（材料学专业论文）半固态过共晶铝硅合金的电磁搅拌工艺与性能研究.pdf

比叫理i ：人学颐七学位论文 摘婴 摘要 过共晶铝硅合金具有低密度、良好的热稳定性和高耐磨性，是种理想的耐磨 耐热材料。过共晶铝硅合金在耐磨性能和物理性能上的优势性随着硅含量的增加而 更加明显，但同时其力学性能低、切削性能差的缺点也变得非常突出，使大过共晶 铝硅合金的应用受到限制。半固态金属成形技术作为一项新兴的金属成形技术，是 一种具有巨大发展潜力的加工技术。本文利用实验室自行研制的电磁搅拌装置，对 过共晶铝硅合金进行了等温电磁搅拌实验和连续冷却电磁搅拌实验，考察了温度、 搅拌时间、冷却速度、搅拌功率等工艺参数对合金微观组织的影响规律。 研究结果表明：电磁搅拌取得了较好的效果，搅拌2 0r a i n - 3 0m i n 时，初生硅 的尺寸明显变小，分布更加均匀，初生硅的边角更加钝化，细化后的初生硅粒子均 匀分布到周围的基体上。 等温电磁搅拌时，等温温度在5 8 0 c 时，熔体的过冷度较6 0 0 c 时大，熔体的固 相率高，有利于初生硅相互碰撞和摩擦，使初生硅更加细小均匀。但低温也有其负 面影响，在搅拌时间过长时，初生硅容易团聚长大。连续冷却电磁搅拌时，在搅拌 时间超过3 0 r a i n 后，初生硅会团聚长大。随着冷却速度的增大，合金熔体的过冷度 也增大，会析出更多的晶核，使初生硅的尺寸变小，因此在相同搅拌时间条件下， 冷却速率越大，搅拌破碎后的初生硅越细小。但如果冷却速度过大会使搅拌时间受 到限制，因此不能使冷却速度过大。在其它搅拌条件相同的情况下，搅拌功率提高 后，电磁搅拌产生的剪切作用力增强，对初生硅的作用力更大；而且搅拌功率提高 后，合金熔体的旋转速度增加，初生硅粒予碰撞的几率增加，使初生硅组织越细小。 过共晶铝硅合金经半固态电磁搅拌处理后，由于初生硅的细化和边角钝化及球状。 相的产生，合金的力学性能得到显著提高。 关键词：半固态成形；过共晶铝硅合金；电磁搅拌；初生硅；显微组织 皑明理【：大学硕七学位论文摘要 a b s t r a c t h y p e r e u t e c t i ca 1 一s ia l l o yw i t ht h eq u a l i t y w e a r - r e s i s t a n c e ，i sa ni d e a lw e a r - r e s i s t a n ta n d o fl o wd e n s i t y , g o o dh e a ts t a b i l i t ya n dh i g h h e a t r e s i s t a n tm a t e r i a l i t sw e a r r e s i s t a n c ea n d p h y s i c a lp r o p e r t yi n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fs i l i c o nc o n t e n t h o w e v e r , t h ed u c t i l i t ya n d m e c h a n i c a lp r o p e r t yo ft h ea l l o yw i l lb ed e t e r i o r a t e df o rt h ei n c r e a s eo fs i l i c o nc o n t e n ts ot h a tt h e u s eo fh i 曲s i l i c o nc o n t e n ta 1 s ia l l o yi sr e s t r i c t e d s e m i s o l i dm e t a lf o r m i n gt e c h n o l o g yi san e w m e t a lf o r m i n gt e c h n o l o g ya n di ti saf o r m i n gt e c h n o l o g yw i t he n o l m o u sd e v e l o p m e n t a l p o t e n t i a l i t y u s i n gs e l f - m a d ee l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gd e v i c eo ft h el a b o r a t o r y , t w og r o u p so f e x p e r i m e n t s ，i s o t h e r m a le l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n ga n dc o n t i n u o u s l yc o o l i n ge l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g w e r ec a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t em i c r o s t r u c t u r eo fs e m i s