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不同热挤压成型方式下钕铁硼磁环的制备及性能研究

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不同热挤压成型方式下钕铁硼磁环的制备及性能研究

作者：李雅婧河北工程大学

学位级别：硕士

目前热挤压Nd-Fe-B永磁环的制备主要采用反向热挤压成型方式,这种成型方式成型质量高,但壁厚与高度受限,环内易产生微裂纹且性能不均匀等问题。本文对反向热挤压、复合式热挤压、正向热挤压三种成型方式进行了模具设计及磁环性能的分析... 详细信息

目前热挤压Nd-Fe-B永磁环的制备主要采用反向热挤压成型方式,这种成型方式成型质量高,但壁厚与高度受限,环内易产生微裂纹且性能不均匀等问题。本文对反向热挤压、复合式热挤压、正向热挤压三种成型方式进行了模具设计及磁环性能的分析,通过仿真模拟和实验两种途径,研究挤压速度对三种成型方式制备的磁环性能的影响,分析常规型和凸台型反向热挤压磁环、不同过渡形式和入模高度的正向热挤压磁环的应力、应变、速度场分布规律及对磁环性能的影响。主要研究内容和结论如下:(1)采用反向热挤压(BE)技术,制备了外径39.5 mm、壁厚4.5 mm的Nd-Fe-B磁环,研究了挤压速度对反向热挤压Nd-Fe-B磁环的磁性能、微观组织和结构的影响,结果表明,随着挤压速度的提高,磁环的磁性能先增大后减小,挤压速度为0.05 mm/s的磁环磁性能最佳,剩磁、矫顽力和最大磁能积分别为12.385 k Gs、10.705 k Oe、32.808 MGOe。同时设计制作了带凸台的反向热挤压(BE-TU)模具,采用BE-TU模具制备的Nd-Fe-B永磁环,与BE模具制备的磁环进行对比分析,BE磁环样品和BE-TU磁环样品的最大磁能积在25 MGOe以上的高度占比分别为15%和31%。发现BE-TU磁环内部的应变分布更加均匀且流速更快,磁环的磁性能均匀性更好。(2)设计制作了复合式热挤压模具,通过复合式热挤压工艺制备了复合式热挤压Nd-Fe-B磁环,复合式热挤压磁环的反向挤压部分(BE)高度为26.4 mm,正向挤压部分(FE)高度为25 mm,总的长径比为1.31。最大磁能积大于25 MGOe的磁环高度达到22 mm,占磁环高度的43%。较反向热挤压而言,成型高度有了显著提高。研究了挤压速度对磁环性能、微观组织和结构的影响,随着挤压速度的提高,磁环的磁性能先增大后减小,挤压速度为0.15 mm/s时,磁环的磁性能最佳,BE部分剩磁、矫顽力和最大磁能积分别为12.94 k Gs、12.156 k Oe、36.933 MGOe;FE部分剩磁、矫顽力和最大磁能积分别为11.383 k Gs、15.111 k Oe、29.131 MGOe。(3)设计制作了磁环正向热挤压模具,采用正向热挤压成型方式制备了高度为32 mm,长径比为2.06的Nd-Fe-B永磁环。正向热挤压磁环内壁光滑,无明显裂纹,相比于反向热挤压和复合式热挤压成型方式,长径比有了明显的提高,内壁裂纹也有了显著的改善,磁环成型过渡区域的磁性能最低,磁环中部的磁性能最佳,剩磁、矫顽力和最大磁能积分别为9.92 k Gs、11.79 k Oe、19.01 MGOe。采用DEFORM-3D软件,模拟分析了正挤压模具的过渡形式、挤压速度以及入模高度对磁环的影响,结果表明,锥形过渡的挤压模更有利于坯料的流动和磁环裂纹的改善,较低的挤压速度有助于提高晶粒的取向度,适当减小挤压模的入模高度不仅能改善磁环的磁性能,还可以节约原材料。

关键词： Nd-Fe-B永磁环反向热挤压复合式热挤压正向热挤压 DEFORM-3D 磁性能

铝镁包覆挤压材料界面微观组织与力学性能研究

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稀有金属 2015年第6期39卷 481-486页

作者：乔及森聂书才张涵赵文军夏天东兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室甘肃兰州730050

采用反向挤压技术将AZ31镁合金和纯铝材料在不同温度下挤压形成包覆棒材。挤压过程中纯铝包覆在镁合金外侧,镁铝间形成冶金结合界面,实现了镁铝双金属的复合。挤压完成后使用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)及能谱(EDS)分析技术对... 详细信息

