力学论文英文

镁合金成形技术研究进展熊守美1 , 苏仕方2(11 清华 - 东洋镁铝合金成形技术研究开发中心 , 清华大学机械工程系 100084 ; 21 中国机械工程学会铸造分会 ,辽宁沈阳 110022)摘要: 镁合金材料及其成形技术的研究和开发对于扩大镁合金在我国的应用具有十分重要的意义。根据第四届中国国际压铸会议论文资料, 综述了国内外镁合金材料及其成形技术的的国内外发展趋势, 包括材料、成形技术及数值模拟等, 展望了镁合金的开发与应用前景。关键词: 镁合金; 材料; 成形技术; 数值模拟中图分类号: TG24912 ; TG14612 2 文献标识码: A 文章编号: 100124977 (2005) 0120020204+Research Progress on Processing Technologyof Magnesium AlloysXIONG Shou2Mei1 , SU Shi2Fang2(11Tsinghua2TOYO R &D Center of Magnesium and Aluminum Alloys Processing Technology , Departmentof Mechanical Engineering , Tsinghua University , Beijing 100084 , China ; 21Foundry Institution of ChineseMechanical Engineering Society , Shenyang 110022 , Liaoning , China)Abstract : Research and development of magnesium alloys and their processing technology are of greatimportance in promoting domestic applications of magnesium alloys in China. Based on the conferencepapers of the 4th China International Die casting Congress & Exhibition , this paper reviewed the trend ofresearch and development of magnesium alloys and their processing technology at home and abroad , in2cluding materials development , processing technology , and numerical simulation technology , etc. At thesame time , the prospect for magnesium applications was also discussed.Keywords : magnesium alloy ; materials ; processing technology ; numerical simulation镁合金正被广泛用于汽车、航空、电子以及消费原因 , 使它难以作为关键零部件 (如发动机零件) 材品工业中的各种结构件。尽管这些应用的增长主要受料在汽车等工业中得到更广泛的应用。同时镁合金密重量减轻的驱动 , 但是 , 镁合金的其它优点也起着重排六方的晶体结构决定了其塑性变形能力较差 , 如何要的作用。其一 , 是它们对压铸工艺的独特适应性 ,解决这一问题是镁合金应用的关键之一。针对上述问可以高速生产近终形零件; 其二 , 优良的模具寿命所题 , 研究人员取得了以下进展。节约的生产成本 , 可以弥补其原材料价格比铝合金稍111 压铸镁合金材料开发贵的不足 , 增强与压铸铝合金的竞争力; 此外 , 极好针对商用压铸镁合金抗高温蠕变性能较差的现状 , 以的可加工性能和减振性能也是镁合金具有的重要性AZ 91 合金为基准合金 , 一汽铸造研究所的研究人能。中国现在是世界上最大的镁生产及出口国 , 但镁员〔1〕进行了抗高温蠕变压铸镁合金的开发。论文讨合金在中国工业 , 尤其是汽车工业中的应用仍很有论了稀土元素 Ce , Y, Nd 以及 Ca 和 Si 的添加对压限。