镁合金半固态成形的现状及发展前景_胡勇
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电磁搅拌法是利用旋转电磁场在金 属液中产生 感应电流, 金属液在洛伦兹力作用下产生运动, 实现 搅拌 。 这是一种 非接触式的搅拌方法 。 电磁搅拌法 的主要工艺参数有搅拌功率 、冷却速度 、金属液温度 、浇 注速度等 , 所制备的铸锭晶粒尺寸为球状等轴晶组织 。
14 8
毛卫民等[ 4, 5] 研 究了电 磁搅 拌下 半固 态 AZ 91D 镁合 金的组织 , 结果 表明 , 在电磁搅 拌作用 下凝固 , AZ91D镁合金组织中的初生 α-M g 得到明显细化 , 初 生 α-M g转变为细小的蔷薇状或球状 , 电磁搅拌功率 越大 , 球状初生 α-M g越少 , 晶粒越细小 ;研究还表明 , 传统凝固条件下初生 α-M g 为典型枝晶 , 且由 6个互 成 60°角的二次枝晶臂组成 , 而在电磁搅拌条件下初 生 α-M g变成蔷薇状或球状 , 若搅拌频率低 , 将有大量 的蔷薇状初生 α-M g颗粒 , 提高搅拌频率 , 蔷薇状初生 α-M g颗粒消失 , 转化成球状颗粒 。
1 非枝晶坯料的制备
半固态金属成形方法采用的是具有特殊组织 (非 枝晶组织 )的坯料 。 因此 , 如何获得具有非枝晶组织 的坯料是半固态成形的前 提 。 制备半固态镁合金非 枝晶坯料的方法很多 , 主要有机械搅拌法 , 电磁搅拌 法 , S IMA 法 , 半固态等温热处理法 , 近液相线法 , 超声 振动法 , 单辊旋转法 , 晶粒细化法 , 喷射沉积法 , 粉末 冶金法等 。目前普遍采用的是机械搅拌法 , 电磁搅拌 法 , S IMA 法和半固态等温热处理法 。
综 述
现代制造工程 2006年第 6期
镁合金半固态成形的现状及发展前景*
胡勇 , 陈国香 , 闫洪 , 揭小平 (南昌大学先进成形制造及模具研究所 , 南昌 330029)
摘要 阐述镁及镁合金的特性 。 从非枝晶 坯料的制备 、坯料的重熔加 热和半固态 的成形工 艺等三方面 介绍镁合 金半固 态成形的研 究 现 状 。 详 细 介 绍 采 用 机 械搅 拌 法 、电 磁 搅 拌 法 、应 变 诱 发 熔 化 激 活 法 (S train-induced M e lt A ctiva tion P rocess, SIM A)和半固态等温热处理法制备非枝晶坯料的最新研究成果 。展望我国镁合金半固态成形技术的发展前景 。 关键词 :镁合金 半固态 非枝晶坯料 二次重熔 中图分类号 :TF82 文献标识码 :A 文章编号 :1671— 3133(2006)06— 0147— 04
半固态金 属 成形 技 术 [ 1] 由 美 国麻 省 理 工学 院 F lem ings等人提出 。半固态金属成形技术作为一种先 进的金属加工技术 , 因其有凝固收缩小 、偏析小 、材料 消耗少 、节约能源 、产品质量较高 、近终成形等优良特
性 , 被誉为 21 世纪新一代金属成形技 术[ 2] 。 由于镁 是活性金属 , 在熔融状态下氧化快 , 容易燃烧 , 一般的 成形方法难以避免 ;而采用半固态成形 , 液相比例小 又能低温作业 , 氧化燃烧的危险性明显减少 。 所以半 固态成形技术为解决这一 难题提供了条件 。 半固态 金属成形技术主要包括 :非枝晶坯料的制备 、坯料的 二次重熔 、坯料的成形 。
cessing at hom e we re fo recas.t K ey word s:M g a lloy Sem i-so lid N on-dend ritic structu re R ehea ting
随着国际性能源危机的冲击 , 以及环保 、节能方 面的压力, 在许多领域 ,传统钢铁材料已被各种综合 性能优 良的新 型材料 所代 替 。 近年 来 , 随 着航 空航 天 、交通运输 、电子信息产业的发展 , 新型轻合金材料 的研发受到各国的高度重视 。 镁凭借其优良的性能 及低廉的原镁价格 , 已成为各国材料研究的热门 。
