【正文】 在畢業(yè)論文完成期間，劉老師一直給我們指引，提供資源搜索途徑，以及畢業(yè)論文的各個注意事項。以自己現(xiàn)在的水平，由于對知識理解的還不夠透徹，對經(jīng)驗的缺乏論文中難免有很多考慮不周全的地方，如果沒有指導(dǎo)老師和同學(xué)的幫助，這個畢業(yè)論文也不會順利的完成。 鎂合金成為 21世紀(jì)最令人矚目的綠色環(huán)保工程金屬材料，是人類文 明社會發(fā)展的必然要求，有著深刻的經(jīng)濟(jì)和社會背景。 由于鎂合金密度小、比強度和比剛度高、導(dǎo)熱導(dǎo)電性好、兼有良好的阻尼減震和電磁屏蔽性能；同時易于加工成型、廢料容易回收；作為電子裝置，如移動通信、手提計算機等的殼體結(jié)構(gòu)件，可以代替塑料以滿足產(chǎn)品的輕、薄、小型化，高集成度等要求。特別是近年來，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO)提出了關(guān)于環(huán)境管理的 ISO14000 系列標(biāo)準(zhǔn)后，推動著綠色制造的研究和應(yīng)用更加活躍。 未來經(jīng)濟(jì)與社會的發(fā)展，將給以消耗資源為代價，承受巨大環(huán)境壓力的傳統(tǒng)制造行業(yè)提出更高的要求。 3C 產(chǎn)品中使用鎂合金最早的是筆記本電腦， 2020 年全球筆記本電腦采用鎂合金機殼的比例達(dá)到 30%，約 2200 萬臺。 3C 行業(yè)鎂合金與傳統(tǒng) 3C產(chǎn)品使用的外殼材料相比具有輕量化、剛性高、減振性好、無磁、散熱、可回收等優(yōu)點。鎂合金與塑料不同，鎂合金在再生利用的同時不降低機械性能，而塑料很難在不降低機械性能的前提下再生使用。汽車使用燃料的 60%消耗在汽車自重上，據(jù)測算，如果汽車減重 10%，其燃油消耗可降低 68%，排氣量也隨之大幅降低。 以 2020 年世界汽車產(chǎn)量 6000 萬輛計算，到 2020 年汽車行業(yè)用鎂量將會達(dá)到 60 萬噸， 2020 年將會達(dá)到 500 萬噸。 汽車行業(yè)汽車行業(yè)是鎂合金應(yīng)用量最大、增長速度最快的領(lǐng)域，全球主要汽車生產(chǎn)企業(yè)，如豐田、通用、奔馳、寶馬、本田等均在大力研 發(fā)鎂合金汽車部件。鎂合金行業(yè)正處于快速增長期的初級階段。近二十年來，全球鎂合金市場的需求年復(fù)合增長率在 10%以上，歐美鎂合金市場的需求年復(fù)合增長率在 15%以上。在很多傳統(tǒng)金屬礦產(chǎn)趨于枯竭的今天，加速開發(fā)鎂金屬材料是社會可持續(xù)發(fā)展的重要措施之一。據(jù)有關(guān)專家預(yù)測，有些金屬（如銅、鉛、鋅）只能持續(xù)幾十年，有些（如鋁、鐵）也只能夠使用一百年到三百年。 未來的發(fā)展方向 節(jié)能環(huán)保推動鎂合金應(yīng)用空間更趨廣闊 鎂鋁合金的應(yīng)用及其成型工藝研究 27 27 進(jìn)入 21 世紀(jì)，資源和環(huán)境已成為人類可持續(xù)發(fā)展的首要問題。2020 年突破 100 000t 大關(guān)。以鎂合金壓鑄件為例，根據(jù)國際鎂協(xié)會 (International Magnesium Association)和 HydroMagnesium 的估計， 1991 年，在全球鎂合金壓鑄件中，鎂的應(yīng)用已達(dá)到 24000t。鎂合金的研制、開發(fā)和應(yīng)用符合我國的產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，可以充分發(fā)揮我國的鎂資源優(yōu)勢，加強鎂合金應(yīng)用開發(fā)，將鎂資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，相信隨著科學(xué)技 術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，鎂合金各種性能將會得到進(jìn)一步完善，它也必將為人類社會的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。 