（材料学专业论文）挤压铸造高强韧镁合金材料的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 资源和环境已成为2 l 世纪可持续发展的首要问题。目前，很多传统金属矿产 资源逐渐趋于枯竭。而镁作为一种轻质工程材料，具有比重轻、高比强度、高比 刚度，以及良好的电磁屏蔽能力、良好的铸造性能和易于再生利用等一系列独特 的优点。因此，镁合金结构件在汽车、飞机、计算机及通讯设备上获得了日益广 泛的应用。但是，镁的潜力尚未充分挖掘，所以加速开发镁合金材料是社会可持 续发展的紧迫任务之一。 本试验主要研究了挤压铸造参数对镁合金的微观组织、性能的影响以及添加 元素对镁合金性能、组织的影响。试验以a m 6 0 镁合金为基础，研究强化、韧化 机制开发新型高强韧镁合金，研究组织一工艺参数? 力学性能关系，为优化挤压铸 造工艺提供基础。通过向a m 6 0 镁合金中分别添加灿和z n 元素，形成不同含 a j 量和含z n 量的系列镁合金，研究不同含量m 和z n 元素对镁合金组织、性能 的影响趋势。 研究结果表明在外加压力的影响下，挤压铸造方法铸造出来的铸件金相组织 与重力铸件的相比，挤压铸造的晶粒明显细化，并且共晶组织增多并呈连续网状 分布。挤压铸件金相组织中出现大量树枝晶。 压力是影响挤压铸件质量重要的参数之一。在挤压力为8 0 m p a 的条件下，挤 压铸件的抗拉强度能达到2 0 8 5 m p a ，屈服强度达到1 2 0 m p a ，延伸率达到1 1 4 ， 分别比重力铸件提高了3 0 ，5 2 9 和9 0 。 铝在合金元素中对镁的影响最大。它能改善合金的强度和硬度，并且还能增 大凝固温度范围，使合金更容易铸造。随着铝含量的增加，镁合金铸件晶粒共晶 组织变得断续，二次相是减少的趋势。试验证明含铝6 的镁合金综合力学性能 最佳。 向a m 6 0 中添加z n ，镁合金晶界逐渐变窄，晶界也由深变浅。金相中的共晶 组织是减少的趋势，并且随着含z n 量的增加，共晶组织变得不连续。随着z n 的 加入，镁合金的性能急剧下降。向a m 6 0 中加入百分含量1 的z n 时，抗拉强度 降幅达3 8 4 ，延伸率降幅达8 2 5 。 关键词：挤压铸造，镁合金，显微组织，力学性能 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t r e s o u r c ea n de n v i r o n m e n ta r ec h i e f l ym a t t e ro fc o n t i n u a b l ed e v e l o p m e n ti n2 1s t a tp r e s e n t ，m a n yt r a d i t i o n a lm e t a lm i l l eg r a d u a l l yd r yu p b u tm a g n e s i u ma l l o y s ，a sa s t r u c t u r a lm a t e r i a lf a m i l y , h a v em a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hs p e c i f i cs t r e n g t h , h i 曲 s p e c i f i cr i g i d i t y , g o o dc a s t i n gc a p a b i l i t ya n de a s yt or e c y c l ee r e s om a g n e s i u ma l l o y s a r em a s su s e di na u t o m o b i l e 、a i r p l a n e 、c o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n te t c b u tp o t e n t i a lo fm a g n e s i u mh a s n o tb e e ns u f f i c i e n t l yr o o t l e d t h ea c c e l e r a t i n g d e v e l o p m e n to fm a g n e s i u ma l l o y si so n eo fi m p o r t a n tt a s ko fs o c i e t a lc o n t i n u a b l e d e v e l o p m e n t m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ea r ei n f l u e n c e db ys q u e e z ec a s t i n g w a sr e s e a r c h e di nt h i se x p e r i m e n t ，a n da io rz ni sa p p e n d e di n t oa m 6 0m a g n e s i u m a l l o yw h i c hh o wa b o u ti n f l u e n