鎂合金電磁連鑄成型技術(shù)研究

1、 大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文1.3鎂合金的應(yīng)用 圖1.3寶馬公司的鎂合金直列6缸引擎 圖1.4合金金汽車部件Fig1.4Magnesium alloy auto part鎂合金在汽車、電子、航空等眾多輕量化的工業(yè)領(lǐng)域中亦得到廣泛的應(yīng)用,并且正在不斷地推廣著。依靠其比強(qiáng)度較高,用以代替部分鋁合金,可以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)、儀表及于延浩:鎂合金電磁成型技術(shù)研究各種附件的質(zhì)量;依靠其良好的減震性,能承受較大的沖擊震動(dòng)載荷。各國都加緊進(jìn)行鎂合金生產(chǎn)及應(yīng)用研究,因而鎂合金工業(yè)進(jìn)入飛速發(fā)展階段。目前【l61,汽車使用的鎂合金壓鑄件已擴(kuò)展到閥殼、齒輪箱、車輪、前燈支承托架、離合器殼體、變速箱、制動(dòng)/離合器踏板托架

2、、駕駛桿零件等幾十種零件。福特汽車公司Aerostat Mini.Vans牌汽車的中座及后座支架f僅此每年需100t以上的鎂合金AM60鑄件, Ranger輕型卡車的離合器殼體和剎車踏板支撐架,Chrysler汽車公司的齒輪變速箱殼體,通用公司的氣缸蓋、濾油器殼體等近10種零件,以及日本豐田公司的凸輪罩都是鎂合金制成的。尤其是美國研制的一種鎂合金輪轂,在輪胎被被扎穿后仍能以不高于48km/h 的速度行駛,汽車不受損害。最近西方又在積極研制大型汽車零件,如汽車儀表板、車門、轎車座椅支架等。寶馬公司亦開發(fā)出了鎂合金直列6缸引擎,如圖1.3所示,圖1.4所示的為鎂合金的汽車部件。電子工業(yè)是當(dāng)今發(fā)展最

3、為迅速的行業(yè),也是新興鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域。由于數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展,各類數(shù)字化電子產(chǎn)品不斷出現(xiàn),電子器件高度集成化和小型化,出現(xiàn)了大量便攜式電子器材,如手提電話、便攜式電腦和小型攝錄像機(jī)等。電子工業(yè)中鎂合金的增長(zhǎng)需求源于鎂含金在減輕重量、大的剛度和具有良好的薄壁鑄造性能等方面的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),其熱導(dǎo)性好,熱穩(wěn)定性高、良好的電磁屏蔽和阻尼性等特性,是電子行業(yè)將目光投向鎂合金的重要原因【17J。圖1.5所示的為鎂合金在電子器件上的應(yīng)用。 圖1.5鎂合金電子產(chǎn)品部件一8一 于延浩:鎂合金電磁成型技術(shù)研究是由投料筒口將進(jìn)入料筒的固態(tài)鎂合金顆?？柯輻U旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切力及料筒加熱器的加熱,當(dāng)材料加熱到固液兩相區(qū),達(dá)到

4、相當(dāng)?shù)墓滔喾謹(jǐn)?shù)時(shí),由螺桿推動(dòng)射入型腔成形【1剮。如圖1.7所示。 圖1.7鎂合金觸變射鑄原理示意圖f3擠壓鑄造擠壓鑄造的發(fā)展趨勢(shì)是與另外的鑄造成形技術(shù)相結(jié)合。如日本東芝機(jī)器公司的LEOMACS系統(tǒng),其特點(diǎn)是將擠壓鑄造與低壓鑄造及電磁定量澆注泵結(jié)合成一體,可生產(chǎn)形狀復(fù)雜的薄壁鎂合金鑄件。由擠壓鑄造與流變鑄造結(jié)合的擠壓.流變鑄造的工藝,其充分應(yīng)用擠壓鑄造與流變鑄造這兩種鑄造方法的長(zhǎng)處,以補(bǔ)流變鑄造的不足f19J。(4鎂合金超塑性成形一鎂晶體為密排六方結(jié)構(gòu),鎂基體的獨(dú)立滑移系較少,因此,鎂合金的塑性較低,塑性加工能力較差,大部分鎂合金制品是用鑄造方法成形,很少采用鍛壓、擠壓、軋制等塑性成型方法加工,