因此 , 深入开展镁合金及其成形技术的研究开铸镁合金在常温拉伸性能以及 150 ℃条件下的蠕变行发 , 对于扩大镁合金在中国工业中的应用具有十分重为 , 显微组织的影响 , 以及对表面处理和腐蚀试验的要的意义。影响 , 并进行了实际产品的生产。在第四届中国国际压铸会议的 50 余篇学术论文该文综合考虑合金的化学成分、合金元素的固溶中 , 涉及镁合金及其成形技术的相关论文、学术报告度、各种金属间化合物 , 在保持 AZ 91 合金基本成分有 10 余篇 , 本文将从镁合金材料、成形工艺 , 镁合不变的条件下 , 设计了四组试验合金进行考查。采用金熔体保护及镁合金成形过程数值模拟等方面总结会挤压的方法试制了 30 种成分合金试棒 , 对试棒的常议论文所涉及的相关领域的研究进展。温力学性能和腐蚀行为进行了测试 , 并初步考查了铸造性能和蠕变抗力。通过试验 , 开发的新合金性能接1 镁合金材料研究近德国大众公司开发的 MRI2153 合金 , 合金工艺性能耐热性及疲劳性能是阻碍镁合金广泛应用的主要与 AZ 91 合金相当 , 可以采用与 AZ 91 合金相同的生收稿日期: 2004211220 收到初稿 , 2004211229 收到修订稿。作者简介: 熊守美 (1966 - ) , 男 , 湖北麻城人 , 博士 , 博士生导师 , 主要从事压铸工艺和技术方面的研究。E2mail: smxiong @tsinghua1edu1cn铸造熊守美等: 镁合金成形技术研究进展·21 ·产工艺。在采用沈阳应用化学研究所低成本的电解镁造四大方面为主。其中压铸仍为最主要的成型工艺 ,- 稀土中间合金情况下 , 有效地控制了成本。在蠕变我国镁合金压铸件产量由 1995 年的 1 562 t 提高到试验中发现 , Mg2Al2Re2Zn 体系中的强化相 Al11Ce3 在2002 年的 4 950 t , 7 年里产量增长了 2 倍多 , 平均少量 Ca 存在下稳定性可以进一步提高。Nd 和 Y的添年增长率达 18 %。利用镁合金压铸件代替传统铸铁、加不会使 AZ 91 合金的晶粒度改变 , 但可以产生固溶铸钢件 , 甚至代替铝压铸件 , 正成为制造业特别是汽强化 , 具有极佳的蠕变性能。车制造业的发展趋势〔4〕。112 压铸镁合金的低周疲劳行为研究211 镁合金压铸沈阳工业大学的研究人员〔2〕通过试验发现: 压目前 , 镁合金压铸工艺的研究热点主要集中在两铸态 AZ 91 疲劳寿命最低; 在高应变幅条件下 , 压铸大方面: 镁合金压铸零件的开发设计和镁合金压铸工态 AM50 + Nd 疲劳寿命高于镁合金 AZ 91 , 在较低艺的完善创新。随着模具设计水平和压铸零件性能的应变幅条件下 , 压铸态 AM50 + Nd 的寿命要低于经提高 , 镁合金压铸件的应用领域已经从传统的笔记本过固溶处理的 AZ 91 的疲劳寿命; 经过固溶处理的电脑外壳、手机外壳等表面覆盖件发展到了发动机支AZ 91 镁合金的过渡疲劳寿命明显高于压铸态 , 压铸架、轮毂、框架件等受力部件以及安全部件。态 AM50 + Nd 镁合金的过渡寿命要高于压铸态 AZ相应地 , 为了满足不断提升的零件性能要求 , 随91。经过固溶处理以后 AZ 91 中的β相消失 , 使材料着材料科学和其他科学技术的进步 , 在传统压铸工艺的延展性增加 , 循环硬化程度有所降低。的基础上衍生出了真空压铸、充氧压铸、超低速压铸113 镁合金的铸态组织研究等诸多分支技术。其中真空压铸以其极低的铸件含气镁铝合金在未经变质处理时 , 铸态下晶粒尺寸可量、较好的设备兼容性和优异的铸件性能等优点得到达 3 ×10 ～5 ×10 m , 组织很粗大。合金的组织决2424了高度重视和大力发展。众所周知 , 压铸件的气孔问定性能 , 性能决定合金的应用 , 以往镁合金的组织控题是限制其性能提高的主要瓶颈。真空压铸在传统压制主要是为了提高其塑性变形能力。因为镁合金为密铸工艺周期上耦合真空系统抽除型腔气体 , 是一种减排六方 , 这就决定了其塑性变形能力较差。而实践证少压铸件气孔 , 去除铸模内气体和润滑剂蒸汽的有效明 , 细小等轴晶可以改善镁合金的塑性变形能力。而方法。目前研究的热点是如何在型腔内得到更高的真半固态触变成形也要求初始的铸态组织应为细小的等空度 , 及相应的模具密封工艺。