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中國有色金屬學報 中國有色金屬學會會刊
科學出版社
Na2B407對鐵還原條件下AZ31和AZ91鎂合金的影響
WU Guo-hua(吳國華), GAO Hong-tao(高洪濤), WANG Wei(王瑋), DING Wen-jiang(丁文江) 上海交通大學，材料學院, 中國 上海.2000302007年7月15日收2007年9月10日受理
摘要: 文章探討了Na2B407作為一種新型的鐵還原劑的效果，研究了鐵還原對AZ31鎂合金的影響。隨著Na2B407含量的增加鎂合金AZ31和AZ91中鐵元素將減少且當小于0.002%（質(zhì)量分數(shù)）時，材料的抗腐蝕性能會顯著的提高， 根據(jù)熱力學的性能和鐵，硼元素在合金熔體的不同分布，可以推斷,在鎂合金中的鐵還原機制是通過在Na2B407中硼原子與鐵原子相互結(jié)合,最終沉積在金屬熔體中。射線衍射的結(jié)果證實了這一理論。
關鍵字：Na2B407;鐵還原劑; 抗腐蝕性能; AZ31鎂合金; AZ91鎂合金
1 介紹
由于其低密度和許多其它優(yōu)勢鎂合金的應用得到了快速發(fā)展。然而,對于研究人員來說鎂合金的固有性能的研究一直是一個棘手的問題
鎂合金元素中的非金屬夾雜物及其它雜質(zhì)元素對材料的固有性能有十分不利的影響。一些工業(yè)流體能有效的去除非金屬夾雜物,但是對合金中的鐵元素雜質(zhì)不能起到很好的作用。眾所周知,鐵嚴重降低了鎂合金的耐腐蝕性能。在熔煉、處理和加工鎂合金的過程中鐵元素雜質(zhì)的殘留時不可避免的。加錳是一種降低鐵元素雜質(zhì)在鎂合金中含量的傳統(tǒng)方法。然而，鐵與錳的比例（錳加工的關鍵參數(shù)）很難確保錳元素的分離。HAITANI et al 和 TAMURA et al則相信錳元素污染了晶粒細化過的鎂合金，因此，我們應該盡量避免通過使用含有鐵還原劑的工業(yè)原料來減少鎂合金中鐵元素的含量。在大量的實驗后,我們發(fā)現(xiàn)Na2B407可以顯著地減少鎂合金中的鐵含量。
2 實驗
在實驗中，我們最常用的材料是初始鐵含量為0.027%的AZ31鎂合金和AZ91鑄鐵合金。這種合金是通過實驗的方法在特定的溫度下將Na2B407 MgCl2 KC1 NaCl按一定比例混合成的。這些氯元素作為溶劑不具有鐵還原的效果 ，攪拌15分鐘后，熔體被分別保持600s,1800s,3000s的保溫時間。然后通過電感耦合等離子體光譜分析儀在樣品的頂部，底部和中心的位置分別取得實驗分析所用的試樣。(ICP, IRIS Advantage 1000)
3 結(jié)果
通過Na2B407處理后的金屬熔化沉淀物經(jīng)過了x -射線衍射(XRD, D/MaxIII A-12KW-Cu detector, 40 kV voltage, l(°)/min scanning rate)分析。數(shù)據(jù)庫用于識別的x射線衍射階段采用了JCPDS-International中心的數(shù)據(jù)。
顯示通過Na2B407處理的AZ31實驗鎂合金在不同溫度，時間下鐵元素的含量。 當Na2B407的含量增加到0.6%時，無論溫度時間為多少，合金中鐵元素的含量都低于0.0015%。隨著Na2B407的增加，鐵的含量顯著下降。對于一定量的，溫度越高，則鐵含量的減少更明顯。這是由Na2B407于可以與鐵元素雜質(zhì)反應形成鐵。且溫度越高，作用越強烈。
當Na2B407的含量增加到0.6%時，無論溫度時間為多少，合金中鐵元素的含量都低于0.002%.。這個結(jié)果與AZ31合金的結(jié)果類似。因此,Na2B407被確認是一種很有發(fā)展前景的鐵還原代理阿茲系列合金
表1列出了通過Na2B407處理的實驗鎂合金AZ31的腐蝕速率?？梢钥闯觯擭a2B407從0增加到0.6%時，AZ31的腐蝕速率從17.2mg下降到了0.8mg圖 （左） 和 （右）分別是未經(jīng)Na2B407處理的和經(jīng)過0.6% Na2B407處理的表面腐蝕的AZ31合金照片。類似地，AZ91合金的研究結(jié)果顯示如表2和圖4。他們顯示Na2B407可以提高鎂合金的耐蝕性。這是由于Na2B407對鎂合金中鐵的還原。
Table 1 Corrosion rates of experimental alloy AZ31 by Na2B407 processing