o l i dh y p e r e u t e c t i ca 1 - s ia l l o yi n f l u e n c e d b yt h e s ep a r a m e t e r si e i s o t h e r m a lt e m p e r a t u r e ，s t i r r i n gt i m e ，c o o l i n gr a t ea n ds t i r r e dp o w e r t h ee x p e r i m e n t sr e s u l t ss h o wt h a tp r i m a r ys i l i c o nc r y s t a lf r a g m e n t a t i o no c c u r si nt h ec o u r s eo f s t i r r i n ga n dt h es i z e o fp r i m a r ys i l i c o np h a s et e n d st oc o n s t a n ta f t e r2 0 3 0m i n u t e sa n d h o m o g e n i z e dd i s t r i b u t i o n i nt h ec o n d i t i o no fi s o t h e r m a le l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g , t h es o l i dp h a s op r o p o r t i o no f5 8 0 ci s m o r et h a nt h a to f6 0 0 c ，a n dh i 曲s o l i dp h a s ep r o p o r t i o ni sp r o p i t i o u st oc o l l i s i o na n df r i c t i o no f p r i m a r ys i l i c o np h a s e ，s ot h es i z eo fp r i m a r ys i l i c o ni ss m a l l b u tl o wt e m p e r a t u r eh a sn e g a t i v e e f f e c tt h a tt h ep r i m a r ys i l i c o nw i l lr e u n i t ee a s i l yj ft h es t i r r i n gt i m ei st o ol o n g i nt h ec o n d i t i o no f c o n t i n u o u s l yc o o l i n ge l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ，p r i m a r ys i l i c o nw i l lr e u n i t ea n dg r o wi ft h es t i r r i n g t i m ei sm o r et h a n3 0m i n u t e s t h es i z eo ft h ep r i m a r ys i l i c o nw i l lb es m a l l e rf o rt h ei n c r e a s eo f c o o l i n gr a t e s s ot h ec o o l i n gr a t e si sh i g h e r , t h ep r i m a r ys i l i c o ni ss m a l l e ri nt h ec o n d i t i o nt h a t o t h e rp a r a m e t e r sa r es a m e i ft h ec o o l i n gr a t ei st o oh i g h ，t h es t i r r i n gt i m ew i l ls h u td o w n ，s ot h e c o o l i n gr a t ec a nn o tb et o oh i g h i nt h ec o n d i t i o nt h a to t h e rp a r a m e t e r sa r es a m e ，t h ec u tf o r c eo f t h ee l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n ga n dc o l l i s i o np r o b a b i l i t yo fp r i m a r ys i l i c o nw i l lr i s eb yt h ei n c r e a s eo f s t i r r i n gp o w e r , s ot h es i z eo f p r i m a r ys i l i c o ni ss m a l l e rt h a nl o w e rs t i r r i n gp o w e r f o rh y p e r e u t e c t