采用反向挤压技术将AZ31镁合金和纯铝材料在不同温度下挤压形成包覆棒材。挤压过程中纯铝包覆在镁合金外侧,镁铝间形成冶金结合界面,实现了镁铝双金属的复合。挤压完成后使用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)及能谱(EDS)分析技术对镁铝包覆挤压合金进行了组织及力学性能分析,重点研究了铝镁合金结合界面处化学成分过渡及相结构的演化与分布,同时采用显微硬度计测试了镁铝结合界面的显微硬度。结果表明,通过反向热挤压工艺可以得到表面光洁、无明显缺陷的铝镁合金包覆挤压制品。在高温高压条件下,镁铝复合金属在界面结合区发生了元素扩散,铝镁合金浓度出现明显的梯度变化,进而在结合界面上发生冶金反应,形成约350μm厚的金属间化合物层,物相分析表明在靠近镁合金基体一侧生成富镁相Al12Mg17,靠近纯铝一侧生成富铝相Al3Mg2,主要为脆性相生成。沿包覆棒材横截面直径方向从边部到芯部进行显微硬度测试,结果表明,该合金包覆型材具有明显的力学不均匀性,在铝镁结合界面处的硬度高于两侧基体材料,其峰值硬度可达HV 200以上,包覆型材在结合界面的组织差异和强度、硬度失配导致结合界面的力学性能急剧弱化,容易产生开裂。

关键词： AZ31镁合金纯铝包覆技术反向热挤压微观组织

Mg,Ca元素对可降解Zn合金组织性能影响

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东北大学学报（自然科学版） 2018年第1期39卷 35-39页

作者：王利卿孙世能任玉平秦高梧东北大学材料科学与工程学院辽宁沈阳110819 东北大学材料各向异性与织构教育部重点实验室辽宁沈阳110819

采用X射线衍射、扫描电子显微镜、光学显微镜、室温拉伸和浸泡失重法研究了挤压态纯Zn和Zn-0.2Mg-x Ca(x=0,0.06,0.15,0.3)(质量分数)合金微观组织、力学性能和体外降解速率.结果表明:200℃挤压后,纯Zn晶粒尺寸达到100μm;Zn-0.2Mg-x C... 详细信息

采用X射线衍射、扫描电子显微镜、光学显微镜、室温拉伸和浸泡失重法研究了挤压态纯Zn和Zn-0.2Mg-x Ca(x=0,0.06,0.15,0.3)(质量分数)合金微观组织、力学性能和体外降解速率.结果表明:200℃挤压后,纯Zn晶粒尺寸达到100μm;Zn-0.2Mg-x Ca合金中晶粒尺寸均维持在15~20μm之间,并存在第二相Mg2Zn11和Ca Zn13.随着Ca含量增加,Ca Zn13含量逐渐增加,且当Ca质量分数达到0.15%以上时Ca Zn13尺寸达到15~50μm.纯Zn的屈服强度和延伸率分别为64 MPa和14%,Zn-0.2Mg-x Ca合金随着Ca含量增加屈服强度由180 M Pa提高到约200 M Pa,延伸率则逐渐由18%降低到6%.纯Zn和Zn-0.2M gx Ca合金在SBF溶液中降解速率维持在0.05~0.15 mm·a-1,而且随Ca的添加降解速率略有降低.

关键词： Zn-Mg-Ca合金反向热挤压显微组织力学性能降解速率

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挤压态Zn-Mn合金的组织及力学性能研究

挤压态Zn-Mn合金的组织及力学性能研究

作者：隋国超东北大学

学位级别：硕士

锌合金具有熔点低,加工性能优异,力学性能适宜,在大气中耐腐蚀,摩擦系数较低,生物相容性好,生产成本低且可重复利用等优点,在铜合金替代材料、超塑性材料、生物医学材料及耐蚀性材料等方面具有潜在的应用价值。但是,尽管锌基合金具有以... 详细信息

