半固態(tài)觸變注射成型鎂合金組織性能

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，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、ConsumptionElectronicsProducts)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；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]。長春華禹鎂業(yè)是我國最早引進(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

在普通鑄造過程中，初晶以枝晶方式長大，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)金屬從液相到固相冷卻過程中進(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)0.5～0.6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[2～4]。

半固態(tài)觸變注射成形法是近些年來開發(fā)的一種新工藝，源于美國DOW化學(xué)公司，美國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、成形控制困難等問題。

2.2半固態(tài)觸變注射成型技術(shù)的工藝過程

注射成形法主要工藝過程如下：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，所制備的測試試樣如圖3所示，成形過程中模具溫度為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)嚇樱瑯?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2JLM450-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35±1℃；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，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，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，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。僑(a驕)蘭半固澡態(tài)鎂祥合金辭組織蒜(喝b)載半呢固態(tài)冷鎂合顆金的什晶界劃相

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