半固態(tài)觸變注射成型鎂合金組織性能分析.doc

半固態(tài)觸變注射成型鎂合金組織性能分析摘要：本文對(duì)半固態(tài)觸變注射成型鎂合金AZ91D 的組織與性能進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，該成形法所生產(chǎn)的鎂合金產(chǎn)品的組織及力學(xué)性能均優(yōu)于壓鑄產(chǎn)品，從而為應(yīng)用半固態(tài)觸變注射成型法進(jìn)行鎂合金汽車零部件的生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：觸變注射成型 鎂合金 組織 力學(xué)性能 1 引言 近年來(lái)，隨著對(duì)綠色、環(huán)保等方面要求的提高，鎂合金以其重量輕、比強(qiáng)度高、比剛度高、減震性好、耐電磁屏蔽、易回收等特點(diǎn)從眾多金屬材料中脫穎而出，廣泛的應(yīng)用于航空、航天、電子和汽車等行業(yè)。目前，鎂合金應(yīng)用的兩大熱點(diǎn)產(chǎn)業(yè)是電子業(yè)和汽車業(yè)。一方面，用于“3C” (Computer、Communication、Consumption Electronics Products)產(chǎn)品的殼體，有逐漸取代可回收性較差的塑料殼體的趨勢(shì)；另一方面，作為實(shí)際應(yīng)用中最輕的結(jié)構(gòu)金屬，鎂合金能夠滿足交通運(yùn)輸業(yè)日益嚴(yán)格的節(jié)能和尾氣排放要求，從而生產(chǎn)出重量輕、耗油少、環(huán)保的新一代交通工具。 國(guó)內(nèi)外廣泛采用的鎂合金成形方法為壓鑄法。壓鑄鎂合金產(chǎn)品具有尺寸穩(wěn)定性好、生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，但也具有夾雜多、氣孔多、成形后難熱處理、尺寸近凈成形差等不足。采用壓鑄法制造的零件很難滿足諸如用于“ 3C”產(chǎn)品中所廣泛使用的薄壁殼體類零件以及用于汽車工業(yè)中的高性能鎂合金零部件的要求。 同壓鑄法相比，半固態(tài)方法制造的產(chǎn)品具有鑄造缺陷少，產(chǎn)品的力學(xué)性能、尺寸精度、表面和內(nèi)在質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，此外還有節(jié)約能源、安全性好、近凈成形性好等優(yōu)點(diǎn)。目前世界上已經(jīng)成功工業(yè)化的鎂合金半固態(tài)成型技術(shù)是觸變注射成型技術(shù)1。長(zhǎng)春華禹鎂業(yè)有限公司是我國(guó)最早引進(jìn)此項(xiàng)技術(shù)的廠家，本文利用該公司的觸變注射成型機(jī)制備試樣，對(duì)觸變注射成型鎂合金的組織及力學(xué)性能進(jìn)行了分析，從而為公司下一步進(jìn)行汽車用高性能鎂合金的研究開發(fā)作適當(dāng)?shù)募夹g(shù)儲(chǔ)備。 2 半固態(tài)觸變注射成型技術(shù)的原理及工藝過(guò)程 2.1 半固態(tài)觸變注射成型技術(shù)的原理 在普通鑄造過(guò)程中，初晶以枝晶方式長(zhǎng)大，當(dāng)固相率達(dá)到0.2 左右時(shí)，枝晶就形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)骨架，失去宏觀流動(dòng)性。半固態(tài)成形是在液態(tài)金屬?gòu)囊合嗟焦滔嗬鋮s過(guò)程中進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌，使普通鑄造成形時(shí)易于形成的樹枝晶網(wǎng)絡(luò)骨架被打碎而保留分散的顆粒狀組織形態(tài)，懸浮于剩余液相中。這種顆粒狀非枝晶的顯微組織，在固相率達(dá)0.50.6 時(shí)仍具有一定的流變性，從而可利用常規(guī)的成形工藝如壓鑄、擠壓，模鍛等實(shí)現(xiàn)金屬的成形24。 