重慶科技學院課程結業考試（論文）題目 半固態鎂合金成形技術概論 院（系） 冶金與材料工程學院 專業班級 學生姓名 學號 2008630578任課教師 職稱講師評定成績 評語： 半固態鎂合金成形技術概述姓名：劉明強 學號：2008630578摘要：半固態鎂合金制備是在20世紀末新起的最新制備鎂合金的技術，半固態技術被認為是21世紀最具發展前途的近終成形技術之一[1]。本文旨在為大家闡述半固態鎂合金成形技術的基本概論，包括鎂合金的相關闡述（性能、應用、加工技術等）；半固態成形技術的概念，半固態金屬漿料的制備，以及半固態加工材料的制備技術等；重點是鎂合金與半固態成形技術的結合，包括半固態鎂合金漿料的制備，半固態鎂合金材料的制備，半固態鎂合金材料的熱處理，半固態鎂合金成形技術的國內國外現狀和未來展望，同時闡述半固態鎂合金制備的優缺點。關鍵詞：半固態、鎂合金、漿料、半固態成形、流變成形前言：鎂及鎂合金作為一種新型的應用材料，近年來已廣泛應用于軍用、民用領域，如在航空航天、航海、通信、醫療、廣播電視、音響影像器材、微電子技術、光學儀器等領域內，在汽車、摩托車、工具、家電電器、手機、計算機及電子設備等制品中都可看到鎂合金的終極，在煉鋼脫硫、鋁合金生產、防腐工程中都離不開鎂原料。在汽車行業，上海汽車集團公司、一汽集團、東風汽車集團、江鈴汽車公司等國內大的汽車公司均開始使用鎂制零部件。根據相關研究，汽車單車自重沒減輕100Kg，每百公里耗油可減少0.7L左右，每節省1L燃料可減少二氧化碳排放量2.5g。而通過鎂合金零部件的使用可有效的實現汽車輕量化目標。鎂合金應用于交通工具，除減中和降低油耗，還可以提高整車加速、制動性能，還能降低行駛振動和噪聲，提高舒適度，可以加快散熱，使發動機的綜合性能提高一個檔次，具有良好的經濟效益。鎂合金的半固態成形目前是各國研究的熱點：Ya-noEiji等利用余熱的冷卻斜槽近液相線鑄造或得了半固態AZ91D鎂合金組織；JMKim等利用兩步加熱法得到了半固態AZ91鎂合金漿料；CzerwinskiF開發了半固態加工與擠壓、噴射成形結合在一起的心的鎂合金加工技術，一Mg-9%Al-1%Zn為例分析力組織性能變化規律；ChenJY和FanZ研究了半固態漿料的流變模型；KorenZ等研究了AZ91和AM503鎂合金半固態熱壓鑄和冷壓鑄成形。[2]可以看到鎂合金半固態的研究雖然很多，但主要之中在漿料制備、二次加熱重熔、觸變成形幾個方面，僅有幾個流變成形研究也只是在實驗室，工藝還不成熟，與應用有一定的距離。雖然半固態流變成形技術應用更少，但與觸變成形相比，流變成形更節省能源、流程更短、設備更緊湊，因此流變成形技術仍然是未來金屬半固態加工技術的一個重要發展方向。所以演劇開發鎂合金的劉避難成型工藝具有重大意義。下面的是兩個鎂合金半固態成形技術介紹：鎂合金流變成形技術流變成形技術始于二十世紀七十年代，由美國MIT的Flemings教授領導的研究小組最先提出。流變成形的基本原理是在熔體凝固過程中對熔體施加攪拌，從而改變凝固中的形核和長大規律。將經過攪拌的熔體導入成形設備內，獲得的鑄件微觀組織為細小均勻的等軸晶，而不是常規鑄造的粗大樹枝晶。適合于流變成形的成形方式多種多樣，如連鑄、壓鑄、擠壓、鍛造、軋制等。隨著鎂合金壓鑄工業的迅猛發展，流變壓鑄技術已表現出良好的應用前景。常規液態壓鑄件內往往存在氣孔，導致生產成品率低，零件無法通過熱處理提高性能。流變壓鑄能避免鑄件內形成氣孔，鑄件性能得到改善，生產效率顯著提高。雙螺旋流變成形技術雙螺旋流變制漿技術由英國Brunel大學Z.Fan等人發明并申請了多項國際專利。