张发云等 [ 9] 研究了 SIMA 法制备的 AZ61 半固态 镁合金坯料在二次加热时 加热温度和保温时间对其 组织的影响, 结果表明 ,二次加热初期半固态组织首 先熔合合并, 随保温时间的延长, 晶粒逐渐长大和球 化 , 液相分数增加 ;保温温度越高 , 晶粒长大和球化速 度加快 ;在 592℃加热 , 保温 20 ～ 40m in, 可以获得均匀 圆整的半固态组织 , 晶粒大小为 80 ～ 90μm , 液相率为 40% ～ 42%;高于 597℃, 试样重熔过程易发生严重变 形 。姜巨福等[ 10] 对 A Z91D 镁合金的重熔组织研究表 明 , 用等径道挤压 (ECAE)法制备的坯料的重熔组织 圆整 , 大小均匀 ;随着等温时间的延长 , 用 ECAE 法制 备的坯料的重熔组织 有长大的 现象 , 且 遵循 O stw ald
综 述
现代制造工程 2006年第 6期
到固 、液两相区进行保温处理而获得非枝晶组织 。 半 固态等温热处理的主要工 艺参数为变质元素的种类 和加入量 、半固态等温温度和保温时间等 。 其工艺流 程 :合金下料重熔浇注 →半固态等温热处理 →水淬 → 组织观察 。
李元东等[ 8] 研究了 A Z91D 镁合金在半固态等温 处理过程中的组织变化 , 结果表明 , 在 570℃进行保温 处理 , 随着时间的延长 , 镁合金组织的初生 α-M g逐渐 转变为球状状态, 并均匀悬浮于液相中, 而且变质后 的镁合金更容易进行这种转变 , 初生 α-M g 的尺寸也 有所减小 。
半固态等温热处理法与机械搅拌法 和电磁搅拌 法相比省去了专门制备非枝晶组织的工艺 , 可在半固 态成形前的二次加热中实现非枝晶化 。 此法设备简 单 、节约能源 、工序简化 , 但是工艺参数难于控制 。
2 坯料的二次重熔
在半固态触变成形之前 , 先要进行半固态重熔加 热 。首先根据加工零件大小 切取相应质量或体积的 坯料 (具有非枝晶组织 ), 再加热到半固态温度成形加 工 。二次加热的目的之一是 为了获得不同工艺所需 的固态体积分数 ;其二是将有些工艺如电磁搅拌等获 得的细小枝晶碎片进行球化处理 , 为触变成形创造有 利条件 。对于金属半固态成形 , 坯料的半固态重熔加 热是一个重要过程, 它要求坯料的加热温控精度高, 即使 1 ～ 2℃的温度误差也 会显著影 响坯料的 组织 。 为了保证坯料的重熔加热精度和温度均匀性 , 目前普 遍采用电磁感应加热, 但它的缺点是能量利用率低。 除了电磁感应加热外 , 半固态金属的重熔加热也可以 采用电阻炉 、盐浴炉加热 , 加热温度可以很精确 , 并可 以直接测温 , 但所需时间长 , 因而显微组织容易粗大 、 坯料表皮氧化严重 。
与其他金属结构材料相比 , 镁及镁合金具有比强 度 、比刚度高 , 减振性 、电磁屏蔽和抗辐射 能力强 , 易 切削加工 , 易回收等一系列优点 , 在航空航天 、交通 、 电子电器和国防军事工业 领域具有极其重要的应用 价值和广阔的前景 , 是继钢铁和铝合金之后发展起来 的第三类金属结构材料 , 并称之为 21世纪的绿色工程 材料 。
SIMA 法是先将合 金原材料进行足 够的预变形 , 然后加热到固 、液相线之间的某一温度 , 在加热过程 中发生再结晶 , 然后部分熔化 , 使初生相转变为颗粒 状 , 形成半固态组织 。 SIMA 法工艺流程为 :合金熔化 浇注 →试棒加工 →加热 →变 形 →试样切取 →半固态 等温热处理 →水淬 →组织观察 。
陈国香等[ 3] 采用自行设计的一套镁 合金半固态 机械搅拌装置 (如图 1所示 ), 制备了 AZ 91D 镁合金半 固态浆料 , 研究了工艺参数对半固态镁合金流变性能 的影响 。文献中指出 :适合半固态 AZ 91D镁合金的温 度为 560 ～ 570℃, 在剪切速率为 79.75s-1 , 剪切时间 为 240s时 , 可使半固态 AZ91D 镁合金获得良好的流 变性能 。
Nanchang University, Nanchang 330029, CHN)
