先进凝固技术论文郭皓doc.docx

先进凝固技术论文郭皓doc.docx

《先进凝固技术论文郭皓doc.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《先进凝固技术论文郭皓doc.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

先进凝固技术论文郭皓doc

先进凝固技术论文郭皓

二○一五年专业课论文先进凝固技术学院材料科学与工程学院专业材料工程姓名郭皓学号2014231008专业课教师张晓峰一前言镁及镁合金作为一种新型的应用材料，近年来已广泛应用于军用、民用领域，如在航空航天、航海、通信、医疗、广播电视、音响影像器材、微电子技术、光学仪器等领域内，在汽车、摩托车、工具、家电电器、手机、计算机及电子设备等制品中都可看到镁合金的身影，在炼钢脱硫、铝合金生产、防腐工程中都离不开镁原料。

在汽车行业，上海汽车集团公司、一汽集团、东风汽车集团、江铃汽车公司等国内大的汽车公司均开始使用镁制零部件。

根据相关研究，汽车单车自重每减轻100Kg，每百公里耗油可减少0.7L左右，每节省1L燃料可减少二氧化碳排放量2.5g。

而通过镁合金零部件的使用可有效的实现汽车轻量化目标。

镁合金应用于交通工具，除减重和降低油耗，还可以提高整车加速、制动性能，还能降低行驶振动和噪声，提高舒适度，可以加快散热，使发动机的综合性能提高一个档次，具有良好的经济效益。

镁合金的半固态成形目前是各国研究的热点Ya-noEiji等利用余热的冷却斜槽近液相线铸造获得了半固态AZ91D镁合金组织；JMKim等利用两步加热法得到了半固态AZ91镁合金浆料；CzerwinskiF开发了半固态加工与挤压、喷射成形结合在一起的新的镁合金加工技术，以Mg-9Al-1Zn为例分析了组织性能变化规律；ChenJY和FanZ研究了半固态浆料的流变模型；KorenZ等研究了AZ91和AM503镁合金半固态热压铸和冷压铸成形。

可以看到镁合金半固态的研究虽然很多，但主要集中在浆料制备、二次加热重熔、触变成形几个方面，仅有几个流变成形研究也只是在实验室，工艺还不成熟，与应用有一定的距离。

虽然半固态流变成形技术应用更少，但与触变成形相比，流变成形更节省能源、流程更短、设备更紧凑，因此流变成形技术仍然是未来金属半固态加工技术的一个重要发展方向。

所以开发镁合金的新成型工艺具有重大意义。

二镁合金的简述1镁及镁合金的性能镁是地球上排位第八位的富有金属元素，其含量约占地壳重量的2，在金属元素中仅次于铝和铁；镁同是也是海水中的第三富有元素，约占海水重量的0.13。

镁合金是工程应用中最轻的金属结构材料。

此外镁合金由于有较高的比强度、比刚度、减震度、耐磨性、导热性、电磁屏蔽性、易切削性和易回收等良好的综合性能，从而成为汽车、航空航天及电子通讯等行业的重要新型原材料。

在能源、资源日益匮乏和环保问题日趋突出的今天，镁合金材料被誉为“21世纪的绿色工程结构材料”，具有良好综合性能的轻质镁合金材料正成为全球关注的热点。

2镁合金的广泛应用镁及镁合金作为一种新型的应用材料，近年来已广泛应用于军用、民用领域，如在航空航天、航海、通信、医疗、广播电视、音响影像器材、微电子技术、光学仪器等领域内，在汽车、摩托车、工具、家电电器、手机、计算机及电子设备等制品中都可看到镁合金的身影，在炼钢脱硫、铝合金生产、防腐工程中都离不开镁原料。