5、這在很大程度上限制了鎂合金的應(yīng)用。因此,各國研究者很重視鎂合金的超塑性。目前,鎂舍金的超塑性的研究在超塑性性能及變形機(jī)理方面已取得很大進(jìn)展,而且,有些超塑性鎂合金已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域【20】。(51沖鍛成型1999年,日本索尼、日立金屬和東京精鍛所共同開發(fā)成功鎂合金沖鍛成型技術(shù)fPress Forging,在產(chǎn)業(yè)界引起了極大的轟動(dòng)。與壓鑄和半固態(tài)成形的工藝進(jìn)行比較,精密沖鍛成型具有生產(chǎn)效率高、成品率高和成本低等優(yōu)點(diǎn),因此,精密沖鍛成型技術(shù)在開發(fā)出來的當(dāng)年就得到了工業(yè)應(yīng)用,并且達(dá)到了月產(chǎn)20萬套的生產(chǎn)規(guī)模【21I。精密沖鍛成型技術(shù)是將沖壓成型與鍛造成型相結(jié)合而形成的新技術(shù),其主要工藝過程為將加熱

6、后的鎂合會(huì)坯料在加熱模具中進(jìn)行沖壓和鍛壓,其生產(chǎn)設(shè)備采用普通機(jī)械式鍛壓機(jī)床即可,技術(shù)關(guān)鍵在于成型的模具與成型的工藝,包括模具設(shè)計(jì)、模具溫度控制、變形率與變形速度等參數(shù)控制。為避免零件在成型過程中出現(xiàn)裂紋和充不滿等缺陷,沖 大連理:大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)工藝,并已在鋁、銅、鋼等形材上得到了成功的應(yīng)用。鎂的連鑄與鋁差不多都是在上個(gè)世紀(jì)30年代起步的,但時(shí)至今日,鎂卻遠(yuǎn)沒有鋁連鑄的規(guī)模。原因?yàn)殒V的需求量小,加之鎂零件主要是壓力鑄造。目前對(duì)于鎂合金塊體成型(bulk forming和薄板成型(sheet forming受到了很大的關(guān)注,為鎂合金連鑄技術(shù)的發(fā)展帶來了契機(jī)。鎂合金連鑄設(shè)備可以在鋁

7、合金連鑄設(shè)備基礎(chǔ)上改選完成,由于鎂合金的易燃易氧化的特點(diǎn),改造重點(diǎn)主要是過程安全和簡(jiǎn)化操作控制上。圖1.10為連鑄法生產(chǎn)的鎂合金鑄錠。圖1.10鎂合金鑄錠principle of the continuous castingprocess operating casing instatlation圖1.11鎂合金連鑄原理圖及實(shí)物圖 于延浩:鎂合金電磁成型技術(shù)研究電磁鑄造過程中伴隨著電磁攪拌作用,易使枝晶折斷,形成大量新晶核,細(xì)化(2了晶粒。圖2.2電磁鑄造的原理和力的平衡關(guān)系and equilibrium relationship of the pressures of EMC消除了連續(xù)鑄造鑄