锌合金具有熔点低,加工性能优异,力学性能适宜,在大气中耐腐蚀,摩擦系数较低,生物相容性好,生产成本低且可重复利用等优点,在铜合金替代材料、超塑性材料、生物医学材料及耐蚀性材料等方面具有潜在的应用价值。但是,尽管锌基合金具有以上诸多优点,目前可应用于工业领域的合金系并不是很多,主要为Zn-Al-Cu-Mg和Zn-Cu-Ti两个体系。因此,开发更多新的锌基合金对于扩大其在工业领域的应用范围具有重要的意义。近几年,人们关于在锌合金中添加合金元素Mn进行了相关研究,发现Mn添加可以使锌合金具有高温超塑性,提高锌合金的耐蚀性,并可显著改善Zn-Mg基生物可降解锌基合金的综合力学性能。然而,添加微量合金元素Mn是如何对Zn-Mn二元合金的微观组织及室温力学性能进行影响的,还没有得到清楚的认识。因此,本文通过150℃和200℃反向挤压分别制备出 Zn-xMn（x=0.1、0.4、0.5、1.3、1.6 wt.%）和 Zn-xMn（x=0.2、0.4、0.7、1.4、2.0 wt.%）二元合金棒材,然后利用SEM、XRD、EBSD等表征手段及室温拉伸试验,对Zn-Mn二元合金的微观组织和室温力学性能进行研究,以便更好地理解Zn-Mn二元合金的成分,挤压工艺,微观组织,力学性能等之间的关系。所得实验结果主要如下:添加合金元素Mn,Zn-xMn在熔铸过程中形成了MnZn13第二相。经过低速反向挤压,当Mn含量较低时,小颗粒的第二相沿挤压方向呈条状分布于晶界,当Mn含量较高时,小颗粒和大颗粒第二相同时均匀分布于基体晶界处,从而抑制了动态再结晶晶粒的长大,使得Zn-xMn二元合金相对于纯锌基体晶粒得到了显著细化。经过高速挤压得到的合金组织呈现相似的规律。其中,150℃、1 mm/s得到的Zn-1.6Mn合金基体组织平均晶粒尺寸最小为1.1 μm,200℃、1 mm/s得到的Zn-2.0Mn合金基体组织平均晶粒尺寸最小为1.2 μm。同时合金都形成了较强的基面织构,织构强度随Mn添加量的增加先减小后增加。150℃、低速反挤压得到的Zn-xMn二元合金随Mn含量的增加,拉伸屈服强度和抗拉强度呈降低趋势,而延伸率先增大后略有减小。高速挤压的合金呈现相同的变化规律,但是相比于低速挤压,强度略高,塑性较低。1 mm/s速率挤压的Zn-xMn合金,Zn-0.1 Mn的屈服强度和抗拉强度最大为153 MPa和208 MPa,Zn-1.3 Mn合金的延伸率最大为1.24。压缩屈服强度随Mn添加量的增加整体呈现减小的趋势,Zn-0.4Mn的最大为205 MPa,同时合金的拉压不对称性随Mn含量的增加变差。但是,相比于同等条件下制备的纯Zn,Zn-Mn合金的强度与塑性都得到明显改善。200℃、低速反挤压Zn-xMn合金的拉伸屈服强度、抗拉强度和延伸率随Mn含量的增加先增大后减小,高速挤压的合金呈现相同的变化规律。两种挤压速率得到的锌合金强度接近,但低速挤压比高速挤压得到的合金延伸率更好。1 mm/s速率挤压的合金,Zn-0.4Mn二元合金的屈服强度最大为135 MPa,抗拉强度最大为206 MPa,Zn-1.4Mn合金的延伸率最大为1.24;5 mm/s速率挤压的合金,Zn-0.4Mn二元合金的屈服强度最大为140 MPa,抗拉强度最大为203 MPa,Zn-1.4Mn合金的延伸率最大为1.06。

关键词： Zn-Mn合金反向热挤压挤压工艺微观组织力学性能

挤压工艺对Zn-Mg-Mn合金组织及性能的影响

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挤压工艺对Zn-Mg-Mn合金组织及性能的影响

作者：王斌东北大学

学位级别：硕士

锌合金相较于镁合金和铁基合金有着适宜的降解速率、良好的生物相容性,因此锌合金作为可降解生物材料越来越受到到人们的关注。纯Zn力学性能比较差,无法满足实际需求。通过添加Mg、Sr、Ca等元素进行合金化并采用热变形的方法来改善纯Zn... 详细信息