i c a l s ia l l o y , t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo fs e m i - s o l i dm e t a l ( s s m ) s a m p l ei sh i g h e rt h a nt h a to fm e t a l m o l ds a m p l eb e c a u s ep r i m a r ys i l i c o nt u r n st ob es m a l l e ra n d a p h a s ee v o l v e s t o w a r d s p h e r i c i t y k e yw o r d s ：s e m i - s o l i df o r m i n g ；h y p e r e u t e c t i ca i - s ia l l o y ；e l e c t r o m a g n e t i cs t i f f i n g ；p r i m a r y s i l i c o nc r y s t a l ；m i c r o s t m c t u r e l l y8 3 1 6 5 i t 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不合任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 ， 确的说明并表示了谢意：本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：彭荔l 相 日 期：年 月 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：论文作者签名： 塑豸酗 昆i 州理t 人学坝i ：学位论文 第一章概论 第一章概论 1 1 半固态金属成形简介 1 1 1 半固态金属成形的概念 二十世纪七十年代，美国麻省理工学院( m 1 t ) 的s p e n e r 等人在利用高温粘 度计测量s n p b 合金的高温粘度时，发现金属在半凝固过程中进行强烈搅拌时， 即使在较高的固相率( 0 4 0 6 ) 时半固态金属仍具有较好的流动性和较低的剪切 应力1 1 】。m c f l e m i n g s 教授等人很快意识到这一特征的潜在利用价值，随即对 此进行了广泛深入的研究，由此发展成为半固态金属成形技术( s e m i s o l i dm e t a l f o r m i n g ) ，简称s s m 。所谓半固态成形技术，就是在金属凝固过程中，加以外力进 行搅拌或控制固液温度区间，得到一种一定固相组分均匀地悬浮在液态金属母 液中的固液混合浆料( 周相组分可高达6 0 ) ，这种半固态浆料具有很好的流动 性，可以利用压铸、挤压、模锻、轧制等常规工艺进行加工成形。 1 1 2 半固态金属成形的优点 传统的具有树枝晶的合金在凝固时，由于初生枝晶固相之间相互搭接，流动 性很差，固液相容易分离，形成严重的宏观偏析，而且工件极易形成裂缝。而半 固态金属具有很好的流动性，这给半固态金属成形带来了极大的好处。 相比传统的液态和塑性成形，半固态成形技术具有如下优点1 2 - 6 l ： 1 ) 节省能源，降低原材料消耗，改善生产环境，变形抗力小于塑性成形，扩 大了合金成形的壁厚范围和合金种类。 2 ) 提高制件品质与力学性能，铸件凝固收缩减少，成形不易裹气，因此铸件 致密，可以热处理强化，铸件晶粒细小，力学性能更均匀。 3 ) 半固态金属成形速度高，s s m 成形件尺寸和成品零件几乎相同，且易于近 终化( n e t - - s h a p e ) 成形，加工余量少。 4 ) 应用范围广，凡具有较宽固液两相区的合金均可实现半固态加工。 5 ) 半固态金属凝固过程中不会发生长程枝问液相流动，因而不会发生宏观偏 析。 6 ) 3 0 用半固态金属高粘度性能，可以改善制备复合材料中非金属材料的飘 浮、偏析以及金属基体不润湿的技术难题，可使密度差大、固溶度小的金属制成 合金，也可有效地使不同材料混合制成新的复合材料。 1 垦! 塑墨工叁堂型主兰丝丝塞笙二茎墼堡 7 ) 半固态会属已释放了部分结晶潜热，减轻了对成形设备的损耗，尤其是对 模具的热冲击，同时由于模具的工作温度低，使模具寿命大幅度提高。 8 ) 半固态金属成形适应于计算机辅助设计和制造，提高生产的自动化程度， 提高生产效率。 1 1 3 半固态金属成形的主要工艺路线 半固态金属成形的基本工艺流程包括合金的配制熔炼、半固态浆料的制备和 半固态成形等工艺步骤，如图i - 1 所示： 图i - 1 半固态成形的基本工艺流程 f i g 1 - 1p r o c e s so fs e m i - s o l i dm e t a lf o r m i n g 半固态金属成形工艺路线有两条1 7 】：一是将经搅拌获得的半固态浆料在保持 其半固态温度的条件下直接进行半固态加工成形( 铸造、挤压、轧制、模锻等) ， 称为流变成形；二是将经搅拌等特殊工艺获得的半固态坯料冷却凝固后，按所需 尺寸下料，再重新加热至半固态温度，然后进行成形，称为触变成形。 