c et h em i e r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo f m a g n e s i u ma l l o ya l s ow a ss t u d i e d b a s e do na m 6 0m a g n e s i u ma l l o y , w es t u d i e dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm i c r o s t m e t u r e 、p r o c e s sp a r a m e t e ra n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e a l lo ft h e s es t u d yd a t af o ro p t i m i z ep r o c e s sp a r a m e t e ro fs q u e e z ec a s t i n gp r o v i d e d p a r a m e t e r t h er e s e a r c hs h o w e dt h a tc r y s t a l so fs q u e e z ec a s t i n ga r ef i n e rt h a nt h a to fg r a v i t y c a s t i n g t h e p h a s ed e n d r i t ew a sr e f i n e d , a n dbp h a s ew a sr e f i n e da n dd i s t r i b u t i o n c o n t i n u o u s al o to f d e n d r i t ee m e r g e di nm i e r o s t r u c t u r e p r e s s u r ei so n eo fi m p o r t a n tp a r a m e t e ro fs q u e e z ec a s t i n gp r o c e s s u n d e rt h e p r e s s u r eo f8 0 m p a , t h eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t h 、y i e l ds t r e n g t h 、e l o n g a t i o na n d r i g i d i t yr e s p e c t i v e l yi s2 0 8 5 m p a , 15 2 8 5 11 a n d6 2 3 h r e c o m p a r e d 惭mg r a v i t y c a s t i n g s ，t h eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t h 、y i e l ds t r e n g t ha n de l o n g a t i o no f s q u e e z ec a s t i n g i ss e p a r a t e l yi m p r o v e d3 0 、5 2 9 a n d9 0 a l u m i n i u mi st h em o s ti m p o r t a n tm e t a le l e m e n tw h i c hi n f l u e n c em a g n e s i u m a l l o y s a l u n i s i u mc a ni m p r o v em a g n e s i u ma l l o y s ，si n t e n s i o na n dr i 西d i t y , a n dm a k e m a g n e s i u ma l l o y se a s yt oc a s t i n g f o l l o w e dw i t ha l u m i u i u mc o n t e n ti n c r e a s i n g t h e c r y s t a lo fm a g n e s i u mb e c a m ed i s c o n t i n u o u s t h ec o m p r e h e n s i v em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fm a g n e s i u ma l l o y sw h i c hc o n t a i n e d6 c o n t e n ta l u m i n i u mi sb e s ti nt h i s e x p e r i m e n t w h e nz nw a sa d d e di n t oa m 6 0 ，t h ec r y s t a lb o u n d a r yb e c a m en a r r o wa n ds h a l l o w , t h ebp h a s ei sd e c r e a s i n