（材料加工工程专业论文）半固态镁合金固相体积分数检测技术研究.pdf

摘要 摘要 半固态触变铸造分为三个重要的工艺：半固态坯料的制备、二次重熔加热和触变铸 造成形。在坯料的二次重熔加热过程中，合金在半固态状态下的固相体积分数直接影响 其触变性能，也影响着坯料在触变成形过程中输送的难易程度，并且不同工艺对坯料固 相体积分数的要求不同。因此，固相体积分数的测控是半固态触变铸造过程中一个非常 重要的环节，它直接影响着半固态坯料的成形性能。本文以a z 9 1 d 镁合金为研究对象， 研究半固态a z 9 1 d 镁合金固相体积分数检测技术，旨在为生产中对固相体积分数的测 控提供新的方法。 在分析了电阻法、热函法、加热能量法和金相法等测定固相体积分数的原理、特点 和应用范围的基础上，本文结合生产的实际条件和需要提出了新的测试方法：回缩率法、 “软化点 法和温度时间法，并研究了如何用p h o t o s h o p 对半固态金相照片进行固相体 积分数的定量分析。 本文定义了“软化点 和回缩率等概念，并详细叙述了各自测定固相体积分数的原 理，研究了影响固相体积分数的因素及规律，并指出了它们之间的定性关系。另外，研 究了加热电压对“软化点的影响规律。 回缩率法和“软化点 法都是依据固相体积分数对坯料触变性的影响而设计的，固 相体积分数越小触变性能越好，回缩率越大，软化程度也越大。在半固态触变铸造中直 接影响成形性的是触变性，而回缩率和“软化点”能够直接反应触变性。因此，这两种 方法都适合半固态触变铸造生产过程中固相体积分数的测控。 合金在半固态温度区间内保温时，随着保温时间的增长液相将相应增多，本文研究 了保温时间和固相体积分数的关系，并通过金相法进行了标定，以便利用保温时间来测 控固相体积分数。这种方法适合等温热处理法制备半固态浆料时测控固相体积分数。 通过对实验过程中得到的温度和膨胀量数据的处理，建立了温度和膨胀量的关系曲 线及数学表达式，并进一步得出了a z 9 1 d 镁合金线膨胀系数与温度的关系。 关键词：固相体积分数；回缩率法；“软化点法；温度时间法 大连交通大学： 学硕j = 学位论文 a b s t r a c t t h i x o m o l d i n gi n v o l v e st h r e ev e r yi m i a o r t a n tt e c h n o l o g y ：s e m i s o l i ds l u r r yp r e p a r a t i o n ， r e h e a t i n g ，a n dt h i x o f o r m i n g i nr e h e a t i n gp r o c e s s ，s o l i d p h a s ev o l u m ef r a c t i o nd i r e c t l y i m p a c t so nt h et h i x o t r o p yo ft h es e m i - s o l i ds l u r r ya n da l s oo nt h ec o n v e y i n go ft h es l u r r y ，a n d d i f f e r e n tt e c h n o l o g yn e e d sd i f f e r e n ts o l i d p h a s ev o l u m ef r a c t i o n t h e r e f o r e ，t h em o n i t o r i n g a n dc o n t r o lo ft h es o l i d p h a s ev o l u m ef r a c t i o ni sav e r yi m p o r t a n tp r o c e s si nt h et h i x o t r o p i c c a s t i n gp r o c e s s ，w h i c hh a sad i r e c ti m p a c to nt h es h a p i n gp e r f o r m a n c eo fs e m i s o l i db i l l e t t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e r p r o v i d e sn e wm e t h o d sf o rm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gt h es o l i d p h a s e v o l u m ef r a c t i o ni nt h ep r o d u c t i o n h e r et h ep r i n c i p l e s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n ds c o p eo fa p p l i c a t i o no fr e s i s t a n c em e t h o d ， e n t h a l p ym e t h o d ，e x p a n s i o nm e t h o da n dm e t a l l o g r