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《鎂合金低頻電磁半連續(xù)鑄造工藝及理論研究》由會員上傳分享,免費在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、東北大學(xué)博士學(xué)位論文鎂合金低頻電磁半連續(xù)鑄造工藝及理論研究姓名:郭世杰申請學(xué)位級別:博士專業(yè):材料加工工程指導(dǎo)教師:崔建忠20070101東北大學(xué)博士學(xué)位論文摘要鎂合金低頻電磁半連續(xù)鑄造工藝及理論研究摘要鎂合金由于密度小,比強度、比剛度高,導(dǎo)熱性能好和阻尼減震性能優(yōu)良等特點而廣泛的應(yīng)用于航天器、飛機、汽車以及電子產(chǎn)品等。隨著鎂合金用量的不斷增加,人們對鎂合金材料的性能提出了更高的要求。鑄錠質(zhì)量是制約高性能鎂合金發(fā)展的瓶頸。本課題就是為高性能鎂合金產(chǎn)品開發(fā)高效、經(jīng)濟的鎂錠制備技術(shù)。本文研究的內(nèi)容是國家“863”高
2、科技發(fā)展計劃項目“鎂合金鍛造輪轂產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究”的一部分,目的是為汽車用鎂合金鍛壓輪轂提供高質(zhì)量的鎂合金錠坯。本文首先采用數(shù)值模擬的方法,比較了金屬鎂和金屬鋁在常規(guī)DC鑄造和低頻電磁半連續(xù)鑄造過程中結(jié)晶器內(nèi)熔體的電磁場、流場和溫度場的分布規(guī)律,結(jié)果表明:當(dāng)施加電磁場強度相同時,鎂熔體內(nèi)感應(yīng)磁場強度的最大值小于鋁熔體,鎂熔體內(nèi)部感應(yīng)電磁場的衰減速度小于鋁熔體。隨著外加電磁場頻率的降低,金屬鎂和金屬鋁熔體芯部的磁感應(yīng)強度增大。相同頻率和磁場強度時,鎂熔體芯部的磁感應(yīng)強度高于鋁熔體。常規(guī)鑄造時,金屬鎂鑄錠的液穴深度高
3、于金屬鋁鑄錠,施加相同強度的低頻電磁場后,鎂熔體內(nèi)的強制對流速度高于鋁熔體,鎂鑄錠液穴深度小于鋁鑄錠。q)300mmAZ31鎂合金鑄錠的半連續(xù)鑄造過程模擬研究表明,常規(guī)鑄造時,鑄錠的液穴深度是195mm,施加頻率為15Hz強度為10000At的交流磁場后,鑄錠的液穴深度減小至124mm。低頻電磁場頻率的改變對鑄錠液穴深度的變化有明顯的影響,計算表明,電磁場強度為10000At,磁場頻率在15.30Hz時,AZ31鑄錠的液穴較淺。在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,本文開發(fā)了0100mm、0200mm和m300mm鎂合金鑄錠的低
4、頻電磁半連續(xù)鑄造(LFEC)新工藝,結(jié)果表明,施加低頻電磁場有效地細(xì)化了鑄錠的顯微組織,提高了錠坯的表面質(zhì)量,減小了合金化元素的宏觀偏析,抑制了鑄錠的熱裂紋。0100mmAZ91鎂合金鑄錠的低頻電磁鑄造實驗研究表明,當(dāng)電磁場強度為3000At,頻率在0—70Hz范圍內(nèi)變化時,頻率為30Hz時鑄錠的綜合性能最優(yōu)。鑄造過程中施加低頻電磁場降低了AZ91鎂合金鑄錠發(fā)生熱裂紋的傾向,但沒有改變鑄錠內(nèi)結(jié)晶相的類型。施加頻率為30Hz、強度為4800At的交變電磁場后,對于0200mmMA2.1鎂合金鑄錠,其中心和邊部的晶
5、粒尺寸分別由常規(guī)鑄造時的210pm和160¨m細(xì)化至155“m和1101xm。對于0200mmMg-Zn-Zr鎂合金鑄錠,其中心和邊部的晶粒尺寸分別由常規(guī)鑄造東北大學(xué)博士學(xué)位論文摘要時的1801am和100pm細(xì)化至901am和60岫。合金元素測定表明,施加頻率為30I-Iz,強度為8000At的電磁場后,舢元素在MA2.1鎂合金鑄錠邊部的偏析率由常規(guī)鑄造時的3.52%降為2.69%,在鑄錠芯部偏析率由.3.11%增加到.1.04%。Zn元素的分布規(guī)律和Al元素一致。而對于Mg-Zn.Zr鎂合金鑄錠,施加強度為
6、4800At頻率為30Hz的電磁場后,Zn元素在鑄錠邊部和中心的偏析率分別由常規(guī)鑄造時的4.64%和-3.44%減小至3.29%和.1.83%。0300mmAZ80鎂合金鑄錠的低頻電磁鑄造試驗研究表明,常規(guī)鑄造時,鑄錠中心存在放射狀粗大枝晶。鑄錠試樣在4100C以O(shè).1Sd的應(yīng)變速率壓縮時其流變應(yīng)力峰值為64MPa。施加低頻電磁場后,鑄錠內(nèi)部組織細(xì)化。磁場強度保持在9000At,電磁場頻率在0—30Hz范圍內(nèi)變化時,頻率為22Hz時鑄錠顯微組織最細(xì)小,且此條件下鑄錠試樣的熱壓縮流變應(yīng)力峰值減小至52MPa。在低
7、頻電磁場的作用下,Al元素的偏析得到了改善,電磁場強度保持9000At,磁場頻率在15-30Hz時,在鑄錠邊部,Al元素的偏析率由常規(guī)鑄造時的7.58%降為4.05~4.61%,在鑄錠中心,其偏析率由常規(guī)鑄造時的.5.25%增加至.2.1&~1.81%。Zn元素和Al元素呈現(xiàn)相似的規(guī)律。Mn元素的規(guī)律和Al相反,常規(guī)鑄造時,Mn元素在鑄錠邊部和中心的偏析率分別為4.11%和一3.84%,施加低頻電磁場后,鑄錠中心Mn元素含量增大,邊部Mn含量減小。磁場強度不變,頻率為30Hz時,Mn元素在鑄錠邊部和中心的偏析率
8、分別變?yōu)橐?.18%和7.89%。Fe元素的分布規(guī)律和Mn元素相似。低頻電磁鑄造的理論研究表明:Lorentz力的時間積分表現(xiàn)為對熔體的壓縮作用。在交變磁場作用下,熔體內(nèi)的固相顆粒在形成、生長的過程中受到排斥力的作用。在電磁場的集膚深度內(nèi),大量晶核在交變電磁場的作用下有彌散分布的趨勢。含AI、Mn、Fe三元素的化合物粒子由于受到電磁力的作用而向鑄錠中心偏聚。在低頻電磁半連續(xù)鑄造的基礎(chǔ)上