（材料加工工程专业论文）az61镁合金sima法半固态制备及二次加热的研究.pdf

中文摘要 a z 6 1 镁合金s i m a 法半固态制备 及二次加热的研究 摘要 自从2 0 世纪7 0 年代初以来，半固态成形技术得到了迅速发展，被誉为2 1 世纪前沿性金属加工技术。但是，过去的大多数研究集中在铝合金方面，目前， 随着人们对半固态金属加工技术研究的不断深入，半固态金属加工技术已得到很 大的发展和应用，并已开始应用于镁合金。 近年来，常用的制备半固态坯料的方法有：机械搅拌法、电磁搅拌法和应力 诱发熔体激活法( s i m a ) 等。s m i a 法由于避免了金属液态处理步骤，与其它方 法相比，工艺简单，设备费用投入少。因此，越来越受到人们的关注，本文采用 s i m a 法制备出了理想的a z 6 1 镁合金半固态坯料，获得了细小而均匀的半固态球 状组织，并分析了坯料预变形程度、等温热处理温度和保温时间对非枝晶组织形 成的影响。 同时，对a z 6 1 镁合金半固态坯料的二次加热进行了更深入的研究，分析阐 明了二次加热过程中的组织演变过程和规律。研究表明：a z 6 1 半固态镁合金二 次加热适宜温度区间为5 8 7 5 9 2 ，高于5 9 5 时，试样在局部重熔过程中易 发生严重变形。这一研究对其触变成形具有一定的指导作用。 利用a b a q u s 有限元软件对a z 6 1 镁合金镦粗和挤压变形进行了数值模拟， 获得了变形过程中的等效应变场和等效应力场。通过对镦粗成形实验和计算机模 拟的结果对比可知，二者吻合的较好，这些工艺参数对a z 6 1 镁合金实际应用具 有重要的参考价值。 关键词：半固态；应力诱发熔体激活法；a z 6 1 镁合金；二次加热；数值模拟 英文摘要 s t u d yo na z 6 1m a g n e s i u ma l l o yf a b r i c a t e d b ys l m a a n dr e h e a t i n g p r o c e s s a b s 仃a c t s e m i s o l i dm e t a lf o r m i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l ys i n c et h e 1 9 7 0 s ，i ti sr e g a r d e da st h ef o r e l a n dm e t a lp r o c e s st e c h n o l o g yi n2 1c e n t u r y a n d m a n yo ft h es t u d yr e p o t sw e _ l - eu s e d 幻f o c u so na ia l l o y i np r e s e n tt i m e ，w i t ht h e f u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h er e s e a r c ho fs e m i - s o l i dm e t a lp r o c e s st e c h n o l o g y ，s s f t e c h n o l o g yh a so b t a i n e dr a p i d l yd e v e l o p m e n ta n dw i d e l ya p p l i c a t i o n i th a sb e e n a p p l i e dt om a g n e s i u ma l l o y i nr e c e n t y e a r s ，t h e c l a s s i c a lm e t h o do fp r o d u c i n gs e m i s o l i d i n g o t a r e m e c h a n i c a ls t i r r i n g ，e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ，s t r a i n i n d u c e dm e l ta c t i v a t i o n ( s 叫 a n ds oo n t h ef a b r i c a t i o no fm a t e r i a lw i t hs i m ap r o c e s s i n gi sn o ta b o v et h el i q u i d u s t h e r ea r ee a s i e rt e c h n o l o g ya n dl e s se x p e n s e so fe q u i p m e n tt h a nt h eo t h e r s ， t h e r e f o r e ，m o r ea n dm o r ep e o p l ec a r ea b o u ti tn o w i nt h ep a p e rs e m i s o l i da z 6 1 i n g o tw a sp r o d u c e db yu s i n gt h em