半固态镁合金成形技术概述

重庆科技学院课程结业考试（论文）题目半固态镁合金成形技术概论院（系）冶金与材料工程学院专业班级材料工程技术08-02学生姓名刘明强学号2008630578任课教师孙建春职称讲师评定成绩___ _ __ 评语：年月日半固态镁合金成形技术概述姓名：刘明强学号：2008630578摘要：半固态镁合金制备是在20世纪末新起的最新制备镁合金的技术，半固态技术被认为是21世纪最具发展前途的近终成形技术之一［1］。

本文旨在为大家阐述半固态镁合金成形技术的基本概论，包括镁合金的相关阐述（性能、应用、加工技术等）；半固态成形技术的概念，半固态金属浆料的制备，以及半固态加工材料的制备技术等；重点是镁合金与半固态成形技术的结合，包括半固态镁合金浆料的制备，半固态镁合金材料的制备，半固态镁合金材料的热处理，半固态镁合金成形技术的国内国外现状和未来展望，同时阐述半固态镁合金制备的优缺点。

关键词：半固态、镁合金、浆料、半固态成形、流变成形前言：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终极，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，汽车单车自重没减轻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。

镁合金的半固态成形目前是各国研究的热点：Ya-no Ei ji等利用余热的冷却斜槽近液相线铸造或得了半固态AZ91D镁合金组织；J M Kim等利用两步加热法得到了半固态AZ91镁合金浆料；Czerwinski F开发了半固态加工与挤压、喷射成形结合在一起的心的镁合金加工技术，一Mg-9% Al-1%Zn为例分析力组织性能变化规律；Chen J Y和Fan Z研究了半固态浆料的流变模型；Koren Z等研究了AZ91和AM503镁合金半固态热压铸和冷压铸成形。

［2］可以看到镁合金半固态的研究虽然很多，但主要之中在浆料制备、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。

所以演剧开发镁合金的刘避难成型工艺具有重大意义。

下面的是两个镁合金半固态成形技术介绍：镁合金流变成形技术流变成形技术始于二十世纪七十年代，由美国MIT的Flemings教授领导的研究小组最先提出。

流变成形的基本原理是在熔体凝固过程中对熔体施加搅拌，从而改变凝固中的形核和长大规律。

将经过搅拌的熔体导入成形设备内，获得的铸件微观组织为细小均匀的等轴晶，而不是常规铸造的粗大树枝晶。

适合于流变成形的成形方式多种多样，如连铸、压铸、挤压、锻造、轧制等。

随着镁合金压铸工业的迅猛发展，流变压铸技术已表现出良好的应用前景。

常规液态压铸件内往往存在气孔，导致生产成品率低，零件无法通过热处理提高性能。

流变压铸能避免铸件内形成气孔，铸件性能得到改善，生产效率显著提高。

双螺旋流变成形技术双螺旋流变制浆技术由英国Brunel 大学Z.Fan等人发明并申请了多项国际专利。

北京有色金属研究总院与发明人合作，共同致力于该技术的二次开发和推广应用。

双螺旋流变制浆设备通过一对高速旋转的螺杆对熔体实施高剪切率搅拌。

熔体经过搅拌处理后直接进行压铸、挤压、轧制等。

双螺旋搅拌技术适用于多种不同牌号镁、铝合金，具有连续处理熔体的能力，是目前最为成功的流变成形熔体处理技术。

［3］半固态成形技术的发展动向半固态金属胚料的制备技术：在预制锭的制备方面进行了很多研究，以获得简便、低成本及组织良好的胚料，除搅拌法以外还有：（1）低注浇注法。

（2）快速冷却法。

（3）冷却板法。

（4）加入晶粒细化剂法等，如Ca、Zn用于Mg、Zn合金等。

半固态金属成形技术发源于美国（1972年），发明至今30多年，且已成为工业界认可之技术，而美国仍处于全球领先地位，而此一制程尚未普及之原因不外乎经济与技术两方面。

今后半固态成形的普及推广仍赖它在技术成熟性（再现性、稳定性、可靠性）及经济性（降低成本）方面获得进一步进展，并利用半固态成形性之特性，与汽车工业密切配合以扩大应用领域。

