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中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào) 中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)會(huì)刊
科學(xué)出版社
Na2B407對(duì)鐵還原條件下AZ31和AZ91鎂合金的影響
WU Guo-hua(吳國(guó)華), GAO Hong-tao(高洪濤), WANG Wei(王瑋), DING Wen-jiang(丁文江) 上海交通大學(xué)，材料學(xué)院, 中國(guó) 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(duì)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(dāng)小于0.002%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，材料的抗腐蝕性能會(huì)顯著的提高， 根據(jù)熱力學(xué)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(jī)制是通過(guò)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(shí)了這一理論。
關(guān)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(shì)鎂合金的應(yīng)用得到了快速發(fā)展。然而,對(duì)于研究人員來(lái)說(shuō)鎂合金的固有性能的研究一直是一個(gè)棘手的問(wèn)題
鎂合金元素中的非金屬夾雜物及其它雜質(zhì)元素對(duì)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(duì)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(yán)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(guò)程中鐵元素雜質(zhì)的殘留時(shí)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(guān)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(xì)化過(guò)的鎂合金，因此，我們應(yīng)該盡量避免通過(guò)使用含有鐵還原劑的工業(yè)原料來(lái)減少鎂合金中鐵元素的含量。在大量的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)
在實(shí)驗(yàn)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(guò)實(shí)驗(yàn)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(shí)間。然后通過(guò)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(shí)驗(yàn)分析所用的試樣。(ICP, IRIS Advantage 1000)
3 結(jié)果
通過(guò)Na2B407處理后的金屬熔化沉淀物經(jīng)過(guò)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(kù)用于識(shí)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(guò)Na2B407處理的AZ31實(shí)驗(yàn)鎂合金在不同溫度，時(shí)間下鐵元素的含量。 當(dāng)Na2B407的含量增加到0.6%時(shí)，無(wú)論溫度時(shí)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(duì)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(yīng)形成鐵。且溫度越高，作用越強(qiáng)烈。
當(dāng)Na2B407的含量增加到0.6%時(shí)，無(wú)論溫度時(shí)間為多少，合金中鐵元素的含量都低于0.002%.。這個(gè)結(jié)果與AZ31合金的結(jié)果類似。因此,Na2B407被確認(rèn)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(guò)Na2B407處理的實(shí)驗(yàn)鎂合金AZ31的腐蝕速率?？梢钥闯觯?dāng)Na2B407從0增加到0.6%時(shí)，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(guò)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(duì)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?cè)噲D分析發(fā)生在化學(xué)熱力學(xué)計(jì)算復(fù)雜合金液通過(guò)的反應(yīng)。下面的反應(yīng)可以被視為鎂融化。
在這里,插入語(yǔ)和方括號(hào)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(yīng)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(yīng)的產(chǎn)物。
困難的是,一些熱力學(xué)數(shù)據(jù)并不容易獲得,因?yàn)閺?fù)雜的反應(yīng)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?，F(xiàn)在，我們來(lái)做一個(gè)假設(shè)。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?jǐn)?shù)。
對(duì)于AZ31合金：
對(duì)于AZ91合金：
他們顯示反應(yīng)(1)可以自發(fā)地thermodynamically發(fā)生。 這符合之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這就是說(shuō),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(jìn)一步研究鐵還原的過(guò)程。 鐵和硼在不同反應(yīng)時(shí)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(wù)理解
1.1 選題依據(jù)：