e t h o do fs t r a i n - i n d u c e dm e l ta c t i v a t i o n ( s i m a ) ， a n dt h e nt h ei d e a l ，t m na n dm e a ns e m i s o l i dm i c r o s t r u c t u r ew e r eo b t a i n e dt h r o u g ht h e s t r a i n i n d u c e dm e l ta c t i v a t i o nm e t h o d ，a n dt h ei n f l u e n c e so fp r e d e f o r m m i o n ，t h e t e m p e r a t u r e o ft h ei s o t h e r m a lh e a t - t r e a t m e n ta n dt h eh o l d i n gt i m eo nt h e n o n d e n d r i t i cm i c r o s t r u c t u r ew e r ea n a l y z e d i nt h em e a n t i m e ，r e h e a t i n ge x p e r i m e n t sw e r em o r es t u d i e do ns e m i - s o l i da z 6 1 m a g n e s i u ma l l o yt h ee v o l u t i o no ft h em i c r o s t r u c t u r e sd u r i n gp a r t i a lr e m e l t i n gw a s d e s c r i b e da n da n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ，t h es u i t a b l et e m p e r a t u r er a n g eo f a z 6 1s e m i s o l i dm a g n e s i u ma l l o yr e h e a t i n gw a sn e a r5 8 7 。c 5 9 2 。ct h es a m p l e s w e r es u s c e p t i b l et os e r i o u sd e f o r m a t i o na b o v e5 9 5 。c t h er e s e a r c hi si n s t r u c t i o n a l s i g n i f i c a n c et ot h i x o f o r m i n go f a z 6 1s e m i - s o l i dm a g n e s i u m a l l o y af i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o ni na b a q u ss o f t w a r eh a sb e e np e r f o r m e dt o s i m u l a t et h eu p s e ta n de x t r u s i o nt e s to fa z 61m a g n e s i u ma l l o y t h ee q u i v a l e n ts t r a i n 中文摘要 f i e l da n dt h ee q u i v a l e n ts t r e s sf i e l dw e r eo b t a i n e d c o n t r a s t e dt h eu p s e ta n de x t r u s i o ne x p e r i m e n ta n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ，a n d f o u n dt h a tt h e yf i t t e dw e l l s ot h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sh a v es p e c i a lr e f e r e n c et o p r a c t i c a la p p l i c a t i o no f a z 6 1m a g n e s i u ma l l o y w r i t t e nb y ： z h a n gf a y u n d i r e c t e db y ：j i ex i a o p m g 、y a hh o n g s p e c i a l i t y ：m a t e r i a lp r o c e s se n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：s e m i s o l i d ；s t r a i n - i n d u c e dm e ka c t i v a t i o n ( s i m a ) ；m a g n e s i u ma l l o y r e h e a t i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n r l l 国家自然科学基金( 5 0 4 6 5 0 0 3 ) 和江西省自然科学基金( 0 3 5 0 0 0 5 ) 资助 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌土学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 、 学位论文作者签名：2 1 矗嘬乞 签字日期：砥二月f 。