流变成形主要应用在制备复合材料。触变成形技术目前已在关键零部件的制 造上得到了应用，并且迅猛发展，美国、日本、欧洲等国家已实现了触变加工技 术的产业化l 引。半固态金属坯料的加热、输送很方便，成形过程容易控制，便于 实现自动化生产，目前大多数工艺采用触变成形。 触变成形工艺经过近2 0 年的发展，已经| 扶学术界研究转向工业尘产应用的 垦型些王= 苎；堂堡j 土堂丝堡壅 笙二垦塑望 初期阶段。到上世纪九十年代，该工艺迅速发展，并被认为是一种新兴的工业技 术。触变成形之所以被认为是一种新的工业技术，是由于：( 1 ) 目前可以成功地 供应具有触变特性的锭坯材料。( 2 ) 它具备了成熟的二次加热和成形技术来满足顾 客的各种需要，如：零件的耐压性、高强度和抗冲击性或耐磨性等i ”。 触变成形工艺主要包括浆料制备、二次加热、加工成形等步骤。 1 1 4 半固态成形的基本类型 图1 - 2 半固态成形的工艺过程示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fs e m i - s o l i dm e t a lf o r m i n g 半固态成形是针对固、液共存的半熔化或半凝固金属或合金进行成形加工的 工艺方法的总称。目前半固态成形方法大致可分为半固态轧制、半固态挤压、半 固态锻造、半固态压铸等几种工艺类型【1 0 刖】。 1 1 4 1 半固态轧制 图1 - 3半周态轧制工艺示意倒 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fs e m i s o l i dm e t a lr o l l i n g 具有球状晶的金属合金材料加热到半固态时，仅保持其固体形状不被破坏的 强度，变形抗力很低这种性质对轧制成形有利。现已开发出的一种半固态轧制工 艺是在轧机的入口处设置加热炉，将被轧制材料如热到所要求的半固态后送入轧 垦型些三尘堂型! ：兰些鲨苎笙二里塑鲨 辊问轧制，轧制的对象主要是板材的轧制成形。由于半固态浆料参与了轧制变形， 改善了原有的铸念组织，打碎了一些粗大的树枝晶，可相应地提高轧制产品的组 织及性能。但固相率较低时，轧制产品的力学性能并不好，这主要由于此时半固 态浆料的固相率较低，球形固相颗粒少，晶粒还比较粗大的缘故。通过研究发现， 若提高固相率，可相应地提高其力学性能。轧制过程中，若液相的数量较少或变 形速率过高，则轧件的表面会产生表面裂纹，其出现的程度随着固相率的减少而 减少。 1 1 4 2 半固态挤压 半固态挤压是一种新型的金属成形工艺。由于液相的存在，形变抗力大大降 低。与全固态成形工艺( 如锻造、挤压、轧制等) 相比，可因此减小挤压抗力而使 所需的机器功率降低，又因其工作温度处于液固两相区，与全液态成形工艺( 如 铸造等1 相比，可降低所需温度；加之在适宜的工艺条件下可望获得机械性能和 内部组织较好的挤压产品，尤其是在复合材料成形加工方面具有优越的应用前 景，使得半固态挤压作为一种极具潜力的新型金属成形工艺而倍受注意。半固态 挤压后晶粒进一步细化，并呈带状分布，在相同的热处理状态下，合金的断裂强 度和延伸率都得到提高，表明半固态挤压明显提高了材料的断裂性能。 半固态挤压的加工步骤和热挤压加工的情况基本相同，即用加热炉将坯料加 热到半固态，然后放入挤压模腔，用凸模施加压力，通过凹模口挤出所需制品。 半固态挤压和其他半固态成形方法相比，研究得最多的是各种铝合金和铜合金的 棒、线、管、型材等制品。制品的内部组织及机械性能均匀，制造也易操作，应 用前景十分广阔，是难加工材料、粒子强化金属基复合材料、纤维强化金属基复 合材料加工不可缺少的技术。 图1 - 4 半固态挤压工艺示意图 f i g 1 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fs e m i s o l i dm e t a le x t r t i s i o x i 对于半圃态挤压成形，坯料的固相率是影响挤压成形操作性与稳定性的重要 因素。固相率低的坯料的变形抗力小，所需挤压力小，但当固相率下降到6 0 以 垦塑堡三叁堂堡! 鲎些迨：塞；塑二童堡笙 下时，挤压力的变化较小，同时坯料在自重作用下容易变形，因而输送与填充操 作性差。一般来说，固相率在7 0 一8 0 以上时坯料在外观上与普通的加热坯料几 乎没有差别，具有一定强度，便于输送与填充，且在挤压过程中不易固相与液相 分离，可采用与常规挤压基本相同的工艺实现稳定挤压成形。 1 1 4 3 半固态锻造 半固态锻造是将加热到半固态的坯料在锻模中进行以压缩变形为主的模锻 以获得所需形状、性能制品的加工方法。半固态锻造可以成形变形抗力较大的高 固相率半固态材料，并能成形般锻造难以成形的复杂形状。而且，可以用于锻 造普通锻造难以成形的许多合金，有可能用半固态锻造技术制造特殊材料的耐热 零件。 1 1 4 4 半固态压铸 半固态压铸有两种工艺路线，分别为流变铸造和触变铸造。 f - )和l 图1 - 5 流变铸造工艺示意图 ( a )半固态浆料制造装置( b ) 传输器( c ) 半固态浆料注入模腔 f i g 1 5p r o c e s so fr h e o c a s t i n gf o r m i n g 图1 5 是流变铸造工艺过程示意图，液态金属在连续铸造器上部的容器中， 这使得金属可以向下流到冷却和搅拌器的环形空间中。