a p h ym e t h o da r ea n a l y z e d ，a n dn e w m e t h o d sa t ep u tf o r w a r ds u c ha sr e t r a c t i o nr a t em e t h o d ，“s o f t e n i n gp o i n t m e t h o da n d t e m p e r a t u r e t i m em e t h o d i nt h i sp a p e r , t h ec o n c e p to fr e t r a c t i o nr a t ea n d ”s o f t e n i n g p o i n t ”a r ed e f i n e da n dt h e p r i n c i p l eo ft h es o l i d p h a s ev o l u m ef r a c t i o nd e t e r m i n a t i o ni sd e s c r i b e di nd e t a i l t h ef a c t o r s a n dl a w so ft h es o l i d p h a s ev o l u m ef r a c t i o na n dt h eq u a l i t a t i v er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e ma r e s t u d i e d i na d d i t i o n ，t h eh e a t i n g v o l t a g eo nt h e ”s o f t e n i n gp o i n t ”a r ea l s os t u d i e d r e t r a c t i o nr a t em e t h o da n d ”s o f t e n i n gp o i n t ”m e t h o di sd e s i g n e db a s e do nt h ee f f e c to f t h es o l i d - p h a s ev o l u m ef r a c t i o no nt h i x o t r o p y t h es o l i d - p h a s ev o l u m ef r a c t i o ni ss m a l l e r , t h i x o t r o p yi sb e t t e ra n dr e t r a c t i o nr a t ei sg r e a t e r i nt h i x o m o l d i n gt h i x o t r o p yd i r e c t l yi m p a c t s o nt h es h a p i n gp e r f o r m a n c eo fs e m i - s o l i db i l l e t ，a n dr e t r a c t i o nr a t ea n d ”s o f t e n i n gp o i n t ”c a l l b ead i r e c tr e s p o n s et ot h i x o t r o p y t h e r e f o r e ，t h et w om e t h o d sa r es u i t a b l ef o rm o n i t o r i n ga n d c o n t r o l l i n gs o l i dv o l u m ef r a c t i o ni nt h i x o m o l d i n g w h e n t h et e m p e r a t u r eo ft h ea l l o yu n c h a n g e si nt h es e r r i i s o l i dt e m p e r a t u r er a n g e ， s o l i d - p h a s ev o l u m ef r a c t i o nm i n i s h e sw i t ht i m ep o s t p o n e s t i m ea n ds o l i dp h a s ev o l u m e f r a c t i o nc u r v ec a l lb eg o tb ym e t a l l o g r a p h ym e t h o da tc e r t a i nt e m p e r a t u r e i nt h ep r o c e s so f p r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，s o l i d p h a s ev o l u m ef r a c t i o nc a l lb eg o tb yc h e c k i n gt i m ea n d s o l i dp h a s e v o l u m ef r a c t i o nc u r v e t h i sm e t h o di ss u i t a b l ef o