（材料学专业论文）固液混合铸造过共晶alsi合金的研究.pdf

. 中南大学硕士学位论文.摘要 abs tract a b r a n - n e w t e c h n o l o g y : s o l id - l i q u i d mi x e d c a s t i n g i s p r e l i m i l a r e l y s t u d i e d i n t h i s a rt i c le w i t h t h e e q u i p m e n t a n d p a r a m e t e r s . i t s u c c e s s f u l l y p r e p a r e d h y p e r e u t e c t i c a l - s i a n d a l - s i - c u - mg i n g o t w i t h f i n e p r i m a r y s i l i c o n ， w h i c h c a n n o t b e p r o d u c e d b y c o n v e n t i o n a l m e t h o d s . t h e a v e r a g e s i z e o f p r i m a r y s i l i c o n c a n b e u n d e r 5 1p m . r e s e a r c h o n t h e m i c r o - s t r u c t u r e , r h e o f o r m i n g , t h i x o f o r m i n g a n d h o t e x t r u s i o n a r e s t u d ie d r e s p e c t i v e l y . t h e r o o m t e m p e r a t u r e m e c h a n i c a l p r o p e rt i e s a r e m e a s u r e d w i t h t h e s t r e n g t h e n i n g m e c h a n i s m a n d r u p t u r e m e c h a n i s m . t h e h e a t t r e a t m e n t s o f h y p e r e u t e c t i c a i - s i a n d a l - s i - c u - mg a r e a l s o s t u d i e d . i n a d d i t i o n , c o n c r e t e l y a n a l y s i s o n t h e w e a r r e s i s t a n c e o f h y p e r e u t e c t i c a l - s i a n d a i - s i - c u - mg h a s b e e n d i s c u s s e d . i n v e s t i g a t e t h e r e l a t i o n s h ip b e t w e e n t h e a m o u n t o f p o w d e r a n d s t r u c t u r e a n d p r o p e rt y i s t h e e m p h a s e s o f t h e a r t i c l e . t h r o u g h t h e s e s t u d i e s , r e s u l t s a r e c o n c l u d e d a s b e l o w : t h e p r i m a ry s i l i c o n c a n b e e x t r e m e l y f i n e d b y t h e s a m e i n g r e d i e n t p o w d e r a d d e d t o t h e s l u r ry , a n d t h e m a t r i x c a n b e r o s e tt e n i z e d b y t h e e f f e c t o f a g i t a t i o n . t h e m o r e t h e p o w d e r i s a d d e d , t h e f i n e r p r i m a r y s i l i c o n c a n b e g o t . t h e p o w d e r a l s o h a s a n i m p o rt a n t e f f e c t o n t h e r o o m t e m p e r a t u r e m e c h a n ic a l p r o p e rt y . t h e m e c h a n i c a l p r o p e rt y i s h i g h e r w i t h t h e m o r e p o w d e r a d d e d . t h e r o o m t e m p e r a t u r e m e c h a n i c a l p r o p e rt y o f a l - s i w i t h 2 6 0 % p o w d e r a d d e d a ft e r r h e o f o r m i n g c a n r e a c h a 、 二 1 6 5 .7 m p a , 5 = 3 . 