在汽车行业，上海汽车集团公司、一汽集团、东风汽车集团、江铃汽车公司等国内大的汽车公司均开始使用镁制零部件。

根据相关研究，汽车单车自重每减轻100Kg，每百公里耗油可减少0.7L左右，每节省1L燃料可减少二氧化碳排放量2.5g。

而通过镁合金零部件的使用可有效的实现汽车轻量化目标。

镁合金应用于交通工具，除减中和降低油耗，还可以提高整车加速、制动性能，还能降低行驶振动和噪声，提高舒适度，可以加快散热，使发动机的综合性能提高一个档次，具有良好的经济效益。

镁合金所具有的优异的铸造性能及良好的比强度、比刚度和抗撞能力，能充分满足3C产品高度集成化、微薄化、微型化、抗摔撞等要求。

因此当前在手机、笔记本电脑、PDA、CD机、网盘、数码相机、摄像机、MP3、便携DVD等行业，也已经建立了一批专门生产3C产品专用镁合金部件的企业，掀起了镁合金部件企业的建设。

我国如青岛金谷镁业公司、长春华禹镁业公司和富士康公司等。

炼钢脱硫是在中国镁的应用量突起的另一个重要领域。

随着汽车工业、石油、天然气管线、桥梁建筑等领域高强度低硫钢的需求增长，近几年鞍钢、宝钢、武钢等钢厂已开始采用镁制脱硫剂进行脱硫，获得低硫优质钢。

3镁合金的加工技术目前镁合金产品的80是通过铸造方法获得。

包括砂型铸造、金属型铸造、重力铸造、熔模铸造、消失模铸造、永久模铸造和压铸等在内的多种铸造方法均可用于镁合金成型，其中压铸是最成熟、应用最广的方法。

此外半固态铸造、挤压、轧制等成形方法也可以应用于制造镁合金。

但是镁合金的广泛应用遇到了一些问题1）镁合金在熔炼中极容易燃烧，在热加工过程中极容易氧化。

2）镁合金化学性质比较活泼，耐腐蚀性较差。

3）镁合金的高温强度、蠕变性能较低，限制了镁合金在高温下的使用。

4）镁合金的常温力学性能，特别是强度和塑性、韧性有待进一步提高。

5）镁合金的合金系列相对很少，特别是变形镁合金的研究开发严重滞后。

三半固态成型技术1半固态成型技术简介半固态金属加工技术semisolidmetalforming，简称SSM。

它是利用半固态金属相当低的剪切应力以及很好流动性的特点，将这种既非完全液态,又非固态的金属浆料加工成型的一种新型加工方法。

SSM应用范围广，存在固液两相区的合金均可实现，并能适用于铸造、挤压、锻压、焊接等多种加工工艺。

其充型平稳，加工温度低，凝固收缩小，因而铸件尺寸精度高，表面平整光滑，铸件内部组织致密，气孔、偏析等缺陷少，晶粒细小，力学性能高。

另外，半固态合金流动应力低，成形速度快，由于成形温度低，对模具的热冲击低，因而铸模寿命大幅提高，并且与普通铸造相比可节约能源。

因此，半固态金属成形技术得到了国际上的普遍重视，成为材科学科的研究热点。

2半固态成形工艺半固态金属加工工艺的工艺路线通常有两条

（1）经搅拌获得的半固态金属浆料在保持其半固态温度的条件下直接进行半固态加工,通常被称为流变铸造Rheocasting。