rs e m i - s o l i ds l u r r yp r e p a r a t i o nm o n i t o r i n g a n d c o n t r o l l i n gt h es o l i d p h a s ev o l u m ef r a c t i o n t h er e l a t i o nb e t w e e nl i n e a re x p a n s i o nc o e f f i c i e n ta n d t e m p e r a t u r eo fa z 9 1 dm a g n e s i u m a l l o yi ss t u d i e db ye x p e r i m e n t a ld a t ao ft h et e m p e r a t u r ea n de x p a n s i o n k e yw o r d s ：s o l i d - p h a s ev o l u m ef r a c t i o n ；r e t r a c t i o nr a t em e t h o d ；”s o f t e n i n gp o i n t ” m e t h o d ；t e m p e r a t u r e - t i m em e t h o d 大连交通大学学位论文独创性声明 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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太蔓銮通太堂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。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：互t g - - 反 日期：加1 年月影日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整銮通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太董塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整銮通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 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 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：互胜茛 导师签名：支1 冬磁 日期：加即年舌月1 3 日 日期：c 2 一多年6 月侈日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：杭州联源重工机械有限公司电话：0 5 7 1 8 2 8 1 8 0 8 0 通讯地址：杭州市萧山区瓜沥镇临港工业城邮编：3 1 1 2 4 1 电子信箱： l i j g l y h y d r o c o m 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 近几年来，镁合金的研究开发已成为国际上材料研究的热点问题之一。随着现代科 技和相关产业技术的发展，对镁合金压铸技术的研究与日俱增，由于具有较高的比强度 和比刚度、良好的导热性、较强的电磁屏蔽能力、优异的减振性以及可回收利用等优点 1 1 】，镁合金被大量用于汽车、电脑、电信、电子等行业的零配件1 2 1 。目前，在世界范围 内已经形成了有一定规模的汽车行业、r r 行业、基础结构件的镁合金生产群体。产品 轻量化的发展趋势，使镁合金成为最具竞争力的金属结构材料。世界上镁合金在汽车和 电子器材中的用量每年正以2 0 以上的速度增长，这是近代金属工程材料中前所未有的 【3 】 0 实际应用的镁合金产品9 0 以上都是压铸件1 4 j ，压铸件尺寸精度高，表面光洁度好， 生产效率高，但压铸件由于极高的液体填充速度和凝固速度，易产生卷入性气孔，不能 进行热处理；不适合焊接；并且压铸件不能太厚，壁厚只能局限于一定的尺寸；可用于 压铸的镁合金种类有限，并不是所有种类的镁合金都可用于压铸1 5 用。半固态铸造成形 技术的成功开发则为解决这些难题提供了必要条件。从2 0 世纪7 0 年代金属半固态加工技 术问世以来，由于该技术具有充型平稳、产品表面光洁、尺寸精度高、组织致密、内部 气孔和偏析等缺陷少、力学性能高、模具寿命高及节约能源等一系列突出的优点而迅速 成为国内外研究的热点【叭o 】。将半固态成形技术应用于镁合金压铸解决了压铸镁合金的 卷气性，使半固态镁合金压铸件可以通过热处理进一步改进其性能，也可以使半固态镁 合金压铸件用于焊接成形，扩大了能用于压铸的镁合金的种类范围。可见将半固态成形 技术应用于镁合金能够增加镁合金的成形工艺，提高镁合金产品的性能，促进镁合金新 产品的研发，极大地扩展了镁合金的应用领域。 镁合金的半固态铸造有两种方、法【1 1 】：流变铸造和触变铸造。