在此空间的金属被中心搅 拌器搅动的同时金属也部分凝固。流变铸造金属浆体从冷却和搅拌器的出口流 出，它们在高液态时直接模铸。除了在实验室进行研究工作，该工艺也用于工厂 的试生产中，进行了铝合金和铜合金的试生产。 触变铸造是将圆体材料加热到所要求的半固态后放入容器内，用活塞通过喷 嘴高速压入模具内填充凝固得到制品的方法，如图1 - 6 所示。这种情况下，充型前 坯料的固相率和流变铸造大致相当或略高一些。半固态金属在一定条件下因静止 状态而呈较大的粘性，保持固态形状，此时若施加剪力，其粘度太大降低，流动 性恢复。触变铸造就有效地利用了半固态舍属特有的触变性进行半固态金属成形 的成形方法。 昆j j 理t 人学硕士学位论义 第一章概论 ( a ) 半固态坯料制造装置( b ) 半固态坯料( c ) 半固态坯料下料 ( d ) 坯料二次加热( e ) 坯料传输至压铸设备( f ) 半固态压铸成形 图1 - 6 触变铸造工艺示意图 f i g 1 6 p r o c e s so ft h i x o c a s t i n gf o r m i n g 1 2 半固态金属成形的研究进展及应用 从国外的研究动态看，欧美的研究主要着重于半固态合金的低温压铸方面， 目的在于提高模具寿命，获得不加工或少加工的铸件f 3 1 7 18 1 。有代表性的研究 单位如比利时的c r m 公司、美国麻省理工学院、康乃尔大学、d o e 公司、a l u m a x 公司、瑞士的b u h l e r 公司、英国的s h e f f i e l d 大学；贬洲以日本的研究开发得比 较广泛，最引人注目的是川崎制铁等1 8 家公司与基盘技术研究促进中心共同组 建了流变技术研究所，该所从1 9 8 8 年到1 9 9 6 年间，投入巨资研究半圆态合金的 基本物性，开发应用的关键技术、成形过程，包括压铸、挤压、薄板连铸等。 半圃态金属加工技术主要应用于汽车零件制造方面，另外，在军事、航空、 电子以及消费品等方面也进行了产品开发，主要是铝、镁合金的半固态压铸、模 锻及注射成形。 半固态金属加工方法能够生产形状复杂的零部件，像汽车用刹车制动缸体和 铝合金轮毂、空调设备部件、转向与传动系统零件、活塞、机器人的手臂，以及 航空航天上使用的电子设备的连接部件等。这种半固态锻造铸件包括许多键销和 定位装置，它们的公差精度接近机械加工精度。因此，节省原材料与较高的生产 率等特点使得半固态金属加工成为一种经济实惠的加工方法。譬如，美国a l u m a x 公司在田纳西州j a c k s o n 拥有一个完全采用触变成形工艺为汽车工业服务的工 厂。该工厂生产出的棒料直径可达1 5 0 m m 。此外该公司还在美国威斯康辛 l i n d b e r g 触变成形发展中心采用特制设备对镁合金进行半固态铸造，已生产出镁 垦型些三生堂堡：! 堂笪堡苎 笙= 翌塑壁 合金赛车离合器片、汽车传动零件等。 半固态金属成形技术源于美国，因此，目前美国的半固态金属成形技术处于 全球领先地位，1 9 9 4 年和1 9 9 6 年，阿卢马克斯公司分别建成了2 座半固态铝合 金成形汽车零件生产厂。阿卢马克斯公司生产的半固态模锻铝合金汽车制动总泵 体，机加工量只占铸件质量的1 3 ，同样的金属型铸件的加工量则占铸件质量的 4 0 ，除此之外，机加工后的半固态成形的汽车制动总泵体最终零件比机加工后 金属型铸造零件轻1 3 左右。1 9 9 7 年，上述2 个半固态铝合金成形工厂的年生 产能力达到5 0 0 0 万件。h m m 公司( h o tm e t a lm o l d i n g ) 为通用汽车公司生产汽车 零件( a 3 5 6 材料经t 6 热处理) 达到日产5 0 0 0 件生产规模，并计划将产量提高4 倍。1 9 9 5 年，t h i x m a t 公司的子公司l i n d b e r g 公司利用t h i x o m o l d i n g 工艺，为 某些汽车公司生产了5 0 余万件的半固态镁合金铸件，使用了约1 0 0 t 的原料。另 外，e p c od i v i s i o n ，h p mc o r p o r a t i o n ，i t a l p r e s s eo fa m e r i c a ，p r i n c em a c h i n e c o r p o r a t i o n 等公司已经能够生产半固态铝合金触变成形的专用设备，并通过对压 铸过程进行实时控制，使整个压铸过程处于动态监控之中，改善了压铸件性能， 降低了压铸件废品率，且可使普通压铸机用于半固态金属成形，扩大了普通压铸 机的使用范围 1 9 。2 3 。 欧洲各国对金属半固态成形技术作了大量的研究和开发，目前约有4 0 家公 司从事半固态金属及合金零件毛坯的生产，这一趋势仍在增加。