然是未来金属半固态加工技术的一个重要发展方向所以开发镁合金的新成型工艺具有重大意义二 镁合金的简述1 镁及镁合金的性能镁是地球上排位第八位的富有金属元素，其含量约占地壳重量的2%，在金属元素中仅次于铝和铁；镁同是也是海水中的第三富有元素，约占海水重量的0.13%镁合金是工程应用中最轻的金属结构材料此外镁合金由于有较高的比强度、比刚度、减震度、耐磨性、导热性、电磁屏蔽性、易切削性和易回收等良好的综合性能，从而成为汽车、航空航天及电子通讯等行业的重要新型原材料在能源、资源日益匮乏和环保问题日趋突出的今天，镁合金材料被誉为“21世纪的绿色工程结构材料”，具有良好综合性能的轻质镁合金材料正成为全球关注的热点2 镁合金的广泛应用镁及镁合金作为一种新型的应用材料，近年来已广泛应用于军用、民用领域，如在航空航天、航海、通信、医疗、广播电视、音响影像器材、微电子技术、光学仪器等领域内，在汽车、摩托车、工具、家电电器、、计算机及电子设备等制品中都可看到镁合金的身影，在炼钢脱硫、铝合金生产、防腐工程中都离不开镁原料。

在汽车行业，上海汽车集团公司、一汽集团、东风汽车集团、江铃汽车公司等国内大的汽车公司均开始使用镁制零部件根据相关研究，汽车单车自重每减轻100Kg，每百公里耗油可减少0.7L左右，每节省1L燃料可减少二氧化碳排放量2.5g而通过镁合金零部件的使用可有效的实现汽车轻量化目标镁合金应用于交通工具，除减中和降低油耗，还可以提高整车加速、制动性能，还能降低行驶振动和噪声，提高舒适度，可以加快散热，使发动机的综合性能提高一个档次，具有良好的经济效益镁合金所具有的优异的铸造性能及良好的比强度、比刚度和抗撞能力，能充分满足3C产品高度集成化、微薄化、微型化、抗摔撞等要求因此当前在、笔记本电脑、PDA、CD机、网盘、数码相机、摄像机、MP3、便携DVD等行业，也已经建立了一批专门生产3C产品专用镁合金部件的企业，掀起了镁合金部件企业的建设我国如青岛金谷镁业公司、长春华禹镁业公司和富士康公司等炼钢脱硫是在中国镁的应用量突起的另一个重要领域随着汽车工业、石油、天然气管线、桥梁建筑等领域高强度低硫钢的需求增长，近几年鞍钢、宝钢、武钢等钢厂已开始采用镁制脱硫剂进行脱硫，获得低硫优质钢3 镁合金的加工技术目前镁合金产品的80%是通过铸造方法获得。

包括砂型铸造、金属型铸造、重力铸造、熔模铸造、消失模铸造、永久模铸造和压铸等在内的多种铸造方法均可用于镁合金成型，其中压铸是最成熟、应用最广的方法此外半固态铸造、挤压、轧制等成形方法也可以应用于制造镁合金但是镁合金的广泛应用遇到了一些问题：1） 镁合金在熔炼中极容易燃烧，在热加工过程中极容易氧化 2） 镁合金化学性质比较活泼，耐腐蚀性较差3） 镁合金的高温强度、蠕变性能较低，限制了镁合金在高温下的使用4） 镁合金的常温力学性能，特别是强度和塑性、韧性有待进一步提高5） 镁合金的合金系列相对很少，特别是变形镁合金的研究开发严重滞后三 半固态成型技术1 半固态成型技术简介半固态金属加工技术 ( semi solid metal forming )，简称 SSM它是利用半固态金属相当低的剪切应力以及很好流动性的特点，将这种既非完全液态,又非固态的金属浆料加工成型的一种新型加工方法SSM 应用范围广，存在固液两相区的合金均可实现，并能适用于铸造、挤压、锻压、焊接等多种加工工艺其充型平稳，加工温度低，凝固收缩小，因而铸件尺寸精度高，表面平整光滑，铸件内部组织致密，气孔、偏析等缺陷少，晶粒细小，力学性能高。

另外，半固态合金流动应力低，成形速度快，由于成形温度低，对模具的热冲击低，因而铸模寿命大幅提高，并且与普通铸造相比可节约能源因此，半固态金属成形技术得到了国际上的普遍重视，成为材科学科的研究热点2 半固态成形工艺半固态金属加工工艺的工艺路线通常有两条： （1） 经搅拌获得的半固态金属浆料在保持其半固态温度的条件下直接进行半固态加工 , 通常被称为流变铸造 ( Rheocasting ) （2）将半固态浆料冷却凝固成坯料后 , 根据产品尺寸下料 , 再重新加热到半固态温度 , 然后进行成形加工 , 这称为触变成形 ( Thixoform ing ) 2.1 流变铸造 如图所示，在凝固期间，对合金施加搅拌，使浆料中形成非枝晶固相，然后像液态金属压铸一样直接将半固态浆料注入压型中成形，这种工艺称之为流变铸造流变铸造充型前浆料已呈半固态状态，虽然粘度较高，但具有良好的流动性，充型流态为层流，因此可以制造尺寸精确、形状复杂、没有内部孔隙的高质量零部件这种加工方法的缺点是半固态浆料储运比较困难，所以应用受到很大限制2.2 触变成形 触变加工工艺原理是将半固态坯料加热至固液两相区某一温度，保持一定的固液相比例，然后对之实施成型，如图所示。

