镁合金半固态成型技术

1、镁合金简介
镁是一种银白色的轻金属，密度仅为1.74g/cm3，还不到铝的2/3，而镁合金的强度又很高，早在二战前即以其在多种结构（如飞机结构件）上的适用性，而成为最轻的优质金属结构材料。自然界镁的赋存十分丰富，是地壳中仅次于铝、铁，是第三个丰度最高的结构金属。当前全球主要从菱镁矿、白云石、盐湖卤水和海水中提取金属镁。我国的菱镁矿资源总量为５３亿吨，白云石已探明储量４０亿吨以上。青海盐湖拥有67.3亿Ｍ３的晶间卤水也是我国重要的炼镁资源。我国镁资源的现有储量居世界首位。金属镁的首要用途是用作合金添加元素；其次是制造适于作结构件的铸造和变形镁合金；最后是用于钢铁脱硫。目前熔炼铝合金几乎占去了全球镁用量的半壁河山。镁合金作为结构件使用，在过去除在航空航天领域应用外，由于成本原因，没有像铝合金那样得以广泛应用。近年来，为解决降低能耗和环保问题，汽车工业把目光投向使其轻量化的镁合金。镁合金能减轻车重和降低燃油消耗，比强度高、比刚度接近于铝合金和钢，良好的铸造性能和尺寸的稳定性、易加工、废品率低，抗冲击、阻尼性能好、在降低噪声、减轻振动、安全和舒适方面优于铝和铸铁。在汽车工业的推动下，压铸镁合金在过去十年内，以年均１５％的增长速度在不断扩大市场。此外手机外壳、手提电脑、高级视听设备及数码相机的外壳中已广泛使用镁合金零部件，充分发挥镁合金质轻、耐用、减振、屏蔽无磁性等功能。目前镁合金生产与应用的领域和用途不断拓展，大有方兴未艾之势。
2、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。
3、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。
4、半固态触变成型镁合金组织性能分析
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成型法进行镁合金汽车零部件的生产奠定基础。
5、触变注射成型 镁合金 组织 力学性能
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。
6、半固态触变注射成型技术的原理及工艺过程 。
6.1：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THIXOMAT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。
6.2：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。