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流体力学结课论文流体力学在镁合金成形技术中的应用镁合金的基本性质镁及其合金具有密度小，是目前密度最轻的金属结构材料，也是21世纪最有发展前景的金属材料之一。它是地壳中含量最丰富的元素之一，它的熔点为650，密度为1. 75 g/1. 85g/,只有铝的64%，是目前密度最轻的金属结构材料之一。它具有比强度和比刚度高，阻尼性能和抗振性能，电磁屏蔽性和抗蚀性能良好等一系列优良特性。而且易于切削加工和抛光，表面处理也较方便。因此，很快受到汽车制造、航空航天、通讯、光学仪器、家用电器、纺织和印刷设备以及电子计算机制造业等工业部门的青睐，特别适用于制作大型、薄壁的箱体、框架、壁板和汽车等零部件。对于车辆，这一特性将显著地减少其启动惯性，并节省燃料消耗；有较高的比强度和弹性模量，镁有较高的稳定性，稳定的收缩率，铸件和加工尺寸精度较高；镁有良好的降噪减震性能，这对用作设备机壳减小噪音传递，防冲击与凹陷损坏是重要的；导热性好，适用于发出电磁干扰的电子产品；与塑料相比，可回收性能好，符合环保要求；切削加工性能好，镁合金、铝合金、铸铁、低合金钢切削功率的比值为1：1.8：3.5：6.3；铸造性能好，镁合金压铸件最小壁厚可达0.6毫米，而铝合金为1.21.5毫米；模铸生产率高，与铝相比镁的结晶潜热小，镁在模具内凝固快，一般来说，其生产率比铝高出40%50%，最高时可达铝的两倍；镁合金与铁的亲和力小，固熔铁的能力低，因而不易粘连模具表面，压铸时压铸模烧损少，与铝合金相比，压铸模使用寿命提高23倍，通常可以维持20万次以上。除以上主要特征以外，镁合金还具有长期使用条件下的良好抗疲劳性能，低的裂纹倾向，以及无毒、无磁性等一些特点。但是镁合金的氧化活性极高，与环境接触会发生许多化学反应，镁合金在熔炼过程中的易氧化和燃烧问题是阻碍镁合金熔炼技术和加工技术发展的关键，严重影响到镁合金的应用。我国镁合金储量世界第一，原镁产量居世界第二位。由于净化技术落后，其中的80%以原镁低价出口。其原因是熔体的净化技术水平低，气体和杂质含量比国际先进水平低35倍。当前如何利用我国镁的资源优势，并将这一优势转化为技术优势和经济优势是迫切需要解决的问题。因此对镁合金熔体的净化进行研究具有十分重要的意义。镁合金的性能 与其它结构材料相比，镁合金的优点主要体现在以下几个方面:(l)低密度镁合金密度小，通常为1. 75 g/1. 85g/，在实用金属结构材料中其比重最小。因此镁合金有很高的比强度(1416)、比刚度和比弹性模量。镁合金的比强度明显高于铝合金和钢，比刚度接近于铝合金。与工程塑料相比，镁合金的比强度没有工程塑料尤其是纤维增强塑料高，但弹性模量和比刚度远高于工程塑料，且比工程塑料容易回收。(2)高的阻尼和减震性能镁合金的阻尼性比铝合金大数十倍，同时具有极好的吸收能量的能力，可吸收震动和噪音，保证设备能安静工作，对于受交变力的构件和受振动的部件来说，尤其适用。(3)尺寸稳定性镁合金在100以内可以保持长时间的尺寸稳定性，几乎不发生变形。100个小时加热150，变形量只有几微变。不需要退火和消除应力就具有尺寸稳定性是镁合金的一个很突出的特性。(4)良好的机械加工性能镁合金质软但有一定的脆性，使得切削阻抗小，其切削加工耗能只有低碳钢的1/6，铝的1/2，容易获得镜面和高速切削。因此工具使用寿命长，比其它金属有高出几倍的刀具寿命(极少停机换刀,节省了操作时间和刀具成本)。(5)良好的电磁屏蔽性手机和笔记本电脑的塑料外壳为了屏蔽电磁波，其内壁都必须有铜和镀镍层，这给塑料的回收利用造成了麻烦。而镁合金在很宽的频率范围内具有高屏蔽性能,这一点己经得到确认。(6)可再生性废旧镁合金铸件具有可回收再熔化的特性，并可作为二次材料进行再铸造。这种特性符合环保要求，因此镁合金比许多塑胶材料更具有吸引力。另外，镁合金还具有良好的铸造性能、高散热性、耐冲击、抗压凹性能，因此，镁及镁合金被誉为“21世纪的绿色工程材料”，在越来越多的领域广泛应用。