日 j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌土学有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本 人授权南暑土学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：1 沁如导师签名：? 鼋乃笏 ，7 。 签字日期：喀矽月i 护日签字日期：d 弼月，o 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 电话： 邮编： 塑二雯堑堡 第一章绪论弟一早瑁化 1 1 半固态加工技术简介 半固态成形是一种新兴的金属成形技术，它与固态成形、液态成形同属金属成 形领域在合金状态图上，半固态成形是指合金处于液相线温度和固相线温度之间 时对金属浆料进行的加工成形，利用了金属从液态向固态或固态向液态过渡( 即固 液共存) 时的特性，填补了液相线和固相线之间没有加工成形方法的空白= 。1 。 金属半固态成形原理是在2 0 世纪7 0 年代初，美国麻省理工学院d b s p e n c e r 等研究人员在自制的高温粘度计中测量s n 一1 5 p b 合金高温粘度时，发现了金属在 凝固过程中的特殊行为。1 ，如金属在凝固过程中，进行强烈搅拌，即使在较高固相体 积分数时，半固态金属仍只有相当低的剪应力，这种特殊性能是由于基体中存在奇 特的球状结构。美国麻省理工学院的研究人员很快意识到金属凝固的这一特征具有 许多潜在的利用价值，随即对此进行了广泛深入的研究，并发展成为半固态金属加 工技术( s e m i s o l i dm e t a lf o r m i n g ) ，简称s s m 。 与普通的加工方法相比，半固态加工成形具有许多优点： ( 1 ) 应用范围广泛，凡具有固液两相区的合金均可实现半固态成形。 ( 2 ) s s m 充型平稳、无湍流和喷溅、加工温度低，凝固收缩小，因而铸件尺寸精 度高。s s m 成形件尺寸与成品零件几乎相同，可实现净近成形，极大地减少了 机械加工量，做到少或无切削加工，从而节约了资源。并且s s m 凝固时间短， 从而有利于提高生产率。 ( 3 ) 半固态合金已释放了部分结晶潜热，因而减轻了对成形装置，尤其是模具的热 冲击，使其寿命大幅提高。 ( 4 ) s s m 成形件表面平整光滑，铸件内部组织致密、内部气孔、偏析等缺陷少，晶 粒细小，力学性能高，可接近或达到锻件的性能。 ( 5 ) 应用半固态成形工艺可改善制备复合材料中非金属材料的漂浮、偏析以及与金 属基体不润湿的技术难题，这为复合材料的制备和成形提供了有利的条件。 ( 6 ) 与固态金属模锻相比，s s m 的流动应力显著降低。因此s s m 模锻成形速度更高， 而且可以成形十分复杂的零件。1 3 。 第一章绪论 1 2 半固态金属加工的应用 近几年中，半固态加工技术的工业应用已经取得很大进展。其中美、同、英、 法、意大利和瑞士等国家的应用水平处于领先地位”1 。 在美国，a l u m a x e n g i n e e r e d m e t a l p r o c e s s ( a e m p ) 公司率先将此项技术转化为生 产力。 1 9 7 8 年，它使用m h d 技术生产出供触变成形用的圆锭，随后建成了全球首条高 容量和高度自动化的触变成形生产线，用于生产铝合金汽车零件，并拥有相关专利 6 0 多项；自1 9 8 8 年以来，a e m p 为b e n d i x 牌小轿车生产了2 5 0 万个铝合金汽缸头 ( m a s t e rc y l i n - d e r ) ，为f o r d 汽车公司生产了1 5 0 0 万个铝合金压缩机活塞 ( p i s t o n s o f c o m p r e s s o r ) ，成品率近1 0 0 。 在欧洲，意大剥是半固态加工技术商业化应用最早的国家之一。s t a m p a l - - s a a 公司使用此技术为f o r d 汽车公司生产z e t a 发动机的油料注射挡( f u e lr a i l s ) ，生 产率为1 6 0 件小时；瑞士的b u e h l e r 公司于1 9 9 3 年开发了称为s c 的半固态压铸 设备，并开始进行汽车零件的生产。 