（机械设计及理论专业论文）合金熔体流变充型能力的研究.pdf

北京交通大学硕士论文 第1 页 中文摘要 合金熔体的充型能力是液态成形和半固态成形中的一个关键问题，目前 研究还不够系统。液态成形和半固态成形在技术本质上均是利用合金熔体 的流变特性进行充型的。但是由于半固态成形原料的特殊性，传统的液态 流动成形理论难以满足半固态流变成形的需要。本文通过设计专门的螺旋 试样模具和实验方法，形成了适用于合金熔体流变充型能力通用的实验评 价，分别对铝合金和低合金钢熔体的流变充型能力进行了比较系统的研究， 根据充型动力不小于熔体充型时的摩擦阻力与局部阻力之和的流变充型条 件，运用不可压缩粘性流体流变理论对合金熔体流变充型能力进行了理论 评价，得到了一种评价合会熔体流变充型能力的理论模型。 充型压力对铝合金熔体流变充型能力的影响规律可用线性增函数来拙 述，对液态和半固态合金熔体影响规律的区别仅在于斜率和截距的具体数 值上；充型速度对液态和半固态两种熔体状态下的铝合金熔体流变充型能 力的影响规律是不一致的。液态铝合金熔体的流变充型能力随着充型速度 的增大而降低，而半固态铝合金熔体的流变充型能力在充型速度为2 0 m m s 一6 0 m 州s 范围内，随着充型速度的增大而增大。并证实了半固态铝合金熔 体的流变充型能力随着固相率和形状因子的减小而增大，其中固相率的影 响更为显著。 铝合金和低合金钢熔体流变充型能力的实验研究均表明，随着充型压力 和浇注温度的增大充型速度的减小。液态合金熔体的流变充型能力增大； 随着充型压力、浇注温度、模具预热温度和无效流动距离的减小，半固态 合金熔体的流变充型能力增大。 得到的理论模型中以粘度系数来统一表征合金熔体的液态和半固态两 种状态的物理特性。理论模型反映的工艺参数对合金熔体流变充型能力的 影响规律和实验结果相一致。该理论模型可以用来定量分析和估算各种因 北京交通大学硕士论文第2 页 素对合金熔体流变充型能力的影响作用， 工艺和模具设计提供了依据。 关键词：合金熔体，流变充型能力， 预测最大充填长度，为流变成形 影响因素，实验评价，理论模型 北京交通大学硕士论文第l 页 a bs t r a c t n l em o l d f i l l i n ga b i l i t yo f a l l o ym e l ti sak e yp r o b l e m i nt h el i q u i df o r m i n g a n dt h es e m i s o l i df o r m i n g ，b u tt h er e s e a r c h e sa b o u tt h e ma l en o ts y s t e m i ca t t h ep r e s e n tt i m e i nt h ee s s e n c eo f t e c h n o l o g y , t h em o l d f i l l i n go ft h el i q u i d f o r m i n ga n dt h es e m i - s o l i df o r m i n gb o t hb a s eo nt h er h e o l o g i c a ls p e c i a l i t yo f m e l ta l l o y b e c a u s et h es e m i s o l i da l l o ym e l ti sd i f f e r e n tf r o mt h el i q u i da l l o y m e l t ，t h et r a d i t i o n a lt h e o r yo f t h el i q u i df l o w i n gf o r m i n gi sh a r d l yt oi n s t r u c tt h e s e m i s o l i dr h e o l o g i e a lf o r m i n g t h r o u g h d e s i g n i n g a s p e c i a ls p i r a l l i n e s p e c i m e n m o l da n d e x p e r i m e n t a lm e t h o d ，t h eu n i v e r s a le x p e r i m e n t a le v a l u a t i o na p p l i e di n t h e r h e o l o g i c a lm o l d f i l l i n ga b i l i t y