6 % ; a ft e r t h i x o f o r m i n g c a n r e a c h a b = 1 6 3 . 1 m p a , 5 = 3 . 8 % ; a ft e r h o t e x t r u s i o n c a n r e a c h a , = 1 7 8 .7 m p a , 5 二 3 . 9 % ; a n d a l - s i - c u - m g w i t h 1 4 5 % p o w d e r a d d e d c a n r e a c h a , = 2 3 8 .6 m p a , 5 二 0 . 3 % ; a ft e r h o t e x t r u s i o n a t t 6 h e a t t r e a t m e n t c o n d it i o n r e s p e c t iv e l y . t h e y a r e m u c h b e t t e r t h a n t h e c o n v e n t i o n a l c a s t i n g a n d m a c h i n e a g i t a t i n g w i t h o u t p o w d e r a d d e d . o n t h e o t h e r h a n d , t h e p r o p e rt y c a n b e s t r e n g t h e n e d b y t h e e l e m e n t c u a n d mg a d d e d b e c a u s e o f t h e s e c o n d p h a s e mg 2 s i a n d a 1 2 c u s e p a r a t e d o u t . t h e w e a r r e s i s t a n c e p r o p e rt y i s b e tt e r a n d b e t t e r w i t h t h e m o r e a n d m o r e p o w d e r a d d e d . wh e n t h e p o w d e r a d d e d u p t o 4 0 0 % , t h e h y p e r e u t e c t i c a l - s i g o t a n e x c e l l e n t w e a r r e s i s t a n c e p r o p e rt y , a n d t h e g r a i n a b r a s i o n i s t h e m a i n m e c h a n i s m e i t h e r i n t h e r o o m t e m p e r a t u r e o r i n t h e h i g h t e m p e r a t u r e . . 中南大学硕士学i论文.摘要 i n a d d it i o n t o t h e f i n e p r i m a r y s i l i c o n c a n b e g o t t h r o u g h c a s t i n g , t h e i n g o t m a d e b y s o l i d - l i q u i d mix e d c a s t in g h a s a v e r y w e l l b e h i n d p r o c e s s f o r m a b i l it y w i t h t h e f o r m p r e s s u r e u n d e r 1 0 0 t , s o l i d - l i q u i d m i x e d c a s t i n g t e c h n i q u e h a s a p o t e n t ia l ly w i d e a p p l ic a t i o n ke y wo r d s : s o l i d - l i q u i d mix e d c a s t in g r h e o f o r m i n gt h i x o f o r m i n g h y p e r e u t e c t i c a i - s i a ll o y ho t e x t r u s i o n 皿 . 中南) 、 学硕 _ 学位论文. 羁一章:文以练述 第一章文献综述 1 . 