日本于8 0 年代后期成立了一家由1 8 个成员组成的r h e o t e c h 公司，随后对半固 态加工技术进行系统研究，同时加强与美欧著名大学和公司的联系。公司成员包括： 三菱重工、| 崎制铁、神户制钢、古河电气等1 4 家钢铁公司和4 家有色金属公司。 现在半固态加工技术应用得最成功和最广泛的领域是汽车工业。如a l c a n 公司 应用半固态加工生产的铝合金刹车轮毅。意大利s t a m p a l 公司生产的汽车转向节， 若采用铸铁制造，质量为3 k g ，采用半固态加工的铝合金质量为1 4k g ，减重1 1 4 。 我国从8 0 年代后期开始，在国家自然科学基金和“八六三”等计划的支持下， 先后有不少高校和科研单位展开了这方面的研究，在半固态加工成形技术的基础理 论研究方面，取得了可喜进展。但这方面的研究主要集中在铝合金。 近年来，随着镁合金生产技术的发展，镁合金的应用获得了人们的极大关注。尤 其在结构材料方面的应用获得了极大的重视，过去镁合金主要是用于冶金行业，而 在结构材料方面的应用仅仅局限于航天航空方面的少量要求“。现在，随着半圆态 金属加工技术广泛应用和推广。以及汽车制造、航空航天、通讯、光学仪器和计算 机领域的飞速发展，镁合金作为种理想的工业材料倍受世人关注，被认为是二十一 世纪最具有应用和开发前景的商用轻质材料。镁台金的开发应用，已成为当今材料 第一章绪论 料领域研究的热点。 1 3 镁合金的特点及分类 1 3 1 镁合金的特点 镁的密度为1 7 4 9 c m 3 ，其合金的密度小于2 9 c m 。，是目前最轻的金属结构材料。 镁合金的强度接近铝合金，但其比强度高于铝合金和钢，略低于比强度最高的纤维 增强复合材料；镁合金的比刚度与铝合金和钢相近，远高于纤维增强复合材料。镁 合金的减震性好，能承受较大的冲击振动负荷，具有优良的切削加工和抛光性能， 易于铸造。此外，镁合金还具有优良的导电性、导热性和磁屏蔽性等。近年来，随 着人们对节约资源和减少污染等环境问题的更多关注，但与铝合金相比，镁合金的 研究和发展还很不充分，镁合金的应用也还很有限。目前，镁合金的产量只有铝合 金的1 。镁合金作为结构应用的最大用途是铸件，其中9 0 以上是压铸件。由于 镁元素极为活泼，镁合金在熔炼和加工过程中极容易氧化燃烧，因此，镁合金的生 产难度很大；镁合金的生产技术还不成熟和完善，特别是镁合金成形技术有待进一 步发展；镁合金的耐腐蚀性较差；现有工业镁合金的高温强度、蠕变性能较低，限 制了镁合金在高温( 1 5 0 3 5 0 。c ) 场合的应用。 镁合金的常温力学性能，特别是强度和塑韧性有待进一步提高；这是因为镁的 晶体结构为密排六方晶格，属于最紧密的结构，这种晶体的滑移面一般是( 0 0 0 1 ) 面， 这个面包含有三个滑移方向，因此它只有三个滑移系。在室温下，镁只能沿晶格底 面 0 0 0 1 进行滑移，这种单一的滑移系使它的压力加工变形能力很低，塑性差。只 有在2 5 0 。c 以上，才使得第一类角锥面 1 0 1 1 ) 和第二类角锥面 1 0 1 2 ) 产生滑移，从 而使其塑性显著提高“。因此，镁及镁合金的塑性加工主要是在加热状态下进行的， 一般不宜进行冷加工。 1 3 2 镁合金的分类 镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金。镁合金按合金组元不同主要 有：m g a i z n - m n 系( a z ) 、m g a 1 一m n 系( a m ) 、m g a i s i m n 系( a s ) 、m g a 1 一r e 系( a e ) 、m g z n z r 系( z k ) 和m g z n r e 系( z e ) 等合金a 一一兰二茔堡堡 1 4 半固态镁合金成形技术分类 半固态金属加工技术是2 1 世纪前沿性金属加工技术。因为半固态加工技术有一 系列的特点，最突出的特性为半固态材料的触变性和优良的组织结构，即成形的零 件的质量好，力学性能相近锻件的力学性能，而镁合金半固态成形是近年来发展起 来的成形技术，可以获得高致密度的镁合金制品，这种镁合金半固态成形是一种非 常有竞争力的金属加工成形方法。 当今，大多数金属零件的制造过程通常为全液态或者是全固态，而半固态金属 加工只是在部分融熔状态下成形的。它的成形温度位于固相线和液相线之间，主要 是通过机械和电磁搅拌、s i v a 等方法使其枝状晶粒转化为球状晶粒，同时婕得成形 零件的尺寸和精度达到净近成形和净终成形( n e a r - n e t s h a p e ) 。目前，半固态镁合 金成形工艺主要分为：流变成形、触变成形、和注射成形。 ( 1 ) 流变成形 流变成形是将金属液从液相到固相冷却过程中进行强烈搅动，在一定固相率分 数下，直接将所得到的半固态金属浆料进行压铸、挤压以及轧制成形。”；rs h i h a t 等人曾用电磁搅拌方法制备的半固态合金浆液直接送入压铸机射室中成形。该方法 生产的合金件的力学性能接近半固态触变成形件。但流变成形过程中浆液的保存和 输送难度较大，因此，流变成形在实际应用有一定困难。 ( 2 ) 触变成形 触变成形是将半固态金属浆料冷却凝固成坯料后，根据产品尺寸下料，再重新 加热到固液两相区域( 即半固态温度) ，然后进行压铸或挤压成形。