o fa l l o ym e l ti s p u t f o r w o r da n dt h e r h e o l o g i c a lm o l d - f i l l i n ga b i l i t yo fa l u m i n u ma l l o ya n dl o wa l l o ys t e e lm e l ta r e i n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l yi nt h i sp a p e r b a s e d o nt h ef i l l i n gc o n d i t i o n st h a tt h e m o l d - f i l l i n gp r e s s u r ei sn o tl e s st h a nt h es u m m a t i o n o ft h ef r i c t i o nr e s i s t a n c e s a n dt h ep a r tr e s i s t a n c e sg e n e r a t e df r o mt h ef l o wo ft h ea l l o yf l u i d ，a p p l i e dt h e f l o w i n gt h e o r y o ft h e i n c o m p r e s s i b l e v i s c o u s f l u i d ，t h et h e o r e t i c a lm o d e l e v a l u a t i n g t h er h e o l o g i c a lm o l d - f i l l i n g a b i l i t yo f a l l o y m e l ti sb r o u g h to u t t h er h e o l o g i e a lm o l d f i l l i n ga b i l i t yo fa l u m i n u ma l l o ym e l th a sad i r e c t r a t i ot ot h em o l d f i l l i n gp r e s s u r e b u tt h em o l d f i l l i n gv e l o c i t yh a sd i f f e r e n t e f f e c tt ot h er h e o l o g i c a lm o l d - f i l l i n ga b i l i t yo ft h el i q u i da n dt ot h es e m i s o l i d a l u m i n u ma l l o ym e l t t h er h e o l o g i c a lm o l d - f i l l i n ga b i l i t yo f l i q u i da l u m i n u m a l l o y m e l td e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo ft h e m o l d - f i l l i n gv e l o c i t y , b u tt h e r h e o l o g i c a lm o l d - f i l l i n ga b i l i t yo f s e m i s o l i da l u m i n u m a l l o ym e l ti n c r e a s ew i t h t h ei n c r e a s eo ft h em o l d - f i l l i n gv e l o e i t yi nt h er a n g eo f2 0 m m s 6 0 m r n s a n a l y z i n gf r o mt h em i c r o s t r u c t u r e s ，t h er h e o l o g i c a lm o l d - f i l l i n ga b i l i t yo f s e m i - s o l i da l u m i n u m a l l o ym e l ti n c r e a s ew i t h t h ed e c r e a s eo fs o l i df r a c t i o na n d s h a p e df a c t o ra n dt h es o l i df