将半固态浆料凝固成铸 锭，按需要将此铸锭切割成一定大小，使其重新加热到金属的半固态区，利用半固态合 金坯料进行压铸或挤压成形，这种方法称为触变铸造。此工艺中涉及到三个非常重要的 环节：非枝晶坯料的制备、坯料的二次重熔加热、半固态触变成形。坯料的二次重熔加 热过程中，合金在半固态状态下的液固相比直接影响其触变性能，也影响着坯料在触变 成形过程中输送的难易程度，并且，不同工艺对坯料固相体积分数的要求不同。如何准 确地测定和控制半固态镁合金的固相体积分数对半固态成形件的质量尤为重要，它直接 大连交通大学t 学硕十学位论文 影响着半固态坯料的成形性能。因此，固相体积分数的测控是触变铸造过程中一个非常 重要的环节1 1 2 j 。 1 2 半固态镁合金研究现状 镁合金是目前应用中最轻的金属结构材料( 镁的密度为1 7 4 9 c m 3 ，为础的2 3 ，钢 的1 4 ) ，具有铝和钢不可替代的性能，如高比强度、高比刚度、高阻尼减震性、高机械 加工性、高电磁屏蔽性、良好的铸造性能和导电导热性，以及易回收等一系列独特的性 质，因而被广泛应用于航空航天工业、汽车工业和电子工业。当用镁合金制作汽车、飞 机零件时，可大大减轻重量，降低燃油消耗；当采用镁合金制造手机、笔记本电脑和一 些家用电器的外壳时，能显著增强产品的散热能力和抗震能力，并能有效地减轻对人体 和周围环境的电磁辐射危害。因此，世界上镁合金在汽车和电子器材中的用量都在以每 年2 0 的速度增长，这是近代金属工程材料中前所未有的，是增长最快的工程材料，被 认为是2 1 世纪最富于开发和应用的“绿色结构材料 x 3 - x 5 l 。 2 0 世纪7 0 年代美国麻省理工学院的f l e m i n g s 教授等人开发出了一种崭新的金属成 形方法，称为半固态加工技术( s e m i s o l i dm e t a lf o r m i n g 简称s s f ) 。在文献b e h a v i o ro f m e t a l a l l o y i n t h e s e m i s o l i d s t a t e 中报道，金属材料在凝固过程中加强烈的搅拌，可以打碎 金属凝固形成的枝晶网络结构，形成近球状的组织，得至卜种液态金属母液中均匀悬浮 着一定颗粒状固相组分的固一液( 固相组分一般为5 0 ) 混合浆料，此时的半固态金属 具有优良的流变性和触变性，因而，易于用常规加工技术如压铸、挤压、模锻等实现成 形【瑶1 9 l 。采用这种既非液态又非完全固态的金属浆料加工成形的方法，称为金属的半固 态成形技术。这一新的成形方法综合了凝固加工和塑性加工的长处，即加工温度比液态 低，变形抗力比固态小，可一次大变形量加工成形状复杂且精度和性能质量要求较高的 零件，所以半固态加工技术被称为为2 1 世纪最有前途的材料成形加工方法。 将半固态成形技术应用于镁合金压铸解决了压铸镁合金的卷气性，使半固态镁合金 压铸件可以通过热处理进一步改进其性能，也可以使半固态镁合金压铸件用于焊接成 形，扩大了能用于压铸的镁合金的种类范围。可见将半固态成形技术应用于镁合金能够 增加镁合金的成形工艺，提高镁合金产品的性能，促进镁合金新产品的研发，极大地扩 展了镁合金的应用领域。 1 2 1 半固态镁合金成形工艺 目前针对于镁合金的半固态成形工艺可分为两种：触变成形和流变成形。两者的区 别主要在于，前者是由固态的镁合金原料经半固态重熔后进行成形，而后者则是由完全 液态经冷却凝固至半固态区然后进行成形。 2 第一章绪论 1 ) 触变成形工艺 将半固态浆料凝固成铸锭，按需要将此铸锭切割成一定大小，使其重新加热到金属 的半固态区，利用半固态合金坯料进行压铸或挤压成形，这种方法称为触变铸造。由于 半固态坯料的加热、输送很方便，并易于实现自动化操作，因此触变铸造已成为当今半 固态铸造的主要工艺方法。普通压铸工艺中有一个缺点是液态金属射出时空气易卷进铸 件中形成气泡，普通压铸件不能进行热处理。半固态压铸时，通过控制半固态金属的粘 度和固相率，可以改变熔体充型时的流动状态，抑制气泡的产生，使铸件内在质量明显 提高，并可以经过热处理达到高品质，从而可能应用到重要零件上，并可以制造锻造难 以成形的复杂形状制品。 t h i x o m o l d i n g 工艺是由美国的d o w 化学公司在1 9 8 8 年发明的一种专门应用于镁 合金半固态成形的工艺，1 9 9 1 年t h i x o m a t 公司正式推出了商业化设备，其工艺简图如 图1 1 所示。该工艺类似于注塑成形，将粒状的镁合金原料在加热区加热至半固态，同 时在螺旋推进器的推动下进去浆料收集区，并由注射系统射八型腔完成成形。整个加热 区和收集区由a r 保护，同时由于不需要将镁合金完全熔化，因而一定程度上避免了镁 合金的燃烧问题。目前，该工艺是唯一一种实现实际工业应用的半固态镁合金成形工艺， 其设备除t h i x o m a t 可以提供外，日本的j s w 公司也可以生产这种设备【2 l 】。 1 旋转驱动装置2 料斗3 镁粉4 供料口5 产品6 入口7 喷口 8 加热器9 剪切螺旋1 0 高速压膜装簧1 1 模具 幽1 1 镁台金半固态成形设备 f i g l 1s e m i s o l i d f o l m i n ge q u i p m e n t o f m a g n e s i u ma l l o y 虽然t h i x o m o l d i n g 已经实现了商业化生产，且具有工艺紧凑，产品质量与性能优异 等特点，但由于需采用粒状的原材料，这就复杂化了原材料的制各。