高真空压力铸造得到轴晶组织 , 因此如何控制镁合金的组织是镁合金半固的零件不仅可以大大降低微孔和气孔等铸造缺陷 , 还态成形的关键之一。可以进行热处理和压铸焊接〔5〕。常用的镁合金组织控制工艺主要有液态处理法和沈阳工业大学的研究人员〔6〕研究了压铸镁合金固态处理法两大类。液态处理法由于简单、易于实轮毂缺陷的产生原因 , 通过对浇注系统和零件结构的现 , 不外加额外设备等 , 在工业应用中具有广阔的空改进及压铸工艺参数的调整 , 有效地仿真了缺陷的产间。液态处理法包括添加晶粒细化剂法、过热处理生 , 明显改善了压铸镁合金轮毂件的质量。法、熔体搅拌法两大类。固态处理法包括等静角压清华大学的研究人员〔7〕与一汽合作 , 系统地研(ECEA) 法、大比率挤压法和铸造粉末法。但对以究了各种压铸工艺参数对镁合金压铸件质量的影响规上这些方法的机理还不是很清楚或是方法正处于试验律 , 成功开发了一汽集团首件镁合金压铸件并投入实阶段。对镁合金的组织控制机理缺乏了解 , 产生了一际生产。目前 , 正进行镁合金真空压铸及超低速压铸些混淆 , 导致工业中对镁合金的组织控制主要依靠经的实验研究。验的方法〔3〕。到目前为止 , 对镁合金组织控制的研212 低压铸造究 , 主要集中于外来质点对形核的促进作用、抑制晶低压铸造由于其充型过程的平稳性和良好的排气粒生长的作用和溶质对形核率的影响。在镁合金熔体性能 , 被广泛应用于轮毂等对铸件缺陷较为敏感的零中加入少量的孕育剂 (MgCO3、C2Cl6、FeCl3 等) 或件制造。而传统低压铸造工艺所采用的压缩空气 , 由溶质原子 (Zr、Ca、Sr、RE 等) , 能细化镁合金的铸于气体纯度不够及氧的分压过高所造成的氧化和吸气造组织并改变沉淀物的形貌 , 提高镁合金的力学性等问题会造成铸件的氧化夹杂、微裂纹、缩孔和缩松能 , 改善压力加工性能。但是 , 镁合金组织细化的研等铸造缺陷 , 限制了低压铸造的推广。采用电磁泵充究和应用远不如铝合金的深入 , 值得进一步研究。型的低压铸造新工艺技术 , 以电磁泵充型技术为核心 , 在加压充型和保压时 , 采用非接触式的电磁力直2 镁合金成形技术研究开发接作用于液态金属 , 实现了铝液的平稳输送和充型 ,当前 , 镁合金的成型工艺仍然以 压 力 铸 造并防止由于紊流所造成的二次污染 , 得到了较高的铸(HPDC) 、低压铸造 (L PDC) 、挤压铸造和半固态铸件质量。同时引入计算机控制系统 , 提高了工艺执行Jan. 2005·22 ·FOUNDRYVol154 No11的准确度 , 也使生产效率得到了提升〔8〕。此外 , 由体保护原理的基础上 , 讨论了各种混合气体保护的缺于电磁泵低压铸造工艺所采用的开环控制方式对控制点 , 研究了不同配比、不同的温度和操作条件下精度具有较高的要求 , 针对工艺参数的测定和电磁设HFC2134a 气体对液态镁合金的保护效果 , 并且研究备的开发也展开了一系列研究工作〔9- 10〕。了相关工艺参数和防护工艺。研究结果认为 HFC2213 半固态铸造134a 气体相对于 SO2 和 SF6 具有更优良的保护特性 ,半固态铸造工艺自诞生以来一直受到了广泛的关可作为镁合金熔体气体保护的一种优先选择。注 , 处于研究的前沿。由于该项技术对设备依赖性较4 镁合金压铸过程数值模拟大 , 目前研究重点主要集中在设备性能的提升和完善上。新开发的第二代触变成形机 , 最高射出速度达到在镁合金压铸生产过程中 , 液态或半固态的金属5 m/ s , 其螺杆、套筒等关键部件采用新型合金 , 耐在高速、高压下充型 , 并在高压下迅速凝固 , 容易产高温及热传导性能有所提升 , 锁模机构的刚性和速度生气孔等铸造缺陷。由于镁合金压铸充型速度比铝合得到加强 , 降低了能耗 , 得到了更高的铸件质量和生金更高 , 凝固速度更快 , 因此 , 镁合金压铸对模具的产效率〔11〕。与此同时 , 针对触变成形法的研究也促流道系统及热平衡设计提出了更高的要求。充分了解使了一批新技术的投入使用 , 如热流道系统、长喷嘴充填过程的流动和换热规律 , 设计合理的铸件、铸型技术、触变成形锻压工艺等。结构及浇注系统 , 选择恰当的压铸工艺参数 , 不仅可214 挤压铸造以降低铸件废品率 , 提高铸件质量和生产效率 , 而且挤压铸造在镁铝合金材料领域 , 以其高铸件质可以延长模具的使用寿命。数值模拟方法为解决上述量、高力学性能和高致密度得到了密切的关注。