r a c t i o ni sap r i m a r yf a c t o r a c c o r d i n g t ot h e r h e o l o g i c a lm o l d f i l l i n ga b i l i t ye x p e r i m e n t so ft h e a l u m i n u ma l l o ya n dl o wa l l o ys t e e l m e l t ，t h ee f f e c tr e l a t i o n sb e t w e e nt h e f o r m i n gt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sa n dt h er h e o l o g i c a lm o l d f i l l i n g a b i l i t y o f a l l o ym e l ta r eo b s t a i n c d 1 1 l er h e o l o g i e a lm o l d - f i l l i n ga b i l i t yo f l i q u i d a l l o ym e l t 北京交通大学硕士论文第2 页 i n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h e m o l d f i l l i n gp r e s s u r e a n dt h e p o u r i n g t e m p e r a t u r ea n dt h ed e c r e a s eo ft h em o l d f i l l i n gv e l o c i t y ，a n dt h et h e o l o g i c a l m o l d - f i l l i n ga b i l i t y o fs e m i - s o l i da l l o ym e l ti n c r e a s e sw i 山t h em o l d f i l l i n g p r e s s u r e ，t h ep o u r i n gt e m p e r a t u r e aa n d t h em o l dt e m p e r a t u r ea n dt h ed e s c r e a s e o ft h ei n v a l i df l o w i n gi n s t a n c e t h e p h y s i c a ls p e c i a l i t yo fa l l o ym e l ti n c l u d i n g t h el i q u i da n dt h es e m i s o l i d a l l o ym e l ti sd e s c r i b e du s e db yt h ev i s c o s i t yc o e f f i c i e n ti nt h et h e o r e t i c a lm o d e l t h ee f f e c tr e l a t i o n sb e t w e e nt h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sa n dt h er h e o l o g i c a l m o l d f i l l i n ga b i l i t yr e f l e c t i n g f r o mt h et h e r o i t i c a lm o d e la r ec o n s i s t e n tw i t h t h o s eo ft h ee x p e r i m e n tr e s u l t s t h em o d e lc a nq u a n t i t a t i v e l ye s t i m a t et h ee f f e c t o f e v e r yf a c t o ro nt h er h e o l o g i c a lm o l d - f i l l i n ga b i l i t yo fa l l o ym e l t ，f o r e c a s tt h e m a x i m u mf i l l i n g l e n g t ha n dp r o v i d eag u i d a n c ef o rt h er h e o l o g i c