北京有色金屬研究總院與發明人合作，共同致力于該技術的二次開發和推廣應用。雙螺旋流變制漿設備通過一對高速旋轉的螺桿對熔體實施高剪切率攪拌。熔體經過攪拌處理后直接進行壓鑄、擠壓、軋制等。雙螺旋攪拌技術適用于多種不同牌號鎂、鋁合金，具有連續處理熔體的能力，是目前最為成功的流變成形熔體處理技術。[3]半固態成形技術的發展動向半固態金屬胚料的制備技術：在預制錠的制備方面進行了很多研究，以獲得簡便、低成本及組織良好的胚料，除攪拌法以外還有：（1）低注澆注法。（2）快速冷卻法。（3）冷卻板法。（4）加入晶粒細化劑法等，如Ca、Zn用于Mg、Zn合金等。半固態金屬成形技術發源于美國（1972年），發明至今30多年，且已成為工業界認可之技術，而美國仍處于全球領先地位，而此一制程尚未普及之原因不外乎經濟與技術兩方面。今后半固態成形的普及推廣仍賴它在技術成熟性（再現性、穩定性、可靠性）及經濟性（降低成本）方面獲得進一步進展，并利用半固態成形性之特性，與汽車工業密切配合以擴大應用領域。[4]正文：1鎂合金簡述：鎂及鎂合金的性能:鎂是地球上排位第八位的富有金屬元素，其含量約占地殼重量的2%，在金屬元素中僅次于鋁和鐵；鎂同是也是海水中的第三富有元素，約占海水重量的0.13%。鎂合金是工程應用中最輕的金屬結構材料。此外鎂合金由于有較高的比強度、比剛度、減震度、耐磨度、導熱性、電磁屏蔽性、易切削性和易回收等良好的綜合性能，而成為汽車、航空航天及電子通訊等行業的重要新型原材料。在能源、資源日益嚴峻和環保問題日趨突出的今天，鎂合金材料被譽為“21世紀的綠色工程工程結構材料”，具有良好綜合性能的輕質鎂合金材料正成為全球關注的熱點。鎂合金的廣泛應用鎂及鎂合金作為一種新型的應用材料，近年來已廣泛應用于軍用、民用領域，如在航空航天、航海、通信、醫療、廣播電視、音響影像器材、微電子技術、光學儀器等領域內，在汽車、摩托車、工具、家電電器、手機、計算機及電子設備等制品中都可看到鎂合金的終極，在煉鋼脫硫、鋁合金生產、防腐工程中都離不開鎂原料。在汽車行業，上海汽車集團公司、一汽集團、東風汽車集團、江鈴汽車公司等國內大的汽車公司均開始使用鎂制零部件。根據相關研究，汽車單車自重沒減輕100Kg，每百公里耗油可減少0.7L左右，每節省1L燃料可減少二氧化碳排放量2.5g。而通過鎂合金零部件的使用可有效的實現汽車輕量化目標。鎂合金應用于交通工具，除減中和降低油耗，還可以提高整車加速、制動性能，還能降低行駛振動和噪聲，提高舒適度，可以加快散熱，使發動機的綜合性能提高一個檔次，具有良好的經濟效益。鎂合金所具有的優異的波比鑄造性能及良好的比強度、比剛度和抗撞能力，能充分瞞住3C產品高度集成化、轉薄化、微型化、抗摔撞級等。因此當前在于機、筆記本電腦、PDA、CD機、網盤、數碼相機、攝像機、MP3、便攜DVD等行業，也已經建立了一批專門生產3C產品專用鎂合金部件的企業，也已經掀起了鎂合金部件的企業。我國如青島金谷鎂業公司、長春華禹鎂業公司和富士康公司煉鋼脫硫是中國鎂的應用量突起的另一個重要領域。隨著汽車工業、石油、天然氣管線、橋梁建筑等領域用高強度低硫鋼的需求增長，近幾年鞍鋼、寶鋼、武鋼等鋼廠一開始采用鎂制脫硫劑進行脫硫，獲得低硫優質鋼。鎂合金的加工技術目前鎂合金產品的80%是通過鑄造方法獲得。包括砂型鑄造、金屬型鑄造、中立鑄造、熔模鑄造、消失模鑄造、永久模鑄造和壓鑄等在內的多種鑄造方法均可用于鎂合金成形，其中壓鑄是最成熟、應用最廣的方法。此外半固態鑄造、擠壓、軋制等成形方法也可以應用于鎂合金。