Fig.3 Corroded surface photographs of AZ31 alloy without Na2B407 (left) and with 0.6% Na2B4Ov (right) processing
Fig.4 Corroded surface photographs of AZ91 alloy without Na2B4Ov (left) and with 0.6% Na2B4Ov (right) processing
4 討論
我們試圖分析發(fā)生在化學熱力學計算復雜合金液通過的反應。下面的反應可以被視為鎂融化。
在這里,插入語和方括號中意味著物質(zhì)方程中存在的通量及鎂熔體的分別。AG0是吉布斯自由能變化的反應在100 kPa 和298.15 K正則系綜下,(2),氧化鎂),(Na2B407),(Na20(Mg),(鐵), 和FeB, Na2B407, Na20, Mg， Fe分別在熔體中反應的產(chǎn)物。
困難的是,一些熱力學數(shù)據(jù)并不容易獲得,因為復雜的反應發(fā)生在鎂合金熔體中。在這之后我們將努力開展更深入的工作。現(xiàn)在，我們來做一個假設。MgO, FeB, Na2B407 and Na20在melt-flux系統(tǒng)中是純物質(zhì)。也就是a(MgO), a(FeB), a(Na2B407)和 a(Na20)都是1 那么aMg 和 aFe 就可以近似地看做鼴鼠分數(shù)。
對于AZ31合金：
對于AZ91合金：
他們顯示反應(1)可以自發(fā)地thermodynamically發(fā)生。 這符合之前的實驗結(jié)果。這就是說,減少的原因在鎂合金中的鐵硼原子與鐵原子結(jié)合。使其還原。
為了進一步研究鐵還原的過程。 鐵和硼在不同反應時間里分布在AZ31合金熔體的頂部，中心和底的數(shù)據(jù)分別顯示在圖5（a）和（b）中AZ91合金的數(shù)據(jù)顯示在圖（a）和（b）中
5 結(jié)論
（1）Na2B407 可以使鎂合金AZ31和AZ91中鐵雜質(zhì)的含量減少到0.002%. 從而大大提高了鎂合金的抗腐蝕的性能。
（2）Na2B407使鎂合金中的鐵還原，其工作原理是使得合金中的硼原子和鐵原子在合金熔融狀態(tài)下結(jié)合，以致最終趨于穩(wěn)定。
致謝
The present study is funded by the National Basic Research Program of China (973 Program) and National Key -technologies R&D Program.
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(Edited by PENG Chao-qun)
前言
1課題任務理解
1.1 選題依據(jù)：
在未來的模具市場中，塑料模具發(fā)展速度將高于其他的模具，在模具行業(yè)中的比例將逐步提高。塑料模具在整個模具行業(yè)中所占的比重約為30%，在模具進出口的比重中約占50%-70%。隨著塑料工業(yè)的不斷發(fā)展，這一比例還持續(xù)提高。因此，精密、大型、復雜、長壽的塑料模具的發(fā)展將高于總量的發(fā)展。我的課題是螺紋連接座塑料模具設計，屬于塑料材料，而且相對于其他塑料成型方法，注塑成型時最方便而且是生產(chǎn)率也是最高的。所以我選擇了塑料模具中的注塑成型。
1.2 研究意義：
熱塑性塑料注塑成型這種方法即是將塑料材料熔融，然后將其注入膜腔。熔融的塑料一旦進入模具中，它就受冷依模腔樣成型成一定形狀。所得的形狀往往就是最后成品，在安裝或作為最終成品使用之前不再需要其他的加工。許多細部，諸如凸起部、肋、螺紋，都可以在注射模塑一步操作中成型出來。
2 文獻綜述
注塑成型又稱注塑模具，是熱塑性塑料制件的一種主要成型方法，并且能夠成功地將某些熱固性塑料注塑成型。注塑成型可成型各種形狀的塑料制品，其優(yōu)點包括成型周期短，能一次成型外形復雜、尺寸精密、帶有嵌件的制品，且生產(chǎn)效率高，易于實現(xiàn)自動化，因而廣泛應用在塑料制品生產(chǎn)當中。
2．1 注塑成型原理及特點
塑料的注塑成型過程，就是借助螺桿或柱塞的推力，將已塑化的塑料熔體以一定的壓力和速度注入模具型腔內(nèi)，經(jīng)過冷卻固化定型后開模而獲得制品。因此，可以說注塑成型在塑料裝配生產(chǎn)中具有重要地位。
2.1.1 注塑成型原理