a lf o r m i n g t e c h n o l o g ya n d t h ed e s i g no f m o l d k e yw o r d s ：a l l o ym e l t r h e o l o g i c a lm o l d - f i l l i n ga b i l i t y , e f f e c tf a c t o r , e x p e r i m e n t a le v a l u a t i o n ，t h e o r e t i c a lm o d e l 北京交通大学硕士学位论文 r 7 4 1 2 0 6 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽本人所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得北京交通大学或其他教学机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一起工作的同志对本研究所做的任何贡献已在沧文中作了 明确的晓明并表示了谢意。 本人签名：鱼叁鱼整 日期：遄年三月王日 北京交通大学硕士学位论文第1 页 第一章前言 工程合金材料的加工成形通常是在液态( 如铸造) 或固态( 如锻造) 下 进行的。但是在介于液态与固态温度( 半固态) 条件下进行材料加工无论在 产品质量还是在产品生产率上都体现出了极大的优势。几种非传统材料加 工技术如挤压铸造、半固态高速连铸和压力铸造等都正在作为具有竞争力 的材料加工技术而迅速兴起。特别是半固态成形技术经过约3 0 年的发展后， 已经步入推广应用阶段。 液态成形经过几千年的研究发展已作为很成熟的加工技术应用到工业 生产中，而半固态成形作为正在崛起的成形技术还存在些尚未解决的难 题。但是不管是传统上的液态成形还是半固态成形技术，充型问题始终是 成形的关键所在，所以研究合金熔体的充型能力，尤其是半固态含盒熔体 的充型能力，用以指导台金成形生产和模具设计，提高产品质量，推动台 金加工成形技术在我国的应用都具有重要学术和实践意义。 1 1 半固态成形技术简介 2 0 世纪7 0 年代初，美国麻省理工学院m c f l e m i n g s 和d b s p e n c e r 等研究人员发现，处于固一液相区间的合金熔体经过连续搅拌后呈现出低 的表观粘度。此时在结晶过程中形成的树枝晶被粒状晶代替。这种固液共存 的合金熔体很容易变形，只要加很小的力就可以充填复杂的型腔，从而开发 出一种新的成形技术一半固态成形技术【i 】。半固态成形技术是含有非枝晶固 相的固液混合物在凝固温度范围内加工成形的一种材料成形技术1 2 1 。按照这 个定义，半固态成形技术的特征有四个，一是加工的材料状态是固液混合 物，而不是纯液体或纯固体：二是加工温度范围在合金固相线温度和液相 线温度之间；三是材料中的固相是非枝晶形态，而不是常见的树枝晶；四 是成形过程中可以有外力作用( 如零件成形) ，也可以只有重力作用( 如半 固态连铸) 。 北京交通大学硕士学位论文第2 页 根据半固态成形原料特点和工艺过程，通常将半固态成形分为流变成形 ( r h e o f o r m i n g ) 和触变成形( t l i x o f b 玎t l i n g ) 两种吼前者是利用半固态合金的流 变性能，将经过强烈搅拌的合金熔体( 浆料) 直接加压成形。后者则将经过搅 拌的合金熔体首先凝固成坯料，然后重新加热至半固态利用合金的触变性 能，再加压成形。但触变是剪切变稀的一种流变特性，而流变是流动变形的 统称1 2 】，故两者只是工艺路线和原料状态不同，其技术本质都是利用合金熔 体的流变特性进行成形的。 1 1 1 半固态成形的技术优势 液态成形是利用合金液态时的粘性流动特性，以完成成形过程中充填、 补缩直至凝固结束。其技术特征是成形温度高于液相线温度，成形过程发 生凝固转变。固态成形则是利用固态合金的固态塑性流动特性进行成形， 在力的作用下完成模腔的填充过程。其技术特征是加工成形温度低于固相 线温度，成形过程伴随组织的变化和某些固态相变，但没有凝固现象发生。 半固态成形是利用了合金熔体在固液共存状态下的流变特性进行成形。 因为合会的流变性包括了液态的流动性和固态的塑性流动性。故液态成 形、固态成形和半固态成形在技术本质上均是利用合金的广义流变特性进 行充型。