锌合金相较于镁合金和铁基合金有着适宜的降解速率、良好的生物相容性,因此锌合金作为可降解生物材料越来越受到到人们的关注。纯Zn力学性能比较差,无法满足实际需求。通过添加Mg、Sr、Ca等元素进行合金化并采用热变形的方法来改善纯Zn的力学性能,力学性能较纯Zn也有了很大改善,但仍无法满足生物材料对力学性能的要求。Zn-Mg二元合金作为可降解生物材料有着巨大的潜力,但目前其存在的问题仍旧是力学性能无法满足实际需求。因此本文在Zn-Mg二元合金的基础上添加Mn元素,并适当调节Mg元素的含量,并结合本课题组之前的研究,设计出了 Zn-0.5Mg-1Mn、Zn-0.2Mg-1Mn及Zn-0.5Mg-0.5Mn三种成分的合金。然后通过铸造、均匀化、反向热挤压等一系列工艺制备出Zn-Mg-Mn三元合金,主要对热挤压工艺进行控制,包括挤压速率（1mm/s、5mm/s、10mm/s）,挤压温度（100℃、150℃、250℃）,分别研究了挤压速率和挤压温度对Zn-Mg-Mn合金微观组织及力学性能的影响。从而为Zn基合金的进一步开发提供具有意义的实验数据及理论基础。反向热挤压实验合金组织中合金相的类型并未随挤压工艺和元素含量发生明显变化。Mg元素主要以Mg2Zn11化合物的形式存在,在组织中沿挤压方向呈带状分布。而Mn元素则主要以MnZn13化合物的形式存在,尺寸在0.5μm以下的一般分布在Zn基体晶界位置,而少量尺寸较大的沿挤压方向分布。当挤压温度为100℃时,随着挤压速率增加,Zn-0.5Mg-1Mn合金组织中晶粒尺寸增加,组织均匀性降低,第二相大小、分布及形貌并未发生明显变化;组织中晶粒取向基本相同,晶界角度均以大角度晶界为主,挤压过程中合金发生了完全动态再结晶;织构表现为{0001}基面纤维织构,织构强度随挤压速率增加而增强。随挤压速率增加Zn-0.5Mg-0.5Mn合金也表现出类似的规律,但其组织的变化表现得更明显,Zn基体晶粒和第二相尺寸均明显增大。随着挤压速率增加Zn-0.2Mg-1Mn合金组织的变化则比较小,晶粒尺寸及组织均匀程度变化均不那么明显。当挤压速率一定时,随着挤压温度升高,Zn-0.5Mg-1Mn合金组织中基体晶粒尺寸明显增加,第二相尺寸变化并不明显,平均晶粒尺寸增加;晶粒取向变化仍旧不明显,晶界角度均以大角度晶界为主。对于Zn-0.5Mg-0.5Mn合金也保持类似的规律,其晶粒尺寸随挤压温度升高而增大,但变化幅度要要高于Zn-0.5Mg-1Mn合金。Zn-0.2Mg-1Mn合金组织仍保持类似的规律,但其组织受温度的影响相对小一些。当挤压温一定时,随着挤压速率增加,三种成分的实验合金抗拉强度和屈服强度的变化均比较小,延伸率却下降比较明显。当挤压温度为100℃时,挤压速率从1mm/s增加到10mm/s,Zn-0.5Mg-1Mn合金抗拉强度基本保持在420～435MPa的范围内,屈服强度保持在350～375MPa的范围内,但延伸率却从38%下降到10%。若挤压速率一定,随着挤压温度升高,三种成分的实验合金屈服强度和抗拉强度依旧变化不大,但延伸率明显下降。当挤压速率为1mm/s时,挤压温度从100℃增加到250℃,抗拉强度保持在415～425MPa范围内,屈服强度在350～380MPa以内变化,延伸率却由38%下降到10%。因此降低挤压速率及挤压温度可以提高合金的延伸率,同时能保持较高的强度。当挤压温度为100℃,挤压速率为1mm/s时,三种成分的实验合金均获得了最佳力学性能。同一工艺参数下,Zn-0.5Mg-1Mn与Zn-0.5Mg-0.5Mn合金相比较,延伸率比较相近,但抗拉强度和屈服强度要分别高36MPa、74MPa,这表明Mn元素的强化效果明显。而Zn-0.5Mg-1Mn与Zn-0.2Mg-1Mn合金相比较力学性能差别比较小,Mg元素对晶粒尺寸的影响则相对小一些。

关键词： Zn-Mg-Mn合金反向热挤压挤压温度挤压速率微观组织力学性能

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高强高韧Zn-Mg基合金的组织及性能研究

高强高韧Zn-Mg基合金的组织及性能研究

作者：李永昌东北大学

学位级别：硕士

近年来随着对生物可降解金属材料研究的不断深入,Zn及Zn基合金以其适宜的降解速率、良好的生物相容性而逐渐受到人们的关注,并成为继Mg基合金和Fe基合金之后一种新型的生物可降解材料。鉴于纯Zn的力学性能较差,所以以Mg、Ca、Sr作为合... 详细信息