挤压问题提供了有效的手段。通过压铸充型过程流场、温铸造可以使任何壁厚的零件进行固溶热处理 , 从而得度场的数值模拟 , 能够较准确地表达压铸充型过程的到高于常规压铸的力学性能。另一方面 , 挤压铸造可流动和传热规律 , 实现理想的型腔充填状态及模具热以利用在凝固过程中加压的方法 , 得到优于低压铸造平衡状态 , 预测可能产生的卷气、冷隔等缺陷 , 进而的铸件致密结构。同时 , 挤压铸造和半固态铸造的密优化压铸工艺 , 对实际压铸生产具有重要的指导意切联系也使这项技术处于研究的热点。目前挤压铸造义。因而 , 计算机模拟仿真技术被广泛用于镁合金压面临的主要问题是对技术和过程控制要求过高 , 要求铸件的模具设计及工艺分析。的投资比较高。目前的研究重点主要集中在挤压顶清华大学的研究人员〔4〕长期从事压铸过程模拟针、吸热棒的运用 , 挤压位置的选择 , 工艺参数的控仿真技术的研究工作 , 并成功将模拟仿真技术用于镁制等方面〔12〕。合金压铸件的模具设计优化、热平衡分析及模具热应挤压铸造既可以采用专用设备进行生产 , 也可以力和变形的分析。同时 , 特别对压室中的液态金属流在常规压铸机上进行。他解决了传统压铸机不能生产动进行了模拟 , 系统地研究了低速压射速度及压室充厚大件 , 压铸件普遍存在的缩孔缩松问题 , 可生产各满度等参数对压室中的气体卷入 , 并在此基础上提出种不同强度和流动性的合金 , 简化了压铸模具设计的了低速压射的优化工艺。思路 , 降低了简单零件的压铸模具成本 , 使得中小批沈阳工业大学的研究人员〔15- 16〕采用 FLOW3D量零件使用压铸工艺生产变成可能。以挤压铸造技术对不同镁合金铸件的充型过程及凝固过程进行了模拟为基础 , 对常规铸造、低压铸造和传统挤压铸造机进分析 , 为镁合金压铸件模具设计及预测缺陷位置提供行的改造为挤压铸造技术的推广做出了贡献〔13〕。了理论指导 , 有效地提高了镁合金压铸件质量及降低模具设计成本。3 镁合金熔体保护5 结束语镁及镁合金的气体保护熔炼技术是目前生产高纯度、高品质镁合金的技术关键。20 多年前 , 在熔炼随着镁合金压铸件的广泛应用 , 提高其压铸性能镁和镁合金时采用 SF6 做保护气体 , 是当时镁工业界和抗高温蠕变性能已成为当前重要的研究课题。我国最大的进步。因为它消除了以前使用 SO2 和熔剂熔的稀土资源丰富 , 稀土镁合金的性能优良 , 开发具有炼所产生的大多数问题。但到了 1990 年 , SF6 和类中国特色的压铸稀土镁合金 , 提高其抗高温蠕变性似物的高温室效应 (是 CO2 的 24 000 倍 , 并能在大能 , 具有重要意义。气中长期存在 3 200 年) 迫使镁工业用户必须寻找技压铸是镁合金最主要的成形工艺 , 为了进一步提术上可行 , 经济、环保的替代保护气体。寻找 SF6 的高镁合金零件的的质量及扩大镁合金的应用领域 , 应替代保护气体是目前镁工业界的一个重要课题。积极开展一些新的成形工艺方法 (如真空压铸、超低华北工学院的研究人员〔14〕在论述镁合金熔体气速压铸、挤压铸造、半固态铸造等成形方法) 的基础铸造熊守美等: 镁合金成形技术研究进展·23 ·研究工作。镁合金成形技术对工艺过程提出了更高的四届中国国际压铸会议论文集 〔C〕. 北京: 机械工业出版社 ,要求 , 采用数值模拟技术可以优化成形工艺 (模具设2004. 35 - 39〔9〕 许音 , 彭有根 , 杨晶. 直流电磁泵低压铸造系统工艺参数测定计) , 控制模具热平衡 , 提高产品质量和降低废品率。〔A〕. 第四届中国国际压铸会议论文集〔C〕. 北京: 机械工业出版社 , 2004. 84 - 88参考文献:〔10〕 刘云 , 杨晶 , 党惊知. 磁铁结构参数对电磁泵磁场强度的影响〔1〕 刘海峰 , 佟国栋 , 侯骏 , 等. 含稀土抗蠕变压铸镁合金的开发〔A〕. 第四届中国国际压铸会议论文集〔C〕. 北京: 机械工业〔A〕. 第四届中国国际压铸会议论文集 〔C〕. 北京: 机械工业出版社 , 2004. 103 - 108出版社 , 2004. 145 - 155〔11〕 李博文. 新一代触变成形机特点〔A〕. 第四届中国国际压铸会〔2〕 申健 , 洪成森 , 李锋 , 等. 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