［4］正文：1镁合金简述：1.1.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、耐磨度、导热性、电磁屏蔽性、易切削性和易回收等良好的综合性能，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、资源日益严峻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。

1.2.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终极，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，汽车单车自重没减轻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波比铸造性能及良好的比强度、比刚度和抗撞能力，能充分瞒住3C产品高度集成化、转薄化、微型化、抗摔撞级等。

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，也已经掀起了镁合金部件的企业。

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、桥梁建筑等领域用高强度低硫钢的需求增长，近几年鞍钢、宝钢、武钢等钢厂一开始采用镁制脱硫剂进行脱硫，获得低硫优质钢。

1.3.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、中立铸造、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形，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镁合金。

总的来说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，特比我是强度和塑性、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。

［5］2半固态成形技术通常，金属的成形工艺有两种：一种是采用完全呈一台的金属成形，例如各种铸造技术；另一种是采用完全是固态的金属成形，例如锻造、挤压等。

［6］半固态铸造是办固态加工或半固态成形的核心，是指将既非全呈液态，又非全程固态的固态-液态的金属混合减料用住在和其他加工方法成形的新方法。

半固态铸造的工艺原理是将合金熔化后，待它另却到液相线以下时，对合金进行搅拌。

在叫办理的作用下，合金中析出的树枝状晶贝破坏，并在周围金属液的摩擦熔融作用下，晶粒和破碎的枝晶小块形成卵球状的颗粒，分布在整个液态金属中。

这时合金几十固态组分大40%-60%，仍然像糊状的悬浮液，具有一定的流动性。

而在剪切力较小或为零是，她又具有固题性质，可以进行搬运储存。

［7］2.1.半固态合金浆料制备半固态成形技术采用具有特殊组织——非枝晶组织(或称半固态组织)的坯料：因此，如何制备优质的具有非枝晶组织的坯料是半固态成形的前提。

目前，用于非枝晶组织坯料生产的工艺主要有：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l处理法等。

2.1.1.机械搅拌法机械搅拌法是最早采用的方法，其设备构造简单，分为间歇式和连续式两种，可以通过控制搅拌温度、搅拌速度和冷却速度等工艺参数，使初生树枝晶破碎而成为颗粒结构。

但由于工艺参数不易控制，容易卷入气体，搅拌器与熔体接触易造成熔体污染，重现性较差，很难保证产品质量的一致性。

并且坯料的晶粒尺寸较大，一般为200 。

因此．在工业生产中很少采用，大多用于试验室研究，并主要集中于铝合金的制备_l J。

日本长冈(Nagaoka)技术科学大学的小岛阳(KOJIMA Yo)和谦土重晴(KAMADO蛳耐叭t)对AZglD镁台金在半固态条件下，利用机械搅拌进行了一系列的研究，取得了一定的成果- ．Tissier等人』也采用机械搅拌法研究了AZglD镁合金的流变铸造技术，研究表明，初生相的均匀性及圆整度随搅拌时间、剪切速率的增加或搅拌温度的降低(增加固相率)而增加，但也未见到应用于工业生产实践的报告。

2.1.2.电磁搅拌法从搅拌金属液的流动方式来分有水平式和垂直式2种；从旋转磁场产生的方式可分为交变电磁场和永磁场2种。

主要参数有搅拌功率、冷却速度、金属液温度、浇注速度等。

电磁搅拌制备的铸锭晶粒尺寸一般可达60,ura，为球状等轴晶组织；一般用于生产直径不大于150 r帅的捧坯[3,41。

该方法在很大程度上克服了机械搅拌的缺点，且可实现连铸，生产敢率高，是目前工业化生产中应用最为广泛的一种方法。

2.1.3.应变诱发熔化激活法应变诱发熔化激活法(Strain-Induced Melt Activation．简称s『MA)是先将合金原材料进行足够的预变形，然后再加热到固相线和液相线之间的某一温度，即半固态。

在加热过程中，先发生再结晶，然后部分熔化，使初生相转变成颗粒状，形成半固态金属材料，少了一个熔体处理步骤。