半固态触变注射成型镁合金组织性能分析定稿版

半固态触变注射成型镁
合金组织性能分析
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半固态触变注射成型镁合金组织性能分析
摘要：本文对半固态触变注射成型镁合金AZ91D 的组织与性能进行了分析，结果表明，该成形法所生产的镁合金产品的组织及力学性能均优于压铸产品，从而为应用半固态触变注射成型法进行镁合金汽车零部件的生产奠定基础。

关键词：触变注射成型镁合金组织力学性能
1 引言
近年来，随着对绿色、环保等方面要求的提高，镁合金以其重量轻、比强度高、比刚度高、减震性好、耐电磁屏蔽、易回收等特点从众多金属材料中脱颖而出，广泛的应用于航空、航天、电子和汽车等行业。

目前，镁合金应用的两大热点产业是电子业和汽车业。

一方面，用于“3C” (Computer、Communication、Consumption Electronics Products)产品的壳体，有逐渐取代可回收性较差的塑料壳体的趋势；另一方面，作为实际应用中最轻的结构金属，镁合金能够满足交通运输业日益严格的节能和尾气排放要求，从而生产出重量轻、耗油少、环保的新一代交通工具。

国内外广泛采用的镁合金成形方法为压铸法。

压铸镁合金产品具有尺寸稳定性好、生产率高等优点，但也具有夹杂多、气孔多、成形后难热处理、尺寸近净成形差等不足。

采用压铸法制造的零件很难满足诸如用于“ 3C”产品中所广泛使用的薄壁壳体类零件以及用于汽车工业中的高性能镁合金零部件的要求。

同压铸法相比，半固态方法制造的产品具有铸造缺陷少，产品的力学性能、尺寸精度、表面和内在质量高等优点，此外还有节约能源、安全性好、近净成形性好等优点。

目前世界上已经成功工业化的镁合金半固态成型技术是触变注射成型技术[1]。

长春华禹镁业有限公司是我国最早引进此项技术的厂家，本文利用该公司的触变注射成型机制备试样，对触变注射成型镁合金的组织及力学性能进行了分析，从而为公司下一步进行汽车用高性能镁合金的研究开发作适当的技术储备。

2 半固态触变注射成型技术的原理及工艺过程
2.1 半固态触变注射成型技术的原理
在普通铸造过程中，初晶以枝晶方式长大，当固相率达到0.2 左右时，枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性。

半固态成形是在液态金属从液相到固相冷却过程中进行强烈搅拌，使普通铸造成形时易于形成的树枝晶网络骨架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态，悬浮于剩余液相中。

这种颗粒状非枝晶的显微组织，在固相率达0.5～0.6 时仍具有一定的流变性，从而可利用常规的成形工艺如压铸、挤压，模锻等实现金属的成形[2～4]。

半固态触变注射成形法是近些年来开发的一种新工艺，源于美国DOW化学公司，美国THI XOMAT公司将其商业化。

该工艺是将塑料的注塑成形原理与半固态金属成形工艺相结合，集半固态金属浆料的制备、输送、成形等过程于一体，该法较好地解决了半固态金属浆料的保存输送、成形控制困难等问题。

2.2 半固态触变注射成型技术的工艺过程
注射成形法主要工艺过程如下：被制成颗粒的镁合金原料（由枝晶镁合金铸锭制成，其组织仍为枝晶组织）从料斗中加入；在套筒中的镁合金原料通过电加热转变成半固体状态，在螺杆的剪切作用下，在套筒中半固体金属浆料形成了近乎于球形状的固体颗粒，在注射缸的作用下，以相当于塑料注塑机的十倍速率压射到模具内成形。

触变注射成形机的基本结构如图1-1 所示。

图1 触变注射成形机原理图
3 试验设备及方法
3.1 触变注射成形试样的制备
本论文采用日本制钢所的JLM-450MG 型触变注射成型机制备了标准力学性能试样，在不同制备条件下，考察了目前最广泛使用的镁合金AZ91D 组织与性能的变化以及耐腐蚀性能。

该成型机的外观如图2 所示，试样模具由日本制钢所提供，所制备的测试试样如图3所示，成形过程中模具温度为180℃。

图3 中由左至右依次为标准冲击试样，标准蠕变试样，标准拉伸试样和硬度试样，在论文只采用标准拉伸试样进行试验，分别考察不同工艺条件下，半固态镁合金组织与性能的变化。

图2 JLM 450-MG 触变成型机图3 注射成型的半固态镁合金试样
快速腐蚀条件如下：腐蚀介质为0.5%NaCl 或0.1molNaCl 溶液；试验温度：室温（静态）或35±1℃；腐蚀时间：5 昼夜。

