半固态AZ91D镁合金流变铸轧成形技术研究

【摘要】： 诞生于20世纪70年代的半固态成形技术(Semi-solid Metal forming,简称SSM)是一种近终成形新技术,由于它具有成形零件致密、力学性能良好、机械加工量少、模具寿命长、可制造复杂结构件、环保、节能、高效等独特的优点,愈来愈受到世界各国的重视,被认为是21世纪最具有发展潜力的金属成形技术之一。 镁合金具有密度小、比强度高、刚度高、阻尼性能好以及电磁屏蔽等优点,近年来成为汽车和电子行业的重要轻质材料,而实际应用的镁合金部件大多是压铸件。3C(Computer,Communication,Consumption)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,对产品成形工艺的要求也越来越高了,压铸已经不能满足综合性能好的要求了。半固态金属成形技术具有非常广阔的发展前景。目前对镁合金半固态流变成形工艺及半固态镁合金组织与性能的研究较少。 本文采用自行研制开发的半固态镁合金流变铸轧设备,研究了AZ91D镁合金的半固态铸轧成形过程。分别采用机械搅拌法制浆和斜槽法制浆两种方法制浆,得到具有近似球形的非枝晶半固态镁合金组织,半固态镁合金浆料具有良好的流动性,进行流变铸轧后得到半固态镁合金流变铸轧板带,取样观察板带显微金相组织,并测试了相关性能;采用有限元分析方法,对半固态镁合金流变铸轧的制浆和铸轧过程分别进行了数值模拟,并且与工艺试验进行了对比;在数值模拟和工艺试验的基础上,利用正交设计对半固态镁合金流变铸轧过程的工艺参数进行了优化。 本文的研究得到了如下成果: 1.研究了AZ91D镁合金半固态流变铸轧试验的试验材料、试验装置、试验过程。试验采用的半固态制浆方法为:机械搅拌法和斜槽法,整套试验设备均为自行研制开发。试验表明,该试验设备是可以满足试验要求的。 2.通过采用虚拟仪器技术实现半固态镁合金流变铸轧过程的温度采集和精确控制,对镁合金的半固态流变成形过程的温度进行实时采集以及模糊控制,试验表明该系统性能可靠,操作方便,并且能够达到较高的控温精度,为该加工技术的实际应用奠定了基础。 3.通过大量工艺试验,研究了半固态镁合金流变铸轧过程的工艺参数对镁合金板带组织的影响规律,即搅拌速度、静置时间、浇铸温度对半固态镁合金板带组织晶粒的大小以及形状的影响,从而确定最优的半固态制浆和铸轧工艺。 4.采用正交分析法得到机械搅拌法和斜槽法的最佳镁合金半固态流变铸轧的工艺参数,机械搅拌法的最佳工艺参数为:搅拌速度500r/min、静置时间10min、搅拌时间15min、浇铸温度560℃。斜槽法的最佳工艺参数为:浇入斜槽温度630℃、斜槽倾角60°、斜槽长度0.570m、静置时间5min。 5.铸轧板的加工试验表明:AZ91D和AZ31B半固态镁合金铸轧板带都具有较大的变形能力(压下量)。AZ91D的最大冷变形量达28%,最大热变形量达47%,AZ31B最大热变形量达57%以上。 6.热处理工艺可以改善半固态铸轧镁合金板带组织和性能,热处理工艺在420℃附近最佳。随着温度的升高共晶组织中α-Mg晶粒不断增多,形状不断向块状变化,β相含量不断减少,只剩少量、不连续状的β-Mg_(17)Al_(12)相残留在晶界处,α-Mg过饱和固溶体中重新弥散析出β相,这种弥散分布于晶内的β相将既强化基体,又不限制通过晶界转动诱发二次滑移系启动的形变机制,达到强韧化的目的;随着温度的升高,初生α-Mg晶粒的显微维氏硬度变化不大,共晶组织的硬度先随温度的升高而下降,当温度超过400℃时,又有所回升。 7.应用有限元分析方法,对镁合金半固态流变铸轧过程的流变制浆和铸轧两个过程进行数值模拟,系统研究了斜槽法镁合金半固态制浆过程的流场和温度场的分布,分析了斜槽长度、斜槽浇入温度、斜槽倾角对斜槽内热流的影响。采用有限元方法对铸轧区的温度场进行数值模拟,由最佳凝固点确定最佳的浇铸温度,从而得到了相关的最佳斜槽长度、斜槽倾角和浇入斜槽的温度。即斜槽长度为0.570m、斜槽倾斜角度为60°、浇入斜槽的温度为630℃。