gt r e n da n db e c a m ed i s c o n t i n u o u s t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i i 重壅查鲎堡主兰垡笙奎垦墅璧i 蒌一 o f m a g n e s i u ma l l o y si ss h a r p l yd e s c e n dw h e nz nw a s a d d e di n t om a g n e s i u m k e y w o r d s ：s q u e e z ec a s t i n g ，m a g n e s i u ma l l o y s ， m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 重庆大学硕士学位论文i 绪论 1 绪论 1 1 引言 资源和环境已成为2 l 世纪可持续发展的首要问题。从1 9 世纪末到2 0 世纪初， 由于人类文明的飞速发展，金属材料的消耗与日俱增，一些金属矿产资源逐渐趋 于枯竭。有些金属( 如铜、铅、锌) 只能持续几十年，有些( 如铝、铁) 也只够 使用一百年到三百年。 世界镁矿资源极其丰富，而镁作为一种轻质工程材料，具有比重轻、高比强 度、高比刚度，以及良好的电磁屏蔽能力、良好的铸造性能和易于再生利用等一 系列独特的优点。因此，镁合金结构件在汽车、飞机、计算机及通讯设备上获得 了日益广泛的应用。但是其潜力尚未充分挖掘出来，开发利用远不如钢铁、铜、 铝等成熟。在很多传统金属矿产趋于枯竭的今天，加速开发镁金属材料是社会可 持续发展的紧迫任务之- - t 1 。3 1 。 随着全球经济一体化进程的加速，降低能源消耗、提高能源利用率、减少环 境污染以及节约地球有限资源是当今人们所面临的一个十分重要而紧迫的问题。 制造加工业在产品设计时越来越迫切地考虑产品的轻量化问题。因此，我国部分 汽车、摩托车等交通行业的骨干企业，已经结合具体产品或部件制订出采用镁合 金替代传统材料的新产品研究开发计划。 l _ 2 国外应用镁合金的现状及趋势 为了充分开发利用镁合金的潜力和优势，欧美发达国家政府均高度重视镁合 金应用技术开发研究，美国、德国、澳大利亚、日本、加拿大等工业发达国于9 0 年代以来相继出台了各自的镁合金研究计划，投资数十亿美元，协调和组织各方 面的力量，实施大型的综合性研究计划 4 】。如德国1 9 9 7 年由德国科技教育部牵头， 联合德国阿仑专科工业大学、慕尼黑工业大学、杜易斯堡大学和多特蒙特大学以 及大众汽车公司等5 7 家工厂，投资3 0 0 0 万马克实旄了为期3 年的“m a d i c a 攻 关项目，以解决镁合金压铸生产，以及镁合金压铸生产和加工中的各种关键技术 难题，建立起一套完整的镁合金压铸及加工的工艺规范，并将镁合金压铸件应用 于汽车、计算机、航空航天、通讯、医疗、轻工等领域。该项目取得了丰硕成果， 显著促进了镁合金在德国及欧共体汽车工业的应用【5 】。1 9 9 9 年4 月在德国召开的 “镁合金及其应用”的国际会议上，联邦德国教育和科技部部长助理宣布：投资l 亿2 千万马克支持镁合金的开发，包括信息技术、交通、能源和与制造和工艺技 术相关的新材料和交叉学科的项目。近年来，日本也以超常规的速度开发镁合金。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 日本教育、科学、运动和文化厅联合资助国内知名高校，组织了9 个镁合金的研 究组，开展几十个国家级的研究项目。其中应用研究主要集中在电子、通讯领域。 而基础研究主要涉及镁合金在航天、航空技术领域中与应用相关的基础研究和探 索性研究【6 】。镁合金被认为是新世纪将广泛用于航空、宇航、电子等高科技领域 以及交通运输等支柱产业中最理想，最实用的轻质结构材料。镁合金及其构件的 设计、开发和应用以及与其相关基础性研究己被各国，特别是发达国家视为新世 纪的全球竞争中的一项重大战略选择。 1 3 国内应用镁合金的现状及趋势 1 3 1 我国发展镁合金的优势与前景 我国是镁的生产大国，拥有近百家原镁生产企业，2 0 0 3 年生产原镁3 0 余万 吨，其中8 5 用于出口。我国镁资源丰富，并能生产出高质量的镁锭，有非常好 的发展空间。 我国镁储藏量居世界第一，出口量也居世界第一，且能生产出高品质的镁合 金。因此，我国镁合金铸造产品的发展有可靠的原料来源，目前镁合金和铝合金 的市场价格相当，进行镁合金零部件生产的综合经济优势已大于铝合金。 2 l 世纪的压铸工业，轻合金将占主导地位，镁合金在汽车零部件制造中将 继续大显身手，并向覆盖件、发动机零件等大型零件和结构件进军，而在航空、 航天、电子工业、通讯等行业也将发挥其巨大的作用和潜力。 进入2 0 世纪9 0 年代，我国汽车、航空、航天、电子、通讯等行业有了很大 发展，随着中国加入w t o 后，国际市场的进一步开放，汽车、电子、通讯等行 业将会有更大发展。 