但是半固态合金合金熔体与传统过热的液态台金熔体相比，具有 一半左右的初生固相，而与固态合金相比，又含有一半左右的液相，且固 相为非枝晶态，且高粘度的半固态合金熔体可以在充型时不发生紊流而平 稳充型4 7 1 ，所以半固态合金成形技术具有以下一系列的优点叫1 3 】： ( 1 ) 在重力作用下，重熔加热后的半固态合金坯料的粘度很高，可以方便 地进行机械搬运，也便于实现自动化操作；在高速剪切作用下，半固态合 金坯料的粘度又可迅速降低，便于成形。 ( 2 ) 生产效率很高。 ( 3 ) 在充型过程中，不易发生喷溅，减轻了合金的氧化和裹气，提高了铸 北京交通大学硕士学位论文第3 页 件的致密性。 ( 4 ) 合金浆料或坯料在充型前已析出一半左右的初生固相，减少了凝固收 缩，铸件具有更少的收缩孔洞，气密性好。 ( 5 ) 合金浆料或坯料不存在宏观偏析，因而铸件也不存在宏观偏析，其性 能更均匀。 ( 6 ) 半固态合金浆料或坯料的固相分数可以在一定范围内调整，借此改变 半固态合金浆料或坯料的表观粘度，具有很高的工艺灵活性，以适应不同 铸件的成形要求。 ( 7 ) 利用半固态合金可以进行机械零件的近净化成形，可大幅度减少零件 毛坯的机械加工量，降低生产成本。 ( 8 ) 半固态合金浆料或坯料的充型温度低，减轻了对模具的热冲击，提高 了模具的寿命 ( 9 ) 加热半固态合金坯料比熔化合金炉料可节约能源2 5 3 0 e 1 3 】。 ( 1 0 ) 半固态合金成形车间不需处理液态合金，工艺操作更安全，工作环 境更优良，所以被称为是一种环境友好的加工技术。 ( 11 ) 半固态合金熔体的粘度较高，可以方便地n x , 增强材料( 颗粒或纤 维) 为复合材料的廉价生产开辟了一条新途径，在新材料研究与丌发中 具有广阔的应用前景 ( 1 2 ) 半固态合金的成形应力显著降低，因此半固态合金可以成形复杂的 零件毛坯，降低成本，而铸件性能与固态合金锻件相当。 1 1 2 半固态合金熔体的制备、 由于半固态含金熔体的特殊性，半固态合金熔体的制备是半固态成形技 术的基础，世界各国都先后投入大量的人力和物力对半固态合金熔体制备 方法进行了研究。目前半固态合金熔体的制备方法有：机械搅拌法 1 ：4 1 、电 磁搅拌法盼、斜坡和斜管法( i $ - 2 0 i 、变形诱变激活法【2 1 - 2 2 、超声振动法【2 3 _ 2 4 j 、 北京交通大学硕士学位论文第4 页 单辊旋转法【2 5 】、液相线铸造法 2 6 - 3 3 j 、紊流效应法、合金熔体混和法、 喷射沉积法【3 6 3 8 】、粉末冶金法 3 9 - 4 0 1 等。 其中，斜坡法【1 b ”3 是近期从日本兴起的一种新型制浆工艺，该法是使合 金熔体在流经一个冷却斜坡时由于冷却斜坡的冷却作用而增加晶核的数目 和晶体的游离，从而达到细化晶粒，获得理想的微观组织的目的。图1 1 为斜坡控冷示意图。斜坡具有强烈搅拌作用，熔体经过斜坡产生局部降温， 强烈滚动和翻转，经过斜坡的熔体注入铸型时，又产生强烈的搅拌，即撞 击、翻转以及滚动等促进了晶体游离和形貌演变。所以，斜坡法有流程 短、工序少和低成本的优势。 图1 1 斜坡控冷过程示意图 与斜坡法类似的斜管法是南昌大学半固态成形技术研究室于2 0 0 2 年在 斜坡法的基础上改进的流变制备半固态合金熔体工艺1 2 0 1 与斜坡法的区别 主要在于采用的是封闭的斜管，这样可以用于极易氧化的镁合金的生产 可以扩大应用范围；另外可以实现变静态斜管为转动管，对合金液凝固初 期实施搅动，从而获得更多的游离晶粒。图1 2 为斜管法流变制浆设备简图。 其装置主要由熔炼炉、保温炉、保温坩埚、斜管、结晶炉、结晶器和温度 控制系统等构成。与斜坡法工艺流程相类似，合金熔体流经冷却斜管时， 由于冷却斜坡的冷却作用而增加晶核的数目，从而携带大量的晶核流入结 晶器，通过控制结晶器温度，缓慢冷却，从而获得均匀、细小、非枝晶的 北京交通大学硕士学位论文第5 页 触变组织，达到成形温度时，再用于流变成形。 图1 2 斜管法流变制浆设备简图 液相线铸造法【2 8 _ 2 9 j 是由东北大学和澳大利亚墨尔本大学合作研究开发 的制备半固态合金熔体的新方法。该方法主要是控制浇注温度和婷温时间， 即在合金的液相线温度附近保温形核一定时间后，进行浇注，获得具有半 固态加工所要求的细小、球形、非枝晶组织。液相线铸造舍金熔体温度低， 几乎没有过熟，温度场均匀，在浇注过程中，大量晶核在熔体中均匀产生， 有利于细小、均匀、等轴的半固态组织的形成。该方法具有设备简单，工 艺简化的特点，但需要精密的温度控制手段。目前东北大学【3 0 - 3 3 】利用该技 术成功地进行了单模铸造制备变形铝合金2 6 18 和7 0 7 5 半固态坯料。 在目前所发明的半固态合金熔体的制备方法中电磁搅拌法是最成功的 一种方法。