總之，鎂合金作為一種新型的工程材料，滿足了人們對能源和環(huán)境保護(hù)的要求，正受到世界各國政府和研究機構(gòu)的高度重視。 鑒于以上問題，鎂合金研究集中在以下幾個方面：無污染熔煉 技術(shù)。工業(yè)中主要采用熔劑保護(hù)法和氣體保護(hù)法。 存在的問題及前景展望 近年來，鎂合金應(yīng)用逐年提高，但一些尚待解決的問題使得鎂合金的廣泛生產(chǎn)受到限制。陜西科技大學(xué)畢業(yè)論 文（設(shè)計說明書） 26 但是，無論是流變成形還是觸變成形，工藝流程較長，鑄件工藝成本相對較高。 流變成形與觸變成形技術(shù)的區(qū)別在于前者是由液態(tài)在冷卻過程中形成半固態(tài)狀態(tài)，再成形的過程；后者則是有固態(tài)加熱至半固態(tài)狀 態(tài)，然后進(jìn)入成形工藝的過程。應(yīng)根據(jù)加工零件大小精確分割具有非枝晶組織的坯料，然后將其加熱到半固態(tài)溫度后再進(jìn)行成形加工。據(jù)報道，挪威 NorskHydro公司已經(jīng)通過化學(xué)晶粒細(xì)化法與特殊的凝固條件結(jié)合制備了鎂合金 AZ91 的細(xì)晶粒鑄錠。 化學(xué)晶粒細(xì)化法 是近幾年開發(fā)的新方法。 半固態(tài)等溫?zé)崽幚矸? 在合金熔融狀態(tài)時加人變質(zhì)元素，進(jìn)行常規(guī)鑄造，然后把錠坯重新加熱到固液兩相區(qū)進(jìn)行保溫處理 (半固態(tài)等溫?zé)崽幚?)，最終獲得具有觸變性的非枝晶組織。在加熱過程中，先發(fā)生預(yù)變形，然后部分熔化，使初生相轉(zhuǎn)變成顆粒狀，形成半固態(tài)合金材料。該方法在很大程度上克服了機械攪拌的缺點，可實現(xiàn)連鑄，生產(chǎn)效率高，是目前工業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的一種方法。 電磁攪拌法 利用電磁 感應(yīng)在凝固的金屬液中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在外加磁場的作用下促使金屬固液漿料激烈地攪動，使傳統(tǒng)的枝晶組織轉(zhuǎn)變?yōu)榉侵ЫM織。制備非枝晶組織的坯料是半固態(tài)成形的前提，機械攪拌法是最早采用的方法，其設(shè)備構(gòu)造簡單，但工藝參數(shù)不易控制，很難保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。根據(jù)工藝流程的不同，半固態(tài)成形通常分為流變鑄造 (Rheocasting)和觸變鑄造 (Thixocasting)兩類：流變鑄造是對冷卻過程中的金屬液進(jìn)行攪動，將形成的固相枝晶破碎，形成一定固相分?jǐn)?shù)的半固態(tài)金屬漿料，然后將漿料注入壓鑄機或擠壓機內(nèi)成形(俗稱 “ 一步法 ”) ；而觸變鑄造是先由連鑄等方法制得具 有半固態(tài)金屬組織的錠坯，然后切成所需長度，用二次加熱裝置再加熱到半固態(tài)狀態(tài)，最后移送至壓鑄機等再壓鑄或擠壓成形 (俗稱 “ 兩步法 ”) 。 半固態(tài)成形 鎂鋁合金的應(yīng)用及其成型工藝研究 25 25 半固態(tài)成形技術(shù)，是在金屬凝固過程中，將結(jié)晶過程控制在固 — 液兩相共存溫度，并通過劇烈攪拌破碎枝晶組織，從而獲得一種金屬母液中懸浮一定固相成分的固 — 液 ?昆合漿料，再采用壓鑄、模鍛等成形加工工藝進(jìn)行的金屬成形技術(shù)。目前，采用高應(yīng)變速率超塑性成形和低溫超塑性成形獲得細(xì)小晶粒。