1 3 2 我国镁合金产业的现状 十五期间，国家启动了镁合金应用及产业化的重大攻关项目，集国内镁合 金研究基础较好的院所( 如：北京有色金属研究总院、上海交通大学、重庆大学、 沈阳工业大学、清华大学) 、镁合金生产应用企业( 如：长安、隆鑫、重庆镁业、 一汽、二汽、成都发动机公司、海尔、海信等) 、地方政府( 如：重庆、青海、宁 夏、青岛、深圳等) ，以产、学、研、用、资相结合的形式，推动我国镁合金应用 及产业化健康有序的发展，以期在三年内，完成常规镁合金应用技术的开发、推 广应用。如在1 5 万台隆鑫摩托车上实现单车镁合金用量4 - 8 公斤，在5 万辆长安 微型车上实现单车镁合金用量2 0 公斤，在8 万台列车制动机上实现镁合金用量4 公斤，在3 万辆小红旗轿车上实现单车镁合金用量2 5 公斤，在6 万辆东风汽车上 实现镁合金单车用量2 0 余公斤。 2 0 0 0 年始，重庆大学与隆鑫集团合作，用经技术改造的铝合金压铸生产线， 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 实现了摩托车曲轴箱体等十余个镁合金压铸件的工艺性试生产，并在国产挤压铸 造机上实现了镁合金摩托车轮毂的挤压铸造，用于成功组装图1 1 所示世界第一 台镁合金铸件用量达1 2 公斤的l x l 5 0 镁合金绿色概念摩托车。 图1 1 隆鑫l x l 5 0 绿色概念摩托车 f i 9 1 1 l o n c i nl x l 5 0 g r e e nc o n c e p t m o t o r c y c l e 由一汽集团、吉林大学、沈阳工业大学共同承担的一汽集团镁合金应用项目， 已试制出了气门室罩盖、变速箱上盖、发动机部件等镁合金零部件。东风汽车公 司镁合金生产基地也已正式投入批量生产。 香港力劲科技集团2 0 0 1 年与清华大学合作完成了d c c 一1 6 0 0 m 镁合金大型 压铸机的研制，完善了国产镁合金压铸机产品系列。 另外，贵州普新镁合金有限公司、杭州富春镁合金制品有限公司、青海金辉 和川轻合金精密成型有限公司、北京首特钢远东镁合金制品有限公司等一批国内 公司根据镁合金轻、减震、抗电磁干扰等特点，研制出了可运用于通讯、电子、 汽车等领域的镁合金产品。部分产品见图1 2 。 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 图1 2 镁合金产品 f i g1 2m a g n e s i u mp r o d u c t 1 4 镁合金在汽车上的应用 二十世纪2 0 年代镁合金开始用于赛车上，大众汽车公司1 9 3 6 年在其b e e t l e 汽车发动机和传动系统上使用了1 8 k g 镁合金。8 0 年代，奔驰公司在s e l 敞篷车 上使用镁合金座椅框架，奥迪公司在v 8 上使用镁合金整体仪表盘，丰田公司开 始用镁合金轮毂。福特汽车从1 9 9 0 年开始将包含许多镁合金零件的被动式安全装 置转向柱用于各种轿车上，转向柱的镁合金零件包括转向柱套、低位轴承护圈和 两个小护圈夹紧器。菲亚特汽车公司也在使用镁制方向盘骨架和转向柱零件 7 】。 通用汽车公司的整体座椅靠背骨架是1 9 9 7 年最重要的汽车用镁合金压铸件之一 1 8 。目前镁合金在汽车上的其它应用还有辅助转动支架( a z 9 1 ) 、自动变速离合器 活塞和定子( a s 4 1 b ) 、离合器壳( a z 9 1 ) 、大灯托座( a m 6 0 b ) 、机油滤清器壳 ( a z 9 1 ) 、气门罩和凸轮罩( a z 9 1 d ) 等。 为了降低轿车自重以减轻油耗，同时使轿车的使用性能更加优良，各国汽车 公司加大了对镁合金在汽车中的应用研究。同时，各汽车公司瞄准镁合金，积极 投资镁合金冶炼基地，确保原材料的供应。如德国大众公司与以色列的镁生产商 建立了良好的合作关系，双方在以色列有丰富煤矿资源的新死海地区合资兴建新 的镁加工厂【9 ；美国通用汽车公司与挪威诺斯克海德罗镁业公司达成协议，就增 加镁合金在汽车上的应用进行长期合作，诺斯克- 海德罗镁业公司将稳定地向美国 通用汽车公司供应所需的镁合金和镁合金零部件。另外，意大利的菲亚特公司、 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 法国的雷诺公司等也在积极采用镁合金压铸件。由于镁合金压铸件具有优良的品 质，汽车生产商对于镁合金压铸件作为新一代轻型材料已深信不疑，如镁合金压 铸的车轮芯、方向盘、变速箱、仪表盘等越来越多的镁合金压铸件被应用到汽车 上。图1 3 给出了镁合金在汽车上的用量趋势。 图1 3 汽车上镁合金用量的发展趋势删 f i g1 3 t h ed e v e l o p m e n to f m a g n e s i u md o s a g ei na u t o m o b i l e 1 0 】 1 5 镁合金的性能特点【1 1 】1 1 2 】 镁是一种非常轻的金属，镁的密度为1 7 4 9 c m 3 ，其密度是铁的i 4 ，是铝的 2 3 ”】。镁合金的强度接近铝合金，而比强度明显高于铝合金和钢，比刚度则与 铝合金和钢相当。与工程塑料相比，虽然纤维增强塑料的比强度最高，但其弹性 模量很小，比刚度远小于镁合金，且工程塑料难以回收再利用。镁合金由于具有 很高的比强度、优良的减振性和电磁屏蔽性以及良好的铸造性能和易回收利用等 一系列优点，被称为2 1 世纪的金属。表1 1 给出了镁的一些主要物理性质。 