美国的e p c o ，瑞 士的b u h l e r ，意大利的i d r a u s a ，加拿大的p r o d u c e ru s a ，日本的t o s h i b am a c h i n e c r o p 公司等均能生产半固态铝合金触变成形专用设备。并能对整个成形过程进行实 时控制，从而达到改善质量，降低废品率。触变成形工艺中坯料加热和输送易于实 现自动化，所以触变成形是当今主要的半固态成形工艺“1 。 ( 3 ) 注射成彤 半固态镁合金注射成形过程有点类似塑料的注射成形原理，在室温条件下，颗 粒状的镁合金原料由料斗强制输送到料简中，料筒中旋转的螺杆使合金颗粒向模具 运动，当其通过料筒的加热部位时，合金颗粒呈半固态捉然后通过高速旋转的往复 式螺杆把半固态合金颗粒注入预热的模具中，最终在模县中成形。同时，为了防止高 4 第章绪论 温时镁被氧化和燃烧，须通入氩气进行保护。半固态镁合金注射成形的不足之处为： 注射机中的关键构件( 内螺杆及内衬) 耐磨性、耐蚀性差，使用寿命短，维护费用 高。设备成本也比压铸高，整体投资成本较大。设备的专利支付费用大，目前尚在 专利拥有期限内。 上述三种半固态镁合金成形工艺由于流变成形中非枝晶半固态合金浆料在保 存、状态控制和输送等方面存在着困难，在很大程度上限制了半固态镁合金流变成 形工业应用，从而半固态镁合金流变成形慢于触变铸造工业应用的步伐。而注射成 形的生产投资成本较大，也限制了它的发展。所以现在在实际工业生产中，人们主要 采用第二种成形工艺( 即触变成形) 。 半固态镁合金触变成形工艺中有如下三个关键工序： ( 1 ) 非枝晶坯料的制备。 ( 2 ) 坯料的二次加热重熔。 ( 3 ) 半固态触变成形。 1 5 半固态镁合金触变成形的关键技术 1 5 1 非枝晶坯料的制备 半固态镁合金坯料的制备方法很多，有机械搅拌法、电磁搅拌法、应变诱发熔化 激活法( s i m a ) 、喷射沉积法( o s p r a y ) 、控制合金浇注温度法、电磁脉冲加载法、 超声振动搅拌法等。近来又出现一些新的半固态浆料制坯技术，如：由我国东北大学 和澳大利亚墨而本大学共同研究的近液相线铸造法“，剪切一冷切一轧制法和由 f 1 e m i n g s 等人研究的新m i t 法“。在上述方法中，最常用的是电磁搅拌法和s i m a 法。 ( 1 ) 电磁搅拌法是利用旋转电磁场在金属液中产生感应电流，金属液在洛伦磁力 的作用下产生运动，从而达到对金属液搅拌的目的“。目前，电磁搅拌方法主要有两 种，第一种是传统电磁方法即在感应线圈内通交变电流而产生旋转磁场的方法。第二 种是1 9 9 3 年由法国学者c h a r l e s 。v i v e s 推出的旋转永磁体法“。 ( 2 ) 应变诱发熔化激活法( s i m a ) 是将常规铸锭经过预变形，如进行挤压，滚压等 热加工制成半成品棒料，这时的显微组织具有强烈地拉长形变结构，然后加热到固液 一苎二里堕笙 两相区保温定时间，被拉长的晶粒变成了细小的颗粒，随后快速冷却获得非枝晶组 织坯料。s i v a 技术工艺效果主要取决于较低温度的热加工和重熔两个阶段 i 5 2 坯料二次加热重熔 搅拌时获得的细小枝晶碎片逐渐长大，并转化为球状结构，从而为触变成形创造 有利条件。即重熔坯料可以象固体样被搬运，而且有足够的流动性，又不至于引起 坯料的变形和坯料组织的剧烈粗化。在实际生产中常常采用中频感应加热的方法对半 固态棒坯进行加热重熔。对于感应加热，还可以通过二次加热重熔的目的是为了获得 不同工艺所需要的固相体积分数，使计算感应线圈输入能量的大小来控制重熔程度“。， 即 p t = a ( ，s ) 式中p 为输入功率；t 为加热时间；w 为坯料质量；a 为修正系数；，。为固 相体积分数。 镁合金坯料二次加热重熔的两个关键因素是加热温度和保湿对闭，加热温度是在 固相线和液相线之间的某个温度，加热温度应适宜，如加热温度偏高时须对其进行保 护，防止镁合金在高温时被氧化和燃烧，常用的镁合金阻燃保护法有：i 溶剂保护法 2 合金保护法3 气体保护法。 1 5 。3 触变成形 半固态合金的触变成形是将已制备的非枝晶锭坯重新加热到固液两相之间的温 度区域，利用它的触变性进行压铸或挤压成形。半固态触变成形工艺流程如图l 所示： 第一章绪论 匾闻 l 崮一 目目一 画一画 制备坯料定量分割士王料二次加热重熘 触变j 茕形 图1 半固态触变成形工艺流程 半固态金属的触变性是由于其具有初生球状晶粒，例如：半固态枝晶组织在固 相率，。= 4 0 时，其剪切应力为2 0 0 k p a ，而非枝晶组织在相同的固相率下其剪切应力 小于0 2 k p a 迸一步研究显示：随着剪切速率的提高，半固态金属的粘度也增加，如 果增大变形速率，那么金属会变得象“液体”一样易流动，这就是半固态典型的触 变行为。镁合金在室温下塑性低、易脆裂，其延伸率为4 5 。因此在室温下镁 合金塑性加工非常困难，一般宜对镁合金进行半固态触变成形加工，其成形效果较为 理想。与铸件相比，半固态镁合金产品组织细小、尺寸精度和性能高、表面质量好、 内部疏松少、残余应力和变形引起的误差小、抗腐蚀能力强、机械性能优于或等同 模锻件，其最小壁厚可达0 5 m m 。