Ab strac t T he characteristics and proper ties o fM g andM g a lloy a re introduced. T he present sta tus of the research o fM g alloy sem i-so lid pro ce ssing from three a spects including the preparation of non-dendritic structure, reheating and sem i-so lid p rocessing w ere desc ribed. The latest researches o f the non-dendritic struc ture prepared w ith m echanica l stirring, e lec trom agnetism stirring, SIMA and sem i-so lid iso therm a l heat trea tm ent we re de tailed ly in troduced. T he developing prospec ts o fM g a lloy sem i-so lid p ro-
与机械搅拌法相比 , 电磁搅拌的突出优点是不用 搅拌器 , 不会污染金属浆料 , 也不会卷入气体 , 生产效 率高 , 且电磁搅拌参数控制方便灵活 , 是目前工业化 生产中应用最为广泛的方法 , 但是设备投资大 , 工艺 复杂 , 成本较高 , 由于 “集肤 ”效应 , 该技术只适用于制 备小直径的半固态金属坯料 。 1.3 应变诱发熔体激活法 (SIMA)
Байду номын сангаас
* 国家自然科学基金资助项目 (50465003);江西省自然科学基金资助项目 (550067);江西省科技厅和江西省教育厅资助项目
147
现代制造工程 2006年第 6期
综 述
1. 1 机 械搅 拌法 机械搅拌法是最早采用的一种半固 态浆料制备
方法 。 其原理是在金属液的 冷却过程中施加强烈的 机械搅拌 , 树枝晶因受到剪切力的作用而断裂 。机械 搅拌制备半固态金属浆料 或坯料是目前实验室应用 最广泛的方法 , 这是因为机械搅拌装置结构简单 、造 价低 、操作方便 。
闫洪 等[ 6] 采用 S IMA 法制备了半固态 AZ61镁 合金坯料。 实验结果表 明 , 制 备 AZ61 镁合 金非 枝晶组织的理想工艺参数
为变形量 22%、等温温度 595℃、 保 温 时 间 40m in 图 2 AZ 61镁合金非枝晶组织 (A Z61镁合金非枝晶组织 如图 2所示 )。 李元东等 [ 7] 研究了 SIMA 法对 AZ 91D 镁合金组织的影响 , 发现 AZ91D 经 20%、30%预变形 后 , 在 570℃保温一段时间或 570℃更高的半固态温度 状态 , 液相率均可达 50%以上 , 可获得理想的半固态 非枝晶组织 。 与机械搅拌法和 电磁搅拌法相 比 , SIMA 法少了 熔体搅拌处理 , 但多了预变形工序 。此方法制备的半 固态金属坯料纯净 、生产效率较高 , 也是目前实际商 业应用的方法之一 , 但这种方法需要很大的挤压变形 量 , 因此 , 只能制备小直径的金属半固态坯料 。 1. 4 半固态 等温 热处 理法 半固态等温热处理法的制浆原 理是在熔融合金 中加入变质元素 , 进行常规铸造 , 然后再将浆料加热
P resent status and developing prospect ofM g alloy sem i-solid processing
Hu Yong, Chen G uoxiang, Yan H ong, Jie X iaoping (Institute o f Advanced Fo rm ing ＆M anufactu ring and D ie ＆M o ld,
图 1 机械搅拌装置 1. 定位螺母 2. 调速电动机 3. 绝热材料 4. 数显表 5. 搅拌棒 6. 热电偶 7. 坩埚 8. 控温设备 9. 镁合金浆料 10. 加热电阻
11. 转子 12. 石英管 13. 导气管 14. 真空表 15. 真空罐
机械搅拌法的主要缺点是生产效率低 , 搅拌棒和 搅拌室的寿命短 , 搅拌棒和搅拌室容易污染半固态浆 料 ,工艺参数难以控制, 容易卷入气体 , 工艺重复性 差 ,而且往往存在搅拌不到的死区, 难以保证产品质 量的一致性 。 所以机械搅拌 法只适合于实验室的研 究工作 ,无法制备高质量的半固态金属浆料或坯料, 也无法满足商业生产的需要 。 1. 2 电 磁搅 拌法