表1 1 镁的主要物理性质 密度( 2 0 ) 1 7 4 g c m 3 密度( 熔点时，固态) 1 6 4 g c m 密度( 熔点时，液态) 1 5 7 曲矗 熔点 6 4 9 沸点 1 0 9 0 平均比热( o 1 0 0 c ) 1 0 3 8 j ( k g k 1 熔化热 8 7 1k j m o l 汽化热 1 3 4 0m o l 热导率( 0 1 0 0 ) 1 5 5 5 w ( n 鼢 电阻率( 2 0 ) 4 2“q c m 5 重庆大学硕士学位论文1 绪论 良好的减震性能及流动性 镁合金具有良好的减震性，能够承受较大的震动负荷。如镁合金a z 9 1 d 在 3 5 m p a 应力下的震动应力衰减系数为2 5 ，而铝合金a 3 8 0 的只有l ；在1 0 0 m p a 应力下，镁合金衰减系数上升为5 3 ，而铝合金a 3 8 0 的只有4 t “】。镁合金结晶 潜热和热导率低于a 3 8 0 ，凝固区间比a 3 8 0 大。因此，压铸镁合金具有良好的充 型能力，对压铸型的热冲击较小，可用于压铸薄壁件而不会出现热裂和欠铸等缺 陷，镁合金的脱型力比铝合金低2 0 - - - 2 5 t ” 。 良好的高温性能 镁合金的热导率高，仅次于铝合金，故其热扩散性良好，具有良好的高温性 能。如m g - z r 合金在室温下的力学性能和高温性能都很好，能耐3 0 0 度的高温。 m g - t h 合金，z t 系合金在3 5 0 度高温下能保持高温抗蠕变性能。 良好的耐蚀性和耐磨性 镁的化学活性较高，以镁为基的合金和复合材料易发生电解腐蚀和微电池腐 蚀。因此，耐腐蚀性能差曾是镁合金扩大应用的一大障碍，但高纯镁台金的问世 已使这一障碍得以克服，如高纯镁合金a z 9 1 d ，由于严格规定了杂质含量，其盐 雾试验的耐蚀性超过压铸铝合金a 3 8 0 ，远好于低碳钢。镁合金的耐蚀性主要与杂 质元素含量密切相关，f e 、n i 、c u 等杂质元素显著降低耐蚀性。m n 在镁合金中 可形成a l f e 。m n 化合物，因此增加m n 含量可抑制f e 的有害影响。调整化学成 分、表面处理和控制微观组织等均可改善其耐蚀性。表面防腐膜处理、阳极氧化 处理、电镀处理，采用化学气相沉积( c v d ) 或激光表面熔化处理以及在镁合金件 表面生成玻璃态防护层，也是有效提高镁合金件耐蚀性的表面处理方法。目前已 经开发出具有优良耐蚀性和良好力学性能的多种高纯镁合金，如a z 9 1 d 、a m 6 0 b 、 a s 4 1 x b 等等。图1 4 给出了几种镁台金与a 3 8 0 的耐腐蚀性比较。 图1 , 4 镁、铝合金在盐雾试验中的腐蚀速率“1 f i g1 4e o r d e n tv e l o c i t yo f m a g n e s i u ma n da l u m i n i u mi na c i dm i s t 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 6 本研究的对象和意义 虽然我国是镁资源大国，镁的产量及出口量均是世界第一，但是我国却不是 镁科技强国。随着我国加入w t o 以后， 场也将向中国打开。我国的镁合金企业、 也面临巨大的挑战。 我国的镁市场将向世界开放，世界镁市 科研单位在世界镁业强国面前既有机遇 我国政府及企业也认识到了形式的紧迫性，为充分发挥我国的镁资源优势， 加快镁合金应用开发，建立具有国际竞争力的镁合金高新技术企业，将镁资源优 势转化为科技优势，诸如“镁合金开发应用及产业化”等一系列科技部“十五”国家 科技攻关重大项目陆续展开。 为了迎接镁合金大发展新世纪的到来，我们必须加速对国外先进镁合金铸造 设备和技术的引进、消化、吸收、创新，以汽车、摩托车、家电、通讯等领域的 镁合金应用为龙头，带动镁合金产业的发展。通过政府、企业和科研单位联合， 建立和健全镁合金科研和生产体系，实现我国从镁业大国转变为镁合金强国的目 标。 在这样的大趋势下，我们通过调查研究国内外镁合金应用的情况，并结合国 内目前的产业发展需求，将目标定在了汽车零部件的材料替代上。根据国外在汽 车上应用镁合金的成功情况，我们将目标定在了汽车上高速运动的部件轮毂 的镁合金应用上。如果汽车轮毂能实现镁合金化，达到减重的目的，那么将大大 降低汽车油耗，提高汽车的操控性能。 国外一般都是在高级汽车上才使用镁合金轮毂，因为镁合金轮毂过高的价格， 使得其大规模的应用受阻。因此，我们要研究一种低成本生产合格质量镁合金轮 毂的方法。 综上所述，无论是从新材料发展潮流和产品市场规律，还是从国家开发战略 和资源合理利用的角度来看，开发轮毂用镁合金及其低成本制造技术，不但能够 推动我国丰富的镁资源的合理开发利用，而且还能促进新材料、新工艺、新产品 的开发，促使制造业向高新技术产业转化，提高产品的市场竞争力，向国际市场 进军。 1 7 本课题研究内容 1 、在a m 6 0 的基础上研究强化、韧化、抗疲劳机制，开发新型高强韧、抗 疲劳轮毂用镁合金； 2 、研究组织缺陷一工艺参数一疲劳性能关系，为优化挤压铸造工艺提供基础； 3 、挤压铸造工艺优化。 7 重庆大学硕士学位论文2 镁合金的成型技术 2 镁合金的成型技术 2 1 镁合金压铸技术 眦：】 镁合金具有优异的充型流动性能，非常适合压铸。