1过共晶a l - s i 合金的研究意义与发展概况 过共晶铝硅合金具有硬度高、耐磨、尺寸稳定性好和热膨胀系数小一 系列独特的优良性能，特别是在要求耐磨耐高温的场合 ( 尤其是作为活塞 材料)更具有广阔的发展前景i s 。在这类合金中，初晶硅作为硬质点，起着 提高耐磨性的作用。然而，过共晶铝硅合金的最大缺点是初晶硅粗大，且 硬而脆，是合金性能变差，加工性能变坏曰 。因此，使过共晶铝硅合金更具 有应用价值的关键是细化初晶硅。 为了细化初晶硅，研究方法主要从两方面着手。一是采用特殊的制备 技术来制备合金材料r l ，而是采用变质处理法来细化晶粒4 1 从制备方法来说，至九十年代以来，国内采用过的方法有超声波振动 法、急冷法、低温连铸法和熔体加压铸造法等，这些方法虽有一定的细化 效果，但都不是很理想2 1 。近年来，国内外最新采用的方法是快速凝固法， 如粉末冶余法，喷射沉积法等。研究表明这些方法是制备高性能过共晶铝 硅合金材料的理想选择，它己获得了广泛的应用13 1 国内研究最多，文献报导量最大，且已取得一定收效的方法是变质处 理。1 9 3 3年就发现向过共晶铝硅合金中添加赤磷可使初晶硅细化，赤磷的 添加量约为合金的 。 .5 % 1 1 。由于赤磷燃点低，运输和储存不安全，加入合 金时会产生很大的烟雾，给生产带来困难，所以后来采用赤磷的化合物或 合金的添加剂。目前工商应用以磷铜为主，其磷含量一般为8 % - 1 0 %. 近年来，国内外过共晶铝硅的双重变质处理研究较多，主要目的是同 时细化初晶硅和共晶硅。解决问题的主要途径还是寻求具有良好双重变质 效果的复合变质剂。这一方面，国内学者做了很多工作并取得了一定效果。 如用0 . 1 % 磷m% 硫复合变质剂，初晶硅变质效果不仅比单独用磷或单独用 硫的效果要好，而且共晶硅也得到了细化，分布比较均匀。初晶硅的平均 尺寸在 3 0 p m 左右，共晶硅呈短杆或颗粒状13 1 。在国内，象重庆有色金属 研究所、北京航空材料研究所、成都内燃机配件厂和福建省冶金工业研究 所等对过共晶的研究较多12 1 . 中南) 、 学硕 _ 学位论文. 羁一章:文以练述 第一章文献综述 1 . 1过共晶a l - s i 合金的研究意义与发展概况 过共晶铝硅合金具有硬度高、耐磨、尺寸稳定性好和热膨胀系数小一 系列独特的优良性能，特别是在要求耐磨耐高温的场合 ( 尤其是作为活塞 材料)更具有广阔的发展前景i s 。在这类合金中，初晶硅作为硬质点，起着 提高耐磨性的作用。然而，过共晶铝硅合金的最大缺点是初晶硅粗大，且 硬而脆，是合金性能变差，加工性能变坏曰 。因此，使过共晶铝硅合金更具 有应用价值的关键是细化初晶硅。 为了细化初晶硅，研究方法主要从两方面着手。一是采用特殊的制备 技术来制备合金材料r l ，而是采用变质处理法来细化晶粒4 1 从制备方法来说，至九十年代以来，国内采用过的方法有超声波振动 法、急冷法、低温连铸法和熔体加压铸造法等，这些方法虽有一定的细化 效果，但都不是很理想2 1 。近年来，国内外最新采用的方法是快速凝固法， 如粉末冶余法，喷射沉积法等。研究表明这些方法是制备高性能过共晶铝 硅合金材料的理想选择，它己获得了广泛的应用13 1 国内研究最多，文献报导量最大，且已取得一定收效的方法是变质处 理。1 9 3 3年就发现向过共晶铝硅合金中添加赤磷可使初晶硅细化，赤磷的 添加量约为合金的 。 .5 % 1 1 。由于赤磷燃点低，运输和储存不安全，加入合 金时会产生很大的烟雾，给生产带来困难，所以后来采用赤磷的化合物或 合金的添加剂。目前工商应用以磷铜为主，其磷含量一般为8 % - 1 0 %. 近年来，国内外过共晶铝硅的双重变质处理研究较多，主要目的是同 时细化初晶硅和共晶硅。解决问题的主要途径还是寻求具有良好双重变质 效果的复合变质剂。这一方面，国内学者做了很多工作并取得了一定效果。 如用0 . 1 % 磷m% 硫复合变质剂，初晶硅变质效果不仅比单独用磷或单独用 硫的效果要好，而且共晶硅也得到了细化，分布比较均匀。初晶硅的平均 尺寸在 3 0 p m 左右，共晶硅呈短杆或颗粒状13 1 。在国内，象重庆有色金属 研究所、北京航空材料研究所、成都内燃机配件厂和福建省冶金工业研究 所等对过共晶的研究较多12 1 . 中南大学硕士学位论文 .第一章:文献综述 过共晶铝硅合金的组织和性能与其成分、 变质处理、 铸造条件和热处理 状态有关。 铝硅合金含多少硅时其耐磨性能最好，有如下几种不同的看法: 近共晶合金具有很好的耐磨性和承载能力; 铝硅合金的磨损率随含硅量的增 加而线性下降， 含硅2 0 % 以内， 含硅量对合金的 耐磨性影响不大。 一般来说， 含硅量越高， 硬质相多而耐磨， 并能降低合金的密度和热膨胀系数， 但结晶 范围加大，铸造工艺变得更复杂，机加工性变差。为了兼顾各种性能， 硅含 量 一般选 择 在1 6 % - 2 4 % . c u 和m g 元素是铝硅 合金中 的主 要 强化元素， 除 固 溶强化 作 用 外， 还分别形成a 1 2 c u 和m g 2 s i 等强 化相， 可 提高 合金的 室温 和高温断裂强度。有人指出c u的加人还能改善合金的切削性能并提高表面 光洁度， 但若加得过多会使合金的线膨胀系数增加。 