（2）将半固态浆料冷却凝固成坯料后,根据产品尺寸下料,再重新加热到半固态温度,然后进行成形加工,这称为触变成形Thixoforming。

2.1流变铸造如图所示，在凝固期间，对合金施加搅拌，使浆料中形成非枝晶固相，然后像液态金属压铸一样直接将半固态浆料注入压型中成形，这种工艺称之为流变铸造。

流变铸造充型前浆料已呈半固态状态，虽然粘度较高，但具有良好的流动性，充型流态为层流，因此可以制造尺寸精确、形状复杂、没有内部孔隙的高质量零部件。

这种加工方法的缺点是半固态浆料储运比较困难，所以应用受到很大限制。

2.2触变成形触变加工工艺原理是将半固态坯料加热至固液两相区某一温度，保持一定的固液相比例，然后对之实施成型，如图所示。

加热坯料通常采用电磁感应加热的方法。

将半固态坯料送往成形机进行成型的方式有如下几种1触变压铸，其成形设备是压铸机。

2触变锻造，其成形设备是压力机。

3触变挤压，其成形设备是轧机。

上述成形方法中，前两种工艺已在工业上应用，后种尚不成熟。

2.3射铸成形通过加热源和特殊的螺旋推进系统将具有枝晶组织的合金锭在传输过程中加热剪切,使其具有流变性后射入模具型腔成型。

美国威斯康辛触变成形发展中心采用射铸成型进行镁合金半固态生产。

3半固态坯料的制备SSM中的一个关键问题就是如何制备优质的半固态棒坯。

通常，半固态金属浆料的制备方法有机械搅拌法，电磁搅拌法和应变激活法。

此外还有喷射成形法，紊流效应法等。

3.1机械搅拌法机械搅拌法是制备半固态金属最早使用的方法，它可以通过控制搅拌温度、搅拌速度和冷却速度等工艺参数，使初生树枝状晶破碎而成为颗粒结构。

采用机械搅拌法可以获得很高的剪切速率，有利于形成细小的球微观结构。

通常有两种类型，一种是由两个同心带齿的圆筒所组成，装浆料的内筒保持静止，外筒旋转。

另一种是在熔融的金属中插入一根搅拌捧进行搅动。

机械搅拌法设备简单，但操作困难，搅拌腔体内部往往存在搅拌不到的死区，影响了浆料的均匀性，而且搅拌叶片易被腐蚀，搅拌棒污染合金，生产效率低。

3.2电磁搅拌法电磁搅拌法是利用电磁感应在凝固的金属液中产生感应电流，在外加旋转磁场的作用下促进金属固液浆料激烈地搅动，成涡流运动，使传统的枝晶组织转变为非枝晶的搅拌组织。

一般影响电磁搅拌效果的因素有搅拌功率、冷却速度、金属液温度、浇注速度等。

电磁搅拌的突出优点是不用搅拌器，不会污染金属浆料，也不会卷入气体。

电磁参数控制方便灵活，尤其适用于高熔点金属的半固态制备。

但设备投资大，工艺复杂，成本较高，由于“积肤”效应，该技术只运用于直径小于150mm的锭坯。

在众多制备方法中,电磁搅拌法是一种较好的方法。

3.3应变激活法应变激活法，就是预先连续铸造晶粒细小的金属锭，再将其热挤压达到一定变形，在组织中储存部分变形能量，最后按需要将变形后的金属锭分切成一定大小，加热到半固态。