另外，由于少或无切削加工，从而降低了制造成本。 影响镁合金挤压成形的工艺因素有：压力、成形温度、模具预热温度、润滑方式、 应变速率、应变量、坯料尺寸、表观粘度、初生相颗粒的形态、挤压比和挤压模角 度等。 1 6 本课题的来源、选题意义及主要研究内容 1 6 1 本课题来源 本课题主要来源于国家自然科学基金( 5 0 4 6 5 0 0 3 ) 资助项目。 1 6 2 本课题选题意义 如前所述，采用半固态金属加工技术能近净成形高量、轻量的零件，并且由于 第一章绪论 其本身的高效率、低消耗及生产规模的不断扩大，该技术在经济性方面的优势也越 来越明显。镁合金具有高比强度和高比弹性模量，良好的刚性、减振性、切削加工性 和抗电磁干扰屏蔽性，易于二次使用，可延长压铸使用寿命等优点。以往除了在航空 航天领域，镁合金并没有像铝合金那样得到广泛的应用。近年来，随着汽车工业和 电子工业的迅速发展，对通过降低产品的自重以降低能源消耗和减少污染提出了更 迫切的要求。据报导，汽车自重每减轻1 0 ，燃油效率可提高5 5 。“。而随着计算机行 业的飞速发展和数字化技术的进步，各类便携式产品随之而来，其废旧产品的回收 就越来越成为一个严重的问题。为解决以上问题，人们将目光投向了镁合金，使镁 合金的基础研究和开发取得了很大的进展。同时，大量的镁合金零部件被生产出来 以代替塑料、铝合金、甚至钢铁零件”。从1 9 9 3 年至今，压铸镁合金以每年超过2 0 的速度递增。预计蛩j 2 0 0 6 年，镁合金压铸件的需求将是1 9 9 6 年的4 倍，达n 2 0 万吨年。 因此，在2 l 世纪镁合金将会在结构材料中占据越来越重要的地位“。 大多数镁合金压铸件采用传统压铸方式压铸“。由于是在全液态下进行，不仅 能耗大，而且金属在凝固时是以枝晶方式进行，缩孔、热裂、偏析等大多数铸造缺 陷几乎都因此产生；而对于全国态成形，即塑性加工如轧制、锻造、挤压、冲压等 又不能加工脆性材料和制造复杂形状的零件”。而采用半圆态金属加工技术不但可 以近净成形镁合金零件，而且还能满足其力学性能的要求。此外，我国具有丰富的 镁资源，原镁产能、产量和出口均居世界首位。在镁和镁合金的研究和应用领域， 我国与欧美等发达国家之间的差距还相当大，并且只能作为初级原料低价出口，属 典型的资源出口型工业，目前，国内的镁冶金企业大都处于亏损或面临倒闭；因此， 如何利用我国的镁资源优势，将镁的资源优势转变为技术、经济优势，促进国民经 济发展、增强我国镁行业的国际竞争力，是摆在我们面前的迫切任务。 综上所述，本课题的研究在生产与科研方面都有重大的实践与理论意义。 1 6 3 本课题研究的主要内容 本课题分为四个部分：( 1 ) a z 6 1 镁合金非枝晶坯料的制各。 ( 2 ) 半固态a z 6 1 镁合金坯料的二次加热重熔。 ( 3 ) 半固态a z 6 1 镁合金触变成形。 ( 4 ) 半固态a z 6 1 镁合金变形的计算机模拟 第一章绪论 ( 1 ) 非枝晶组织( 半固态坯料) 的制各 如前所述，半固态坯料生产的方法主要有电磁搅拌法和应变诱发熔化激活法 ( s i m a 法) 。上述方法中，以s i g i 法最为简单，且成本低廉，所以，本课题拟采用 s i m a 法制备a z 6 1 镁合金的半固态坯料。主要研究内容有：预形变量、等温温度、保 温时间对其半固态组织的影响，a z 6 1 镁合金在s i m a 处理过程中工艺参数对组织及性 能的影响及非枝晶组织的形成及球化机理。 ( 2 ) 半固态a z 6 l 镁合金坯料的二次加热重熔。 应力诱发熔体激活法( s i 1 4 a 法) 制各的a z 6 1 半固态镁合金坯料在半 固态温度区进行保温，并观察加热温度、保温时间对a z 6 l 半固态镁合金 组织的影响。 ( 3 ) 半固态a z 6 1 镁合金触变成形 对二次加热重熔的半固态a z 6 1 镁合金坯料进行压缩试验，研究不同的变形温 度和应变速率对a z 6 1 半固态镁合金坯料进行压缩变形的影响。 ( 4 ) 半固态a z 6 1 镁合金变形的计算机模拟 运用a b a q u s 模拟软件对半固态a z 6 1 镁合金变形坯料进行镦粗和挤压模拟，以便 更深入地了解半固态压缩变形机理。 第二章a z 6 1 镁台金非枝晶组织的制备 第二章a z 6 1 镁合金非枝晶组织的制备 2 1 实验材料 实验用材料为商业化生产的a z 6 1 挤压态( 棒料) ，其化学成分如表2 1 所示： 表2 1a z 6 i 合金的成分( w t ) t h e e 1 e m e n ta lm nz ns ic un if eo t n e r s m g 58 04 0 w e i g h t ( ) 7 2 01 5 15 0 1 0 0 0 5 0 0 5 0 0 0 5 0 3 0 b a a n c e 。 该合金的固相线温度为5 2 5 。c ，液相线温度为6 2 5 ，固液相线温度区间为1 0 0 2 2 非枝晶组织的制备方法 半固态金属加工技术中的一个关键技术就是如何制备细小而均匀的球状组织。 常用的半固态金属坯料的制备方法有机械搅拌法、电磁搅拌法、应变诱发熔化激活 法和半固态等温热处理法等。