加热坯料通常采用电磁感应加热的方法将半固态坯料送往成形机进行成型的方式有如下几种 :(1) 触变压铸，其成形设备是压铸机2) 触变锻造，其成形设备是压力机3) 触变挤压，其成形设备是轧机上述成形方法中，前两种工艺已在工业上应用，后—种尚不成熟2.3 射铸成形通过加热源和特殊的螺旋推进系统将具有枝晶组织的合金锭在传输过程中加热剪切 , 使其具有流变性后射入模具型腔成型美国威斯康辛触变成形发展中心采用射铸成型进行镁合金半固态生产3 半固态坯料的制备 SSM中的一个关键问题就是如何制备优质的半固态棒坯通常，半固态金属浆料的制备方法有机械搅拌法，电磁搅拌法和应变激活法此外还有喷射成形法，紊流效应法等3.1 机械搅拌法 机械搅拌法是制备半固态金属最早使用的方法，它可以通过控制搅拌温度、搅拌速度和冷却速度等工艺参数，使初生树枝状晶破碎而成为颗粒结构采用机械搅拌法可以获得很高的剪切速率，有利于形成细小的球微观结构通常有两种类型，一种是由两个同心带齿的圆筒所组成，装浆料的内筒保持静止，外筒旋转另一种是在熔融的金属中插入一根搅拌捧进行搅动机械搅拌法设备简单，但操作困难，搅拌腔体内部往往存在搅拌不到的死区，影响了浆料的均匀性，而且搅拌叶片易被腐蚀，搅拌棒污染合金，生产效率低。

3.2 电磁搅拌法 电磁搅拌法是利用电磁感应在凝固的金属液中产生感应电流，在外加旋转磁场的作用下促进金属固液浆料激烈地搅动，成涡流运动，使传统的枝晶组织转变为非枝晶的搅拌组织 一般影响电磁搅拌效果的因素有搅拌功率、冷却速度、金属液温度、浇注速度等电磁搅拌的突出优点是不用搅拌器 ，不会污染金属浆料，也不会卷入气体电磁参数控制方便灵活，尤其适用于高熔点金属的半固态制备但设备投资大，工艺复杂，成本较高，由于“积肤”效应，该技术只运用于直径小于 150mm 的锭坯在众多制备方法中 , 电磁搅拌法是一种较好的方法3.3 应变激活法 应变激活法，就是预先连续铸造晶粒细小的金属锭，再将其热挤压达到一定变形，在组织中储存部分变形能量，最后按需要将变形后的金属锭分切成一定大小，加热到半固态在加热过程中，首先发生再结晶，然后部分熔化，使固相晶粒分散在液相基体中，得到半固态坯料该法制备的金属坯料纯净、产量大，对制备较高熔点的非枝晶组织合金具有其独特的优越性，但成本高3.4 液相线铸造法 将合金熔体在液相线温度附近保温一定时间后，进行浇铸，以获得适合触变成形的半固态金属液相线铸造合金熔体温度低、温度场均匀，在浇铸过程中大量晶核在熔体中均匀产生，形成细小、均匀、等轴的半固态浆料。

该方法简单高效、节能节材3.5紊流效应法 紊流效应法的原理是让金属液通过特制的紊流装置，利用金属液的紊流效应抑制枝晶生长该方法对紊流装置的结构和材料以及加工技术要求很高目前尚未见工业应用报道3.6 喷射成形法此方法是金属熔化成液态金属后，雾化为熔滴颗粒，在喷射气体作用下部分凝固的微滴直接沉积在收集基板上当每个熔滴的冲击能够产生足够的剪切力打碎熔滴内部形成的枝晶时，凝固后便成为颗粒状组织，加热到局部熔化时，也可得到具有球形颗粒固相的半固态金属浆料4 SSM的微观组织4.1 微观组织特点半固态金属的微观组织显著特点是球状晶粒组织悬浮于液相之中影响组织形态的因素很多，其中冷却速率、剪切速率和固相率起着关键作用半固态金属表现出伪塑性，其动力粘度与剪切速率之间满足指数定律，增大剪切速率或降低冷却速率均可加速球化过程固相率一般在 10% ～ 20% 时有一临界值大于此临界值时，半固态金属的剪切力随固相率的增大而迅速增大其它条件不变时，固相率高的浆料中初生相更加细小，分散度高，但若固相率过高，则失去半固态特性 , 接近固态金属性质4.2形成过程及机理 枝晶球化过程示意图如图在凝固初期，固相细小，由于剧烈搅拌，熔体的热梯度很小，固相颗粒分散在液相中，颗粒基本呈枝晶状。

晶粒到一定尺寸时，由于流动液体的作用，枝晶臂发生弯曲，相互靠近或紧贴，逐渐融合并生长如果端部首先熔合，枝晶臂间的液体就包在中间，晶粒形状得到球化由于剧烈搅拌，晶粒被卷入高温区后，较长的枝晶臂也容易被热流熔断，这是因为一般枝晶臂根部直径要小于其它部分，而且二次枝晶臂根部的溶质含量要比其表面高些，故其熔点要低一些，易被熔断再者，搅拌使整个熔体热流梯度相对较小，且在各方面趋于一致，因此单个结晶颗粒等轴生长故SSM 组织的形状是球形或椭球形 5 SSM 技术的应用现状。