文档介绍：上海交通大学
博士学位论文
镁合金消失模铸造工艺的应用基础研究
姓名:刘子利
申请学位级别:博士
专业:材料加工工程
指导教师:丁文江;王渠东
20021201
上海交通大学博士学位论文
镁合金消失模铸造工艺的应用基础研究
摘要
铸造是目前镁合金的主要成形方法。镁合金在汽车、航空航天、电讯
等行业获得了日益广泛的应用,然而,铸造工艺研究的严重滞后已成为镁
合金应用发展的瓶颈。消失模铸造( Lost Foam Casting, 简称 LFC)目前被
认为是替代传统铸造工艺生产高质量精密成型铸件的一种经济有效的绿色
铸造新工艺,其研究和应用主要集中在铸铁、铸钢和铸铝上,还没有关于
镁合金的报道。镁合金消失模铸造是先进材料与先进工艺结合的新技术,
在复杂内腔、分型困难、薄壁、小直径孔的零件生产应用上将显示巨大的
潜力。本文首次系统深入地研究了镁合金消失模铸造的流动性、充型过程
及组织性能特点;针对镁合金消失模铸造组织粗大、易产生缩松缺陷的缺
点,研究了不同的变质剂(Sr、C2Cl6、 AlTi, AlTiC )对消失模铸造镁合金
组织性能的改善作用;在此基础上进行了镁合金进气歧管消失模铸造技术
的尝试性实验。
消失模铸造工艺参数对镁合金流动性的影响的研究结果表明,镁合金
的流动性随涂料透气性,浇注温度、真空度、模样厚度和宽度的增大而提
高,随涂料厚度和模样材料密度的增大而减小。在负压条件下采用开放式
浇注系统,镁合金的流动性随内浇口距直浇道距离的增大而减小;否则,
浇注系统对镁合金流动性的影响不显著。真空度是影响镁合金流动性最重
要的工艺因素,随着真空度提高,镁合金的流动性开始时迅速提高,继而
提高速率几乎停止,达到某一临界值后又迅速增大;真空度与浇注温度、
涂料之间对流动性的影响具有很强的交互作用。
镁合金消失模铸造流动形态的直接观察实验和充型速度的全因子实验
的研究结果表明,不抽真空时,金属前沿呈微凸形平缓地向前推进,充型
速度很小且随充型过程的进行持续减小。抽真空时,在模样分解产物的排
除方向上存在正的压力梯度,金属液将优先沿模样壁充填型腔,金属流动
前沿呈不规则的凹形形态,沿壁先行的金属液前端领先金属前沿中心的长
度和流动形态的不规则程度随真空度的提高而增大;在充型过程中,充型
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摘要
速度变化很大且无规律可循,其起伏幅度随真空度、浇注温度和模样厚度
的增大而增大。提高真空度、浇注温度及模样厚度都增大了镁合金消失模
铸造的平均充型速度,其中真空度的影响最大。在真空度较低时,真空度
与浇注温度之间对平均充型速度的影响有很强的交互作用,但在真空度较
高时,该交互作用以及真空度对平均充型速度的影响大大减弱。在以上实
验基础上建立了镁合金负压消失模铸造充型过程的模型。
研究了镁合金消失模铸造充型和凝固期间的传热特性。结果表明,不
抽真空时,金属充型完毕时从浇口至铸件末端形成了正的温度梯度。该温
度梯度随浇注温度、模样厚度的增大而增大。无论是否抽真空,铸件的凝
固时间和定向凝固的倾向性随着浇注温度和模样厚度的提高而增大。抽真
空对镁合金消失模铸造充型和凝固期间的传热起着不同的作用。在充型过
程中,吸入铸型的冷空气的热对流成为金属液散热的主要方式,充型金属
液的冷却速度显著提高。在充型完毕时,型腔内金属液的温度骤然下降,
其温度的分布具有较大的起伏并且没有明显的规律。铸件内温度起伏的幅
度随真空度、浇注温度、模样厚度的增大而提高。铸件的平均温度随着真
空度的增大而降低,随着浇注温度、模样厚度的增大而提高,但其提高的
幅度比不抽真空时小。在凝固期间,抽真空降低了金属涂料界面的传热系
数,从而铸件的冷却速度下降。抽真空对铸件凝固时间的影响取决于浇注
温度,在浇注温度较高时抽真空明显增大了铸件的凝固时间,但在浇注温
度较低时抽真空反而使铸件的凝固时间略有减小。
消失模铸造镁合金具有很大的壁厚效应,在抽真空条件下这一壁
厚效应更为显著。铸态组织在抽真空下明显细化,但对真空度的变化不敏
感。铸件位置对组织的影响取决于是否抽真空:不抽真空时,铸件组织随
离浇口距离的增大而细化;抽真空时,铸件位置对组织的影响很小。消失
模铸造镁合金的铸态力学性能较差,其断裂方式是以解理形式为主的
脆性断裂。
与铸态相比, 态镁合金的力学性能显著提高,尤其是塑性和
冲击韧性,其断口形貌为准解理与少量韧窝组成的混合断口。时效过程中
β相的非连续析出大多从晶界开始,而β相连续析出是从固溶体内未完全
溶解 Al-Mn 相处形核、生长。与态