半固態(tài)觸變注射成形法是近些年來(lái)開發(fā)的一種新工藝，源于美國(guó)DOW化學(xué)公司，美國(guó)THIXOMAT公司將其商業(yè)化。該工藝是將塑料的注塑成形原理與半固態(tài)金屬成形工藝相結(jié)合，集半固態(tài)金屬漿料的制備、輸送、成形等過(guò)程于一體，該法較好地解決了半固態(tài)金屬漿料的保存輸送、成形控制困難等問(wèn)題。 2.2 半固態(tài)觸變注射成型技術(shù)的工藝過(guò)程 注射成形法主要工藝過(guò)程如下：被制成顆粒的鎂合金原料（由枝晶鎂合金鑄錠制成，其組織仍為枝晶組織）從料斗中加入；在套筒中的鎂合金原料通過(guò)電加熱轉(zhuǎn)變成半固體狀態(tài)，在螺桿的剪切作用下，在套筒中半固體金屬漿料形成了近乎于球形狀的固體顆粒，在注射缸的作用下，以相當(dāng)于塑料注塑機(jī)的十倍速率壓射到模具內(nèi)成形。觸變注射成形機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1-1 所示。 圖1 觸變注射成形機(jī)原理圖3 試驗(yàn)設(shè)備及方法 3.1 觸變注射成形試樣的制備 本論文采用日本制鋼所的JLM-450MG 型觸變注射成型機(jī)制備了標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能試樣，在不同制備條件下，考察了目前最廣泛使用的鎂合金AZ91D 組織與性能的變化以及耐腐蝕性能。該成型機(jī)的外觀如圖2 所示，試樣模具由日本制鋼所提供，所制備的測(cè)試試樣如圖3 所示，成形過(guò)程中模具溫度為180。 圖3 中由左至右依次為標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，標(biāo)準(zhǔn)蠕變?cè)嚇?，?biāo)準(zhǔn)拉伸試樣和硬度試樣，在論文只采用標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣進(jìn)行試驗(yàn)，分別考察不同工藝條件下，半固態(tài)鎂合金組織與性能的變化。圖2 JLM 450-MG 觸變成型機(jī) 圖3 注射成型的半固態(tài)鎂合金試樣快速腐蝕條件如下：腐蝕介質(zhì)為0.5%NaCl 或0.1molNaCl 溶液；試驗(yàn)溫度：室溫（靜態(tài)）或351；腐蝕時(shí)間：5 晝夜。 4 結(jié)果與討論 4.1 半固態(tài)觸變注射成型鎂合金的組織分析 圖4 中組織是取自不同工藝參數(shù)制備標(biāo)準(zhǔn)拉伸試棒的中部，其工藝參數(shù)的區(qū)別主要表現(xiàn)在料筒溫度的差別，在圖4 中由工藝(a)至工藝(d)料筒溫度逐步升高。圖4 觸變注射成型AZ91D 組織由圖4 可見(jiàn)，在不同工藝參數(shù)條件下，半固態(tài)鎂合金組織的變化不大，主要差別表現(xiàn)在缺陷的數(shù)量和大小方面。可見(jiàn)，料筒溫度對(duì)半固態(tài)鎂合金成型性具有決定性的影響，在料筒溫度較低的條件下，半固態(tài)漿料的流變性不足，成型性能不足，提高料筒溫度可以明顯的提高半固態(tài)漿料的流變性能，但會(huì)明顯降低固相率，在工藝d 的條件下，除晶粒細(xì)小外，其組織已經(jīng)接近普通壓鑄合金組織。因此，在實(shí)際產(chǎn)品制備中必須控制好料筒溫度和組織這兩方面的因素，才有可能獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品。 圖5 為半固態(tài)鎂合金組織的掃描電鏡照片。由圖5a 可見(jiàn)，半固態(tài)鎂合金試棒的組織細(xì)小、均勻，圖5b 為放大的晶界相，對(duì)晶界相的定點(diǎn)能譜分析表明，其晶界相的主要組成為Mg 和Al，并含有少量的Zn，其定點(diǎn)能譜分析結(jié)果如圖6 所示。