在上述方法中，s i m a 法由于避免了金属液态处理步骤， 与其它方法相比，工艺简单，设备费用投入少。同时考虑到实验室现有的条件，拟 采用应变诱发熔化激活法( s i m a 法) 这种方法。s i m a 法主要是通过足够的热变形 或冷变形破碎铸态组织，获得诱发应变，再加热到固液温度区间并适当保温，其原 理图如图2 ，l 所示。在加热过程中，台金首先发生再结晶形成亚晶粒和亚晶界，随 后晶界处低熔点物质熔化，导致近球形固相被低熔点液相包围，获得具有触变性的 半固态坯料。s i m a 法技术适用于各种高、低熔点的合金系列，尤其对制备较高熔点 的非枝晶合金具有独特的优越性。己成功应用于铝合金、镁合金、铜合金、不锈钢 和工具钢系列，获得了非常细小的晶粒尺寸( 约为2 0 u m 左右) 的非枝晶组织。s i i a 法正成为一种有竞争力的半固态坯料制备方法。该工艺具有简单、不污染坯料，且 不需要特殊的设备就能获得均匀的非枝晶组织的优点，其缺点是坯料的最大尺寸受 加热前的变形能力限制。 1 0 第二章a z 6 1 镁台金非枝晶组织的制备 液相线温度 囤相线温度 再结晶温度 熔化和铸造预热挤压淬火冷加工苒加热成形和滓火 图2 1s i m a 法原理3 2 - 3 应变诱发熔化激活法( s i m a ) 制坯的研究 如前所述，s i m a 法“4 “由于避免了金属液态处理步骤，与其它方法相比，工艺 简单，设备费用投入少。因此，越来越受到人们的关注，本文采用s i m a 法制备了 a z 6 1 镁合金半固态坯料，并研究了在s i m a 处理过程中工艺参数对a z 6 1 镁合金半固 态组织的影响。其工艺过程如图所示： 圈日奇 制备坯锭 曰国 分割坯料 加热棒料 凹岛嗣啼日卤_ 镦粗 取样 加热到半固态 图2 2s i m a 法处理实验工艺流程 第二章a z 6 1 镁台金非枝晶组织的制各 2 3 1实验方法 2 。3 1 1实验材料及预变形工艺 本试验所用的a z 6 i 合金为实验用的a z 6 1 铸态棒材，经车削机加工成巾2 2 m m 1 9 m m 试样。试样在井式电阻炉中加热，加热温度为3 5 0 。c ，保温时间4 0 m i n ，然后在 1 0 t 电子拉( 压) 试验机上进行镦粗变形( 如图2 。3 所示) ，使其压成鼓形，去掉两 头难变形区部分，截取中间鼓形部位进行取样，变形量分别为2 2 和4 0 。其在 液压机上测出的预变形镦粗( 3 5 0 。c ，4 0 m i n ) 压力一位移曲线如图2 4 所示。 变形量为2 2 变形量为4 0 图2 3 变形前后的a z 6 1 镁合金试样 1 2 第二章a z 6 i 镁台金非枝晶组织的制各 x 轴：2 , 6 4 m mv 辘2 0 2 6 28 7 n 负荷。位移曲线 ，一 j 7 。 7 j l j 一： o0 511522 s 图2 4 预变形镦粗( 3 5 0 。c 33544 s55 5 m m 4 0 m f n ) 压力一位移曲线 2 3 2 实验装置 采用较大的高径比( h d = 3 ：1 ) 的铁坩埚，同时坩埚备有上盖，减少a z 6 1 镁合 金表面在空气中的暴露时间，以降低样品烧损，由于镁合金着火点很低，为了防止 镁合金氧化燃烧，采用细小石墨粉末覆盖保护。同时，为了提高控温精确，在加热 炉装置中，分别采用三根热电偶与三个电阻炉温度控制器精确控制加热炉内层、中 层及外层温度，加热电阻丝放在外层，工件放在内层，温度偏差仅为士lc ( 如图 2 5 ) 。 2 3 3 等温热处理方法 本实验所用的a z 6 1 镁合金的固相线为5 2 5 。c ，液相线为6 2 5 。c ，固液相温度差 为1 0 0 。c 。因此，等温热处理温度分别取为5 8 5 。c 、5 9 5o c 并u6 1 0 。c 。在5 9 5 c 时取 等温热处理时间为o m i n 、2 0 m i n 、4 0 m i n 。试样达到预定的温度和时间后，立即取出 试样进行水淬。然后，制成金相试样，用4 硝酸水溶液进行腐蚀，最后在光学显 微镜下观察组织变化。 脚。i口_口_0d口_。_o胛o_脚口_0_脚。 号m如侣侣他伯0 o o ： 第二章a z 6 1 镁合金非枝品组织的制备 加热温度控制仪 图2 5a z 6 1 镁合金加热炉示意图 2 4 实验结果与讨论 2 4 ：1a z 6 1 的铸态组织与镦粗变形后组织 a ) 未变形铸态组织 b ) 2 2 的镦粗变形 第二章a z 6 1 镁台盘非枝晶组织的制备 c ) 4 0 的镦粗变形 图2 6a z 6 1 镁合金的铸态组织与镦粗变形后组织 从图2 6 ( a ) 可以看出，未变形铸态a z 6 1 镁合金组织由枝状晶粒组成，有少量 枝晶非常粗大。经过镦粗变形后，随着变形量的增加，a z 6 1 镁合金组织由技状晶逐 渐演变为等轴晶或短树枝状晶，并且一次枝晶出现碎断、扭曲和粗化。合金在3 5 0 形变后，晶粒内产生大量的位错，晶界总面积增加，使体系自由能增大。并在空 冷过程中，发生回复与再结晶，使一次枝晶碎断。为了进一步降低体系自由能，二 次枝晶臂合荠长大。变形越大，上述演化的驱动力越大，回复与再结晶和二次枝晶 臂合并长大愈易进行。 