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毛卫民等[ 4, 5] 研 究了电 磁搅 拌下 半固 态 AZ 91D 镁合 金的组织 , 结果 表明 , 在电磁搅 拌作用 下凝固 , AZ91D镁合金组织中的初生 α-M g 得到明显细化 , 初 生 α-M g转变为细小的蔷薇状或球状 , 电磁搅拌功率 越大 , 球状初生 α-M g越少 , 晶粒越细小 ;研究还表明 , 传统凝固条件下初生 α-M g 为典型枝晶 , 且由 6个互 成 60°角的二次枝晶臂组成 , 而在电磁搅拌条件下初 生 α-M g变成蔷薇状或球状 , 若搅拌频率低 , 将有大量 的蔷薇状初生 α-M g颗粒 , 提高搅拌频率 , 蔷薇状初生 α-M g颗粒消失 , 转化成球状颗粒 。
1 非枝晶坯料的制备
半固态金属成形方法采用的是具有特殊组织 (非 枝晶组织 )的坯料 。 因此 , 如何获得具有非枝晶组织 的坯料是半固态成形的前 提 。 制备半固态镁合金非 枝晶坯料的方法很多 , 主要有机械搅拌法 , 电磁搅拌 法 , S IMA 法 , 半固态等温热处理法 , 近液相线法 , 超声 振动法 , 单辊旋转法 , 晶粒细化法 , 喷射沉积法 , 粉末 冶金法等 。目前普遍采用的是机械搅拌法 , 电磁搅拌 法 , S IMA 法和半固态等温热处理法 。
综 述
现代制造工程 2006年第 6期
镁合金半固态成形的现状及发展前景*
胡勇 , 陈国香 , 闫洪 , 揭小平 (南昌大学先进成形制造及模具研究所 , 南昌 330029)
摘要 阐述镁及镁合金的特性 。 从非枝晶 坯料的制备 、坯料的重熔加 热和半固态 的成形工 艺等三方面 介绍镁合 金半固 态成形的研 究 现 状 。 详 细 介 绍 采 用 机 械搅 拌 法 、电 磁 搅 拌 法 、应 变 诱 发 熔 化 激 活 法 (S train-induced M e lt A ctiva tion P rocess, SIM A)和半固态等温热处理法制备非枝晶坯料的最新研究成果 。展望我国镁合金半固态成形技术的发展前景 。 关键词 :镁合金 半固态 非枝晶坯料 二次重熔 中图分类号 :TF82 文献标识码 :A 文章编号 :1671— 3133(2006)06— 0147— 04
半固态金 属 成形 技 术 [ 1] 由 美 国麻 省 理 工学 院 F lem ings等人提出 。半固态金属成形技术作为一种先 进的金属加工技术 , 因其有凝固收缩小 、偏析小 、材料 消耗少 、节约能源 、产品质量较高 、近终成形等优良特
性 , 被誉为 21 世纪新一代金属成形技 术[ 2] 。 由于镁 是活性金属 , 在熔融状态下氧化快 , 容易燃烧 , 一般的 成形方法难以避免 ;而采用半固态成形 , 液相比例小 又能低温作业 , 氧化燃烧的危险性明显减少 。 所以半 固态成形技术为解决这一 难题提供了条件 。 半固态 金属成形技术主要包括 :非枝晶坯料的制备 、坯料的 二次重熔 、坯料的成形 。
cessing at hom e we re fo recas.t K ey word s:M g a lloy Sem i-so lid N on-dend ritic structu re R ehea ting
随着国际性能源危机的冲击 , 以及环保 、节能方 面的压力, 在许多领域 ,传统钢铁材料已被各种综合 性能优 良的新 型材料 所代 替 。 近年 来 , 随 着航 空航 天 、交通运输 、电子信息产业的发展 , 新型轻合金材料 的研发受到各国的高度重视 。 镁凭借其优良的性能 及低廉的原镁价格 , 已成为各国材料研究的热门 。