在加热过程中，首先发生再结晶，然后部分熔化，使固相晶粒分散在液相基体中，得到半固态坯料。

该法制备的金属坯料纯净、产量大，对制备较高熔点的非枝晶组织合金具有其独特的优越性，但成本高。

3.4液相线铸造法将合金熔体在液相线温度附近保温一定时间后，进行浇铸，以获得适合触变成形的半固态金属。

液相线铸造合金熔体温度低、温度场均匀，在浇铸过程中大量晶核在熔体中均匀产生，形成细小、均匀、等轴的半固态浆料。

该方法简单高效、节能节材。

3.5紊流效应法紊流效应法的原理是让金属液通过特制的紊流装置，利用金属液的紊流效应抑制枝晶生长。

该方法对紊流装置的结构和材料以及加工技术要求很高。

目前尚未见工业应用报道。

3.6喷射成形法此方法是金属熔化成液态金属后，雾化为熔滴颗粒，在喷射气体作用下部分凝固的微滴直接沉积在收集基板上。

当每个熔滴的冲击能够产生足够的剪切力打碎熔滴内部形成的枝晶时，凝固后便成为颗粒状组织，加热到局部熔化时，也可得到具有球形颗粒固相的半固态金属浆料。

4SSM的微观组织4.1微观组织特点半固态金属的微观组织显著特点是球状晶粒组织悬浮于液相之中。

影响组织形态的因素很多，其中冷却速率、剪切速率和固相率起着关键作用。

半固态金属表现出伪塑性，其动力粘度与剪切速率之间满足指数定律，增大剪切速率或降低冷却速率均可加速球化过程。

固相率一般在10～20时有一临界值。

大于此临界值时，半固态金属的剪切力随固相率的增大而迅速增大。

其它条件不变时，固相率高的浆料中初生相更加细小，分散度高，但若固相率过高，则失去半固态特性,接近固态金属性质。

4.2形成过程及机理枝晶球化过程示意图如图。

在凝固初期，固相细小，由于剧烈搅拌，熔体的热梯度很小，固相颗粒分散在液相中，颗粒基本呈枝晶状。

晶粒到一定尺寸时，由于流动液体的作用，枝晶臂发生弯曲，相互靠近或紧贴，逐渐融合并生长。

如果端部首先熔合，枝晶臂间的液体就包在中间，晶粒形状得到球化。

由于剧烈搅拌，晶粒被卷入高温区后，较长的枝晶臂也容易被热流熔断，这是因为一般枝晶臂根部直径要小于其它部分，而且二次枝晶臂根部的溶质含量要比其表面高些，故其熔点要低一些，易被熔断。

再者，搅拌使整个熔体热流梯度相对较小，且在各方面趋于一致，因此单个结晶颗粒等轴生长。

故SSM组织的形状是球形或椭球形。

5SSM技术的应用现状目前半固态加工的工业应用虽然还处于初期阶段，但是其应用前景已十分明显，它可用于汽车、电子、电器、运动器材等零部件的生产。

铝、铜、锌、银、镁等各种合金和碳钢、不锈钢这些常用材料均可实现半固态成形。

目前最成功和最广泛就是应用于铝合金的制备。

这是因为铝合金的熔点较低，使用范围广泛，而且铝合金具有较宽液固共存区。

其中包括A12Cu、Al2Si、Al2Pb等合金。

对镁合金、锌合金和铜合金、某些工具钢、镍基合金以及低合金钢，SSM技术正在开展大量的研究工作，并取得一定的成效。

欧洲、美国与日本是半固态铸造技术研究与应用的主要地区。

铝、镁合金半固态铸造技术在西方发达国家已进入工业应用的成长期。

目前国外已建立了许多半固态铸造厂，美国的ALUMAX公司就于1994年建立了半固态铸造技术生产汽车零件的工厂，每年可生产2400万个零部件，零件单重从10g到10kg,直径最大达500mm。

我国的半固态加工技术起步较晚，开始于20世纪80年代后期，先后有东南大学、北京有色金属研究总院、东北大学、北京科技大学、清华大学等单位从事SSM的科研工作，取得了可喜的进步。

其中东南大学的朱鸣芳等人对Zn2Al合金的半固态加工成形性，半固态等温处理时对触变组织的影响作了大量的研究工作。

中南大学对喷射沉积-半固态挤压进行了研究。

在国家“863”计划支持下，北京有色金属研究总院自行设计建立了一条半固态材料制备试验线，于1998年10月实现了A357铝合金半固态半连续流变铸造，铸锭直径60mm,长度达1600mm，目前仍处于试制阶段，离工业应用还有一段距离。

四镁合金半固态成型1镁合金的半固态流变铸造镁合金半固态流变铸造，是将经搅拌等工艺获得的半固态浆料在其半固态温度的条件下直接挤入型腔的一种铸造方法。

流变铸造必须是制浆和压力成形同时进行，而且工位要接近，否则由于半固态金属浆液的保存和输送很不方便，这种方法很难投入实际应用。

同时，也有人尝试直接在压铸机压室中用电磁搅拌方法制备半固态金属浆料，然后将其挤入模具型腔中成形。

该工艺的关键是制得固相为球团状的半固态组织。

目前，常用的半固态组织的制备工艺有机械搅拌法、电磁搅拌法、应变诱发熔化激活法和半固态等温热处理法、化学晶粒细化法、形变热处理法及喷射沉积法等。

2镁合金的半固态触变铸造半固态触变铸造也叫半固态触变成形，是将经搅拌或加热等工艺获得的半固态坯料冷却凝固后，按所需尺寸下料，再重新加热到半固态温度，然后压入模具型腔中进行成形加工。