也有人谈到秘和铅可改 善过共晶铝硅合金的机加工性。锰也具有固溶强化作用，还可使粗针状的 f e 2 s i2 a l y 转化成骨骼状的a l m n f e s i ， 从而减轻杂质铁对合金塑性的不良 影 响。国外还采用 n i 作为添加元素以 进一步提高铝硅合金的高温性能。国内 采用的主要是混合稀土元素，混合稀土与铝形成高温稳定强化相 a 1 4 l a , a 14 c e 等。 不同的变质处理和熔铸工艺因所得到的组织各异而影响合金的性能。 杭 州制氧厂曾 用不同的n a - p复合变质剂处理含硅 1 8 % 的铝硅合金，变质后晶 粒度有很大 差别。 大连理工大学实验过不同的 熔炼工艺对a l - 2 5 % s i 合金性 能的 影响 2 1 ， 研究了 过共晶 铝硅合金在旋转磁场下 凝固 组 织， 发现旋转磁场 对过共晶 铝硅合金的初晶硅有很好的细化作用， 而且旋转磁场与变质剂联合 作用时效果更佳， 但旋转磁场对共晶硅无明显细化作用， 旋转磁场使试样表 面层出 现初晶 硅富集， 使初晶硅分枝， 提高了 试样表面硬度 使耐磨性提高。 热处理是改变材料性能的重要途径， 过共晶的热处理工艺在国内 工具手 册上查不到。 作为强化措施通常采用t 6 处理， 但淬火温度、固溶时间、时 效温度与时间等参数由生产厂家根据不同成分来选定。 固溶处理使共晶硅粒 状化，初晶硅尖角钝化，经后期时效提高强度。 变质处理虽然研究历史比较长， 但对初晶硅的细化并没有质的突破， 因 此， 近几年来， 过共晶铝硅合金研究主要以快速凝固方法为主。在最近几年 来， 我国一些重点科研院所也相继采用快速凝固 方法开始了 过共晶铝硅合金 的 研究，由于起步较晚，还处于实验阶段，与国 外水平有一定差距。 . 甲南人学i s j ( _ 学位沦文.第一录:人献综述 1 . 2 半固态加工简介 1 . 2 . 1半固态加工发展历史概况 半固态加工，是将既非全呈液态，又非全呈固态的金属浆料加工成形 的一种新i艺 16 1 。 半固态加i是由m . c .f l e m i n e s 等m i t学者们发明的一 种采用旋转双桶机械搅动铸造工艺 ( s t i r c a s t ) ii 发展而来的。搅动铸造制 备的 合 金 一 般 称为 非 枝晶 组 织合金 ( n o n - d e n d r it i c s t r u c t u r e a l l o y s ) 或称部 分 铸造合 金 ( p a rt i a l l y s o l i d i f i e d c a s t i n g a l l o y s ) . f l e m i n g s 教授等人发现通过对处在半固 态区的s n - 1 5 % p b 合金浆液进行 强力搅拌，其剪切作用能打碎熔体凝固时形成的枝晶网络结构，得到一种 近球形 状 的 初 始固相 颗粒均匀分布 于液相的 组织 (9 1 。 后 采， f l e m i n g s 教 授等 人相继提出了 “ 流变铸造” 、“ 搅溶成形”等一系列成形工艺p o i 。半固态加 工几乎适用于所有合金，如铝合金、工具钢、不锈钢、铜合金、镁合金及 超合金等，适用于各种金属基复合材料的制备与加工。八十年代以来，日 本东京大学的m. k i u c h i 教授等人也在这一领域进行了深入的研究，发展了 半固态挤压工艺p o i 。九十年代至今，英国 s h e f fi e ld的大学搅溶成形研究室 也进行了大量的研究工作，并与公司及欧洲许多研究机构联合发展了半固 态加 工与 喷 射 沉积相结合 工艺的 研究工程 n n 1 . 2 . 2 半固态加工工艺的优点 半固态加工工艺的优点可归纳于图 1 - 1中, r - .i ; 。工艺上的优势主要有: 不需加任何晶粒细化剂即可获得细晶粒组织;加工工序荀化，成形温度低， 变形力低，生产率提高，工艺周期缩短;模具寿命延长;减少了污染和不 安全因素:并且，半固态加工能够实现生产连续与自 动化，适合采用计算 机辅助设计与制造。产品上的优势主要有:铸件质量高，减轻了铸件中的 收缩、孔洞等缺陷:成形件尺寸精度高，加工余量少， 近净成形;成形合 . 甲南人学i s j ( _ 学位沦文.第一录:人献综述 1 . 2 半固态加工简介 1 . 2 . 1半固态加工发展历史概况 半固态加工，是将既非全呈液态，又非全呈固态的金属浆料加工成形 的一种新i艺 16 1 。 半固态加i是由m . c .f l e m i n e s 等m i t学者们发明的一 种采用旋转双桶机械搅动铸造工艺 ( s t i r c a s t ) ii 发展而来的。搅动铸造制 备的 合 金 一 般 称为 非 枝晶 组 织合金 ( n o n - d e n d r it i c s t r u c t u r e a l l o y s ) 或称部 分 铸造合 金 ( p a rt i a l l y s o l i d i f i e d c a s t i n g a l l o y s ) . f l e m i n g s 教授等人发现通过对处在半固 态区的s n - 1 5 % p b 合金浆液进行 强力搅拌，其剪切作用能打碎熔体凝固时形成的枝晶网络结构，得到一种 近球形 状 的 初 始固相 颗粒均匀分布 于液相的 组织 (9 1 。 