在未來(lái)的模具市場(chǎng)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(gè)模具行業(yè)中所占的比重約為30%，在模具進(jìn)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(fù)雜、長(zhǎng)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(shè)計(jì)，屬于塑料材料，而且相對(duì)于其他塑料成型方法，注塑成型時(shí)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(jìn)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(xì)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(lái)。
2 文獻(xiàn)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(diǎn)包括成型周期短，能一次成型外形復(fù)雜、尺寸精密、帶有嵌件的制品，且生產(chǎn)效率高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，因而廣泛應(yīng)用在塑料制品生產(chǎn)當(dāng)中。
2．1 注塑成型原理及特點(diǎn)
塑料的注塑成型過(guò)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(guò)冷卻固化定型后開模而獲得制品。因此，可以說(shuō)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(jī)為例：首先將顆?；蚍蹱畹乃芰霞尤肓隙罚缓筝斔偷酵鈧?cè)裝有電加熱的料筒中塑化。螺桿在料筒前端原地轉(zhuǎn)動(dòng)，使被加熱預(yù)塑的塑料在螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)作用下通過(guò)螺旋槽輸送至料筒前端的噴嘴附近。螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)使塑料進(jìn)一步塑化，料溫在剪切摩擦熱的作用下進(jìn)一步提高并得以均勻化。當(dāng)料筒前端堆積的熔體對(duì)螺桿產(chǎn)生一定的壓力時(shí)（稱為螺桿的背壓），螺桿將轉(zhuǎn)動(dòng)后退，直至與調(diào)整好的行程開關(guān)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(yù)塑和儲(chǔ)料過(guò)程結(jié)束。這時(shí)，馬達(dá)帶動(dòng)氣缸前進(jìn)，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(guò)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(guò)噴嘴注入閉合模具型腔后，必須經(jīng)過(guò)一定時(shí)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(dāng)合模機(jī)構(gòu)打開時(shí)，在推出機(jī)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(shè)計(jì)的特點(diǎn)
塑料注塑模能夠一次成型形狀復(fù)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(lái)評(píng)價(jià)模具的設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(wú)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(qiáng)度、殘余應(yīng)力、密度和收縮等。
先進(jìn)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(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。這就要求模具動(dòng)作可靠，自動(dòng)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(dāng)確定模具制造精度，簡(jiǎn)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(dòng)模和定模兩大部件。注塑充模時(shí)，動(dòng)模與定模閉合，構(gòu)成型腔和澆注系統(tǒng)；開模時(shí)，動(dòng)模與定模分離并取出制件。定模安裝在注射機(jī)的固定模板上，而動(dòng)模則安裝在注射機(jī)的移動(dòng)模板上。注塑模具主要由以下7個(gè)系統(tǒng)或機(jī)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(jī)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(dǎo)向和定位機(jī)構(gòu) 為確保動(dòng)模和定模在閉合時(shí)能夠準(zhǔn)確導(dǎo)向和定位對(duì)中，通常需要在動(dòng)模和定模上分別設(shè)置導(dǎo)柱和導(dǎo)套。如果使用的是深腔注塑模，那么還需要在主分型面上設(shè)置錐面定位。有時(shí)為保證脫模機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)和復(fù)位，還需要設(shè)置導(dǎo)向零件。
4.脫模機(jī)構(gòu) 脫模機(jī)構(gòu)是指在開模過(guò)程的后期將塑件從模具中脫出的機(jī)構(gòu)。
5.側(cè)向分型抽芯機(jī)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(jìn)行側(cè)向分型，或者拔出側(cè)向凹?；虺槌鰝?cè)型芯。
6.溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng) 為了滿足注塑工藝對(duì)模具溫度的要求，模具設(shè)有冷卻或加熱的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。冷卻模具時(shí)，通常是在模板內(nèi)開設(shè)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(dòng)調(diào)節(jié)裝置。
7.排氣系統(tǒng) 為了在注塑充模過(guò)程中將型腔內(nèi)原有空氣排出，通常在分型面處開設(shè)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(yù)先設(shè)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(shí)可采用強(qiáng)制脫模。
2熟悉注塑模具設(shè)計(jì)的流程，掌握注塑模具設(shè)計(jì)的基本原理和設(shè)計(jì)方法，能用模具設(shè)計(jì)軟件，對(duì)塑件進(jìn)行模具設(shè)計(jì)。
3完成雪碧瓶蓋塑料模具的各個(gè)零件的設(shè)計(jì)。
4設(shè)計(jì)完成后，對(duì)設(shè)計(jì)的各參數(shù)進(jìn)行校核，以便能保證使用要求。
5整個(gè)模具設(shè)計(jì)完成后，還要進(jìn)行試模，并針對(duì)性的進(jìn)行修改。