镁合金液粘度低，流动 性好，易于充满复杂型腔。用镁合金可以很容易地生产壁厚1 o 2 0 m m 的压铸件， 现在最小壁厚可达0 6 mr n 。铝合金压铸件的最小壁厚则是2 3 3 5 m1 3 3 。镁合 金压铸件的铸造斜度为1 5 0 ，而铝合金是2 。3 0 。镁合金压铸件的尺寸精度比 铝合金压铸件高5 0 。镁合金的熔点和结晶潜热都低于铝合金，压铸过程中对 模具冲蚀比铝合金小，且不易粘型，其模具寿命可比铝合金件长2 4 倍。镁合 金件压铸周期比铝件短，因而生产效率可比铝合金提高2 5 。镁合金铸件的加 工性能优于铝合金铸件，镁合金件的切削速度可比铝合金件提高5 0 ，加工耗能 比铝合金件低5 0 。生产经验表明，由于生产效率高，热室压铸的镁合金件的总 成本低于冷室压铸的铝合金相同件。 图2 1 镁合金冷、热室压铸示意图 f i g2 1t h ec o l da n dh o tc h a m b e ro f d i ec a s t i n go f m a g n e s i u m 8 重庆大学硕士学位论文2 镁台金的成型技术 陆督 湍流充填 ( a ) 上部充填 层流充填 ( b ) 下部充填 曜 充填完毕 充填完毕 图2 2 不同的压室充填方式 f i g 2 2 d i f f e r e n tf i l l i n gm o d eo f d i ec h a m b e r 镁合金压铸分为热室和冷室两种，见图2 1 。镁合金压铸新发展的技术有真空 压铸和充氧压铸( 无气孔压铸) 。镁合金不同的压室充填方式见图2 2 。 真空压铸技术 真空压铸是在压铸过程中抽除型内的气体，以消除或减少在压铸件内的气孔 和溶解气体，提高压铸件的力学性能和表面质量。真空压铸镁合金铸件的最小壁 厚为1 5 2 0 m m 。真空度小于等于8 0 l ( p a ，冲头速度最大达1 0 m s ，充型时间2 0 3 0 ms ，铸件强度可提高1 0 以上，韧性提高2 0 5 0 。目前已成功地用真空压 铸法生产出镁合金汽车轮毂和方向盘，如a m 6 0 b 镁合金汽车轮毂，a m 6 0 b 镁合 金汽车方向盘零件。 充氧压铸 充氧压铸又称为无气孔压铸( p o r e f r e ed i ec a s t i n gp r o c e s s ，即p f 法) 。该法在 充型前，将氧气或其他活性气体充入型腔以置换型内空气，金属液充型时，活性 气体与金属液反应生成弥散分布的金属氧化物，达到消除压铸件内气体和气孔的 目的，使压铸件可进行热处理。日本轻金属( 株) 用充氧压铸法生产计算机的a z 9 1 镁合金整体磁头支架，代替原先的多层叠合支架，不但减轻了支架重量，并且取得 了很大的经济效益。该公司还用充氧压铸法成批生产了a m 6 0 镁合金汽车轮毂和 摩托车轮毂，与铝轮毂相比，重量减轻1 5 。 9 重庆大学硕士学位论文 2 镁合金的成型技术 2 2 镁合金半固态铸造技术 半固态铸造具有充型平稳、金属液氧化损失少、铸件尺寸精度高、孔洞类缺 陷少、可进行热处理等特点。 半固态铸造分为流变铸造和触变铸造。流变铸造( r h e o c a s t i n g ) 是美国康奈 尔大学开发的半固态铸造工艺，1 9 9 6 年取得美国专利。触变铸造( t h i x o c a s t i n g ) 源于d o w 化学公司，由t h i x o a m t 公司将其商业化。其生产过程为将已制各的非枝 晶组织锭坯重新加热到固液两相区，达到一定粘度后，进行压铸或挤压成形。触 变铸造易实现坯料的加热和输送自动化，是目前半固态铸造的主要工艺方法。镁 合金的半固态成形主要采用触变铸造【1 8 】。 水力蓄力器 图2 3 触变注射成形示意图 f i g2 3 s k e e hm a po f t h i x o m o l d i n g 注射成形【2 2 6 j ( 触变模压铸工艺、触变注射成形) ( i n j e c t i o nm o l d i n g 或称 t h i x o m o l d i n g ) 也有人将它归于流变铸造一类，其原理如图2 3 。由美国t h ed o w c h e r n i c a lc o 公司1 9 8 7 年开发用于镁合金的注射成形。日本的s p e e ds t a rw h e d s 公司1 9 9 4 年首次利用触变铸造技术生产出了铝合金车轮，在该年内日本还设计制 造出用于镁合金的射铸设备，1 9 9 6 年开始用该设备进行工业性生产。此工艺方法 与流变铸造的区别在于不需要事先将原材料经搅拌成为半固态浆液。它与触变铸 造的区别在于不需要将半固态浆液制成半固态铸锭，再将铸锭加热后送入成形设 各，而是类似于塑料的注射成形法。但由于工艺与设备的局限性，该工艺材料的 选择性较小，常用的只有a z 9 1 d ，a m 5 0 a 和a m 6 0 b 等几种，而目前最成功的是 a z 9 1 d 。由美国t h i x o m a t 公司提出的半固态金属触变注射成形工艺 l o 重庆大学硕士学位论文2 镁合金的成型技术 ( t h i x o m o u d i n g ) ，采用了塑料注射成形的方法和原理，目前该设备系统主要用于镁 合金零件的半固态注射成形。 