稀有金属 2004,(01),104-107 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.01.027

镁合金半固态材料成形与浆料制备工艺研究

康永林 肖邦国 安林

北京科技大学材料学院,北京科技大学材料学院,北京科技大学材料学院,北京科技大学材料学院 北京100083 ,北京100083 ,北京100083 ,北京100083

摘 要：

由一对带有螺纹的内外桶的旋转 , 在其间的缝隙形成剧烈的剪切应力场的作用原理自行研制的镁合金浆料制备装置。内外桶缝隙控制在 1～ 3mm。通过控制桶的转速可以获得 0～ 10 0s- 1 剪切速率 , 剪切时的温度在 5 0～ 90 0℃之间任意调节。通过计算分析 :AZ91合金的半固态流变成形温度区间为 5 5 0～ 5 90℃ , 同时得到了AZ91合金的固相体积分数fs (固相率 ) 随温度变化的关系曲线。此外还确定了转速与剪切速率的关系。在温度为 5 70℃ , 固相体积分数为 0 .41时 , 不同的剪切速率条件下镁合金浆料制备与压铸的实验结果表明 :利用该装置制备出的半固态浆料晶粒圆整 , 组织均匀 , 并随着剪切速率的提高固相颗粒更加细小均匀。

关键词：

镁合金;半固态;制备;

中图分类号： TG249

收稿日期：2003-09-30

基金：国家“973”重大基础研究资助项目 (G2 0 0 0 0 672 0 2 );

Slurry Preparation and Semi-Solid Process of Magnesium Alloy

Abstract：

Based on the principle concentred the flow of metal slurry in gap between the two rotating tubes with groove showing high shear stress field, the equipment used in preparation of the semi solid magnesium alloy was developed and the new approach of how to develop magnesium alloy was explored. The gap of metal slurry flowing can be changed from 1.0 to 3.0 mm. The most shear rate is 100 s -1 and the shear temperature is controlled between 50 ℃ and 900 ℃. The temperature range of the semi solid of AZ91 magnesium alloy and the change of the fraction of solid phase volume with temperature were obtained by model analysing and calculating. The relationship between the shear rate and the rotate speed of motor was also determined. The slurry of the semi solid was prepared and AZ91 magnesium alloy was rheocasted by means of the equipment in different shear rate when the temperature was 570 ℃ and the fraction of solid phase volume was 0.41. The experiment results show that the semi solid slurry′s grain is near round in shape and with the increase of shear rate, the grain is smaller.

Keyword：

magnesium alloy; semi solid; preparation;

Received： 2003-09-30

半固态金属成形是在固、 液两相区间进行, 是21世纪金属成形的关键技术之一 ^[1,2,3] 。 国外关于其成形工艺及设备的有了初步研究, 对于半固态合金流动行为的研究, Arne Wahlen ^[4] 和Turng L S ^[5] 分别提出了关于半固态合金流变行为的模型。 关于半固态合金流变装置的研究, 也有了初步的进展: 其中有美国Thixomat公司制造的半固态金属触变注射成形机 ^[6] 、 美国Conell大学的Wang K K等发明的Wang K K流变注射成形机 ^[7] 、 英国 Brunel大学的Fan Z, Ji S等开发的双螺旋流变注射机 ^[8] 。

为此, 根据金属浆料通过旋转的内外桶之间的缝隙形成剧烈剪切应力场作用的原理, 在国内研究了新型制备镁合金浆料的装置的剪切变形机制, 并以AZ91镁合金作为试验研究对象, 研究了在不同剪切速率下, 半固态组织的变化规律。 半固态制备装置的研制以及开展的相关试验研究对发展半固态金属浆料制备技术具有积极的促进作用, 为半固态加工成形技术的进一步开发提供了理论依据。

1 半固态成形设备

图1是作者研制开发的半固态金属浆料制备与流变成形装置。 该装置主要由送料装置、 剪切机构、 射压机构、 温度控制装置和气体保护系统组成。 送料装置用于熔化金属或合金, 为半固态浆料的制备提供金属液体。 剪切机构由内、 外两个同心圆桶组成, 桶高400 mm, 其中内桶由电机带动转动, 外桶固定 ^[9,10] 。 在内桶的外表面及外桶的内表面刻有互成一定角度的螺旋沟槽, 通过调整内桶转速和升降内桶高度可调整内、 外桶之间的缝隙, 高效地实现了半固态金属浆料在内、 外桶缝隙之间受到剧烈剪切应力场作用, 从而制备出晶粒细

图1 新型半固态金属浆料制备与流变成形装置 Fig.1 New equipment for preparing semi-solid metal slurry

小、 组织均匀的半固态金属浆料。 内、 外转桶带有一定锥度, 通过调整内桶的高度, 获得不同的缝隙。 金属液体在剪切时根据工艺要求进行冷却来获得理想的半固态浆料。 本实验装置的工艺参数如表1所示。

经过剧烈的剪切变形后, 半固态金属浆料通过桶底的单向阀进入挤压缸的浆料室。 挤压缸中的半固态金属浆料通过挤压杆的挤压作用进入模具腔中并进行迅速加压成形。 成形压力和挤压时间将根据成形件的机械性能的要求进行适当调整。 外桶壁和挤压缸外的加热和冷却管均匀分布, 整个装置采用集中温控系统, 并利用空气压缩机将压缩空气通过气体导管带走浆料热量使其温度降低。 该装置可将温度精确控制在±1 ℃, 满足半固态浆料制备时温度要精确控制。