镁合金的应用汽车工业上的应用 镁合金发展的最大动力来自汽车厂商，自20世纪70年代发生能源危机以来，世界汽车制造业受节能与环保这两个因素的促进，汽车设计专家们想方设法减轻汽车重量，以达到减少汽油消耗和废气排放量的双重效果。减轻重量就意味着减少燃料消耗并减少了污染环境排放物的产生。因此镁成为汽车“轻量化”最具吸引力的结构材料之一。从90年代开始，欧美、日本、韩国的汽车商都逐渐开始把镁合金用于许多汽车零件上。最近10年来，大量的镁合金汽车零部件被生产出来替代钢和铝合金零部件。目前，镁合金汽车零部件至少超过60种，包括汽车仪表板、汽车座架、转向操纵系统部件、发动机罩盖、变速器、进气歧管、轮毅等。通用公司的许多汽车产品中镁合金配件的使用量大于17kg，福特公司的F-150卡车和克莱斯勒微型货车镁合金配件用量分别为15kg和6kg。可以预见，镁合金配件在中小型汽车产品中的应用也会逐步提高。汽车厂商希望达到的目标是每辆车4Okg以上的用镁量。（2）3C产品上的应用3C产品属于镁合金的高端应用领域，指电脑、通讯和声像领域。电子工业中镁合金的需求增长缘于镁合金在减轻重量、刚度大和具有良好的薄壁铸造性能等方面的优点;同时热导性好、热稳性高、电磁屏蔽性和阻尼性能好等也是电子行业将目光投向镁合金的重要原因。目前国际3C领域对镁合金壳体零部件需求量巨大。1999年全球手提电脑2000万台，近1/4使用了镁合金外壳。2002年国内手提电脑产量达到500多万部，有1/2的产品使镁合金外壳。1997年3月，松下公司上市的镁合金外壳便携式电脑CF-25和CF-25Mark十分畅销。新型电脑机壳上原来的ABS塑料件改为镁合金铸件后，尺寸精度、刚度和散热性都获得了改善。在移动通讯方面，目前，塑料壳体的移动电话质量不高。将镁合金用于制造移动电话外壳，则可以完全解决这一难题，使通讯过程中的电磁波只通过天线接收和发送，减少了电磁波的散失，提高移动电话的通话质量，同时还能减少电磁波对人体大脑的伤害。随着消费者对轻、薄、短、小以及时尚新潮的要求越来越高，在电子产品的外壳应用上，镁合金已有逐渐取代ABS、PC等材料的趋势。（3）航空航天上的应用镁及镁合金在上世纪50年代的航空工业中曾被广泛的使用。50年代后期，在美国航空航天工业中，镁的用量达到了每年10000吨。到了90年代，在汽车工业发展的推动下，解决了镁及镁合金一些存在的问题，继而带来了镁的研究和应用高潮，同时也引起了航空、航天工业使用镁合金材料更大的兴趣。从镁合金的性质来看，较小的密度是促进其在航空航天中使用的主导因素。飞机的重量直接影响到它的机动性和油耗，所以要求使用的材料质地要轻。目前，已经研究出的高温镁合金WE43、WE54被广泛应用于新型航空发动机齿轮箱和直升机的变速系统中，能在振动、沙尘、腐蚀、高温等比较恶劣的环境下服役，如西科斯基公司的S-92型直升飞机、贝尔BA-609型倾斜旋翼飞机和欧洲的NH90直升机。同时ZE41、AM50、AM80等镁合金被用来制造飞机上的部件，如座椅、踏板、轮子以及各种电子附件。（4）其它领域的应用由于镁合金独特优异的性能，以及国际市场上镁价格的下降，使得镁合金的应用领域进一步扩大。除了用在汽车、航空航天、3C等领域，还可用于燃烧弹、炼钢脱硫剂、牺牲阳极、兵器、轮椅、自行车的前叉等交通、冶金、化学、化工等行业。镁合金中的MgO及其它夹杂 镁合金中MgO及其它夹杂物的来源镁合金中MgO及其它夹杂物的来源主要有以下两种:(1)原镁中存在的非金属夹杂物 原镁的生产方式有硅热法和电解法两种。目一前我国镁生产厂家大多采用硅热法炼镁，硅热法炼镁过程是将锻烧白云石(CaO和MgO)和还原剂硅铁合金以及催化萤石混成粉均匀压球后，在高温(1200)真空下发生还原反应，生成镁蒸汽，通过冷凝收集成结晶镁。在工业生产中，还原过程难免会混入一定量的杂质，其中有初期抽真空带入结晶套中的灰尘以及后期破真空后结晶镁表面的氧化烧损。这部分产生的非金属杂质主要包括MgO、Fe2O3、CaO、Si02、Mg3N2、A12O3和CaF2等;在反应温度下具有一定蒸汽压的金属和镁蒸汽一起冷凝结晶混入结晶镁中，这部分产生的主要是Fe、Si、Ni、Mn、Zn、Al等金属杂质;粗镁由于表面积大，孔隙多，搬运或存放过程容易吸附灰尘或表面被氧化产生非金属夹杂物，这部分杂质主要是Si02及MgO等。