镁合金电磁连铸成型技术研究

1、 大连理工大学硕士研究生学位论文1.3镁合金的应用 图1.3宝马公司的镁合金直列6缸引擎Fig.1.3Magnesium alloy6-engine of BMW 图1.4合金金汽车部件Fig1.4Magnesium alloy auto part镁合金在汽车、电子、航空等众多轻量化的工业领域中亦得到广泛的应用,并且正在不断地推广着。依靠其比强度较高,用以代替部分铝合金,可以减轻发动机、仪表及于延浩:镁合金电磁成型技术研究各种附件的质量;依靠其良好的减震性,能承受较大的冲击震动载荷。各国都加紧进行镁合金生产及应用研究,因而镁合金工业进入飞速发展阶段。目前【l61,汽车使用的镁合金压铸件已扩展到

2、阀壳、齿轮箱、车轮、前灯支承托架、离合器壳体、变速箱、制动/离合器踏板托架、驾驶杆零件等几十种零件。福特汽车公司Aerostat Mini.Vans牌汽车的中座及后座支架f仅此每年需100t以上的镁合金AM60铸件, Ranger轻型卡车的离合器壳体和刹车踏板支撑架,Chrysler汽车公司的齿轮变速箱壳体,通用公司的气缸盖、滤油器壳体等近10种零件,以及日本丰田公司的凸轮罩都是镁合金制成的。尤其是美国研制的一种镁合金轮毂,在轮胎被被扎穿后仍能以不高于48km/h 的速度行驶,汽车不受损害。最近西方又在积极研制大型汽车零件,如汽车仪表板、车门、轿车座椅支架等。宝马公司亦开发出了镁合金直列6缸引

3、擎,如图1.3所示,图1.4所示的为镁合金的汽车部件。电子工业是当今发展最为迅速的行业,也是新兴镁合金的应用领域。由于数字化技术的发展,各类数字化电子产品不断出现,电子器件高度集成化和小型化,出现了大量便携式电子器材,如手提电话、便携式电脑和小型摄录像机等。电子工业中镁合金的增长需求源于镁含金在减轻重量、大的刚度和具有良好的薄壁铸造性能等方面的优点。同时,其热导性好,热稳定性高、良好的电磁屏蔽和阻尼性等特性,是电子行业将目光投向镁合金的重要原因【17J。图1.5所示的为镁合金在电子器件上的应用。 图1.5镁合金电子产品部件Fig.1.5Mg alloy used in electronic p

4、aas一8一 于延浩:镁合金电磁成型技术研究是由投料筒口将进入料筒的固态镁合金颗粒靠螺杆旋转产生的剪切力及料筒加热器的加热,当材料加热到固液两相区,达到相当的固相分数时,由螺杆推动射入型腔成形【1剐。如图1.7所示。 图1.7镁合金触变射铸原理示意图F远.1.7Schematic configuration of thixomolding for magnesium alloysf3挤压铸造挤压铸造的发展趋势是与另外的铸造成形技术相结合。如日本东芝机器公司的LEOMACS系统,其特点是将挤压铸造与低压铸造及电磁定量浇注泵结合成一体,可生产形状复杂的薄壁镁合金铸件。由挤压铸造与流变铸造结合的挤压

5、.流变铸造的工艺,其充分应用挤压铸造与流变铸造这两种铸造方法的长处,以补流变铸造的不足f19J。(4镁合金超塑性成形一镁晶体为密排六方结构,镁基体的独立滑移系较少,因此,镁合金的塑性较低,塑性加工能力较差,大部分镁合金制品是用铸造方法成形,很少采用锻压、挤压、轧制等塑性成型方法加工,这在很大程度上限制了镁合金的应用。因此,各国研究者很重视镁合金的超塑性。目前,镁舍金的超塑性的研究在超塑性性能及变形机理方面已取得很大进展,而且,有些超塑性镁合金已经进入工业应用领域【20】。(51冲锻成型1999年,日本索尼、日立金属和东京精锻所共同开发成功镁合金冲锻成型技术fPress Forging,在产业界

6、引起了极大的轰动。与压铸和半固态成形的工艺进行比较,精密冲锻成型具有生产效率高、成品率高和成本低等优点,因此,精密冲锻成型技术在开发出来的当年就得到了工业应用,并且达到了月产20万套的生产规模【21I。精密冲锻成型技术是将冲压成型与锻造成型相结合而形成的新技术,其主要工艺过程为将加热后的镁合会坯料在加热模具中进行冲压和锻压,其生产设备采用普通机械式锻压机床即可,技术关键在于成型的模具与成型的工艺,包括模具设计、模具温度控制、变形率与变形速度等参数控制。为避免零件在成型过程中出现裂纹和充不满等缺陷,冲 大连理:大学硕士研究生学位论文经济的生产工艺,并已在铝、铜、钢等形材上得到了成功的应用。镁的连