8、錠表面層附近出現(xiàn)的粗大晶粒帶,材料的力學(xué)性能特別是壓延性能大大提高,鑄錠橫截面的密度和硬度增加【刪;(3鑄造速度高,一般比連續(xù)鑄造法提高10304/;o,提高了生產(chǎn)效率;(4冷卻水消耗量降低了J.52倍。 (aEMC CoDCC圖2.3EMC與DCC鑄錠表面形貌對(duì)比電磁鑄造技術(shù)不僅適用于鋁合金,銅合金的電磁鑄造也取得了成功。但如果能在連續(xù)鑄鎂上應(yīng)用,則比將會(huì)產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。 大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文方案II:圖2.9II號(hào)感應(yīng)器在電磁連鑄過程中,包括有一次冷卻和二次冷卻。一次冷卻的作用是充分地冷卻感應(yīng)器和結(jié)晶器,避免過熱和形成凝固坯殼。冷卻水要均勻且充分的作用到冷卻位置,這就需要合理

9、的分布冷卻水。對(duì)于圓錠的電磁連鑄實(shí)驗(yàn),就是盡可能的在鑄錠的圓周均勻分布有冷卻水。方案I: 圖2.10方案I冷水套.29.于延浩:鎂合金電磁成型技術(shù)研究方案II: 圖2.11冷卻水走勢(shì)圖(方案II二冷水設(shè)計(jì)成4個(gè)入水口分布在四周,在系統(tǒng)的底部距結(jié)晶器底邊20mm處開設(shè)有中2.5ram的噴水口,孔間距為10ram。周2.13所示。 圈2.13二冷水口照片(方案II.30 于延浩:鎂臺(tái)金電磁成型技術(shù)研究構(gòu)看,一個(gè)硫原子被六個(gè)氟原子包圍,具有化學(xué)惰性結(jié)構(gòu),在常溫下極其穩(wěn)定。通常將st氣體高壓變成液態(tài),存儲(chǔ)于專用的耐高壓瓶中備用。溫度較高時(shí)(500。C,s瓦將會(huì)發(fā)生分解,生成有毒的低氟化合物s:民、甌等

10、。但在生產(chǎn)條件下的含量不大于保護(hù)氣體總體積的1/1000,這些氟化物均在安全允許值內(nèi)。在高溫時(shí),斷:與鎂發(fā)生化學(xué)作用,表面膜中有M已生成。使疏松的MgO膜轉(zhuǎn)變?yōu)橛蒑go+MgF2組成的連續(xù)、致密的混合膜,因而含S瓦的氣氛有防止鎂熔液氧化燃燒的作用。S只與鎂所發(fā)生的可能的化學(xué)反應(yīng)如下:2-SR一2SF4+nF+(1一n/2Fz(36 Mg+2FMgF2(3-7Mg+疋=MgF20-8(5鎂與熔劑的作用為防止鎂的熔化燃燒,生產(chǎn)中一直采用在熔劑層保護(hù)下的熔煉。鎂合金熔劑的兩種作用分別是覆蓋和精煉。覆蓋作用:熔融的熔劑借助表面張力的作用,在鎂熔液表面形成連續(xù)、完整的覆蓋層,隔絕空氣,IN.d2Mg一0

11、2、MgH:0反應(yīng),防止了鎂的氧化,也能撲滅鎂的燃燒。精煉作用:熔融的熔劑對(duì)非金屬夾雜物具有良好的濕潤(rùn)、吸附能力,并利用熔劑與金屬的密度差,把金屬夾雜物隨同熔劑自熔液中排除。鎂合金熔劑主要是由朋竄a:、KCI、Ca最、BaCI:等氯鹽、氟鹽的混合物組成的, 蹭cf:是主要成分。熔劑中采用堿金屬和堿土金屬的鹵化物是因?yàn)樗鼈兊幕瘜W(xué)穩(wěn)定性高。幾種鹽按一定的比例混合,使熔劑的熔點(diǎn)、密度、粘度及表面性能均能較好地滿足使用要求。 圖3.1電磁連鑄裝置照片40-大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文3.4鎂合金的電磁連鑄本文以obl20ram的電磁連鑄鎂合金圓錠為對(duì)象,進(jìn)行了一系列的鑄造成型實(shí)驗(yàn)。通過調(diào)整電磁場(chǎng)頻率