该法由于半固态金属坯料的加热、运输较方便，并且成形过程容易控制，便于实现自动化生产，因此已成为目前镁合金半固态铸造的主要工艺。

3镁合金的半固态触变锻造半固态触变锻造是将半固态金属先置于一半开型的模具中，另一半模具由压力机带动完全合型，坯料经过压缩变形从而得到所需形状，此工艺应用并不广泛。

但触变锻造可以成型变形抗力较大的高固相分数的半固态镁合金，并能生产出一般锻造难以达到的复杂形状零件。

4镁合金的半固态注射成形该法是由美国Dawchemical公司开发，专门用于镁合金的成形。

此工艺与流变铸造的区别在于不需要事先将原料经搅拌制成半固态浆料；它与触变铸造的区别在于不需要将半固态浆料制成半固态锭料，再将锭料加热后送入成形设备，而是类似于塑料的注射成形，因此简单、干净。

首先，利用专门的机械装置将铸锭切成3-6mm的颗粒，然后，在室温下通过料斗预合金化并送入高温螺旋混合机中加热，与此同时受到机器剪切，加热能量由感应加热线圈和电阻加热元件提供，采用Ar作为保护气体。

金属变为半固态后，将其放入定量触变浆料收集器中，当固相率达到30-50时，以混料螺旋为活塞，通过喷嘴将半固态金属高速射入到压铸模具内，经保压凝固，最后得到制件。

该成形法的主要优点是成形温度低，铸造温度比传统压力铸造温度低90-120摄氏度，尺寸精度高，重复性好。

该成形法的主要缺点是所用原材料的粒料需要预加工，原材料成本高；机器内螺杆及内衬等构件与固体浆料直接接触，材料的磨损严重，使用寿命短，加之半固态金属的工作温度较高，构件材料的耐磨性、耐蚀性问题有待进一步研究解决。

同时该工艺材料的选择性小，常用的只有AZ91D、AM50A和AM60B等几种，目前最成功的是AZ91D。

5镁合金的半固态轧制半固态轧制可分为流变轧制和触变轧制。

流变轧制是将经搅拌的半固态浆料直接送入轧辊中进行轧制；而触变轧制是将预先制备好的非枝晶浆料重新加热到半固态温度后，再送入轧辊中进行轧制。

触变轧制的优点是坯料的制备和轧制可以独立进行；流变轧制的优点是省去了坯料的凝固和再加热过程，缩短生产周期，减小能耗，降低成本。

但是，当固相分数70时，因固-液相之间的流动会引起组织的不均匀，使得目前的半固态轧制工艺很难推广。

五镁合金半固态成形技术的应用1镁合金在汽车工业中的应用为了降低轿车自重以减少汽油消耗，用镁合金做汽车零件是汽车实现轻量化、节能化、减少污染的理想途径。

如镁合金轿车仪表架比采用铝铸件减轻1/3，镁合金轿车门比采用铝铸件减轻2/5，同时使轿车的使用性能更加优良。

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件列入了用镁合金替代的计划，如方向盘、传动装置零件、座椅靠背架、曲柄箱零件、节流阀体、发动机零件、泵壳及制动零件等。

2镁合金在电子工业中的应用电子工业是当今发展最为迅速的行业，也是新兴的镁合金应用领域。

由于数字化技术的发展，各类数字化电子产品不断出现，电子器件高度集成化和小型化，电子工业对镁合金的增长需求缘于镁合金在减轻质量、高的刚度和良好的薄壁铸造性能等方面的优点；同时，其导热性好、热稳定性高、电磁屏蔽特性好，以及阻尼性能好和可回收再利用等特性，也是电子行业将目光投向镁合金的重要原因。