张发云等 [ 9] 研究了 SIMA 法制备的 AZ61 半固态 镁合金坯料在二次加热时 加热温度和保温时间对其 组织的影响, 结果表明 ,二次加热初期半固态组织首 先熔合合并, 随保温时间的延长, 晶粒逐渐长大和球 化 , 液相分数增加 ;保温温度越高 , 晶粒长大和球化速 度加快 ;在 592℃加热 , 保温 20 ～ 40m in, 可以获得均匀 圆整的半固态组织 , 晶粒大小为 80 ～ 90μm , 液相率为 40% ～ 42%;高于 597℃, 试样重熔过程易发生严重变 形 。姜巨福等[ 10] 对 A Z91D 镁合金的重熔组织研究表 明 , 用等径道挤压 (ECAE)法制备的坯料的重熔组织 圆整 , 大小均匀 ;随着等温时间的延长 , 用 ECAE 法制 备的坯料的重熔组织 有长大的 现象 , 且 遵循 O stw ald
综 述
现代制造工程 2006年第 6期
到固 、液两相区进行保温处理而获得非枝晶组织 。 半 固态等温热处理的主要工 艺参数为变质元素的种类 和加入量 、半固态等温温度和保温时间等 。 其工艺流 程 :合金下料重熔浇注 →半固态等温热处理 →水淬 → 组织观察 。
李元东等[ 8] 研究了 A Z91D 镁合金在半固态等温 处理过程中的组织变化 , 结果表明 , 在 570℃进行保温 处理 , 随着时间的延长 , 镁合金组织的初生 α-M g逐渐 转变为球状状态, 并均匀悬浮于液相中, 而且变质后 的镁合金更容易进行这种转变 , 初生 α-M g 的尺寸也 有所减小 。
半固态等温热处理法与机械搅拌法 和电磁搅拌 法相比省去了专门制备非枝晶组织的工艺 , 可在半固 态成形前的二次加热中实现非枝晶化 。 此法设备简 单 、节约能源 、工序简化 , 但是工艺参数难于控制 。
2 坯料的二次重熔
在半固态触变成形之前 , 先要进行半固态重熔加 热 。首先根据加工零件大小 切取相应质量或体积的 坯料 (具有非枝晶组织 ), 再加热到半固态温度成形加 工 。二次加热的目的之一是 为了获得不同工艺所需 的固态体积分数 ;其二是将有些工艺如电磁搅拌等获 得的细小枝晶碎片进行球化处理 , 为触变成形创造有 利条件 。对于金属半固态成形 , 坯料的半固态重熔加 热是一个重要过程, 它要求坯料的加热温控精度高, 即使 1 ～ 2℃的温度误差也 会显著影 响坯料的 组织 。 为了保证坯料的重熔加热精度和温度均匀性 , 目前普 遍采用电磁感应加热, 但它的缺点是能量利用率低。 除了电磁感应加热外 , 半固态金属的重熔加热也可以 采用电阻炉 、盐浴炉加热 , 加热温度可以很精确 , 并可 以直接测温 , 但所需时间长 , 因而显微组织容易粗大 、 坯料表皮氧化严重 。
与其他金属结构材料相比 , 镁及镁合金具有比强 度 、比刚度高 , 减振性 、电磁屏蔽和抗辐射 能力强 , 易 切削加工 , 易回收等一系列优点 , 在航空航天 、交通 、 电子电器和国防军事工业 领域具有极其重要的应用 价值和广阔的前景 , 是继钢铁和铝合金之后发展起来 的第三类金属结构材料 , 并称之为 21世纪的绿色工程 材料 。
SIMA 法是先将合 金原材料进行足 够的预变形 , 然后加热到固 、液相线之间的某一温度 , 在加热过程 中发生再结晶 , 然后部分熔化 , 使初生相转变为颗粒 状 , 形成半固态组织 。 SIMA 法工艺流程为 :合金熔化 浇注 →试棒加工 →加热 →变 形 →试样切取 →半固态 等温热处理 →水淬 →组织观察 。
陈国香等[ 3] 采用自行设计的一套镁 合金半固态 机械搅拌装置 (如图 1所示 ), 制备了 AZ 91D 镁合金半 固态浆料 , 研究了工艺参数对半固态镁合金流变性能 的影响 。文献中指出 :适合半固态 AZ 91D镁合金的温 度为 560 ～ 570℃, 在剪切速率为 79.75s-1 , 剪切时间 为 240s时 , 可使半固态 AZ91D 镁合金获得良好的流 变性能 。
Nanchang University, Nanchang 330029, CHN)