通常超塑性現(xiàn)象主要發(fā)生在高溫 (約等于 ，Tm 為材料的熔點 )，應(yīng)變速率相對較低，工業(yè)生產(chǎn)中受到限制。 超塑性變形 超塑性是指晶體材料在拉伸時表現(xiàn)出大的應(yīng)變。鎂合金板材在軋制以后一般要進(jìn)行退火及熱處理，加工組織發(fā)生再結(jié)晶。 鎂合金熱軋時，一方面要保證鑄態(tài)組織得到充分變形，達(dá)到改善組織的目的，因此要有一定的變形量；另外，由于多晶鎂合金滑移系少，晶粒不易產(chǎn)生宏觀屈服而易在晶界產(chǎn)生大的應(yīng)力集中，合金很容易發(fā)生晶間斷裂。一般鎂合金厚板厚度范圍為 — 70mm，薄板厚度為 — 10mm。因為鎂在變形過程中會產(chǎn)生大量熱，所以擠壓過程中必 須充分冷卻，否則合金溫度可能超過固相線溫度而導(dǎo)致開裂。包括帶凹角和暗槽的型材，大直徑和變截面厚度的薄壁管等難加工的產(chǎn)品。液壓機和低速機械壓力機是其模鍛的常用設(shè)備。但鑄造組織的晶粒度一般不符合鍛造要求，須先將鑄錠加以擠壓，得到鍛造所需晶粒尺寸，再以高變速率鍛造成形。 為了保證良好的加工性能必須采用具有可鍛性的 AZ和 ZK 系鎂合金坯料或坯棒。因此，變形溫度是重要參數(shù)，同時變形速率和應(yīng)力狀態(tài)也是重要的考慮因素。另外，添加 Nd、 Th、 Yb、 Sc 和 Mn 等元素可顯著提高變形鎂合金的耐蝕性。 Mg— Zn— Zr 系合金一般屬于高強度材料，其變形能力不如 Mg— Al 系合金，一般采用擠壓工藝生產(chǎn)，典型合金為 ZK60 合金。 塑性變形 變形鎂合金中，常用的合金系是 Mg— Al— Zn 系與 Mg— Zn— Zr 系。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論 文（設(shè)計說明書） 24 變形鎂合金 變形鎂合金不同于鑄造鎂合金的液態(tài)成形，而是通過在 300℃ — 500℃ 溫度范圍內(nèi)擠壓、軋制、鍛造的方法固態(tài)成形。另外，高密度的泡沫模樣吸收更多的熱量，產(chǎn)生更多的液態(tài)和氣態(tài)產(chǎn)物，降低了鎂合金的充型性。由于鎂合金低的密度和比熱容，氣化泡沫模樣所需要的熱量來自高溫液態(tài)鎂合金的潛熱從而阻礙了充型，而且鎂合金的結(jié)晶溫度范圍寬，因此消失模充型時金屬液的壓頭作用小，極易過早停止流動，產(chǎn)生澆不足缺陷。所以，鎂合金的消失模鑄造具有較巨大的應(yīng)用前景。 消失模鑄造 消失模鑄造是一種近無余量、精確成型的新型鑄造技術(shù)，它具有許多的優(yōu)點，如，型砂不需要粘結(jié)劑、鑄件落砂及砂處理系統(tǒng)十分簡便，容易實現(xiàn)清潔生產(chǎn)；鑄件沒有分型面及起模斜度，可使鑄件的結(jié)構(gòu)高；加工裝配時間減少，鑄件成 本可下降 10％ — 30％等等。生產(chǎn)鎂合金薄壁件時需要預(yù)熱鑄型以便填充薄壁部位，然而預(yù)熱溫度和澆注溫度過高將促進(jìn)鎂合金與鑄型間的反應(yīng)。但是，熔模鑄造的設(shè)備投入和單位鑄造成本高， 工件尺寸有限。 采用熔模鑄造法生產(chǎn)鑄件時具有不需取模、無型芯和無分型面等特點，因而其鑄件的尺寸精度和表面粗糙度接近于熔模精鑄件。目前它已用于生產(chǎn)鋁合金甚至鎳基超合金。 熔模鑄造 熔模鑄造是目前國際上較為先進(jìn)的鑄造技術(shù)之一。許多新壓鑄方法，包括真空壓鑄、充氧壓鑄和擠壓鑄造等一定程度上克服了以上缺點，減少了鑄件組織疏松和氣孔等缺陷，提高了鑄件致密度。 鎂合金壓鑄時，合金液沖填壓型時的高速湍流運動，使腔內(nèi)氣體無法排出，會導(dǎo)致組織疏松，甚至 鑄件表面鼓包或變形。鎂合金熱室壓鑄機是目前國外使用數(shù)量最多的鎂合金壓鑄專用設(shè)備，具 鎂鋁合金的應(yīng)用及其成型工藝研究 23 23 有生產(chǎn)效率高，澆注溫度低，注型壽命長，易實現(xiàn)熔體保護(hù)等特點。 