12、及施加功率等電參數(shù),拉坯速度、澆注溫度、液面位置及冷卻強(qiáng)度等工藝參數(shù),進(jìn)行電磁連鑄過程的實(shí)驗(yàn)研究,探討鑄造工藝參數(shù)對(duì)電磁連鑄鑄錠的表面及內(nèi)部質(zhì)量的影響,確定主要工藝參數(shù)之間的匹配關(guān)系。圖3.1所示的為實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖。澆注金屬的液面與感應(yīng)線圈之間的相對(duì)位置對(duì)鑄錠的表面質(zhì)量影響很大,在金屬液柱上比較理想的電磁場(chǎng)的分布是使電磁壓力充分作用于彎月面區(qū)域,以獲得表面質(zhì)量較好的鑄錠。當(dāng)澆注溫度和鑄錠凝固前沿的位置保持不變時(shí),液面位置的變化使鑄錠表面出現(xiàn)褶皺、冷隔等鑄造缺陷,嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致電磁連鑄過程失敗。當(dāng)金屬的液面位置高于感應(yīng)線圈頂面20ram時(shí),液態(tài)金屬的靜壓力大于電磁壓力,金屬液柱的側(cè)面與結(jié)晶器完全接

13、觸,由于摩擦阻力的作用,鑄錠表面出現(xiàn)周向的裂紋,裂紋表面較粗糙(圖3.2(a所示1;當(dāng)金屬液面高于感應(yīng)線圈頂面達(dá)9030mm時(shí),摩擦阻力大于鑄錠初期凝固殼的抗拉強(qiáng)度,凝固殼被拉斷,電磁連鑄過程失敗(圖3.2(b所示;反之,當(dāng)金屬液頂面低于感應(yīng)線圈頂面15ram時(shí),鑄錠冷卻快,液體從彎月面上流淌下來在鑄錠表面出現(xiàn)冷隔(圖3.2(c所示1;合適的金屬液面位置的控制范圍是結(jié)晶器高度50mm處。當(dāng)液面與感應(yīng)線圈頂面平齊的時(shí)候獲得的鑄錠表面質(zhì)量最好(圖3.2(d所示。 (a表面粗糙(b拉斷(c冷隔(d表面質(zhì)量好圖32液面位置對(duì)表面質(zhì)景的影響于延浩:鎂合金電磁成型技術(shù)研究圖3.3表示了不同的功率下中頻電磁

14、場(chǎng)對(duì)鎂合金連續(xù)鑄造鑄錠的表面的影響。 (aP=0kw(bp=8kw(cp=10kw(dp=12kw圖3.3施加中頻電磁場(chǎng)對(duì)鑄錠表面質(zhì)量的影響中頻電源頻率為2豫脅,未施加中頻磁場(chǎng)的鑄錠表面粗糙,有明顯的偏析瘤(圖3.3(a所示;施加8七的中頻電磁場(chǎng)時(shí),鑄錠表面質(zhì)量明顯改善,但在對(duì)應(yīng)結(jié)晶器的縫隙附近仍存有細(xì)小的偏析瘤(圖33一(b所示1。無電磁場(chǎng)作用時(shí),液態(tài)金屬澆注到結(jié)晶器后,與結(jié)晶器壁相接觸,因結(jié)晶器的激冷作用而形成初期凝固殼。凝固殼在冷卻過程中因體積收縮,與結(jié)晶器壁之間產(chǎn)生氣隙,導(dǎo)致界面熱阻迅速增加,界面換熱速率下降,凝固殼受內(nèi)部過熱的液態(tài)金屬作用,發(fā)生重熔,枝晶間的低熔點(diǎn)物質(zhì)在凝固殼的收縮壓