为此，一些科研工 大连交通大学工学硕士学位论文 作者正在研究采用p i d 工艺，即p r e s s u r ei n g o td i e c a s t i n g 。该工艺类似于现已广泛应用 的灿合金的半固态触变成形工艺，通过机械搅拌、电磁搅拌或形变热处理等方式获得 半固态坯料，然后再经半固态重熔后在压力机上进行成形。k a m a d os i 2 2 j 进行了形变热 处理然后压力成形的半固态镁合金的成形工艺，即首先在镁合金料中引入预变形，然后 重熔至半固态并进行压力成形，试验取得了满意的结果。c o l l o tj 等人l 2 3 j 更简化了p i d 工艺，他们将连铸镁合金坯料直接进行半固态重熔、保温后，发现其组织也具有典型的 半固态组织特征，因而也取得了较好的压力成形结果。 2 ) 流变成形工艺 流变铸造是将凝固过程中的金属强烈搅拌，当达到一定固相率时直接压入型腔的方 法。其特点是对于冷却凝固过程中的金属熔体进行强烈搅动，待熔体达到一定固相分数 时对其进行压铸或挤压成形。由于流变法生产的半固态金属浆液的保存和输送难度很 大，其实际应用受到很大的限制。虽然流变铸造的应用受到半固态浆料的保存与运输不 便的限制，但流变铸造有其独特的优点：节省能源、流程缩短、设备简单，所以流变成 形技术将是未来的一个重要发展方向。第六届国际半固态合金与复合材料加工学术会议 将流变成形作为2 l 世纪半固态加工的主攻方向之一【矧。 目前，有关半固态镁合金的流变成形工艺的研究比较少，可见报道的只有美国康奈 尔大学研究的工艺f 冽。该工艺采用液态合金作为原料，通过严格的控温技术，使液态合 金冷却凝固至半固态，然后射压成形。虽然该工艺在1 9 9 6 年就取得了美国专利，但至 今未能实现商业化应用【2 6 】。最近，他们利用该工艺制备出了z n 妯合金零件。 流变铸造和触变铸造的区别主要在于，前者是由固态的镁合金原料经半固态重熔后 进行成形，而后者则是由完全的液态经冷却凝固至半固态区然后进行成形即把凝固过程 中的金属强烈搅拌并制成非枝晶锭料，然后根据所做零件的划、裁成相应的坯料，再将 坯料重新加热到半固态，压入型腔的方法，如图1 2 所示。 综上所述，经过2 0 多年的研究和发展，镁合金触变铸造成形技术已开始在国外投 入实际应用，而流变铸造成形技术还处于实际工业应用的前夕，如能在半固态金属浆料 触变： 流变： 图1 2 触变与流变工艺流程 f i g 1 , 2f l o w c h a r to f t h i x o tr o p ya n dr h e o l o g yt e c h n o l o g y 4 第一章绪论 获取、保持和输送方面获得进展和突破，流变铸造的工业应用前景更加广阔，因为流变 铸造的工艺简单、能耗低、铸件的成本低，因此，流变铸造代表镁合金半固态成形技术 的未来发展方向。 作为2 1 世纪最具发展前景的金属成形工艺，半固态铸造成形技术以其高效、节能、 近净形生产以及成形件高性能等诸多优点，得到了人们的广泛关注。它的优点有i z 0 ： 1 ) 半固态金属粘度比液态金属高，可根据需要变化，凝固前沿状况改善，氧化减 少，卷入气体减少； 2 ) 因为充型时金属温度低，且部分金属己凝固，故金属热容量低，对铸型、模具 侵蚀大大减轻，延长模具寿命； 3 ) 宏观偏析减少，晶粒细化； 4 ) 充型时半固态金属浆液含有固体，所需补缩量减少，缩孔、缩松减少，表面光 洁度提高，消除了常规铸件中的柱状晶和粗大树枝晶，铸件组织细小、致密，分布均匀， 不存在宏观偏析； 5 ) 可快速连铸，能耗较低； 6 ) 可生产黑色金属件与其它高熔点合金； 7 ) 生产的颗粒增强复合材料颗粒与基体结合牢固，混合均匀，性能优异。 1 2 2 半固态镁合金浆料的制备方法 半固态浆料的制各是半固态铸造技术的基础和关键，其目的是获得类球形半固态结 晶组织，这种组织具有触变性，是半固态铸造所必须的。获得这种组织的方法主要有： 机械搅拌法、电磁搅拌法、应变诱发熔化激活法、喷射成形法、紊流效应法、粉末冶金 法、液相线铸造法等。其中，电磁搅拌法、控制合金浇注温度法和s i m a 法，是最具工业 应用潜力的方法。 1 ) 双螺杆机械搅拌法 机械搅拌法是较早采用的浆料制备方法，在金属液冷却凝固过程中进行强烈的机械 搅拌，树枝晶因受到剪切力的作用发生断裂。一般单螺杆搅拌能达到的剪切速率丫为1 0 0 3 0 0 s 一，剪切速率y 的提高受搅拌构件材料耐腐蚀、耐高温磨损性能的制约。机械搅拌 法设备构造简单，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 晶破碎而成为颗粒结构。但由于工艺参数不易控制，容易卷入气体，搅拌器与熔体接触 易造成熔体污染，很难保证产品质量的一致性，所制备的半固态浆料固相率一般较低。 近年来华中科技大学和英国b r u n e l 大学的z f a n 博士【冽采用双螺杆机械搅拌制浆工 艺制备出初生a 相细小、圆整且分布均匀的镁合金半固态浆料。双螺杆结构对搅拌机筒 5 人连交通大学t 学硕士学f 移论文 体内的熔融金属具有强烈的搅拌和混合作用，剪切速率可高达1 0 0 0 1 0 0 0 0s 一。