后 采， f l e m i n g s 教 授等 人相继提出了 “ 流变铸造” 、“ 搅溶成形”等一系列成形工艺p o i 。半固态加 工几乎适用于所有合金，如铝合金、工具钢、不锈钢、铜合金、镁合金及 超合金等，适用于各种金属基复合材料的制备与加工。八十年代以来，日 本东京大学的m. k i u c h i 教授等人也在这一领域进行了深入的研究，发展了 半固态挤压工艺p o i 。九十年代至今，英国 s h e f fi e ld的大学搅溶成形研究室 也进行了大量的研究工作，并与公司及欧洲许多研究机构联合发展了半固 态加 工与 喷 射 沉积相结合 工艺的 研究工程 n n 1 . 2 . 2 半固态加工工艺的优点 半固态加工工艺的优点可归纳于图 1 - 1中, r - .i ; 。工艺上的优势主要有: 不需加任何晶粒细化剂即可获得细晶粒组织;加工工序荀化，成形温度低， 变形力低，生产率提高，工艺周期缩短;模具寿命延长;减少了污染和不 安全因素:并且，半固态加工能够实现生产连续与自 动化，适合采用计算 机辅助设计与制造。产品上的优势主要有:铸件质量高，减轻了铸件中的 收缩、孔洞等缺陷:成形件尺寸精度高，加工余量少， 近净成形;成形合 “ 中南大学硕士学位沦文.第一章:文献综述 金范围广，适合制造金属基复合材料。 图1 - i 半固态加工工艺优点概图 1 . 3 半固态非枝晶组织的基本物理性能 1 .3 . 1半固态非枝晶组织的形成机理 半固态金属是由细小等轴的非枝晶初始晶粒与后凝固的 液相组成。 影响 半固态 非枝晶 组织形成的主要因素有冷却速度、 剪切速率、 原始固相组分、 搅 拌 时 间、 预 变 形 量 和 半固 态等 温 温 度 等 9 - 13 a f l e m i n g s 认 为， 凝固 过 程中 激烈搅拌的合金浆液中初始球形颗粒的形成与下列枝晶破碎机理有关 14 , 1 5 , 1 9 , 2 0 1 ( 1 )枝晶臂根部断裂机制。由 于切变力的作 用， 枝晶臂在根部断裂， 最初形成的枝晶是无位错和切口的理想晶体。 施加强力搅拌后， 产生切变力 使枝晶臂在根部断裂。 ( 2 )枝晶臂根部熔断机制。由于液体流动加速液体中的扩散，引起 “ 中南大学硕士学位沦文.第一章:文献综述 金范围广，适合制造金属基复合材料。 图1 - i 半固态加工工艺优点概图 1 . 3 半固态非枝晶组织的基本物理性能 1 .3 . 1半固态非枝晶组织的形成机理 半固态金属是由细小等轴的非枝晶初始晶粒与后凝固的 液相组成。 影响 半固态 非枝晶 组织形成的主要因素有冷却速度、 剪切速率、 原始固相组分、 搅 拌 时 间、 预 变 形 量 和 半固 态等 温 温 度 等 9 - 13 a f l e m i n g s 认 为， 凝固 过 程中 激烈搅拌的合金浆液中初始球形颗粒的形成与下列枝晶破碎机理有关 14 , 1 5 , 1 9 , 2 0 1 ( 1 )枝晶臂根部断裂机制。由 于切变力的作 用， 枝晶臂在根部断裂， 最初形成的枝晶是无位错和切口的理想晶体。 施加强力搅拌后， 产生切变力 使枝晶臂在根部断裂。 ( 2 )枝晶臂根部熔断机制。由于液体流动加速液体中的扩散，引起 “ 中南大学硕士学位沦文.第一章:文献综述 金范围广，适合制造金属基复合材料。 图1 - i 半固态加工工艺优点概图 1 . 3 半固态非枝晶组织的基本物理性能 1 .3 . 1半固态非枝晶组织的形成机理 半固态金属是由细小等轴的非枝晶初始晶粒与后凝固的 液相组成。 影响 半固态 非枝晶 组织形成的主要因素有冷却速度、 剪切速率、 原始固相组分、 搅 拌 时 间、 预 变 形 量 和 半固 态等 温 温 度 等 9 - 13 a f l e m i n g s 认 为， 凝固 过 程中 激烈搅拌的合金浆液中初始球形颗粒的形成与下列枝晶破碎机理有关 14 , 1 5 , 1 9 , 2 0 1 ( 1 )枝晶臂根部断裂机制。由 于切变力的作 用， 枝晶臂在根部断裂， 最初形成的枝晶是无位错和切口的理想晶体。 施加强力搅拌后， 产生切变力 使枝晶臂在根部断裂。 ( 2 )枝晶臂根部熔断机制。由于液体流动加速液体中的扩散，引起 . 中南人学硕上学位论文 .弗一考:文献练述 热振动和在根部产尘有助于熔化的应力，促进了此机制的作用，同时在根 部固体中较高质量分数的溶质也将降低熔点，促进局部熔断。 ( 3)枝晶弯曲机制。枝晶臂在流动应力作用下发生弯曲，产生位错 导致发生塑性变形。在固相线以上温度，位错间发生攀移并相互结合形成 晶界，当相邻晶粒的取向差超过 2 0 度，晶粒晶界能超过固/ 液界面能的两倍 ，厂 ) t, -洲又 /各、 一 尸一 、尸 ij厂 一- 、/一 、，r ( a ) - 一 、f s 厂一 、2 、。 