15、力和熔融金屬的靜壓力作用下,滲透到鑄錠表面形成偏析瘤。在有電磁場(chǎng)作用時(shí),電磁力抵消液體金屬的靜壓力,減少了金屬與結(jié)晶器壁之間的接觸壓力和摩擦阻力;感應(yīng)加熱則降低了凝固殼的溫降,減少一冷區(qū)的熱擴(kuò)散,降低了初期凝固點(diǎn)位罱【53】;電磁攪拌還使液相區(qū)的金屬溫度趨于均勻,使初生凝固殼厚度變薄,減小了一冷區(qū)的高度【矧。這些因素均有利于鑄錠表面質(zhì)量的明顯改善。但是如圖3.3(d所示12kW的磁場(chǎng)功率太大,在液體與結(jié)晶器中間溫度過高,又發(fā)生重熔,致使鑄才表面不光滑。經(jīng)試驗(yàn)得知在磁場(chǎng)功率為lOkW的時(shí)候能夠得到表面質(zhì)量良好的鑄錠,如圖3.3(c所示。343保護(hù)氣、拉速、冷水強(qiáng)度及澆鑄溫度對(duì)成型性的影響鎂合金與

16、鋼相比,具有導(dǎo)熱性好、強(qiáng)度低、結(jié)晶潛熱高及線收縮率大等物理性能特點(diǎn)。這些物理性能決定了鎂合會(huì)在連續(xù)鑄造的過程中初期凝固殼薄,摩擦阻力大時(shí)容易大連理:大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文被拉斷。拉速對(duì)合金連鑄液亦有很大的影響,當(dāng)初始過渡區(qū)拉速變化不當(dāng),或拉速過大或過小,都可能會(huì)導(dǎo)致漏鎂。鑄錠中的裂紋包括鑄錠在凝固后的冷卻過程中產(chǎn)生的冷裂紋和在鑄錠凝固過程中產(chǎn)生的熱裂紋,限制鑄造速度的主要目的是消除鑄錠凝固過程中產(chǎn)生的熱裂紋p。研究發(fā)現(xiàn),即使熱應(yīng)力在材料的斷裂強(qiáng)度以下也會(huì)有鑄造裂紋產(chǎn)生。當(dāng)冷卻水過小時(shí),冷卻效果不好,過大時(shí)容易使液膜的厚度與晶間收縮變形不相適應(yīng)而產(chǎn)生熱裂紋。圖3.4列舉了不當(dāng)操作造成的鑄件表面缺

17、陷,圖3.4(a熔煉過程中未通保護(hù)氣進(jìn)行保護(hù),鑄件表面過分氧化,甚至呈粉末狀,用手把持時(shí),不斷脫落。圖3.4m拉坯啟動(dòng)過早,鑄件底部尚未形成堅(jiān)固的金屬外殼,導(dǎo)致拉漏。圖3.4(c金屬的熔煉過程未妥善進(jìn)行,澆鑄溫度過高,金屬液粘稠,且不易出流。對(duì)于鎂合金電磁連鑄過程,澆鑄溫度控制在720左右比較合適。圖3.4(d所示的為拉坯和澆鑄不協(xié)調(diào)所致。當(dāng)冷水強(qiáng)度為1.0t/h,啟動(dòng)速度為0.8mm/s,穩(wěn)定拉速1.02mm/s,并且與鑄件拉動(dòng)速度相匹配時(shí),可以得到表面良好的鑄件,如圖3.5所示。 圈3.4幾種鑄造缺陷Fig.3,4Some kinds of casting defect.43于延浩:鎂合金電磁成型技術(shù)研究 圖3.5表面良好的合金鑄件3.5,J、結(jié)經(jīng)過對(duì)鎂合金熔煉工藝過程的分析,確定了熔煉及澆鑄溫度,并用腿氣體與硫磺和硼酸的混合物保證了在澆鑄過程中不發(fā)生氧化。經(jīng)過對(duì)澆鑄工藝參數(shù)的調(diào)整,得到了表面質(zhì)量良好的鑄錠。得到以下結(jié)