對(duì)半固態(tài)鎂合金進(jìn)行線掃描的結(jié)果表明，Al 和Zn 主要分布在晶界上，在晶內(nèi)分布較少，Mg 則主要分布在晶內(nèi)，在晶界處Mg 含量明顯減少，如圖7 所示。以上結(jié)果表明半固態(tài)觸變注射成型鎂合金的組織形態(tài)及分布基本與壓鑄組織相同。(a) 半固態(tài)鎂合金組織 (b) 半固態(tài)鎂合金的晶界相 圖5 半固態(tài)鎂合金組織的掃描電鏡照片圖6 半固態(tài)鎂合金晶界相分析圖7 半固態(tài)鎂合金線掃描結(jié)果4.2 半固態(tài)觸變注射成型AZ91D 的力學(xué)性能分析 4.2.1 觸變注射成型AZ91D 的力學(xué)性能 圖8 中示出了50 根試棒（圖4 工藝d 條件下）中隨機(jī)抽取5 根試棒的力-位移曲線、力-變形曲線以及力學(xué)性能的測(cè)量數(shù)據(jù)。由此可見(jiàn)，半固態(tài)觸變注射成形試棒已達(dá)到了很高的強(qiáng)度，其平均斷裂強(qiáng)度可達(dá)到270MPa 以上，平均屈服強(qiáng)度可達(dá)150MPa 左右（由于鎂合金試棒在拉伸過(guò)程中沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)，故而以p0.2 估算屈服強(qiáng)度）。圖8 半固態(tài)鎂合金的力學(xué)性能64.2.2 鹽水快速腐蝕對(duì)觸變注射成型AZ91D 性能的影響 鎂合金的抗腐蝕性能是衡量鎂合金性能的一個(gè)重要指標(biāo)，本文采用快速腐蝕試驗(yàn)考察了經(jīng)快速腐蝕后觸變成型鎂合金試棒組織與性能的變化。所采用試棒與前述力學(xué)性能試棒相同。 圖9 示出了經(jīng)5 晝夜快速腐蝕后AZ91D 鎂合金試棒的力學(xué)性能?？梢?jiàn)，腐蝕后鎂合金試棒力學(xué)性能明顯下降，平均斷裂強(qiáng)度下降到220MP 左右，屈服強(qiáng)度下降至120MPa 左右。腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，盡管半固態(tài)組織細(xì)小、致密，但是其抗腐蝕性能仍然相當(dāng)差，做為重要結(jié)構(gòu)部件和裝飾性殼體類零部件時(shí)，仍須采用適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砉に?，否則將無(wú)法滿足使用要求。圖9 快速腐蝕后觸變注射成型AZ91D 的力學(xué)性能65 結(jié)論 近年來(lái)，世界各國(guó)高度重視鎂合金的研究與開發(fā)，將鎂資源作為21 世紀(jì)的重要戰(zhàn)略物資，加強(qiáng)了鎂合金在汽車、計(jì)算機(jī)、通訊及航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)研究。美、日、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家目前已經(jīng)投入大量人力和物力，實(shí)施多項(xiàng)大型聯(lián)合研究發(fā)展計(jì)劃，研究汽車用鎂合金零部件，這些研究開發(fā)計(jì)劃加快了國(guó)外應(yīng)用鎂合金零部件的步伐。我國(guó)是一個(gè)摩托車生產(chǎn)、消費(fèi)大國(guó)和出口大國(guó)，也是一個(gè)潛在的汽車生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)。然而，目前我國(guó)的鎂合金成型技術(shù)還相對(duì)落后，鎂合金零部件的力學(xué)性能及耐腐蝕性能較低是制約汽車用鎂合金零部件在我國(guó)應(yīng)用的一個(gè)重要因素。 本論文通過(guò)對(duì)觸變注射成型AZ91D 鎂合金試棒的顯微組織、力學(xué)性能分析和