美国c o n e u 大学的k k w a n g 等，首先将半固态金属流变铸造( s s m r h e o e a s t i n g ) 与塑料注射成形( 叫e c t i o nm o u d i n g ) 结合起来，形成了一种称之为“流变 注射成形”( r h e o m o u d i n g ) 的半固态金属成形新工艺，所发明的流变注射成形机的结 构原理如图2 4 所示。 图2 , 4i c i c w a n g 的流变注射成形机原理图 f i g2 4 t h et h e o r ym a po f k k w a n g sr h e o m o u d i n g 流变注射成形的工作原理是：液态金属依靠重力从熔化及保温炉中进入搅拌 筒体，然后在螺旋的搅拌作用下( 螺旋没有向下的推进压力) 冷却至半固态，积累至 一定量的半固态金属液后，由注射装置注射成形，上述过程全在保护气体下进行。 表2 1 对几种半固态金属成形方法进行了比较。 表2 1 几种半固态金属成形方法的比较 1 b b l e 2 1d i f f e r c n to f s e m i s o l i d m e t a l f o r m m e t h o d s 成形方法成形材料成形状况比较 流变铸造( r h e o c a s t i n g )分开制各的半固态金属浆料恒温、无剪切二步法 触变铸造( t h i x o c a s t i n g ) 部分重熔的半固态料坯恒温、无剪切二步法 触变注射成形( t h i x o m o u l d i n 9 1 金属粒料加热、剪切步法 流变注射成形( r h e o m o u l d i n g )液态金属冷却、剪切一步法 冷却管绝热管加热线圈 重庆大学硕士学位论文 2 镁台金的成型技术 2 3 镁合金挤压铸造技术 挤压铸造( s q u e e z ec a s t i n g ) ，也称液态模锻( 1 i q u i dm e t a lf o 蟛n g ) ，是将液态和固 态金属成形原理有机结合起来，使液态金属以低速充型，在高压( 5 0 i o o m p a ) 下 凝固，最终获得致密的、可热处理的铸件。挤压铸造作为一种先进的加工工艺， 它具有铸造工艺简单、成本低、锻造产品性能好、质量可靠等优点 2 7 1 。挤压铸造 工艺的主要用途：实现近净( n e a rn e ts h a p e ) 成形，生产高质量铸件，用于取代锻 件。挤压铸造工艺被认为是一种理想的生产铝基复合材料的工艺。 挤压铸造压力的作用使金属与模具内腔表面紧密接触，加速传热过程，得到 微观组织非常细小的铸件，并能精确复制模具内腔的细节。在压力作用下，铸件 在凝固过程中经历了类似于模锻的塑性变形，因此可获得高致密度的铸件。 2 3 1 挤压铸造的种类哪! 挤压铸造分为直接挤压铸造( d i r e c ts q u e e z ec a s t i n g ) 和间接挤压铸造( i n d i r e c t s q u e e z ec a s t i n g ) 。直接挤压工艺类似于金属模锻，压力直接施加于液态金属的整个 面上：间接挤压工艺与压铸接近，压力通过浇道间接作用于液态金属上。 直接挤压工艺 直接挤压铸造设备具有垂直的结构，压力直接作用于液态金属的整个面上， 可以生产出接近1 0 0 致密的铸件。根据成形过程中有无液态金属运动，直接挤压 工艺分为两类，一种用于生产锭料，一种生产带有空腔的铸件。 直接挤压工艺存在的主要问题是：1 ) 必须精确定量浇入的液态金属；2 ) 要 求铸件向冲头方向单向凝固，以保证压力的有效传递；3 ) 控制冲头的插入过程， 以使液态金属以非湍流的方式向上移动，从而避免氧化夹渣等缺陷；4 ) 在提高生 产率以及制造形状复杂铸件方面存在一定困难；5 ) 挤压铸造金属模具通常由高质 量的模具钢制造，而且要求有足够大的壁厚以承受高压。 间接挤压铸造 在间接挤压过程中，液态金属是通过浇注系统引人型腔的。挤压设备通常采 用较大的压射筒，压射筒挤压活塞可以控制液态金属的射入速度。在注射后期， 压射筒活塞通过浇道对型腔中的金属施加高压。通常，确定压力是否有效传递和 合理设计浇注系统，是间接挤压铸造工艺两个主要的问题。与直接挤压铸件相比， 间接挤压铸件在一封闭型腔中成形，十分容易控制铸件尺寸，因此，不必精确定 量液态金属。间接挤压铸件内部质量低于直接挤压件而高于压铸件。 根据压射筒位置，间接挤压铸造设备分为水平式和垂直式两大类【2 9 1 。 挤压一低压铸造1 8 2 2 这种工艺的特点是将挤压铸造与低压铸造及电磁定量浇注泵结合成一体，具 有下列优点：1 ) 缩短了从供料到挤压之间金属液的停留时间，不但可减少铸件中 1 2 重庆大学硕士学位论文2 镁合金的成型技术 的不均匀凝固，而且缩短了铸件生产的循环周期：2 ) 生产过程中金属液与空气隔 绝，有效地防止了镁合金液的氧化燃烧；3 ) 镁合金液可在较低温度下保温和浇注。 因此该系统可生产形状复杂的薄壁镁合金铸件，但其设备投资很高，限制了其更 广泛的工业应用。 挤压一流变铸造【1 b 这种工艺是挤压铸造与流变铸造相结合的铸造工艺，可在同一工作单元内实 现对熔体的搅拌、压射及旖加挤压压力。