7、铸与铝差不多都是在上个世纪30年代起步的,但时至今日,镁却远没有铝连铸的规模。原因为镁的需求量小,加之镁零件主要是压力铸造。目前对于镁合金块体成型(bulk forming和薄板成型(sheet forming受到了很大的关注,为镁合金连铸技术的发展带来了契机。镁合金连铸设备可以在铝合金连铸设备基础上改选完成,由于镁合金的易燃易氧化的特点,改造重点主要是过程安全和简化操作控制上。图1.10为连铸法生产的镁合金铸锭。图1.10镁合金铸锭Fig.1.10Billets of magnesium alloysprinciple of the continuous castingprocess ope

8、rating casing instatlation图1.11镁合金连铸原理图及实物图Fig.1.11Vertically upwards continuous casting of magnesium alloy 于延浩:镁合金电磁成型技术研究电磁铸造过程中伴随着电磁搅拌作用,易使枝晶折断,形成大量新晶核,细化(2了晶粒。图2.2电磁铸造的原理和力的平衡关系and equilibrium relationship of the pressures of EMCFig.2.2Principle消除了连续铸造铸锭表面层附近出现的粗大晶粒带,材料的力学性能特别是压延性能大大提高,铸锭横截面的密度和

9、硬度增加【删;(3铸造速度高,一般比连续铸造法提高10304/;o,提高了生产效率;(4冷却水消耗量降低了J.52倍。 (aEMC CoDCC图2.3EMC与DCC铸锭表面形貌对比Fig.2.3Comparision of EMC ingot surface with DCC电磁铸造技术不仅适用于铝合金,铜合金的电磁铸造也取得了成功。但如果能在连续铸镁上应用,则比将会产生更大的经济效益。 大连理工大学硕士研究生学位论文方案II:图2.9II号感应器F培.2.9No.II Inductor2.4.3冷却水套的设计在电磁连铸过程中,包括有一次冷却和二次冷却。一次冷却的作用是充分地冷却感应器和结晶器

10、,避免过热和形成凝固坯壳。冷却水要均匀且充分的作用到冷却位置,这就需要合理的分布冷却水。对于圆锭的电磁连铸实验,就是尽可能的在铸锭的圆周均匀分布有冷却水。方案I: 图2.10方案I冷水套Fig.2.10No.1water circulation apparatus.29.于延浩:镁合金电磁成型技术研究方案II:一冷水由4个入水口和8个出水口组成,分布情况如图2.11和2.12所示: 图2.11冷却水走势图(方案IIFig.2.11Schematic diagram of strike ofcooling water for project II 图2.12一冷水照片(方案IIFig.2.12P

11、hotograph of the first cooling water for proiect II二冷水设计成4个入水口分布在四周,在系统的底部距结晶器底边20mm处开设有中2.5ram的喷水口,孔间距为10ram。周2.13所示。 圈2.13二冷水口照片(方案IIFig.2.13Photograph of the second cooling water for project II.30 于延浩:镁台金电磁成型技术研究构看,一个硫原子被六个氟原子包围,具有化学惰性结构,在常温下极其稳定。通常将st气体高压变成液态,存储于专用的耐高压瓶中备用。温度较高时(500。C,s瓦将会发生分解,生

12、成有毒的低氟化合物s:民、瓯等。但在生产条件下的含量不大于保护气体总体积的1/1000,这些氟化物均在安全允许值内。在高温时,断:与镁发生化学作用,表面膜中有M已生成。使疏松的MgO膜转变为由Mgo+MgF2组成的连续、致密的混合膜,因而含S瓦的气氛有防止镁熔液氧化燃烧的作用。S只与镁所发生的可能的化学反应如下:2-SR一2SF4+nF+(1一n/2Fz(36 Mg+2FMgF2(3-7Mg+疋=MgF20-8(5镁与熔剂的作用为防止镁的熔化燃烧,生产中一直采用在熔剂层保护下的熔炼。镁合金熔剂的两种作用分别是覆盖和精炼。覆盖作用:熔融的熔剂借助表面张力的作用,在镁熔液表面形成连续、完整的覆盖层

13、,隔绝空气,IN.d2Mg一02、MgH:0反应,防止了镁的氧化,也能扑灭镁的燃烧。精炼作用:熔融的熔剂对非金属夹杂物具有良好的湿润、吸附能力,并利用熔剂与金属的密度差,把金属夹杂物随同熔剂自熔液中排除。镁合金熔剂主要是由朋窜a:、KCI、Ca最、BaCI:等氯盐、氟盐的混合物组成的, 蹭cf:是主要成分。熔剂中采用碱金属和碱土金属的卤化物是因为它们的化学稳定性高。几种盐按一定的比例混合,使熔剂的熔点、密度、粘度及表面性能均能较好地满足使用要求。 图3.1电磁连铸装置照片Fig.3.1Photograph ofthe electromagnetic continuous casting40-大