厂 ( c ) ( d ) 图 1 - 2 枝晶断裂机制示意图 ( a ) 变形 枝 晶 : ( b ) 弯曲 后枝晶: ( c ) 晶界 形 成: ( d ) r , b 2 r , 晶 界 润 湿 时， 液体将润湿晶界并沿着晶界迅速渗透， 使枝晶臂与主干分离开( 图1 - 2 ) 0 经激烈搅动破碎后的枝晶臂 ( 图 1 - 3 a ) ，在一定的条件下仍以枝晶形式生长 ( 图 1 - 3 b ) ，随着凝固过程中切变的继续和时间的增加，以及晶粒长大、切 变和晶粒间的相互摩擦，使得枝晶形状变成“ 蔷薇”形 ( 图1 - 3 c ) ，进一 ( b ) ( c ) ( d ) 提高切变速度，增加时间，降低冷却速度 流铸中组织变化 图1 - 3搅拌凝固过程中枝晶球化示意图 ( a ) 初始枝品碎片:( b )枝品生长:( c )蔷薇形晶粒; ( d )氏大了的蔷薇形晶粒:( e ) 球形品粒 步冷却期间晶粒 “ 蔷薇”化进一步加深 ( 图 1 - 3 d ) ，直至足够过冷和切变下， 晶粒变成球形 ( 图l v e ) .随着切变速度、凝固量的增加和冷却速度的降低， 晶粒由枝晶转变为球状颗粒的趋势增加。 由初始晶粒的形成机理我们可以知道，搅动浆液中的初始固相颗粒的形 状与大小主要受下面三个因素影响:冷速、剪切速度和浆液中的固相体积 分数1 1 6 .2 11 。冷却速度、剪切速率和固相体积分数越大，则颗粒的平均尺寸越 小，形状越复杂。 . 中南大学硕士学位论文.第一章 文献综述 1 . 3 . 2半固态非枝晶组织的流变性 ( r h e o l o g y ) 1 . 3 . 2 . 1 流变性简介 合金在半凝固状态下呈现的这种类似液体可以流动的、 带有粘性的特性， 称为流变性， 亦称为伪塑性 p s e u d o p l a s t i c i t y ) ， 表征浆液的 变形性和流动性 能6 ,9 1当 金属液中的固相组分大于。 .0 0 5 - 0 . 1 时， 其流变行为呈现非牛顿体 型 ( 拟塑性) ，当金属液中的固相组分为0 .5 . 0 .6 甚至更高时， 浆液呈现非线 性粘塑 性， 具有宾汉 ( b i n g h a m ) 流体的 特性。 所以， 随固 相 组分的 增加， 浆液流体从牛顿流体到拟塑性流体再到宾汉流体变化。通常采用 c o u e t te 9 ,2 2 1 , s e a r le 2 3 1 同 轴圆 筒 式粘 度计或 平 板式 粘度 计 2 4 1测 定合金的 表 观 粘度来研究半固态金属的流变行为。 研究半固态金属的流变性能具有很重要 的 指 导意 义， 常 采 用的 合 金有s n - p b . a l - s i . a l - c u - m g , a l - z n 等。 表观粘度( 们是固 相组分 f 5 , 剪切速 率y 、 时间t 、 和 金 属液初始 条件 。 的 函 数 2 5 ,2 6 1 ， 即 : 刀 =f ( f * y , t , c ) 表 观 粘 度 的 定 义 为 9 ,3 11 77 , = ( d r l d r ) ，二 。 汪之清等人2 8 1 通过搅拌剪切试验测定了 在不同固 体组分下的铝铜铁板 固态金属的表观粘度，得到半固态金属表观粘度的公式表示为: 。 一 。 小: a p m c 1 1 3 7 一 4 / 3 / f一 1 / (0 . 7 2 一q c 1 / 3 1 , 一 ， / 3 ( 尸 口 s ) 其中q、p 为常数，n 为半固态金属表观粘度 ( p a .s ) ; 几 。为金属液表观 粘 度 ( p a .s ) ; p m 为 合 金密 度 ( k g 二 一3 ) . 。 为 凝固 速 度 ( s - 1 ) ; 伪剪 切 变 形速 度 ( s 1 ) ; f , 为 固 相 率。 从微观上讲，粘度主要是由于颗粒在剪切作用下结构的破坏和重建趋势 的不同 所引起的。 常用的粘度有稳态粘度9 _ 和表观粘度n ， 两者关系为2 6 1 。 一 。 . 十 ( : 1 . ) a 于 /a 其中， 7为稳态下的剪切速率。 千q , 人字oo 7 : 1 : 学泣论文 .妈一章:文献综述 1 . 3 . 2 . 2 流变性的影响因素 影响表观枯度的主要因素有:固相组分、冷却速度和剪切速率。 ( 1 ) 固相体积分数 ( f ) 金属浆液实际上也是固相颗粒悬浮于液相中的一种悬浮液。由悬浮液 原理可知，其粘度主要决定于固相粒子间的相互作用、固相分数、固相粒 子的粒度分布， 颗粒的形状及固相的聚集状态。s p e n c e 尸等人经过大量的 试验研究得到:金属液的表观粘度随固相分数的增大而增大。随着固相组 分的增大，液相组分的减少，浆液形核增多，固相的碰撞和聚集的机会也 就越多，颗粒间的运动越困难 状因 子f 来 表 征 - 9 . f ，因而表观粘度越大。固相颗粒的形状用形 = 8 n ,. - / 3 拭n .a n , :单位长度内固 液相界面数， n q 单位面积内固相颗粒数目 。 f一般大于 1 ，当f 等于1 时，颗粒形状为球状。f 越大，固相粒子大小分布越不均匀， 固相状态聚集越大，则这种金属液的颗粒运动越困难，表观粘度也就越大。 ( 2 ) 剪切速率 ( y ) 在一恒温下或固定固体体积分数时，连续搅拌合金浆液可使粘度降低， 并达到一稳定值 ( 此时称为稳定状态) ，在此阶段增加和降低切变速度可证 明半固态浆液具有假塑性行为。