所制备 的半固态浆料固相率可高达6 5 。 2 ) 半固态等温热处理法。 制浆原理是在合金熔融状态时加入变质元素，进行常规铸造，然后把锭坯重新加热 到固液两相区进行保温处理，最终获得具有触变性的非枝晶组织。与机械搅拌和电磁搅 拌相比略去专门制备非枝晶组织的步骤，可以在半固态成形之前的二次加热中实现非枝 晶化。主要工艺参数有添加微量元素的种类、加入量、半固态等温温度和保温时间等。 该法设备简单、简化工序、节约能量、适用范围广；不足之处是工艺参数较难控制。 3 ) n r c 法( n e wr h e o c a s t i n g ) 工艺流程为：熔融镁合金浇入不锈钢杯后，通过控制冷却速度和采用电磁加热搅拌 方式，获得稳定的半固态浆料，然后将其倒入挤压机料筒内挤压成形。n r c 法与触变成 形不同之处是一步法成形，整个工艺过程需要严格控制镁液的冷却速度。为使晶粒尺寸 细小，应尽量减少不锈钢杯中镁液的温度梯度。 4 ) 电磁搅拌法 电磁搅拌法是利用旋转电磁场在金属液中产生感应电流，金属液在洛伦兹力的作用 下产生运动，从而达到对金属液搅拌的目的。目前有两种方法产生旋转磁场：一种是在 感应圈内通过交变电流的传统方法；另一种是1 9 9 3 年由法国的c v i v e s 2 9 l 推出的旋转永磁 体法，其优点是电磁感应器由高性能永磁材料组成，其内部产生的磁场强度高，通过改 变永磁体的排歹i j 方式，可使金属液产生明显的三维流动，既提高了搅拌效果，又可减少 搅动时的气体卷入。 5 ) 应变诱发熔化激活法( s i m a ) 应变激活法是预先连续铸造出晶粒细小的金属锭，再将金属锭挤压变形，而且变形 量要足够大，最后将变形的金属锭再加热到固液区，在加热过程中发生回复和再结晶， 使晶粒细化，进而部分晶界熔化，得到固液两相共存的半固态金属浆料。该方法生产的 金属铸锭纯净，产量大，但由于增加了预变形工序，使生产成本提高，同时该法只能用 于生产小零件，应用范围有限。 s i m a 工艺效果主要取决于较低温度的热加工和重熔两个阶段，或者在两者之间再 加一个冷；0 n - r 阶段，工艺就更易控制。s i m a 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。已成功应用于不锈钢、工具钢和 铜合金、铝合金系列，获得了晶粒尺寸2 0 a m 左右的非枝晶组织合金，正成为一种有竞 争力的制各半固态成形原材料的方法，但是，它的最大缺点是制备的坯料尺寸较小。 6 第一章绪论 1 2 3 半固态镁合金非枝晶球化机制 关于半固态镁合金的非枝晶球化机制，目前还没有定论。f l e m i n g s 等人i a o l 认为，初 始球状颗粒的形成与以下枝晶断裂机制有关： 1 ) 枝晶臂根部断裂机制 由于切变力的作用，枝晶臂在根部断裂。最初形成的枝晶是无位错和切口的理想晶 体，施加强力搅拌产生的剪切力使得枝晶臂在根部断裂。 2 ) 枝晶根部熔断机制 晶体在表面积减小的正常长大过程中，由于液体流动加速液体中的扩散，引起热振 动并在枝晶根部产生有助于熔化的应力，有利于熔断。同时在根部固体中较高质量分数 的溶质也将降低熔点，促进了此机理的作用。 3 ) 枝晶弯曲机制 此机制认为，枝晶臂在流动应力下发生弯曲，产生位错并导致塑性变形。在固相线 以上温度，位错间发生攀移并相互结合形成晶界，当相邻晶粒的取向差超过2 0 0 ，晶粒 晶界能超过固一液界面能的两倍时，液体将润湿晶界并沿着晶界迅速渗透，使枝晶臂与 主干分离开。 需要说明的是，在凝固开始时，对液体进行强烈搅拌，从较大的树枝晶脱离下来的 并不是球状的枝晶臂，每一个枝晶臂继续长大。但是，随着凝固过程中切变的继续和时 间的增加，由于长大及与其他晶粒发生剪切、磨损作用，枝状晶变成蔷薇状，并在进一 步冷却过程中晶粒的蔷薇化继续加深，直至在足够的过冷和高的剪切速度下，颗粒变成 球状。随着切变速度、凝固量的增加和冷却速度的降低，晶粒由枝晶形状转变成球形的 趋势增加。 1 2 4 半固态镁合金应用与研究现状 汽车工业是镁合金的消费大户，随着汽车工业轻量化趋势的发展，各国汽车制造商 已将越来越多的汽车零部件列入了镁合金替代的计划。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【3 1 】。近年来，电子信息产业的发展又为镁合金开辟了另一个市 场空间，因此，在2 1 世纪，镁合金将会在结构材料中占据越来越重要的地位。 随着t h i n x o m a t 公司推出第一台t h x i o m o l d e r ，目前除该公司外，美国的a h m a x 金 属公司、威斯康辛触变成形发展中心，以及瑞士的b u h l e r 公司、意大利的w e b e r 公司 都已在进行规模化的半固态镁合金零部件的生产。最近，德国也推出了一个称为 m a d i c a 的多学科交叉的项目，其中半固态镁合金触变铸造就是5 项目之一，该项目 涉及5 0 多家合作伙伴，产品对象为大型、薄壁、近终形箱体和汽车车身零件1 3 2 】。 7 人连交通人学下学硕十学位论文 在亚洲，日本是从事半固态镁合金研究较早的国家，这与其发达的汽车工业不无关 系，其中的j s w 公司可以提供t h i x o m o l d e r 设备。