2 模型计算与分析

2.1 镁合金半固态成形温度的确定

在实际操作中, 固相体积分数由固-液两相体的温度决定, 通过Scheil方程将温度换算成固相体积分数的函数。 固相体积分数f_s与温度的函数关系式为:

fs=1-(ΤΜ-ΤLΤΜ-Τ)11-k???(1)

式中T_M为纯溶剂的熔点, ℃; T_L为合金的液相线温度, ℃; k为平衡分配比值, 可由合金相图获得。 对AZ91合金, T_M=650 ℃, T_L=595 ℃, 按照公式 (1) 可以得到不同温度下AZ91合金的固相体积分数f_s (固相率) 变化曲线, 见图2。

由于在通常铸造条件下, 合金的固相分数为0.2~0.3时, 其宏观流变性已基本消失, 此时合金中虽仍有大量液相存在, 但已凝固的固相构成空间网架, 阻碍了合金整体的流动。 但对于经受搅拌的部分凝固合金, 即使固相分数高达0.5~0.6, 由于固相呈分散的粒状, 故仍有一定的流动性。 这

表1 新型半固态金属流变成形设备工艺参数Table 1Technical parameter of new equipment for preparing semi-solid metal

剪切/mm	剪切时间/s-1	剪切温度/℃	/℃
1~3	0~100	50~900	±1

图2 不同温度下AZ91合金的固相体积分数fs (固相率) 变化曲线 Fig.2 Change of solid-phase volume fraction of AZ91 alloy with temperature

图3 剪切速率与电机转速的关系 Fig.3 Relationship between share rate and motor′s rotate speed

就构成了流变铸造的基础。 由图2可知: AZ91合金的半固态流变成形温度区间应该是550~590 ℃。 本实验选择的剪切温度为570 ℃, 固相分数为0.41。

2.2 镁合金半固态成形剪切速率的确定

半固态金属流变成形时的剪切速率由剪切装置的搅拌快慢决定, 为镁合金半固态浆料制备时剪切速率定义式:

r=2ΩR2R2-r2???(2)

式中:r为剪切速率, s^-1; Ω为内桶旋转角速度, s^-1; R为半固态加工区外桶半径, m; r为半固态加工内桶半径, m。

将式 (1) 作进一步推导得剪切速率计算公式:

r=R2R+r×1Δs×π15×n60???(3)

式中Δs为内外桶间隙, m; n为内桶转速, r·min^-1。

考虑倒成型间隙为倒锥形筒, 随着筒高增加, 其内外直径也相应增大, 而保持内外桶间隙不变。 根据本设备的情况, 筒底的内外直径为83 mm和84 mm; 筒高400 mm, 筒顶内外直径分别为99 mm和100 mm, 内外桶间隙Δs=1 mm保持不变。 换算成等效外径92 mm, 等效内径91 mm。 代入公式 (3) 得到平均剪切速率计算公式并作图见图3。

r=92×9292+91×3.14×n15×60=0.1613n???(4)

3 结果与讨论

采用AZ91为实验原料。 其化学成分见表2。

表2 AZ91合金化学成分Table 2Chemical composition of magnesium alloy AZ91 (mass fraction, %)

材料	Al	Zn	Mn	Si	Cu	Ni	Mg
AZ91	8.5~9.5	0.45~0.9	≥0.15	≤0.20	≤0.08	≤0.01	剩余

AZ91合金的凝固区间分别为470~595 ℃。 实验时分别将预先配比好的这种合金碎料按一定量 (由成形件的重量而定) 放入熔化缸中, 并将合金加热到其液相线温度以上50~70 ℃, 为获得化学成份均匀的组织, 将过热的金属液体保持20 min, 并不断用钢棒进行机械搅拌。 然后将过热的金属液体注入预先设定温度的剪切机构中, 以一定的剪切速率进行剪切变形, 剪切时间为30 s。 最后在预热温度分别为350 ℃的模腔中以8 MPa的压力下压铸成形。 在熔化AZ91合金时采用氩气进行保护 (本实验流量为5 L·min^-1, 气体压力为14 MPa) 。 对实验结果的化学分析在熔化和流变加工时合金化学成分没有明显变化。 利用光学显微镜进行观察。 试样在观察前先进行切割和机械抛光处理, 然后对AZ91合金用2%的硝酸酒精溶液侵蚀。

图4为剪切温度570 ℃, 剪切时间30 s, 不同剪切速率的条件下半固态压铸组织。 显微组织特征明显不同于铸态组织, AZ91合金在高剪切速率下, 由于强烈的机械剪切作用破坏了初生的树枝晶状组织的生长, 从而使半固态浆料的显微组织中颗粒比较圆整与细小, 通过计算的固相率在40%~45% ^[11] , 这与图2中的计算结果近似。 而且, 随着剪切速率的提高, 晶粒变得较为细小。

4 结 论

1.新型半固态金属制备与直接流变成形装置是利用剪切变形的原理, 使金属浆料通过旋转的内、 外桶之间的缝隙时受到剧烈剪切应力场作用。 实验结果证明了转桶式半固态金属制备与直接流变成形设备的可行性和实用性。 它不仅能够适用与AZ91合金半固态流变成形, 还可以推广到其它低熔点合金的半固态流变成形。

2.剪切速率和固相率计算与实验结果相符合。 这对半固态流变成形工艺研究具有理论指导作用。

图4 AZ91合金在剪切速率570 ℃条件下的半固态压铸组织 (a) 剪切速率6 s-1, 剪切时间30 s; (b) 剪切速率15 s-1, 剪切时间30 s Fig.4 Microstructure of AZ91 alloy by die-casting at temperature of 570 ℃

参考文献

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