理解表观粘度和切变速率间的关系常用经 典的 “ 指数定律”模型9 . 6 .7 7 0 刃 = k - y ” 一 ! k为常数， n为指数，大小为 0 - 1 。当n为 1 时，浆液为牛顿流体:当n为 0 时， 浆液为全塑性流体。 k 和固相组分有很大的关系， 如下公 式表示3 0 : k= a e x p ( b f、 ) 当剪切速率越大时，对枝晶的破碎越厉害，晶粒更圆滑、密实，颗粒间 运动越容易:另外，剪切速率越大，颗粒间的分离趋势就越大，颗粒更易 于运动，表观粘度越小。一定剪切速率下的连续冷却合金熔体的表观粘度 n 和剪切速率丫 的关系 通常可表述为: 厂 y () 干! + 厂|钊八ji、 人 了、 艺 叮 二厂 . 中南大学硕士学位论文， 第一章:文献 综述 式中f , , f 5 * 分别为与剪切速率和冷却速率有关的临界固 相分数和瞬时固相分 数，n - ( f s ) = a l e x p ( b j , f , ) , y ( f , ) = a 2 e x p ( b 2 ,f ,)， 其它参数均为经验常数 ( 3 ) 冷却速率对表观粘度的影响 冷 却 速 度 也 是 影响 表 观 粘 度的 一 个重 要因 素。 p a j o 州 2 7 ,2 3 0 1 等 人 通 过大 量的试验研究得出:在给定的固相分数下， 金属浆液的表观粘度随冷却速度 的增大而增大。这是因为，随着冷却速度的减小，浆液中的固相颗粒有足够 的时间生长， 在剪切作用下， 生成的颗粒更圆大， 更均匀， 颗粒间的运动更 容易， 粘度减小;另外，冷却速度增大，颗粒的形状和大小的分布范围增大 12 7 1 ， 固相组分中同时增大了 夹杂的液相量， 这等同于增大了“ 有效” 的固相 量，所以粘度增大。 1 . 3 . 2 . 3 流变性内变量模型 k u m a r (3 2 采用了 一种内 部变 量s 将半固 态金属的 微观结 构动 力学和宏观 流动行为联系起来，这个内部变量模型包括: t= 几 呱 , t , s i- k ) 描述材料的状态，和 d s p / d t 一 s ， 一 : ， 呱,t , s ,_ k )1 : : : 、 描 述内 部 变 量的 变 化过 程。t ij 为 应 力 状态，y为 剪 切 速 度，s l _ k 为表 观 材 料状态特性的内部变量。 k u m a r 3 2 ,3 3 1 等人在此基础上进一步深化了 半固 态金属内 变量流变模型， 这个模型是在用一个变量 s代表金属固相粒子团聚程度的情况下推导出来 的。当固 相粒子都连接在一起时，即s = 1 ， 半固 态浆液处于全聚集态;当没 有任何固相粒子相连接时，即s = 0 ， 此时， 半固态金属处于完全非凝聚态 这个模型包括两个方程; 第一代表了在给定s 条件下的材料的流动行为， 由 下式表示: ， 、(c / 。 _ _ 寸3_、 t = a l s ) = 卞尸 肾 二 长 不 s k t y + ( n + l ) ,u ; - c (t )s .f y l 1 一脚c , 厂 a ( s ) 为建立在固相颗粒相貌上的流体动力学相关系数: a (s ) = .1 , s + a 2 . 中南大学硕士学位论文 . 第一章:文献综述 c为考虑了夹杂液相的有效固相分数: c = f ( 1 + o . 1 s ) s = h ( t , f x l 一 s ) 一 r ( t , f ) s 7 h ( t , f s ) 为团聚函数， 表征固相颗粒的团 聚程度，r ( t , f ) 破碎函 数表征固 相颗 粒的破碎程度。 1 .3 . 3 半固态非枝晶组织的触变性 ( t h i x o t r o p y ) 1 .3 .3 . 1 触变性简介 在剪切作用下， 合金浆液的表观粘度随搅拌时间的延长而下降， 剪切力 也随之下降这样一种现象就称之为半固态金属浆液的触变性。 它反映了半固 态金属的表观粘度与剪切时间之间的关系， 表征了半固态金属浆料对时间的 依赖性6 1 。 度量金属浆料的触变性有三种方法9 1 . ( 1 )某一剪切率下表观粘度和稳态粘度两者的差别越大， 触变性越大; ( 2 ) 剪切某一金属液自 稳态粘度后停止搅拌，由稳态粘度状态恢复到 初始剪切瞬间粘度的时间越长，触变性越大; ( 3 ) 触变性迟滞回线的面积越大，触变性越大。 度量迟滞回线面积的方法来度量触变性的大小是一种很直观的方法。 r a .j o ly 等 人发 现 a l l ， 对 浆液 进 行 搅 拌时， 剪切 速率 从。 慢 慢 增加， 剪 切 应 力随着从0 增加到一最大值;慢慢降低剪切速率至0 .剪切应力液随着降低 到0 ，这种现象反映到剪切应力和剪切速率曲线图上所构成的封闭曲线，就 日曰曰1已只侧尽卿 2 0 0 剪切遭率s - 1 图 1 - 4 触变性迟滞回线示意图 . 中南大学硕士学位论文 . 第一章:文献综述 c为考虑了夹杂液相的有效固相分数: c = f ( 1 + o . 