Ab strac t T he characteristics and proper ties o fM g andM g a lloy a re introduced. T he present sta tus of the research o fM g alloy sem i-so lid pro ce ssing from three a spects including the preparation of non-dendritic structure, reheating and sem i-so lid p rocessing w ere desc ribed. The latest researches o f the non-dendritic struc ture prepared w ith m echanica l stirring, e lec trom agnetism stirring, SIMA and sem i-so lid iso therm a l heat trea tm ent we re de tailed ly in troduced. T he developing prospec ts o fM g a lloy sem i-so lid p ro-
与机械搅拌法相比 , 电磁搅拌的突出优点是不用 搅拌器 , 不会污染金属浆料 , 也不会卷入气体 , 生产效 率高 , 且电磁搅拌参数控制方便灵活 , 是目前工业化 生产中应用最为广泛的方法 , 但是设备投资大 , 工艺 复杂 , 成本较高 , 由于 “集肤 ”效应 , 该技术只适用于制 备小直径的半固态金属坯料 。 1.3 应变诱发熔体激活法 (SIMA)
Байду номын сангаас
* 国家自然科学基金资助项目 (50465003);江西省自然科学基金资助项目 (550067);江西省科技厅和江西省教育厅资助项目
147
现代制造工程 2006年第 6期
综 述
1. 1 机 械搅 拌法 机械搅拌法是最早采用的一种半固 态浆料制备
方法 。 其原理是在金属液的 冷却过程中施加强烈的 机械搅拌 , 树枝晶因受到剪切力的作用而断裂 。机械 搅拌制备半固态金属浆料 或坯料是目前实验室应用 最广泛的方法 , 这是因为机械搅拌装置结构简单 、造 价低 、操作方便 。
闫洪 等[ 6] 采用 S IMA 法制备了半固态 AZ61镁 合金坯料。 实验结果表 明 , 制 备 AZ61 镁合 金非 枝晶组织的理想工艺参数
为变形量 22%、等温温度 595℃、 保 温 时 间 40m in 图 2 AZ 61镁合金非枝晶组织 (A Z61镁合金非枝晶组织 如图 2所示 )。 李元东等 [ 7] 研究了 SIMA 法对 AZ 91D 镁合金组织的影响 , 发现 AZ91D 经 20%、30%预变形 后 , 在 570℃保温一段时间或 570℃更高的半固态温度 状态 , 液相率均可达 50%以上 , 可获得理想的半固态 非枝晶组织 。 与机械搅拌法和 电磁搅拌法相 比 , SIMA 法少了 熔体搅拌处理 , 但多了预变形工序 。此方法制备的半 固态金属坯料纯净 、生产效率较高 , 也是目前实际商 业应用的方法之一 , 但这种方法需要很大的挤压变形 量 , 因此 , 只能制备小直径的金属半固态坯料 。 1. 4 半固态 等温 热处 理法 半固态等温热处理法的制浆原 理是在熔融合金 中加入变质元素 , 进行常规铸造 , 然后再将浆料加热
P resent status and developing prospect ofM g alloy sem i-solid processing
Hu Yong, Chen G uoxiang, Yan H ong, Jie X iaoping (Institute o f Advanced Fo rm ing ＆M anufactu ring and D ie ＆M o ld,
图 1 机械搅拌装置 1. 定位螺母 2. 调速电动机 3. 绝热材料 4. 数显表 5. 搅拌棒 6. 热电偶 7. 坩埚 8. 控温设备 9. 镁合金浆料 10. 加热电阻
11. 转子 12. 石英管 13. 导气管 14. 真空表 15. 真空罐
机械搅拌法的主要缺点是生产效率低 , 搅拌棒和 搅拌室的寿命短 , 搅拌棒和搅拌室容易污染半固态浆 料 ,工艺参数难以控制, 容易卷入气体 , 工艺重复性 差 ,而且往往存在搅拌不到的死区, 难以保证产品质 量的一致性 。 所以机械搅拌 法只适合于实验室的研 究工作 ,无法制备高质量的半固态金属浆料或坯料, 也无法满足商业生产的需要 。 1. 2 电 磁搅 拌法