2 4 2 预变形量和等温温度对a z 6 1 镁合金组织的影响 ( a ) 8 = o ，5 8 5 。c ，2 0 m i n ( b ) e = 0 ，5 9 5 。c ，4 0 m i n 1 5 第二章a z 6 1 镁台金非枝晶组织的制各 ( c ) = o ，6 1 0 ，2 0 m i n( d ) = 2 2 ，5 8 5 ，2 0 r a i n ( e ) = 2 2 ，5 9 5 。c ，4 0 m i n( f ) = 2 2 ，6 1 0 。c ，2 0 m i n ( g ) = 4 0 ，5 8 5 。c ，2 0 m i n 1 6 ( h ) = 4 0 ，5 9 5 ，4 0 m i n 第二章a z 6 1 镁舍金非枝晶组织的制备 ( i ) = 4 0 ，6 1 0 ，2 0 m i n 图2 7 不同变形量和加温温度对a z 6 l 镁合金组织的影响 图2 7 为a z 6 1 镁合金试样在经过不同变形量和加热温度的组织演变。该图清晰表 示s i m a 法制备a z 6 1 镁合金半固态坯料球状组织的变化过程。 2 4 3 保温时问对a z 6 1 镁合金组织的影响 下图为试样在经过变形量为。= 2 2 、加热温度为5 9 5 。c 时的不同保温时间的组织 演变。 ( a ) 5 9 54 c ，0 m i n ，：2 2 ( b ) 5 9 5 。c ，2 0 m i n ，e2 2 2 1 7 第二章a z 6 1 镁舍金非枝晶组织的制各 ( c ) 5 9 5 ，4 0 m i n ，e = 2 2 图2 8 变形率e = 2 2 试样在5 9 5 。c 下保温不同时间的组织演变 3 5 3 。 专2 5 ；。 求 星坫 型，。 5 0i _ 3 06 09 01 2 0t 5 01 8 02 1 02 4 0 等积直径d um 3 5 3 0 挈 = 2 5 丑2 0 求 l 1 5 罂 划1 0 霜 5 0 il21 4l61 822 2242 6 园度自 ( a ) ( b ) 图2 9s i t a 法制备a z 6 1 镁合金半固态组织的等积圆直径( a ) 及圆度( b ) 分 布( 5 9 5 。c ，4 0 m i n ， 2 2 ) 从图2 7 和图2 8 可以看出，a z 6 1 镁合金经预变形处理后，破坏了初始铸态组 第二章a z 6 i 镁合金非枝晶组织的制各 织中的粗大枝晶组织结构，细化了初始晶粒组织，经过了等温处理后，可以得到非常 园整的球状组织，随着变形量的增加，其球化晶粒尺寸更细小，并在变形量为2 2 时，其晶粒的园整度较为最理想。随着等温热处理的时间延长。a z 6 1 镁合金晶粒组 织的转变规律为：碎断树枝晶一块状组织一局部球化碎块颗粒一完全球化一合并长 大。 同时从图2 7 、图2 8 和图2 9 还可以看出，a z 6 1 镁合金试样在预变形量2 2 ， 等温温度5 9 5 。c ，保温时间4 0 m i n ，液相率为5 l 的条件下，其晶粒组织的等积圆直 径大部分位于9 0 u m 1 5 0 u m 之间，且晶粒组织的圆度主要在i 2 1 8 范围，是理想 的半固态触变成形所需的组织。 2 4 4a z 6 1 镁合金在半固态制坯过程中固相率、液相率与温度的关系 1 o o 9 0 8 oo 7 附0 6 吾0 5 0 4 0 3 o 2 o 1 o 1 液相率变化曲线 2 固相率变化曲线 图2 1 0固相率、液相率与温度的关系 h 。 蚪 罂 烘 为了更好地掌握a z 6 1 镁合金半固态等温热处理过程，我们利用i m a g e p r o p 1 u s ( v e r s i o n4 5 ) 软件对金相图中晶粒组织的固相和液相面积进行计算，从而得 第二章a z 6 1 镁合金非枝晶组织的制各 出a z 6 1 镁合金固相率、液相率与温度的关系曲线，如图2 1 0 所示。由图可知，在 5 2 5 时，固相率为1 0 0 ，液相率为0 。随着加热温度的升高，固相率逐渐减少， 而液相率逐渐增加。加热温度为5 8 5 ，固相率为6 0 ，液相率约为4 0 ；加热 温度为5 9 5 ，固相率为4 9 ，液相率约为5 1 ；当温度上升到6 2 5 时，固相率 为0 ，液相率为1 0 0 ，坯料已完全呈液相。该图形象地反映了a z 6 1 镁合金在半 固态制坯过程中固相率、液相率与温度的关系，为今后生产和科研提供了参考依据。 2 4 5 变形量和温度对a z s l 镁合金维氏硬度的影响 兮7 0 邑 魁6 0 隧 啦5 0 媒 4 0 3 0 2 0 1 0 0 o d e f o r m e d口2 2 d e f o r m e d口4 0 d e f o r m e d 蘑 荔 p 纠 l 荔 b ：1 _ 鋈 荔以一 荔搦 辫 窿 窿 1 图2 1 1a z 6 1 各种不同热处理条件下和不同变形量的a z 6 1 镁合金 的维氏硬度 通过在h x s 1 0 0 0 a k 显微硬度计上测量每种试样的硬度，并绘制成图2 1 1 ，由 图2 1 l 可知，在同一加热温度和保温时间的情况下，变形量大的试样其硬度值也