1 s ) s = h ( t , f x l 一 s ) 一 r ( t , f ) s 7 h ( t , f s ) 为团聚函数， 表征固相颗粒的团 聚程度，r ( t , f ) 破碎函 数表征固 相颗 粒的破碎程度。 1 .3 . 3 半固态非枝晶组织的触变性 ( t h i x o t r o p y ) 1 .3 .3 . 1 触变性简介 在剪切作用下， 合金浆液的表观粘度随搅拌时间的延长而下降， 剪切力 也随之下降这样一种现象就称之为半固态金属浆液的触变性。 它反映了半固 态金属的表观粘度与剪切时间之间的关系， 表征了半固态金属浆料对时间的 依赖性6 1 。 度量金属浆料的触变性有三种方法9 1 . ( 1 )某一剪切率下表观粘度和稳态粘度两者的差别越大， 触变性越大; ( 2 ) 剪切某一金属液自 稳态粘度后停止搅拌，由稳态粘度状态恢复到 初始剪切瞬间粘度的时间越长，触变性越大; ( 3 ) 触变性迟滞回线的面积越大，触变性越大。 度量迟滞回线面积的方法来度量触变性的大小是一种很直观的方法。 r a .j o ly 等 人发 现 a l l ， 对 浆液 进 行 搅 拌时， 剪切 速率 从。 慢 慢 增加， 剪 切 应 力随着从0 增加到一最大值;慢慢降低剪切速率至0 .剪切应力液随着降低 到0 ，这种现象反映到剪切应力和剪切速率曲线图上所构成的封闭曲线，就 日曰曰1已只侧尽卿 2 0 0 剪切遭率s - 1 图 1 - 4 触变性迟滞回线示意图 . 中南大学硕士学位论文 . 第一章 文献综述 称为触变性的 迟滞回 线， 如图1 - 4 所示。 j o l y 等 人通过大量的 实验得出影响 迟滞回线面积的主要因素有: 川固 相体积分数f 5 f s 越大，回 线面积越大， 触变胜 越大。 ( 2 )初始剪切速率7 0 . y o 越小，回 线面积越大， 触变 性越大。 ( 3 ) 回线下降时间k( 剪切速率从最大减少到0 所花时间) ，t d 越大， 回线面积越大，触变性越大。 ( 4 ) 回 线上升时间t ( 剪切速率从。 增加到最大值所花时间) ， t o 越大， 回线面积越小，触变性越小。 ( 5 ) 最大剪切速率,y . , y m 越大，回线面积越大，触变性越大。 1 .3 .3 . 2 触变性唯像模型 触变性是半固态加工技术中的一个重要理论基础， 为了 更充分的理解触 变 性， 很多 学 者 对 其 建 立了 模型 来 加以 描 述。 c h e n g 和e v a n s 2 5 曾 经 提出了 描述触变性的一个唯像模型， 从而得到一些基本的触变性参数。 这个模型由 两个方程组成:一个是状态方程 : = t ( y , 劝 把剪切应力和 剪切速率及浆液内部结构参数联系 起来; 另一个是动态方程， 描述结构的变化规律: d a l d t 二 g (y , a ) 最简单的就是所谓的 mo o r 模型: : = (t 1 . + c 劝y 。 为常数。由 此可知，当 y 4 高以至使枝晶完全破碎，入 趋近于。 ， 此时表观 粘 度为 稳态 粘 度ti w 。 反之， 当 y 0于0时， 颗粒有足 够的 时间 生 长，入 趋于 1 。 如果结构的 破坏速率对应于一定的剪切速率， 则: d r l d t = a ll 一 a ) - b a r 其中，a , b为动杰常数 ，当 d x / d t = 0时访到稳杰，从而有: : = 肠 . 十 。 l ( 1 + b r l a ) y b r o w n (2 5 1 对唯像模型做了理论上的 补充， 他假定浆液内的流动性仅是由 . 中it j 大掌+ j 1 七 学位论文 ， 弟一章:文献综述 于颗粒间的破坏与重建，从而得到描述半固态浆液中表观粘度的公式: 。 一 、 ( c / c ) 】 3 小 一 (c / c , l ; 1 十 d i ,y j a 和一个描述结构动态变化的方程: d i / d t = a l l 一 幻一 b a = y 其中，c 为考虑了固相内夹杂液相的有效体积分数: 。 = 人 ( 1 + 0 .2 5 a ) a , d , a , b和 d和材料性能相关的常数。这样补充后的唯像模型更有利于 理解浆液的流动性和时间的关系，但公式中参数的精确计算还难以实现。 1 . 4半固态非枝晶组织合金的制备 制备半固态合金的方法很多，除机械搅拌方法外，近几年又开发了电 磁搅拌法，电磁脉冲加载发il l ) ，超声波振动搅拌法，外力作用下合金液沿 弯曲通道强迫流动法f? a l ，应变诱化熔化激活法，喷射沉积法，控制合金浇 铸温度法阴，等等。其中，电磁搅拌法，控制合金浇铸温度法和应变诱化 熔化激活法，是最具工业应用潜力的方法。 1 . 4 . 1 机械搅拌法 机械搅拌法x 14 .: 5 - . j和电磁搅拌法是生产半固态合金浆料方法中较常用的 000000 000000 000000 000000 图1 - 5 ( a ) 批量流铸法 图1 - 5 ( b ) 连续流铸法 两种方法，用这两种方法可以得到固体组分的颗粒在 5 0 - 1 0 0 u m 范围内的 浆料。机械搅拌法包括批量流铸法( b a c t h r h e o c a s t i n