14、连理工大学硕士研究生学位论文3.4镁合金的电磁连铸本文以obl20ram的电磁连铸镁合金圆锭为对象,进行了一系列的铸造成型实验。通过调整电磁场频率及施加功率等电参数,拉坯速度、浇注温度、液面位置及冷却强度等工艺参数,进行电磁连铸过程的实验研究,探讨铸造工艺参数对电磁连铸铸锭的表面及内部质量的影响,确定主要工艺参数之间的匹配关系。图3.1所示的为实验装置实物图。3.4.1液面位置对铸锭表面质量的影响浇注金属的液面与感应线圈之间的相对位置对铸锭的表面质量影响很大,在金属液柱上比较理想的电磁场的分布是使电磁压力充分作用于弯月面区域,以获得表面质量较好的铸锭。当浇注温度和铸锭凝固前沿的位置保持不变时,

15、液面位置的变化使铸锭表面出现褶皱、冷隔等铸造缺陷,严重时将导致电磁连铸过程失败。当金属的液面位置高于感应线圈顶面20ram时,液态金属的静压力大于电磁压力,金属液柱的侧面与结晶器完全接触,由于摩擦阻力的作用,铸锭表面出现周向的裂纹,裂纹表面较粗糙(图3.2(a所示1;当金属液面高于感应线圈顶面达9030mm时,摩擦阻力大于铸锭初期凝固壳的抗拉强度,凝固壳被拉断,电磁连铸过程失败(图3.2(b所示;反之,当金属液顶面低于感应线圈顶面15ram时,铸锭冷却快,液体从弯月面上流淌下来在铸锭表面出现冷隔(图3.2(c所示1;合适的金属液面位置的控制范围是结晶器高度50mm处。当液面与感应线圈顶面平齐的

16、时候获得的铸锭表面质量最好(图3.2(d所示。 (a表面粗糙(b拉断(c冷隔(d表面质量好图32液面位置对表面质景的影响Fig.3.2Effect of liquid level oil the surface于延浩:镁合金电磁成型技术研究3.4.2电磁场功率对铸锭表面质量的影响图3.3表示了不同的功率下中频电磁场对镁合金连续铸造铸锭的表面的影响。 (aP=0kw(bp=8kw(cp=10kw(dp=12kw图3.3施加中频电磁场对铸锭表面质量的影响Fig.3.3Effect of magnetic field on the surface of Mg-based alloy中频电源频率为2豫

17、胁,未施加中频磁场的铸锭表面粗糙,有明显的偏析瘤(图3.3(a所示;施加8七的中频电磁场时,铸锭表面质量明显改善,但在对应结晶器的缝隙附近仍存有细小的偏析瘤(图33一(b所示1。无电磁场作用时,液态金属浇注到结晶器后,与结晶器壁相接触,因结晶器的激冷作用而形成初期凝固壳。凝固壳在冷却过程中因体积收缩,与结晶器壁之间产生气隙,导致界面热阻迅速增加,界面换热速率下降,凝固壳受内部过热的液态金属作用,发生重熔,枝晶间的低熔点物质在凝固壳的收缩压力和熔融金属的静压力作用下,渗透到铸锭表面形成偏析瘤。在有电磁场作用时,电磁力抵消液体金属的静压力,减少了金属与结晶器壁之间的接触压力和摩擦阻力;感应加热则降

18、低了凝固壳的温降,减少一冷区的热扩散,降低了初期凝固点位罱【53】;电磁搅拌还使液相区的金属温度趋于均匀,使初生凝固壳厚度变薄,减小了一冷区的高度【矧。这些因素均有利于铸锭表面质量的明显改善。但是如图3.3(d所示12kW的磁场功率太大,在液体与结晶器中间温度过高,又发生重熔,致使铸才表面不光滑。经试验得知在磁场功率为lOkW的时候能够得到表面质量良好的铸锭,如图3.3(c所示。343保护气、拉速、冷水强度及浇铸温度对成型性的影响镁合金与钢相比,具有导热性好、强度低、结晶潜热高及线收缩率大等物理性能特点。这些物理性能决定了镁合会在连续铸造的过程中初期凝固壳薄,摩擦阻力大时容易大连理:大学硕士研

19、究生学位论文被拉断。拉速对合金连铸液亦有很大的影响,当初始过渡区拉速变化不当,或拉速过大或过小,都可能会导致漏镁。铸锭中的裂纹包括铸锭在凝固后的冷却过程中产生的冷裂纹和在铸锭凝固过程中产生的热裂纹,限制铸造速度的主要目的是消除铸锭凝固过程中产生的热裂纹p。研究发现,即使热应力在材料的断裂强度以下也会有铸造裂纹产生。当冷却水过小时,冷却效果不好,过大时容易使液膜的厚度与晶间收缩变形不相适应而产生热裂纹。图3.4列举了不当操作造成的铸件表面缺陷,图3.4(a熔炼过程中未通保护气进行保护,铸件表面过分氧化,甚至呈粉末状,用手把持时,不断脱落。图3.4m拉坯启动过早,铸件底部尚未形成坚固的金属外壳,导致拉漏。图3.4(c金属的熔炼过