值得一提的是，由于近年信息产业的 蓬勃发展，我国台湾地区镁合金消费类电子产品外壳的市场大增，随之也出现了大批镁 合金压铸生产厂家，其中位于桃园县的华孚工业股份有限公司，1 9 9 9 年从j s w 公司引 进了1 2 台半固态触变成形机，并计划增至4 0 台，到那时就会成为世界上最大的半固态 镁合金电脑外壳生产企业【3 3 。3 卯。 目前，国内外对半固态镁合金的大部分研究工作主要集中在浆料组织与性能方面， 归结如下： 1 ) 机械搅拌法制备浆料组织与性能研究 日本长防j ( n a g a o k a ) 技术科学大学的小岛阳( i c a - m a d os h i g e h a r u ) 3 6 l 对a z 9 1 d 镁 合金在半固态条件下，利用机械搅拌法进行研究，t i s s i e r ：等人【了7 】也采用机械搅拌法研究 了a z 9 1 d 镁合金的流变铸造技术，研究表明，初生相的均匀性及圆整度随搅拌时间、剪 切速率的增加或搅拌温度的降低( 增加固相率) 而增加。 k a m a d o 等人f 3 8 】研究了机械搅拌条件对半固态a z 9 1 d 合金组织的影响规律。发现采 用叶片状搅拌器时，增大搅拌速率会加快相的球化过程，并使晶粒细化，而采用研磨机 形式的搅拌器时，搅拌速率的增大反而会使a 相尺寸增大。对于两种搅拌，增加搅拌时 间都会有助于a 相的球化。在m g a 1 合金中引入预形变对半固态重熔组织的影响，结果 发现，引入的预形变可以细化晶粒，并使固相颗粒更加圆整和均匀，力学性能也有所改 盖 口o 北京科技大学【3 9 】采用自行设计的镁合金流变成形设备进行试验时发现，随着剪切速 率的提高和剪切时间的延长，浆料中的晶核增多，初生相更细小，同时建立了剪切速率 模型。 2 ) 电磁搅拌法制备浆料组织与性能研究 加拿大的m t s h e h a t a 4 0 j 利用电磁搅拌法制备的半固态坯料进行了触变成形工艺的 研究，得出了坯料在二次加热时的温度分布、组织演变规律，并用该工艺分别生产出一 个盒状及一个圆盘类零件。 3 ) 射铸成形法制备浆料组织与性能研究 美国t h i x o m a t 公司的l e b e a u 等人f 4 1 】研究发现，利用n i x o m o l d i n g 工艺制备的半固态 镁合金零件在具有优良的常温力学性能的同时，高温性能也很优异，而且随着成形时浆 料中固相率的提高，其高温性能也提高，并认为其机理与常规铸造中增大晶粒尺寸可以 提高高温性能的机理相似。t h i x o m a t 公司的rd c a r n a h a n 等人研究了固相分数对触变成 形镁合金收缩性及物理性能的影响，研究发现，试样气孔率在1 3 1 9 之间，残余气 8 第一章绪论 孔总是集中在共晶相中。随着固相率的提高，对于同样密度的零件，其共晶相中的气孔 率提高，从而导致强度下降。触变成形法中零件的收缩率只有液态压铸时的5 0 左右。 fc z e r w i n s k i j 和j b l a n d i n l 4 2 1 研究了触变成形a z 9 1 d 镁合金的组织与性能，借助扫描电 镜发现，随着固相率的提高，由于朋和z n 元素的分离，以及m g1 7 a 1 2 相的沉淀析出，导 致化学成分和微观组织分布不均匀，与此同时，共晶化合物中的初生a m g 相尺寸减小。 4 ) 近液相线法制备浆料组织与性能研究 东北大学1 4 3 】采用近液相线法研究了a z 9 1 d 镁合金在不同浇注温度下组织的对比，以 及稍低于液相线的近液相线铸造时静置时间和不同冷却能力铸模对铸态组织形貌的影 响。结果表明，浇注温度高于液相线时，降低浇注温度有利于减轻镁合金的组织疏松， 但组织粗大，此趋势持续到液相线上沿，而在稍低于液相线浇注时，组织明显细化，有 蔷薇化趋势，不再有高于液相线铸造时的显微气孔。在稍低于液相线温度时，适当静置 有利于组织细化，一定程度上的枝晶熔断促进了蔷薇化，但不显著，而静置时间过长， 晶粒又有长大趋势，且出现个别异常长大枝晶。冷却速率对铸造组织的影响与静置时间 有相近规律。 5 ) n r c 法组织和性能研究 澳大利亚的hk a n f r n a n n l 4 4 j 采用n r c ：e 艺研究了a z 9 1 和a z 7 1 镁合金的组织与性能。 北京有色金属总院的张景新等【4 5 】对采用热挤压工艺获得的镁合金半固态坯料触变成形 进行研究，结果表明原材料在热挤压时出现纤维状组织，但没有发生再结晶现象，而在 二次加热时，由于晶格畸变能及溶质富集，发生了回复与再结晶现象。瑞士的s e i n e r 【删 采用热挤压工艺获得的镁合金半固态坯料进行试验，考察原材料、合金成分、铸件壁厚 及热处理工艺对触变成形零件的组织和性能的影响，发现热挤压半固态坯料只适合于制 造形状简单的厚壁铸件。 6 ) 半固态镁合金热处理研究 在镁合金的实际生产中，有将近9 0 的产品是由传统的压铸方法生产的，对于普通 压铸件进行热处理时存在的一个主要问题就是极易出现因压缩性气体膨胀破坏铸件表 面。