附表为镁合金壳罩与塑胶壳罩的优缺点对比。

目前，镁合金成为高成本工程塑料如手机外壳的替代品，并且已作为热交换器用于电子元件，用作高动力的汽车集成电路部件。

日本的Takata公司和MCPrecision公司利用Thiximilding技术分别生产了镁合金相机、MD壳和镁合金微机机壳。

世界著名的数字投影设备制造商（如InFocus）推出的新款投影仪机身和外壳也采用了镁合金触变成形制造工艺。

数字相机、数字摄象机、移动电话、电视和监视器等镁合金外壳的制造也是触变注射成形技术飞速增长的应用领域。

在我国大陆，镁合金半固态成形工艺的应用很少，理论研究也不成熟。

在为CD产品配套镁合金半固态件方面，上海将引进几台镁合金半固态射压铸造机，广东也有数码产品厂正在筹划半固态射压铸造机项目；而在台湾省，电子产品外壳的镁合金半固态市场很大，其镁合金半固态成形技术已相当成熟，仅半固态射压成形的压铸机就有30多台。

3镁合金在航空航天和国防工业中的应用镁合金由于质量轻而被广泛地应用于国防、航空航天产品中。

例如，在B36轰炸机上，共用了8600kg的镁合金，其中一半是用作结构材料。

法国塞德航空公司超级弗雷隆直升机的镁合金齿轮箱，铸件由,Mg-Zn-Re-Zr合金ZE41制成。

加银的镁合金可以使时效强化的Mg-Re-Zr合金较低的拉伸性能得到显著提高，在航空和航天方面已有一系列应用，例如飞机着落轮，齿轮箱盖和直升机水平旋翼附件。

未来战争要求机动性和快速反应，减小武器装备重量是未来武器装备发展方向之一，如坦克作战系统未来乘员将在2-3人，重量15-20t，为现役坦克的1/3，能行驶2o天或1500km不加油，是现役坦克的3倍。

减轻重量的途径除结构设计外，还有就是采用轻质合金。

法国AMX213轻型坦克，AMX213装甲救护车，采用轻合金缸体、缸盖；美国M551谢里登轻型坦克“侦察车，变速箱体为铝-镁合金材料制成。

随着新型镁合金开发及半固态成形技术的不断提高，在坦克和装甲部分结构件、导弹壳体和尾翼等方面将得到更为广泛的应用。

4镁合金半固态成形的应用前景在20世纪末，镁合金的发展应用十分迅速，已有逐步代替铝、工程塑料和钢等的趋势，但相对总量不够多，原因之一是新工艺触变成形（Thixomolding）法所需的镁原料技术的复杂性，致使推广应用比较困难，而且工艺和设备的局限性，工艺材料选择性小。

加之国外先进成形技术的复杂性及对技术的垄断，致使推广应用受到限制。

因此，完善和推广材料制备技术，使镁合金总量进一步提高，以及改进工艺与设备，获得最优工艺参数，开发研制适合于触变成形的新型镁合金，都是镁合金半固态成形工艺发展的趋势和方向。

目前我国是世界上最大的镁生产国，但大部分镁作为原材料出口，本国的需求量十分有限，这主要是由于我国在镁合金成形技术的研究和应用方面，尤其是半固态成形技术的研究还很不成熟。

因此，加强半固态成形新工艺的研究，加上镁资源十分丰富的西部地区开发，中国在镁合金的开发与应用方面将有着广阔的发展前景。

相信通过材料工作者对半固态镁合金成形工艺改善、新型合金开发及组织形态改变，都可以使镁合金的性能有较大的提高，使镁合金在L世纪的应用越来越广泛。

六结语我国是个镁资源大国，通过对金属镁的不断研究，使我们能更加有效的利用镁金属。

半固态方法制造的产品具有铸造缺陷少，产品的力学性能、尺寸精度、表面和内在质量高等优点，此外还有节约能源、安全性好、近净成形性好等优点。

通过半固态成形得到的镁合金材料是比较理想的。