總的來說鎂合金的廣泛應用遇到了一些問題：1）鎂合金在熔煉中極容易燃燒，在熱加工過程中極容易氧化；2）鎂合金化學性質比較活潑，耐腐蝕性較差；3）鎂合金的高溫強度、蠕變性能較低，限制了鎂合金在高溫下的使用；4）鎂合金的常溫力學性能，特比我是強度和塑性、韌性有待進一步提高；5）鎂合金的合金系列相對很少，特別是變形鎂合金的研究開發嚴重滯后。[5]2半固態成形技術通常，金屬的成形工藝有兩種：一種是采用完全呈一臺的金屬成形，例如各種鑄造技術；另一種是采用完全是固態的金屬成形，例如鍛造、擠壓等。[6]半固態鑄造是辦固態加工或半固態成形的核心，是指將既非全呈液態，又非全程固態的固態-液態的金屬混合減料用住在和其他加工方法成形的新方法。半固態鑄造的工藝原理是將合金熔化后，待它另卻到液相線以下時，對合金進行攪拌。在叫辦理的作用下，合金中析出的樹枝狀品貝破壞，并在周圍金屬液的摩擦熔融作用下，品粒和破碎的枝品小塊形成卵球狀的顆粒，分布在整個液態金屬中。這時合金幾十固態組分大40%-60%，仍然像糊狀的懸浮液，具有一定的流動性。而在剪切力較小或為零是，她又具有固題性質，可以進行搬運儲存。[7]半固態合金漿料制備半固態成形技術采用具有特殊組織一一非枝品組織（或稱半固態組織）的坯料：因此，如何制備優質的具有非枝品組織的坯料是半固態成形的前提。目前，用于非枝品組織坯料生產的工藝主要有：機械攪拌法.電磁攪拌法、應變誘發熔化激活法和半固態等溫熱l處理法等。機械攪拌法機械攪拌法是最早采用的方法，其設備構造簡單，分為間歇式和連續式兩種，可以通過控制攪拌溫度、攪拌速度和冷卻速度等工藝參數，使初生樹枝品破碎而成為顆粒結構。但由于工藝參數不易控制，容易卷入氣體，攪拌器與熔體接觸易造成熔體污染，重現性較差，很難保證產品質量的一致性。并且坯料的晶粒尺寸較大，一般為200。因此.在工業生產中很少采用，大多用于試驗室研究，并主要集中于鋁合金的制備_lJ。日本長岡(Nagaoka)技術科學大學的小島陽(KOJIMAYo)和謙土重晴(KAMADO螄耐叭七)對AZglD鎂臺金在半固態條件下，利用機械攪拌進行了一系列的研究，取得了一定的成果-.Tissier等人』也采用機械攪拌法研究了AZglD鎂合金的流變鑄造技術，研究表明，初生相的均勻性及圓整度隨攪拌時間、剪切速率的增加或攪拌溫度的降低(增加固相率)而增加，但也未見到應用于工業生產實踐的報告。電磁攪拌法從攪拌金屬液的流動方式來分有水平式和垂直式2種；從旋轉磁場產生的方式可分為交變電磁場和永磁場2種。主要參數有攪拌功率、冷卻速度、金屬液溫度、澆注速度等。電磁攪拌制備的鑄錠品粒尺寸一般可達60,ura，為球狀等軸品組織；一般用于生產直徑不大于150r帥的捧坯［3,41。該方法在很大程度上克服了機械攪拌的缺點，且可實現連鑄，生產敢率高，是目前工業化生產中應用最為廣泛的一種方法。應變誘發熔化激活法應變誘發熔化激活法(Strain-InducedMeltActivation.簡稱s『MA)是先將合金原材料進行足夠的預變形，然后再加熱到固相線和液相線之間的某一溫度，即半固態。在加熱過程中，先發生再結品，然后部分熔化，使初生相轉變成顆粒狀，形成半固態金屬材料，少了一個熔體處理步驟。該方法已成功地應用于不銹鋼、銅臺金、鋁合金及鋅臺金等15。。但多了一道預變形工序，且只能制備直徑小于60mm的坯料。2.1.4.半固態等溫熱處理法半固態等溫熱處理法(se一SolidIsothemmlHe.at—Trea~'nent.