意大利的s t a m p a l s p a 公司利用半固态铝合金，为a l f a r o m e o s p i d e rs p o r t s c a r 公司生产的后悬挂 架的左右支撑件毛坯重达7 k g ，而且形状非常复杂；意大利的m m 公司( m a g n e t i m a r e l l i ) 为汽车公司生产半周态金属成形的f u e li n j e c t i o nr a i l 零件，日产2 5 0 0 件， 并在2 0 0 0 年达到日产7 5 0 0 件。德国的e f u 等公司也正在积极研究此项技术。 瑞士的b u b l e r 公司已经生产出铝合金半固态触变成形的专用s c 型压铸机f 实时 压射控制和单一压射缸1 和铝合金半固态坯料的专用加热设备【2 扣2 7 1 。 日本对金属半固态成形的研究和生产相对落后于欧美，但也从事了大量的研 究和开发上作。最具代表性的研究机构是流变技术公司( r h e o t e c h n o l o g y l t d ) 。该公司是2 0 世纪8 0 年代后期由基础技术研究促进中心和钢铁、有色及重 工业等1 7 家民间公司出资组建的，开展了半固态金属成形的原材料制备、表观 粘度和成形技术等基础研究。目前日本的一些公司已经转入半固态车用成形件的 产品生产1 2 8 。3 0 1 。 相比之下，我国虽然有少数几个高等院校和研究单位从8 0 年代就开始半固 态金属成形技术的研究。但这些尝试都是利用流变法进行流交铸造( r h e o e a s t i n 9 1 垦型丝上厶兰堂! ：兰些造塞 釜= 皇塑堡 或触变铸造( t h i x o c a s t i n g ) 研究，成功的技术报导很少。8 0 年代中期，我国研究者 大多转向半固态制备复合材料和一些通用牌号材料的流变特性的研究。取得了较 多成果。近年来东南大学的研究者利用晶粒细化获得细晶的z l l 2 合金坯料，再 在半固态状态下加热5 分钟左右，便可得到非枝晶的半固态金属坯料，这是一种 很有前途的方法，称为s e l 法。1 9 9 4 年北京钢铁学院在北京市科委支持下，开 始了亚莛晶铝硅合金的电磁流变( m h d ) i 艺和成形技术研究，已经生产出合格的 流变合金棒材，其组织较为理想，并在此基础上成功模锻出汽车制动总泵体毛坯。 1 9 9 9 年以来，北科大、北京有色总院等采用电磁搅拌装置制备了a i s i t m g 合金、 a 3 5 7 合金的半固态坯料，并结合金相分析技术研究了其半固态组织的形成与转 变机制。2 0 0 0 年北京有色总院与东风汽车公司联合对a 3 5 7 、z l l 0 8 和a s 9 u 3 等 几种车用铝合金的半固态成形工艺进行了研究，结果显示其采用电磁搅拌所制备 的合金与国外公司生产的半固态坯料组织的形状因素和颗粒度等指标相近。通过 工艺优化试验，成功地采用半固态压铸技术制成了涡轮、连杆和水泵盖三种汽车 零件，且所有半固态压铸零件都通过了x 射线探伤检查，取得了一定的成果【3 卜3 3 1 。 总体而言，国内外对铝硅合金半固态技术的工艺、理论及应用现状如下： 1 1 对亚共晶和共晶成分的铝硅合金进行了系统的研究，其研究成果涵盖了制备方法 和工艺研究、合金材料的触变和流变性能研究、二次加热工艺研究、热处理工艺研究、 类球状组织形成机理研究等。 2 ) 进行了半固态成形过程中各工艺参数对亚共晶、共晶成分铝硅合金的微观组织、 材料的综合力学、物理性能影响规律研究。 3 1 a 3 5 6 、a 3 5 7 等亚共晶铝硅合金的半固态成形技术已取得了突破性进展，发达国家 已制造出相应成熟的触变和流变成形机组，并已进行大规模生产，其产品已进入汽车和 空调行业的零部件制造领域。 4 1 在电磁搅拌和机械搅拌的基础上研制出了多种半圆态浆料制备设备，相应的试验 机组也陆续诞生。 5 1 机械搅拌制各半固态过共晶铝硅合金的研究已初具成效。 1 3 半固态金属坯料制备方法 半固态金属浆料或坯料的制备是金属半固态成形的基础，也是半固态成形研 究的重点之一，其目的是要制备出含有一定分数的均匀分布的近球状初生固相的 半固态浆料，再根据需要把它直接成形或凝固成坯料后再成形。 获得半固态金属浆料或坯料的办法很多，主要有机械搅拌法、电磁搅拌法、 应变诱发熔化激活技术、晶粒细化热处理法、紊流效应法、超声振动法等 3 4 - 4 1 1 。 一8 昆i 理工人学碗l 学位论文 第一章概论 上述方法中多数还在实验研究中目前常用方法主要有机械搅拌法、电磁搅拌法 和应变诱发熔化激活技术等。 1 3 1 机械搅拌法 用机械搅拌法来制备流变铸造用固液混合金属浆料是普遍常用的方法。该 方法的主要设备是台流变铸造浆料制备器，有间歇式和连续式两种。在实验室 多数使用间歇式的，批量生产大多数用连续式的。 图1 7 间歇式流变浆料制各装置示意图图1 - 8 连续式流变浆料制备装置示意 f i g 1 - 7s c h e m a t i cd i a g r a mo fd i s c o n t i n u o u sp r e p a r a t i o n a p p a r a t u so fr h e o c a s t i n gs l u r r y f i g 1 - 8s c h e m a t i cd i a g r a mo fc o n t i n u o u sp r e p a r a t i o na p p a r a t u so fr h e o c a s t i n gs l u r r y 连续式装置包括棒式和螺旋式。