2 0 世纪7 0 年代半固态成形技术的成功开发为采用热处理强化压铸类合金的力学性 能提供了必要的条件，由于半固态成形的压铸坯料中有4 0 6 0 的固相存在，并且其成 形温度比全液态成形温度约低近1 0 0 ，因此可以减少常规压铸件固有的皮下气孔和缩 松等缺陷。资料表吲3 3 】，适当控制工艺参数，a z 9 1 d 半固态成形件中的显微组织疏松 明显减少，气孔率至少下降5 0 。与传统压铸镁合金件相比较，半固态成形件的气孔率 为0 4 0 8 ，而常规压铸件则达2 5 - 3 0 。故可以采用热处理方法来提高半固态 成形镁合金的力学性能。 9 大连交通大学1 二学硕士学位论文 有关半固态成形技术目前的研究工作多集中在合金的流变特性、半固态坯料的制 备、成形工艺参数等方面，但半固态成形件热处理强化的研究尚不够深入。唐钟雪等人 m 研究了固溶、时效处理对a z 9 1 d 镁合金半固态触变成形件显微组织和力学性能的影 响，并从微观组织角度分析了镁合金半固态成形件时效强化的机理。结果表明，触变成形 a z 9 1 d 合金具有显著的时效化特征，未经热处理时其抗拉强度仅为1 1 3 m p a ，屈服强度 仅为5 0 m p a ，硬度为5 9h v ；经t 6 处理( 4 1 5 c 2 4h 固溶+ 2 0 0 时效1 6 舢后，抗拉 强度可提高到2 1 2 m p a ，屈服强度上升到1 2 2 m p a ，硬度达8 3h v ；触变成形a z 9 1 d 合 金件的断口呈现明显的沿晶断裂特征，经热处理后的铸件断口呈现出典型的解理断裂形 貌。 对半固态镁合金发展的思考： 1 ) 低成本生产工艺的开发 虽然半固态金属成形工艺的诞生已逾3 0 年，应用于镁合金的半固态触变成形技术 也己应用了1 0 多年，虽然文献对目前全世界拥有的半固态成形设备的统计数据各不相 同，但是有一点可以肯定，半固态触变成形技术并没有获得人们起先所预期的那样广泛 的应用，主要原因在于这种工艺本身存在的许多不完善的地方。面对日趋扩大的镁合金 压铸件的市场，尽快寻求、开发出新的半固态成形工艺，或是完善现有工艺成为当务之 急。工艺相对简单的半固态流变成形工艺应成为未来发展的趋势。 2 ) 加大理论研究深度和力度 在加大半固态镁合金生产应用研究的同时，基础理论研究也必须给予足够的重视， 应当“两手抓两手都要硬。只有充分掌握了其本质规律，才能更好的对半固态镁合金 的生产进行指导和改进。目前，从事半固态理论研究的人员很多，但主要集中在铝合金 领域，对于镁合金来讲较少。为此应加大研究力度，包括半固态镁合金组织形成、流变 和触变行为以及新型合金系的开发。 近几年，我国在镁合金方面的研究逐渐给予了重视，但总体上与我国这个镁资源大 国的地位还非常不相符，国内的汽车生产厂家也只有桑塔纳轿车的变速箱壳体和壳盖采 用的是镁合金件。为此，国家已加大了研究力度，将镁合金开发和半固态成形研究列入 了“十五 科技攻关及国家“9 7 3 项目中，相信在不久的将来，在众多科技工作者的 共同努力下，必将能够取得巨大的进步，使我国丰富的镁资源发挥更大的经济和社会效 益。 1 0 第一章绪论 1 3 半固态镁合金固相体积分数国内外研究现状 1 3 1 伺相体积分数研究方法及其原理 在半固态流变成形过程中，浆料的流变行为是影响铸件成形过程和铸件品质的关 键，而表观粘度是表征半固态金属流变行为的一个极其重要的参数。影响表观粘度的因 素主要有固相体积分数、剪切速率和冷却速度等。合金在半固态状态下的液固相比直接 影响其触变性能，也影响着坯料在触变成形过程中输送的难易，因此，不同工艺对坯料 液相体积分数的要求不同。如何准确测定半固态合金的固相体积分数的变化，显得尤为 重要。由此可见，不管是流变成形还是触变成形，固相体积分数对浆料的流变性和触变 性都有着极为重要的影响，严重影响着浆料的质量。因此，如何准确地测定和控制半固 态镁合金的固相体积分数对半固态成形件的质量尤为重要。 已有的测定固相体积分数的方法主要有电阻法、热涵法和图相法，其基本原理如下： 1 ) 电阻法原理东北大学路贵民等人【档】分别用电阻法测定出液相线半连续铸造法制 各的7 0 7 5 触合金坯料在二次加热过程中液相体积分数，其原理图如图1 3 所示。 固态和液态金属在同一温度下具有各自特定的电阻特性【4 9 1 ，因此，可以通过测定某 一温度下半固态金属的电阻来确定此状态下合金的液固相比。由金属的电阻温度特性， 固相和液相金属在4 7 5 到6 5 0 c 温度区间内的电阻可以近似认为是随温度线性变化的， 在此区间内液相和固相电阻随温度的变化曲线是已知的。由于导体的电阻温度特性不受 其几何形状的影响，可以近似假设细长的圆柱形试样的电阻温度变化与非常细长的导线 的电阻温度变化是一致的，将实验所用试样抽象地看作一根截面无限细小的导线，因而 在合金熔化过程中，不断生成的液相可看作始终充满着整个导体的横截面，液相率的增 加只使得液相占导线的长度增加。在这种情况下，半固态状态的合金试样就可认为是分 别由合金液相和固相不断串联起来所组成的。按电阻特性，有 r 兰r 。x f 。4 - r l f l ( 1 1 ) 式中，r 为半固态合金的电阻；r 。为固相合金的电阻；r l 为液相合金的电阻；f 。 为半固态合金的固相体积分数；f l 为半固态合金的液相率。其中固相体积分数和液相率 之和恒为1 。故有 f l = ( r r s ) ( r i - r s ) ( 1 2 ) 由