鎂合金壓鑄中廣泛采用冷、熱室壓鑄方法。 AM系列合金 AM50、 AM60 具有較高的延伸率和韌性，用于抗沖擊載荷、安全性高的場合如車輪、車門等。 壓鑄鎂 合金可按 其成分分 為四個 系列： AZ(Mg — AL— Zn)系列 (AZ91)、AM(Mg— AL— Mn)系列 (AM60、 AM50)、 AS(MgA1Si 系列 AS4 AS21)、 AE(MgALRE)系列 (AEA2)。鎂合金鑄件的加工性能優(yōu)于鋁合金鑄件，鎂合金件 的切削速度可比鋁合金件提高 50％，加工耗能比鋁合金件低 50％。鎂合金的熔點和結(jié)晶潛熱都低于鋁合金，壓鑄過程中對模具沖蝕比鋁合金小，且不易粘型，其模具壽命可比鋁合金件長 2— 4倍。鎂壓鑄件的鑄造斜度為 ，而鋁合金是2～ 3 度。鎂合金有優(yōu)良的壓鑄工藝性能：鎂合金液粘度低，流動性好，易于充滿復(fù)雜型腔。目前， 90％以上的鎂合金產(chǎn)品是壓鑄成形的。另外，鎂合金的半固態(tài)成形作為一種新型鑄造技術(shù)也得到了廣泛的研究與應(yīng)用。而后者則是通過變形生產(chǎn)尺寸多樣的板、棒、管、型材及鍛件產(chǎn)品。包括砂型鑄造、永久型鑄造、熔模鑄造、消失模 鑄造、壓鑄等。 根據(jù)成形工藝的不同，鎂合金材料主要分為鑄造鎂合金和變形鎂合金兩大類。 (3) 在曲柄壓力機上能成功地用 厚的 ZA31B 板料沖壓生產(chǎn)出手機外殼。 結(jié)論 （ 1）鎂合金有其獨特的性能，在進(jìn)行沖壓模具設(shè)計時要注意其塑性差的特點，選取合適的模具參數(shù)。目前，我們通過反復(fù)實驗已初步掌握了拉深速度、坯料溫度、模具溫度等主要因素對鎂合金拉深成形的影響規(guī)律。雖然有拉深力、壓邊力、模具園角、拉深間隙、拉深速度、模具溫度、坯料溫度等許多影響因素，且各個因素之間還相互作用，但從實際的拉深成形實驗過程看，溫度是最關(guān)鍵的影響因素。拉深生產(chǎn)實驗時采用二硫化鉬試劑做潤滑劑，有效地減小了坯料與壓邊圈及拉深凹模之間的摩擦 ,增強了金屬的流動性 ,防止粘模 ,并保證良好的零件外觀質(zhì)量。拉深生產(chǎn)實驗時，當(dāng)凸模溫度在 120℃ ～ 150℃ 、凹模溫度在 350℃ ～ 380℃ 時，拉深成形的效果很好，拉深制件如圖 6 所示。 模具溫度 由于鎂合金具有良好的導(dǎo)熱性 ,與冷模具接觸時 ,坯料溫度會迅速降低 ,加上鎂合金的變形溫度范圍比較狹窄 ,因而極易產(chǎn)生拉深缺陷 ,不利于拉深成形的進(jìn)行 ,所以必須對模具進(jìn)行預(yù)熱。當(dāng)鎂合金溫度高于 400℃ 時 ,由于晶粒長大反而使其塑性 鎂鋁合金的應(yīng)用及其成型工藝研究 21 21 降低 ,不利于板材的拉深成形，同時還容易產(chǎn)生氧化腐蝕 ,因而坯料的溫度范圍應(yīng)選定在室溫至 400℃ 這個區(qū)間。對于 厚的 ZA31B 薄板料，滑塊每分鐘行程數(shù)為 65 次時是比較合適的。這是因為隨著變形速度的增加 ,鎂合金的流動應(yīng)力會隨之增大 ,而材料的斷裂抗力受變形速度的影響很小 ,這使得板料較早到達(dá)斷裂階段，從而產(chǎn)生拉裂缺陷 [4]。 圖 4 落料制件 圖 5 沖孔制件 拉深生產(chǎn)實驗 AZ31B 鎂合金板材的拉深生產(chǎn)是沖壓生產(chǎn)鎂合金手機外殼的關(guān)鍵工序，技術(shù)難度很高，主要工藝參數(shù)有拉深力、拉深速度、坯料溫度、模具預(yù)熱溫度、潤滑方式、模具圓角、模具間隙、壓邊力等 ,這些因素對坯料的拉深成形均有不同程度的影響。 表 1 使用的鎂板材料的化學(xué)成分 使用曲柄壓力機的主要參數(shù) （ 1）公稱壓力： 1000KN （ 2）滑塊行程： 20— 100mm （ 3）滑塊每分鐘行程數(shù)： 65 次 /分鐘 （ 4）連桿調(diào)節(jié)長度： 85mm （ 5）封閉高度（ 最大值）： 3