棒式装置具有金属液不易氧化、固相分数易 控制、能连续生产的优点；其缺点是出料速度较慢，搅拌棒易损耗。螺旋式装置 具有向下挤压流体的作用，使出料速度加快。间歇式装置包括底浇式和倾转式。 底浇式装置的结构较为简单，倾转式装置的坩埚可以倾转，将部分凝固合金倒入 铸型，这有利于浇注过程的实现，但是在坩埚倾转前需将搅拌棒从合金浆料中提 出，金属的粘度会因为停止搅拌而上升。 图1 - 9 几种机械搅拌装置示意图 a 棒式b 螺旋式c 底浇式d 倾转式 f i g 1 - 9 s c h e m a t i cd i a g r a mo fm e c h a n i c a ls t i r r i n ga p p a r a t u s 蠡一旦幽且幽些霄。 垦型型! 叁兰堡：! ：堂堡堡塞 笙二萱竖笙 流变浆料制备器的独特功能是有控制地将金属液在冷却过程中生成的一次 相枝晶由旋转搅棒打碎成为需要的固液混合金属浆料。对铝合金和铜合金浆料， 搅棒和其上安装的浆叶可用石墨制成；对钢合金浆料，搅棒可采用空心氧化铝棒， 且在棒下部做成正方形截面，棒内通入冷却水。 机械搅拌法可以获得很高的剪切速率和较大的冷却速度，有益于形成细小均 匀的显微组织。其缺点是金属熔体与搅拌叶片直接接触，易造成腐蚀，直接影响 到搅拌器的寿命，同时金属浆料也易受到污染。此外，机械搅拌设备简单，但操 作困难，生产效率低。 1 3 2 电磁搅拌法 电磁搅拌法是利用旋转电磁场在金属液中产生感应电流，金属液在洛伦兹力 的作用下产生运动，从而达到对金属液搅拌的目的。目前有两种方法产生旋转磁 场：一种是在感应圈内通过交变电流的传统方法；另一种是1 9 9 3 年由法国的 c v i v e s c 推出的旋转永磁体法，其优点是电磁感应器由高性能永磁材料组成， 其内部产生的磁场强度高，通过改变永磁体的排列方式，可使金属液产生明显的 三维流动，既提高了搅拌效果，又可减少搅动时的气体卷入。 n 8 图1 1 0 电磁搅拌法连续制备半固态浆料 f i g 1 - 1 0s s ms l u r r ym a d eb yc o n t i n u o u se l e c t r o m a g n e ts t i r r i n g 电磁搅拌法是利用电磁感应的电磁力来搅拌正在冷却的半固态金属，属于非 接触式搅拌，其搅拌过程易于控制，产量大，因此在工业生产中得到了广泛的应 用。但交变电流的集肤效应使得电磁力从铸棒四周到中心逐渐减弱，所以电磁搅 拌不能生产大直径的铸棒。 1 3 3 液相线铸造法 液相线铸造法是在合金液相线温度下保温形核、应变诱发熔化后，再进行铸 造，以获得具有均匀细小非枝晶组织的方法。 昆叫埋工大学硕j 。学位论文第一章概论 1 3 4 粉末冶金法 粉末冶金法是先将金属粉末混合、压块，然后再加热使一种粉木熔化或不同 成分粉末相互扩散形成合金后熔化而形成固液混合金属浆料的方法。 1 3 5 喷射成形法 喷射成形法是在金属熔化成液态金属后，雾化为熔滴颗粒，在喷射气体作用 下部分凝固的微滴直接沉积在收集板上。当每个熔滴的冲击能够产生足够的剪切 力打碎熔滴内部形成的枝晶时，凝固后便成为颗粒状组织，经加热到局部熔化时， 也可得到具有球形颗粒固相的半固态合金，目前用这种方法已对铝、黑色金属以及 金属基复合材料进行了成功试验。与其它方法相比，该方法成本高，只适用于制 备特殊要求的坯料。 图1 一1 1 喷射成形法示意图 f i 9 1 - 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fs p r a yf o r m i n g 积蜒树 1 3 6 应变诱发熔化激活技术 应变诱发熔化激活技术( s t r a i n i n d u c e dm e l ta c t i v a t i o n ) ，简称s i m a ，该技 术的工艺流程为：对热挤压或热轧的直径较大的棒材旌加相当大的冷变形，然后 把它加热到固相线与液相线之间的某一温度，即固。液状态，保温一定时间，凝 固后就可形成非枝晶的半固态组织。这种获得细小球状等轴晶粒组织的工艺，目 前还未能从理论上获得圆满的解释，但般认为是由于回复与再结晶的结果。 当冷变形相当大时，就会发生回复与再结晶过程，形成新的晶界。若晶界能 大于固液界面能的2 倍，这种界面就是大角晶界的表面，液相会进入这些晶界， 大的晶粒碎化，形成细小的晶粒。在原来的树枝状晶粒碎化的同时，尖锐的凸起 昆叫删i 人学坝上学位论文第一章概论 部分熔化，由于扩散作用，凹处则发生凝固，于是液相基体结晶成细小的球状等 轴晶粒组织。 试验用s i m a 法获得的a i s i 6 合金晶粒的平均尺寸约为4 0 um ，比电磁搅拌 流变铸造的晶粒( 通常平均尺寸为6 0 pm 左右) 小得多。若冷却变形率更大一些， 晶粒平均尺寸可 2 5um 。不过，在固液区的保温时间不宜过长，否则晶粒会聚 集长大，通常保温时间不大于1 0 r a i n 。 1 3 7 形变热处理法 形变热处理晶粒细化法是对热加工的铸造材料施加一定量的冷变形、而后把 它加热到再结晶温度以上的某一温度，保温适当的时间，通过回复与再结晶，形 成适合于半固态加工的细小的球状等轴晶粒组织。