簡稱SSIT)是8世紀9o年代中期新發明的一種方法，國內東南大學的蘇華欽等』、【10,1年用它對ZA21臺金進行了研究.其方法是在臺金熔融狀態時加入變質元素，進行常規鑄造，然后把錠坯重新加熱到固液兩相區進行保溫處理（半固態等溫熱處理）.最終獲得具有觸變性的非枝品組織。它與SIMA相比略去了預變形；與機械攪拌和電磁攪拌相比略去專門制備非枝品組織的步驟，可以在半固態成形之前的二次加熱中實現非枝品化。主要工藝參數有添加微量元素的種類、加入量、半固態等溫溫度和保溫時間等。甘肅工業大學利用此法對ZA27合金及其復合材料及AZglD臺金進行了處理，得到了滿意的結果。2.2.半固態成形方法[8]半固態成形方法分為：非觸變材料半固態加工、觸變材料半固態加工、金屬基復臺材料半固態制備和成形等三種。非觸變材料半固態成形非觸變材料半固態成形，可分為液態冷卻法和固態重熔法。其中液態冷卻法包括液態模鍛、液態擠壓、連續鑄擠和液態軋制等，特點是成形開始于液態，在成形過程中實現半固態的轉換過程。固態重熔法是將鑄坯或已變形的鍛坯加熱全半固態時，直接施加外力，使其產生變形、流動充填、壓”等過程，只是鑄坯在半固態時沒有觸變性，可進行擠壓、模鍛、軋制等。觸變材料半固態成形觸變材料半固態成形是對固態坯料進行特殊處理，使其具有非枝品組織的半固態組織。有半固態塑性成形和半固態鑄造兩種。半固態塑性成形包括半固態擠壓、半固態模鍛、半固態鑄擠和半固態軋制等。半固態鑄造分為流變鑄造和觸變鑄造兩種。RShibata等人直接在壓鑄機壓室中用電磁攪拌方法制備半固態合金漿液，然后將其擠”模具型腔成形。用此法制成的鋁合金鑄件的力學性能較擠壓鑄件高，而與半固態觸變成形的性能相當。但設有用此法制備鎂臺金鑄件。由于半固態金屬坯料的加熱、輸送很方便，并且成形過程容易控制，便于實現自動化操作，因此半固態觸變成形是當今半固態鑄造的主要工藝方法。許多國家的公司能生產半固態鋁臺金觸變成形的專用設備。金屬基復合材料半固態制備和成形顆粒增強的盎屬基復合材料的制備往往采用在半固態條件下進行攪拌，然后把增強體不斷加入金屬基體中隨后維持在半固態或者迅速升溫全液相線，注模具中，實現半固態鑄造或液態塑性加工。注射成形注射成形（InjectionMolding或稱Thixomolding）也有人將它歸于流變鑄造一類。由美國TheDowChemicalCo.公司開發用于鎂合金的注射成形。此工藝方法與流變鑄造的區別在于不需要事先將原材料經攪拌成為半固態漿液。它與觸變鑄造的區別在于不需要將半固態漿液制成半固態鑄錠，再將鑄錠加熱后進”成形設備，而是類似于塑料的注射成形法，因此簡單、干凈。其工作原理是由普通鑄錠利用專用的裝置以機械的方式切成3?6mm左右的粒狀，在室溫下通過料斗送”高溫螺旋混臺機加熱，加熱能量由感應加熱線圈和電阻加熱元件提供在加熱區內同時受到機器剪切與加熱；采用惰性氣體Ar作為保護性氣體，而不采用造成溫室效應的SF6。在金屬加熱到半固態后進”定量觸變漿料（固相率為30%一50%）收集器，達到定量后以混料螺旋為活塞，通過噴嘴高速射”壓鑄模具內，經充填凝固得到制品。特點是從固體坯料到鑄件在一個裝置內完成，省去了外部熔融金屬的處理及運輸工序。但由于工藝與設備的局限性，該工藝材料的選擇性較小，常用的只有AZglD，~N50A和AM601等幾種，而目前最成功的是.4Z91D。發展前景目前，世界各國都有許多大學與公司在從事半固態金屬加工技術的研究工作，并取得了很多成果。隨著汽車與電子工業的發展，對產品的輕量化要求越來越高，鎂臺金半固態成形與傳統的壓鑄相比具有許多優點。特別是注射成形技術