近年来随着对生物可降解金属材料研究的不断深入,Zn及Zn基合金以其适宜的降解速率、良好的生物相容性而逐渐受到人们的关注,并成为继Mg基合金和Fe基合金之后一种新型的生物可降解材料。鉴于纯Zn的力学性能较差,所以以Mg、Ca、Sr作为合金元素的经过变形处理的二元和三元Zn基合金相继被开发和研究,结果显示其力学性能较纯Zn有显著提高,但是仍不能满足植入材料对力学性能的要求,而且对于Zn基合金力学性能与微观组织之间关系的关注不足。因此本文在Zn-Mg合金的基础上,进一步添加元素Mn,并通过反向热挤压的方法制备出 Zn-xMg(x=0.5、1.0 wt.%)-yMn(y=0.1、0.3、0.5、1.0、1.5 wt.%)合金棒材,并通过EBSD、SEM、力学性能测试等多种方法,研究元素Mn对Zn-Mg基合金微观组织、力学性能及腐蚀行为的影响,从而为高强韧Zn基合金的设计、开发提供有参考意义的基础数据。所得实验结果主要如下:经过铸造、反挤压制备的Zn-Mg-Mn合金棒材形成了 Mg2Zn11和MnZn13两种第二相,在200℃反向热挤压过程中,第二相发生破碎并被拉长沿挤压方向呈条状分布,同时Zn基体晶粒发生了动态再结晶。第二相的存在阻碍了再结晶晶粒的长大,使得Zn-Mg-Mn合金相对于Zn-Mg合金基体晶粒得到了显著细化,其中 Mn元素对Zn-0.5Mg-xMn合金的细化作用较为明显,Zn-0.5Mg-1Mn合金平均晶粒尺寸最小为2.1 μm。同时挤压后Zn基体形成了较强的{0002}基面织构,较Zn-Mg合金相比添加Mn元素后织构强度减弱。Zn-0.5Mg-xMn合金的拉伸屈服强度和抗拉强度随Mn含量的增多而逐渐得到提升。由Zn-0.5Mg合金的221 MPa和279 MPa提升到Zn-0.5Mg-1.5Mn合金的 333 MPa和422 MPa。延伸率呈先增大后减小的趋势,其中Zn-0.5Mg-0.5Mn合金的延伸率最大为22.5%。压缩屈服强度随Mn含量的增多由Zn-0.5Mg合金的233 MPa提升到Zn-0.5Mg-1.5Mn合金的405 MPa。相比于同等条件下制备的纯Zn,Zn-Mg-Mn合金的拉压不对称性得到明显改善。蠕变测试表明,Mn可以明显提升Zn-Mg合金的抗蠕变性能,Zn-Mg-Mn合金的稳态蠕变速率较Zn-Mg合金降低了一个数量级。综上表明,在Zn-0.5Mg合金中添加元素Mn,通过细化晶粒、织构弱化及第二相强化,使得Zn-Mg-Mn合金实现强度和塑性的同时提升,达到了强韧化。其中Mn含量在0.5 wt.%-1.0 wt.%时,Zn-Mg-Mn合金具有最佳的强韧性。Zn-1Mg-xMn合金的拉伸屈服强度和抗拉强度随Mn含量的增多,也逐渐增大,由Zn-1Mg合金的 263 MPa和 332 MPa提升到Zn-1Mg-1Mn合金的317 MPa和403 MPa。延伸率却逐渐减小,由 Zn-1Mg合金的6.8%降低到Zn-1Mg-1Mn的1.7%,压缩屈服强度随Mn含量的增多,由Zn-1Mg合金的298 MPa提升到Zn-1Mg-1.5Mn合金的447 MPa,相比于同等条件下制备的纯Zn拉压不对称性得到改善。主要是由于硬脆第二相含量太高,虽然使强度得到了提升,但却使塑性急剧降低。37℃ SBF模拟体液浸泡实验表明,在Zn-0.5Mg合金中添加不同含量的Mn元素后,腐蚀速率降低。浸泡14天后,Zn-0.5Mg-xMn合金的腐蚀速率相近,均在0.05 mm/year左右,电化学实验显示,Zn-0.5Mg-xMn合金的腐蚀速率与模拟体液浸泡实验有相同的规律,进一步证实合金元素Mn的添加可以提高Zn-0.5Mg合金的耐蚀性。

关键词： Zn-Mg-Mn合金反向热挤压微观组织力学性能耐蚀性能