安装在压射室外围的电磁搅拌装置用于 搅拌降温过程中的熔体，当达到特定固相分数所要求的搅拌时间后，压射冲头将 浆料压入型腔并保压。这种工艺可充分利用两种铸造成形方法的长处，弥补流变 铸造本身的局限，并可提高铸型的寿命。 2 3 2 挤压铸造的特点 挤压铸造充型后的凝固压力比重力金属型铸造要高几个数量级，其对铸件成 形的影响主要表现为：使充型后金属液冷却速度由重力金属型铸造的1 1z z s 剧 增至2 8 2 。c s ；改变凝固合金中相的组成和数量；增大合金与铸型问的传热 系数；抑制金属液中气体的析出，从而减少铸件中的疏松和气孔缺陷，提高铸 件的致密度；力学性能显著提高。与传统铸造合金相比，屈服强度提高1 0 1 5 ；延长率以及疲劳强度提高5 0 1 5 0 ；力学性能与变形合金接近。由于晶 体结构致密化，挤压铸件质量亦明显优于重力金属型铸造和低压铸造。因此，挤 压铸造的铸件晶粒细小，组织致密，力学性能优异e l s e 8 。 挤压铸造与压铸对比：产品性能好。由于浇注速度低及没有浇注系统，当 上下模闭合后，金属在充分的压力下结晶成形，不会在工件内形成气孔、缩孔及 涡流等缺陷，因而组织致密均一，晶粒较细，对于厚壁件的制造更显其优越性。 模具结构比较简单、紧凑，不需要浇口套及浇注系统等辅助结构。模具的加工 费低于压铸模，使用寿命也较长。不像压铸工艺需要专用液压机，可采用通用 的液压机，设备投资较便宜。挤压铸造与模锻对比：产品质量好。金属液在充 足的压力下凝固结晶，其组织很致密，纵向和横向力学性能比模锻件均一。因 挤压铸造直接凝固成形，制件外形准确，表面光泽，精度较高。挤压铸造采用 一次成形，不需要模锻的制坯、预成形及终成形，节约模具材料。由于金属是 在半流动状态下成形，所需能量低，其设备吨位只有模锻的l 5 1 8 t 3 0 。 挤压铸造的主要缺点有如下几方面：不能使用砂芯；投资高，挤压铸造 工艺适宜于大批量生产；与压铸相比，铸型寿命低；铸造形状复杂件有一定 限制；由于具有较陡的温度梯度，铸件有时出现所谓的反偏析。 1 3 重庆大学硕士学位论文 2 镁合金的成型技术 2 4 镁合金低压铸造技术【1 8 】 低压铸造是一种成熟、可靠、广泛用于生产高致密度有色合金铸件的特种铸 造方法。该法通过对熔池液面施加一般不大于0 1 m p a 的气压，使金属液经升液管 充填型腔。由于充型金属液的流动接近层流且易于控制，避免了充型过程中合金 液氧化和卷入气体，因而低压铸造被广泛地用于生产高质量的轻合金复杂薄壁铸 件。例如汽车轮毂、汽缸盖等。 2 5 镁合金差压铸造技术【1 8 】 差压铸造是对低压铸造的发展，金属液在充入熔液面和型腔的高压气体( a s 常 高达l m v a ) 的压j j 作用下，经升液管充填型腔，并在高压下凝固，从进一步提高 了铸件的致密度。该技术的最新发展是真空倾转法差压铸造。 2 6 镁合金消失模铸造技术 1 8 】 消失模铸造( e x p a n d a b l ep a t t e r nc a s t i n g ，e p c ) 又称实型铸造，其最新发展是真 空干砂消失模铸造，是目前国际上最先进的铸造工艺之一。由于消失模铸造无需 取模、无分型面、无型芯，因而其铸件的尺寸精度和表面粗糙度接近于熔模精铸 件。消失模铸造为铸件结构设计提供了充分的自由度，原来由多个零件组装的构 件，可通过分片制模后粘合成一体的办法实现整体浇铸，因而可非常经济地生产 通常要由许多压铸件组合的复杂铸件。 镁合金消失模铸造的优点是：采用干砂，避免了普通砂型铸造由水分引起 的镁合金燃烧问题，且消失模气化形成的还原性气氛，可抑制镁合金氧化燃烧： 镁合金线收缩率是铝合金的1 2 倍，热裂倾向大，干砂退让性好，可有效地解决 镁合金铸件热裂问题。 2 7 镁合金砂型铸造技术1 6 镁合金砂型铸造适用于生产小批量件和复杂件。砂铸的镁合金件最小壁厚可 达3 5 m m ，尺寸精度可达4 - 0 6 m m 。 表2 2 对几种不同的铸造成形方法生产的镁合金铸件质量进行了比较。 1 4 重庆大学硕士学位论文2 镁合金的成型技术 表2 2 不同铸造成形方法生产的镁合金铸件质量【1 目 t a b l e2 2t h eq u a l i t yo f m a g n e s i u mp r o d u c tp r o d u c e db yd i f f e r e n tf o u n d i n gp r o c e s s 对比的铸件指标低压压力真空触变半固态铸挤压 铸造铸造铸造铸造铸造 循环时间 32 31 42 表面精度3l311l 卷入气体 34 33 21 缩孔444l11 可热处理性 14 1l 11 可焊性 141ll1 1 表示最好，4 表示最差 2 8 镁合金喷射成型技术 喷射成型技术是英国o s p r e y 金属有限公司率先推出的一种介于铸造与粉末冶 金之间的新工艺，简称为“o s p r e y 成形法”如图2 5 所示【引 。该工艺的实质是：将 液体金属在快速气体( n 2 ，a r 2 ) 作用下雾化成微细颗粒，然后喷射沉积在一定形状 的收集基板上，得到快速凝固而获得致密的金属半成品。该法具有其它快速凝固 工艺无法比拟的特点，不仅能得到细小、致密、成分均匀的组织，而且还降低了 材料的含氧量，简化生产工序，降低生产成本。适用于生产