在电解法生产镁的过程中，电解质如MgC12、NaCl等氯盐容易混入镁液中，此外电解槽中的含碳材料与镁合金液中的微量元素如Al、Ca等反应还会形成碳化物。(2)熔炼过程中产生由于硅热法生产的结晶镁疏松、体积大，不利于贮存和运输，必须熔炼铸锭，或通过加入Al、Zn、Mn、Si等元素合金化熔炼后才能满足工业使用的要求。镁的化学性质非常活泼，不管是粗镁熔炼过程还是合金化过程，由于高温的作用，镁会和环境中的众多物质发生反应。镁在空气中易氧化，反应方程式如下：2Mg+02=2MgO+Q (1-1)随着温度的升高，氧化速率加快，生成白色氧化镁粉末，并放出大量的热。氧化镁是一层疏松的粉末，不能阻止氧气向金属内部扩散，燃烧界面将以相当快的速度从表面向内部延伸。镁无论是固态还是液态均能与水发生反应，反应方程式为:Mg+H2O=MgO+H2+Q (1-2)Mg+2H2O=Mg(OH)2+H2+Q (l-3)随着温度的升高，反应速度加快，并且Mg(OH)2会分解为水及MgO，高温下只生成MgO。镁与水之间的反应，比在相同条件下与氧的反应还要激烈。当熔融镁与水接触时，不仅因生成氧化镁发出大量的热，而且反应产物氢与周围大气中的氧迅速作用生成水，水受热急剧气化膨胀，结果导致猛烈的爆炸，引起镁熔液的剧烈燃烧与飞溅。镁与N2在室温下的反应速度很慢，但当温度高于1000时，反应变得剧烈。反应产物Mg3N2是粉状化合物，不能阻止镁的氧化和燃烧。因此镁及镁合金熔炼工艺区别于其它合金的熔炼工艺，在熔炼的过程必须采取一定的防燃保护措施。目前镁合金阻燃主要有三种方法:熔剂保护法、气体保护法、添加合金元素阻燃法。熔剂保护法是以前国内大部分厂家采用的方法，它虽然简单易行，保护效果好，但在使用过程中产生大量有害的具有腐蚀性的气体，污染环境、腐蚀厂房和设备，而且熔剂易残留在镁合金液中，产生熔剂夹杂物，使产品的合格率大幅度下降，并降低铸件的机械性能和耐腐蚀性能，目前熔剂保护的应用在国内外己经大大减少。气体保护法和添加合金元素阻燃虽然可以避免产生熔剂夹杂，但由于镁的易氧化性，高温下仍会产生少量MgO，保护气体在高温下与Mg或MgO发生反应、以及合金元素在高温氧化反应生成的氧化物等(例如MgO与MgF2、MgO.MgS复合物、MgO与CaO等)，这些生成物在后来的搅拌或浇注过程中，也容易残留在镁合金液中形成夹杂。有文献报道，镁合金中的夹杂物主要有MgO、Mg3N2、MgCl2CaC12、A14C3和一些富Fe的物质。 镁合金中MgO及其夹杂物的危害有资料表明，镁合金中的非金属夹杂物，粒子状和薄膜状的MgO占80%以上。在MgO颗粒的周围，还常常存在着许多显微孔洞，即所谓的渣气相生。这些非金属夹杂物不仅严重恶化合金的力学性能，还伴生气孔、缩松等缺陷，使铸件性能下降。例如由于夹杂物与镁基体在弹性性能上有较大的差别，所以在变形过程中，夹杂物周围就会产生愈来愈大的应力集中，从而使夹杂物本身开裂或使夹杂物同基体的连接遭到破坏，形成显微空隙。随着变形的不断进行，空隙(微裂纹)不断产生，并发展成显微空洞，直到相邻的空洞相互连接，而导致材料的断裂。研究表明，夹杂物作为显微裂纹的发源地，对与断裂过程密切相关的诸如延伸率、断面收缩率、断裂韧性和疲劳抗力等一系列材料性能具有显著影响。此外，残留在镁合金液中的熔剂夹渣，例如MgCl2有很强的吸湿性，还会加速镁合金铸件的腐蚀。气孔常常伴随着夹杂物产生，在合金液凝固时析出的气体，不仅使合金液的流动性降低，而且由于气体的反压力，阻碍了金属液的补缩，会形成浇铸不足、缩松等缺陷。使用镁合金材料压铸成形的笔记本电脑外壳，一段时间后表面发现了一些凹坑。研究发现主要原因是壳体表面的MgO夹杂物，吸收空气中的水分或潮气后转化为Mg(OH)2，由于两者存在密度差而发生体积膨胀所致。因此随着镁合金应用的发展，对其质量要求越来越高，所以在镁合金熔炼和加工过程中必须使非金属夹杂物的量降低到