注塑成型所用的模具即為注塑模（也稱為注射模），注塑成型的原理以螺桿式注射機為例：首先將顆?；蚍蹱畹乃芰霞尤肓隙?，然后輸送到外側(cè)裝有電加熱的料筒中塑化。螺桿在料筒前端原地轉(zhuǎn)動，使被加熱預塑的塑料在螺桿的轉(zhuǎn)動作用下通過螺旋槽輸送至料筒前端的噴嘴附近。螺桿的轉(zhuǎn)動使塑料進一步塑化，料溫在剪切摩擦熱的作用下進一步提高并得以均勻化。當料筒前端堆積的熔體對螺桿產(chǎn)生一定的壓力時（稱為螺桿的背壓），螺桿將轉(zhuǎn)動后退，直至與調(diào)整好的行程開關接觸，從而使螺母與螺桿鎖緊。具有模具一次注射量的塑料預塑和儲料過程結(jié)束。這時，馬達帶動氣缸前進，與液壓缸活塞相連接的螺桿以一定的速度和壓力將熔料通過料筒前端的噴嘴注入溫度較低的閉合模具型腔中。熔體通過噴嘴注入閉合模具型腔后，必須經(jīng)過一定時間的保壓，熔融塑料才能冷卻固化，保持模具型腔所賦予的形狀和尺寸。當合模機構(gòu)打開時，在推出機構(gòu)的作用下，即可頂出注塑成型的塑料制品。
2.1.2 注塑模設計的特點
塑料注塑模能夠一次成型形狀復雜、尺寸精確或帶嵌件的塑料制件。在注塑件生產(chǎn)中，通常以最終塑料制品的質(zhì)量來評價模具的設計和制造質(zhì)量。
注塑件質(zhì)量包括表現(xiàn)質(zhì)量和內(nèi)在質(zhì)量。表現(xiàn)質(zhì)量的衡量標準為塑件的形狀和尺寸精度，包括注塑件的表面粗糙度和表現(xiàn)缺陷狀況。常見的表現(xiàn)缺陷有凹陷、氣孔、無光澤、發(fā)白、銀紋、剝皮、暗斑紋、燒焦、裂紋、翹曲、溢料飛邊或可見熔合縫等。內(nèi)在質(zhì)量也就是性質(zhì)質(zhì)量，包括熔合縫強度、殘余應力、密度和收縮等。
先進的模具必須在使用壽命期限內(nèi)保證制品質(zhì)量，并需要具備良好的技術經(jīng)濟指標。這就要求模具動作可靠，自動化程度高，熱交換效率好，成型周期短。其次，合理選用模具材料，恰當確定模具制造精度，簡化模具加工工藝，降低模具的制造成本亦十分重要。
2.2 注塑模具分類
凡是注塑模具，均可分為動模和定模兩大部件。注塑充模時，動模與定模閉合，構(gòu)成型腔和澆注系統(tǒng)；開模時，動模與定模分離并取出制件。定模安裝在注射機的固定模板上，而動模則安裝在注射機的移動模板上。注塑模具主要由以下7個系統(tǒng)或機構(gòu)組成:
1.成型零件 成型零件是指構(gòu)成型腔、直接與熔體相接觸并分型塑料制件的零件。成型零件通常包括凸模、型芯、成型桿、凹模、成型環(huán)、鑲件等零件。
2.澆注系統(tǒng) 將塑料熔體由注射機噴嘴引向型腔的流道稱為澆注系統(tǒng)，由主流道、分流道、澆口和冷料井組成。
3.導向和定位機構(gòu) 為確保動模和定模在閉合時能夠準確導向和定位對中，通常需要在動模和定模上分別設置導柱和導套。如果使用的是深腔注塑模，那么還需要在主分型面上設置錐面定位。有時為保證脫模機構(gòu)的準確運動和復位，還需要設置導向零件。
4.脫模機構(gòu) 脫模機構(gòu)是指在開模過程的后期將塑件從模具中脫出的機構(gòu)。
5.側(cè)向分型抽芯機構(gòu) 帶有側(cè)凹槽或側(cè)孔的塑件在脫出模具之前，必須先進行側(cè)向分型，或者拔出側(cè)向凹模或抽出側(cè)型芯。
6.溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng) 為了滿足注塑工藝對模具溫度的要求，模具設有冷卻或加熱的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。冷卻模具時，通常是在模板內(nèi)開設冷卻水道，而加熱則是在模具內(nèi)或周邊安裝電加熱元件。具有特殊要求的注塑模，還需要配備模溫自動調(diào)節(jié)裝置。
7.排氣系統(tǒng) 為了在注塑充模過程中將型腔內(nèi)原有空氣排出，通常在分型面處開設排氣槽。由于小型腔排氣量不大，可直接利用分型面排氣，也可以利用模具的頂桿或型芯與配合孔之間的間隙排氣，而大型注塑模則需要預先設置專用排氣槽。
3.1 執(zhí)行方案
1產(chǎn)品原料是低密度聚乙烯（LDPE），采用注塑成型模具，必要時可采用強制脫模。
2熟悉注塑模具設計的流程，掌握注塑模具設計的基本原理和設計方法，能用模具設計軟件，對塑件進行模具設計。
3完成雪碧瓶蓋塑料模具的各個零件的設計。
4設計完成后，對設計的各參數(shù)進行校核，以便能保證使用要求。
5整個模具設計完成后，還要進行試模，并針對性的進行修改。