形变热处理细化晶粒法与 s i m a 法的基本区别是，前者的加热温度低，仅比合金的再结晶开始温度高3 0 ( 2 左右；而后者的加热温度则相对较高，其加热温度在合金的固相线温度以上。 1 3 8 其他最新发展的方法 s e u 法：朱鸣芳等人将添加有微量元素的z a l 2 常规铸锭重新加热到固液两 相区进行半固态等温处理，获得了理想的非枝晶组织，称此法为s e u 法。影响 s e u 法处理效果，的主要因索有添加微量元素的种类和加入量、半固态等温加热温 度和保温时间等。该方法在实际生产应用中可将添加有微量元素的常规铸锭加热 到半固态，并保温适当时间，然后直接进行半圆态触变成形。因此，可进一步简 化工序，节省能源，是一种很有发展前途的新技术。 超声波处理法：v d o b a d k i n 等人提出了在液态金属中加细化剂，并进行超 声波处理后获得半固态铸锭的方法，称为超声波处理法。超声波是一种高频波， 在介质中传导时，产生周期性的应力和声压变化，在局部产生周期性高温高压效 应，在液体中产生空化和搅动作用。一般认为超声波细化的机理，一是超声波的 气蚀作用促进形核，二是枝晶的枝杆破断，且成为新晶粒的形核核心。采用压电 方法而不是磁力控制的方法产生超声波，可以使生产全过程保持振动频率和振幅 的稳定。 剪切冷却滚动法s c g ( s h e a r i n g c o o l i n g r o i l i n g ) ：制备装蚤由一旋转的剪切 冷却滚筒，固定在支撑架上的弯曲模块和1 个出料导板组成。滚筒和导板的间隙 可调，温度亦可调。金属液由顶部进入滚筒与弯曲模板的间隙中，由旋转的滚筒 所产生的摩擦力将其卷入间隙内部，此时金属液冷却、凝固并出现树枝晶，但随 即又被旋转滚筒和固定弯曲模板所产生的剪切力冲刷成细小颗粒分散在剩余液相 中，最终成为具有非枝晶组织的半固态浆料，从下方的出料导板排出。该装置简 1 垦i 坐些三芏堡：生堂尘苎堡塞里二里塑堡 单且操作维修方便，滚筒表面与金属液周期性接触，温度不会升得很高，可以降 低滚筒材料的高温强度要求，滚筒和模板的冷却也较易实现，要达到高的冷速可 以使用空心滚筒。此外，滚筒与模板表面的温度以及两者的间隙可独立调整，因 此比较容易达到制坯所需的工艺条件。目前用此法已经制备出铝合金半固态坯料， 该工艺方法适合于大批量生产。 1 4 过共晶铝硅合金的性能 过共晶铝硅合金的常规铸态组织由初生硅和( n 十s i ) 共晶体组成，其中初生 硅的尺寸、形貌和分布对合金的性能影响很大，是关键性的显微组织。概括起来， 过共晶铝硅合金具有以下特点 4 2 - 4 8 1 ： 1 ) 良好的耐磨性能。在过若晶铝硅合金中，随着含硅量增加，合金组织中的 初晶硅体积百分数增加，初晶硅是硬的质点，硅相的显微硬度为h v l 0 0 0 1 3 0 0 ， 而铝的显微硬度为h v 6 0 1 0 0 ，因此，过共晶a 1 s i 合金是一种理想的耐磨材料。 随着硅含量增加，合金的耐磨性也相应提高。在相同的实验条件下，含硅量2 6 的合金磨损量只有含硅量1 7 的合金的一半。 2 ) 良好的铸造性能。过共晶铝硅合金凝固时，由于初生硅析出，放出大量结 晶潜热，所以即使硅含量离开共晶点较远，直至2 0 一2 2 s i 时，合金仍有较好的 流动性。 3 ) 低的线膨胀系数。硅的线膨胀系数只有铝的三分之一，例如，2 0 。c 时，s i 为6 9 5 x1 0 一，a i 为2 2 4 1 10 。随着硅含量的增加，a 1 。s i 合金线膨胀系数降 低，体积稳定性提高。 1 5 过共晶铝硅合金的研究进展和应用 由于过共晶铝硅合金中初生硅相通常成粗大的板片状，随着硅含量的提高， 初生硅变得十分粗大，在常规铸造条件下，如果不变质细化初生硅，硅含量超过 1 8 后就难以铸出合格的产品；同时随着硅含量的提高，产品力学性能降低，切 削加工性能变差，因此，对过共晶铝硅台金的研究主要集中在如何改善产品的力 学性能与切削加工性能上。主要的方法有变质处理法、合金化处理法、喷射沉积 法、半固态搅拌法等。 初生硅的细化是人们研究的焦点。早期，人们采用超声波振动法、激冷法等， 虽然取得一定的效果，但在生产上受到一定的限制。后来人们采用加变质剂进行 变质处理的方法，取得了很好的效果，开发出系列的变质剂及其工艺流程。 合金化是提高过共晶铝硅力学性能的重要途径之一，在合金中加入适量的合 会元素，可以细化合会组织，从而提高台盒的力学性能。 一1 3 垦型型王丛鲎堡土主丝造苎塑二童 塑堡 喷射沉积法是近几年研究的热点。熔融的过共晶铝硅合金可以喷射成板、管 等形状的成品，也可以先喷射成棒状坯料，凝固后再二次加热至半固态，然后进 行触变成形。过共晶铝硅合金喷射沉积成形合金具有高硬度、高抗疲劳强度，并 有良好的耐磨性。但这种加工方法成本较高，工艺还不太完善，目前一段时问内 还难以大范围推广。 近几年，人们开始用搅拌的方法来改善初生硅的尺寸和形貌。在过共晶铝硅 合金常规铸造中，由于硅和铝的熔点相差很大，铸件中容易出现硅的偏析，铸件 的外表面和上表面硅含量高，中心部位硅含量低，有时中心部位甚至有n 相出现。 电磁搅拌能够改善硅的宏观偏析，除外表层外，整个铸件内部硅分布较均匀，并 且电磁搅拌对过共晶铝硅合金的初生硅有良好的细化作用。毛