4 结果与讨论
4.1 半固态触变注射成型镁合金的组织分析
图4 中组织是取自不同工艺参数制备标准拉伸试棒的中部，其工艺参数的区别主要表现在料筒温度的差别，在图4 中由工艺(a)至工艺(d)料筒温度逐步升高。

图4 触变注射成型AZ91D 组织
由图4 可见，在不同工艺参数条件下，半固态镁合金组织的变化不大，主要差别表现在缺陷的数量和大小方面。

可见，料筒温度对半固态镁合金成型性具有决定性的影响，在料筒温度较低的条件下，半固态浆料的流变性不足，成型性能不足，提高料筒温度可以明显的提高半固态浆料的流变性能，但会明显降低固相率，在工艺d 的条件下，除晶粒细小
外，其组织已经接近普通压铸合金组织。

因此，在实际产品制备中必须控制好料筒温度和组织这两方面的因素，才有可能获得高质量的产品。

图5 为半固态镁合金组织的扫描电镜照片。

由图5a 可见，半固态镁合金试棒的组织细小、均匀，图5b 为放大的晶界相，对晶界相的定点能谱分析表明，其晶界相的主要组成为Mg 和Al，并含有少量的Zn，其定点能谱分析结果如图6 所示。

对半固态镁合金进行线扫描的结果表明，Al 和Zn 主要分布在晶界上，在晶内分布较少，Mg 则主要分布在晶内，在晶界处Mg 含量明显减少，如图7 所示。

以上结果表明半固态触变注射成型镁合金的组织形态及分布基本与压铸组织相同。

(a) 半固态镁合金组织 (b) 半固态镁合金的晶界相
图5 半固态镁合金组织的扫描电镜照片
图6 半固态镁合金晶界相分析
图7 半固态镁合金线扫描结果
4.2 半固态触变注射成型AZ91D 的力学性能分析
4.2.1 触变注射成型AZ91D 的力学性能
图8 中示出了50 根试棒（图4 工艺d 条件下）中随机抽取5 根试棒的力-位移曲线、力-变形曲线以及力学性能的测量数据。

由此可见，半固态触变注射成形试棒已达到了很高的强度，其平均断裂强度可达到270MPa 以上，平均屈服强度可达150MPa 左右（由于镁合金试棒在拉伸过程中没有明显的屈服点，故而以σp0.2 估算屈服强度）。

图8 半固态镁合金的力学性能[6]
4.2.2 盐水快速腐蚀对触变注射成型AZ91D 性能的影响
镁合金的抗腐蚀性能是衡量镁合金性能的一个重要指标，本文采用快速腐蚀试验考察了经快速腐蚀后触变成型镁合金试棒组织与性能的变化。

所采用试棒与前述力学性能试棒相同。

图9 示出了经5 昼夜快速腐蚀后AZ91D 镁合金试棒的力学性能。

可见，腐蚀后镁合金试棒力学性能明显下降，平均断裂强度下降到220MP 左右，屈服强度下降至120MPa 左右。

腐蚀试验结果表明，尽管半固态组织细小、致密，但是其抗腐蚀性能仍然相当差，做为重要结构部件和装饰性壳体类零部件时，仍须采用适当的表面处理工艺，否则将无法满足使用要求。

图9 快速腐蚀后触变注射成型AZ91D 的力学性能[6]
5 结论
近年来，世界各国高度重视镁合金的研究与开发，将镁资源作为21 世纪的重要战略物资，加强了镁合金在汽车、计算机、通讯及航空航天领域的应用开发研究。

美、日、欧等发达国家目前已经投入大量人力和物力，实施多项大型联合研究发展计划，研究汽车用镁
合金零部件，这些研究开发计划加快了国外应用镁合金零部件的步伐。

我国是一个摩托车生产、消费大国和出口大国，也是一个潜在的汽车生产和消费大国。

然而，目前我国的镁合金成型技术还相对落后，镁合金零部件的力学性能及耐腐蚀性能较低是制约汽车用镁合金零部件在我国应用的一个重要因素。

本论文通过对触变注射成型AZ91D 镁合金试棒的显微组织、力学性能分析和快速腐蚀试验，得出如下结论：应用触变注射成型技术可得到组织细小、致密，力学性能相对较高的镁合金部件。

其综合力学性能优于目前广泛采用的压铸镁合金部件。

但是应该看到，触变注射成型设备的高昂费用及所必须支付的专利许可费用，加之成型用原材料——镁粒的成本较高，整体投资比较大。

因而该技术尤其适用于那些具有较高要求和高附加值产品的加工。