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铸造NZ30K镁合金流动性能和热裂性能的研究

作　者: 黄皓
导　师: 彭立明；付彭怀
学　校: 上海交通大学
专　业: 材料工程
关键词: 镁合金流动性能热裂敏感性浇注温度模具温度应力场
分类号: TG292
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

Mg-3Nd-0.2Zn-0.4Zr (NZ30K)镁合金是上海交通大学新近开发的一种镁稀土铸造合金,其力学性能与耐腐蚀性能优良,目前已经小规模应用在一些铸件的生产中。然而作为一种铸造镁合金,NZ30K合金的流动性能与热裂性能尚缺少系统的研究。为此,本文选择常规商业镁合金AZ91D为参考合金,系统研究了浇注温度(过热度为60、90、120、150℃)与模具温度(合金固相线与模具温度温差TDSM为100、200、300、400℃)对NZ30K合金的流动性能与热裂性能的影响,同时采用AnyCasting4.0模拟软件对热裂性能测试铸件的温度场与应力场进行了模拟。研究表明,对NZ30K合金,在浇注温度范围为700-790℃,模具温度150-450℃内, NZ30K合金的流动性可以提高1.2倍,流动长度可以达到85.3cm,对于AZ91D合金,在浇注温度范围为658-748℃,模具温度68-368℃内,流动性可以提高1.8倍,流动长度可以达到108.4cm。在较低模具和浇注温度下,两种合金的流动性能相当;随着浇注温度与模具温度的提高,AZ91D合金的流动性能逐渐优于NZ30K合金,最高增幅为23.1cm(相对增幅为27%)。研究发现,模具温度(TDSM)对于合金的热裂性能影响程度要明显大于浇注温度。提高模具温度可以显著提高合金的抗热裂性能,当模具温度高于368℃(AZ91D)和350℃(NZ30K)时,两种合金均无热裂纹产生。浇注温度对合金热裂性能的影响只在模具温度较低时(TDSM=400℃)才比较明显:该温度下,随着浇注温度(过热度)的增加,热裂敏感因子呈现先降低再升高的趋势,过热度为90-120℃时合金的抗热裂性能最佳。总体而言,当TDSM相同时,NZ30K合金的抗热裂性能优于AZ91D合金。从目前的实验结果来看,为了同时获得较好的流动性和抗热裂性能,两种合金建议的铸造成型温度参数为:AZ91D合金的浇注温度范围为688-718℃,模具温度≥368℃,NZ30K合金的浇注温度范围为730-760℃,模具温度≥350℃。AnyCasting 4.0模拟软件的计算结果与实验结果的对比发现,应力分析结果可以定性的预测模具温度对热裂敏感系数的影响。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-32
  1.1 镁合金的热裂性能  11-21
    1.1.1 引言  11-12
    1.1.2 热裂纹形成的理论和模型  12-16
      1.1.2.1 基于应力，应变和应变率的热裂模型  12-15
      1.1.2.2 基于合金补缩的热裂模型  15-16
    1.1.3 影响合金热裂性能的因素  16-19
      1.1.3.1 晶界强度  16
      1.1.3.2 晶粒的大小  16-17
      1.1.3.3 脆性温度区间的大小  17-18
      1.1.3.4 冷却速率  18
      1.1.3.5 固相率  18-19
    1.1.4 热裂倾向性的评价方法  19-21
      1.1.4.1 热裂环法  19-20
      1.1.4.2 临界尺寸法  20
      1.1.4.3 机械测量法  20-21
  1.2 镁合金的流动性能  21-27
    1.2.1 引言  21-22
    1.2.2 合金流动性的理论模型  22-23
    1.2.3 影响合金流动性能的因素  23-25
      1.2.3.1 凝固方式  23-24
      1.2.3.2 合金粘度的影响  24-25
      1.2.3.3 铸造工艺因素  25
    1.2.4 流动性的评价方法  25-27
      1.2.4.1 螺旋形方法  25
      1.2.4.2 真空法  25-27
  1.3 本文的研究目的  27-28
    1.3.1 研究背景  27
    1.3.2 研究目的  27
    1.3.3 研究内容  27-28
  参考文献  28-32
第二章实验材料、设备及工艺  32-41
  2.1 镁合金的熔炼和浇注工艺参数  32-33
    2.1.1 原材料  32
    2.1.2 重力铸造合金的制备  32
    2.1.3 熔炼工艺  32-33
    2.1.4 浇注工艺参数  33
  2.2 热裂模具和热裂倾向性的评价方法  33-35
    2.2.1 热裂模具  33-34
    2.2.2 热裂倾向性的评价方法  34-35
  2.3 合金流动性的评测方法  35-36
  2.4 流动性、热裂模具的加热保温设备、浇注设备和其他相关设备  36-38
    2.4.1 热裂模具的加热保温装置  36-37
    2.4.2 浇注装置  37
    2.4.3 流动性模具的加热保温装置  37
    2.4.4 漏包和热电偶  37-38
  2.5 浇注过程  38
  2.6 模拟流程  38-39
  2.7 其他设备和软件  39-40
  2.8 本章小结  40
  参考文献  40-41
第三章浇注温度和模具温度对AZ91D 和Mg-3Nd-0.2Zn-0.4Zr 合金流动性能的影响  41-59
  3.1 引言  41
  3.2 镁合金的流动性能  41-52
    3.2.1 AZ91D 合金的流动性能  41-47
    3.2.2 Mg-3Nd-0.2Zn-0.4Zr（NZ30K）合金的流动性  47-52
  3.3 分析与讨论  52-57
    3.3.1 提高浇注温度和模具温度能改善合金流动性能的原因  52-54
    3.3.2 回归分析  54-55
    3.3.3 Mg-3Nd-0.2Zn-0.4Zr（NZ30K）和AZ91D 合金流动性能不同的原因  55-57
  3.4 本章小结  57-58
  参考文献  58-59
第四章浇注温度和模具温度对Mg-3Nd-0.2Zn-0.4Zr 合金和AZ91D 合金热裂性能的影响  59-80
  4.1 引言  59
  4.2 浇注温度和模具温度对镁合金热裂性能的影响  59-72
    4.2.1 AZ91D 镁合金的热裂性能  59-67
    4.2.2 Mg-3Nd-0.2Zn-0.4Zr（NZ30K）合金的热裂性能  67-72
  4.3 分析与讨论  72-78
    4.3.1 浇注温度和模具温度影响AZ91D 和NZ30K 合金热裂倾向性的原因  72-75
    4.3.2 AZ91D 合金和NZ30K 合金热裂倾向性不同的原因  75-78
  4.4 本章小结  78
  参考文献  78-80
第五章 Mg-3Nd-0.2Zn-0.4Zr 和AZ91D 镁合金的凝固模拟  80-89
  5.1 AZ91D 镁合金凝固模拟  80-83
    5.1.1 AZ91D 镁合金凝固温度场的模拟  80-82
    5.1.2 应力场的模拟  82-83
  5.2 Mg-3Nd-0.2Zn-0.4Zr(NZ30K)镁合金的凝固的模拟  83-87
    5.2.1 凝固温度场的模拟  83-85
    5.2.2 应力场的模拟  85-87
  5.3 应力模拟结果与实际热裂纹的比照  87-88
  5.4 本章小结  88-89
第六章结论与展望  89-91
  6.1 结论  89-90
  6.2 下一步研究建议与展望  90-91
致谢  91-92
攻读硕士期间所发表的学术论文  92

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