电磁搅拌是合金熔体与旋转磁场间的感应力驱动熔体搅拌，利 用了电磁力产生的合金熔体的强迫流动来影响和控制凝固过程，从而使枝 晶破断形成等轴晶【4 h 2 】。原理示意图如图1 3 所示。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 l 4 3 】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 使合金熔体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 北京交通大学硕士学位论文第6 页 气体卷入。该方法不会污染合金，合金熔体纯净，控制方便，应用条件成 熟，所以电磁搅拌制备的半固态合会熔体在有色半固态合会成形应用中占 据了主导地位。 图1 3 电磁搅拌法 半固态合金熔体的制备方法很多，但从凝固控制的原理来看主要是强 化对流、控制凝固过程形核、外加物理场、晶体游离、孕育和变质处理等。 故本质上都是控制凝固过程，使期间形成的固相不是通常的树枝晶、条状 晶而是退化枝晶或近球状晶等非枝晶组织。 关于非枝晶组织形成机理，即初生相球化，具有代表性的有枝晶形变机 制、枝晶熔断机制、枝晶破碎断裂机制以及外界抑制枝晶生长机制等。早 期解释非枝晶组织形成原因较多为破碎、熔断机制。但另有研究认为， 搅动不足以能使枝晶折断，搅拌流动所造成的温度与浓度扰动才是半固态 晶粒球化的主要原因。y h r y 0 0 1 4 5 1 等分析了过共晶a l - s i 合金半固态铸造 时初生相形状的变化，认为晶粒阳j 的摩擦、破碎与粗化使初生硅由尖角状、 杆状变为球状。通过对电磁搅拌a 1 2 4 s i 合金的显微组织的观察，发现合 金熔体的类固型原子偏聚团在电磁力作用下发生合并，且搅拌造成局部瞬 时高压扩大了相区范围降低了临界形核半径，促使初生晶粒球化【4 6 l 。李 子全【4 7 j 采用将添加微量z r 的z a - 2 7 合金铸锭重新加热到半固态温度区域进 行等温处理，结果初生相均为细小颗粒状的组织。实验发现等温温度不变， 北京交通大学硕士学位论文第7 页 随着时间的延长，初生相形态的演化过程依次为：枝晶一短枝晶一枝晶碎 块一颗粒一颗粒均匀化一颗粒长大：而时间不变，高的等温温度促使初生 晶粒尺寸增大并使枝晶形态向颗粒状演化的时间缩短。 上述半固态合金非枝晶组织形成机制虽然不同，但非枝晶合金熔体的不 同制备方法及其工艺参数均明显地影响非枝晶形成机理，进而会影响半合 金熔体的组织特征。但关于不同组织特征的合金熔体的充型性能研究还十 分薄弱。 1 1 3 半固态合金熔体的成形工艺 半固态合金熔体的制各只是一个中问过程，还必须借助具体的成形方法 才能获得具体零件。 半固态合金成形是介于传统铸造和模锻之间的一种工艺过程，适用于很 多常规的成形方法。通常都根据采用的成形设备对其命名1 2 j ，这些设备包括： 压铸设备、挤压铸造设备、模锻设备、注射成形设备和连续铸造设备辞f 4 8 删。 于是，半固态合金成形工艺主要有半固态锻造、半固态挤压、半固态轧制 和半固态压铸等半固态成形工艺既可采用专用设各，也可以将传统成形 设备进行相应改造，进行半固态成形的生产美国d o wc h e m i c a l 公司予1 9 8 8 年开发出称为“t h i x o m o l d i n gm a c h i n e ”的射压成形设备，此种装置将压铸和 注射工艺合二为一。镁合金、铝合金、锌合金以及其复合材料均可采用此 种成形工艺，且这种工艺生产的零件除具备半固态成形的一般特点( 如零 件内部疏松少。凝固收缩小) 外，还有操作安全、效率商、切屑或碎片经 碾研后回收率近1 0 0 等特点【5 0 , s 2 1 。另外，瑞士b u h l e r 公司推出了实时控 制的半固态触变压铸设备 5 3 - 5 4 】，日本u b e 公司也推出了垂直式半固态流变 压铸设备【4 8 l 。在国内北京交通大学半固态成形研究中心邢书明将半固态 流变充型与挤压铸造技术结合起来，提出了半固态挤压铸造新工艺，研制 了半固态挤压铸造机【5 5 】。 北京交通大学硕士学位论文 第8 页 半固态合金成形提供了一种高效、无须液态合金熔体的工作环境。但是， 在半固态合金成形工艺中，影响半固态成形零件质量的因素很多，如：成 形温度、压力、成形速度、初生相颗粒形态，固相率等【3 】，而且整个控制过 程具有高度的动态性和很强的非线性，所以要求半固态合金熔体的制各装 置及成形设各具有很高的自动化系统，并能精确调整工艺参数，以充分发 挥半固态成形技术的优势，实时控制通常成为实现上述目标的主要手段 【5 6 _ 6 1 1 。 从上述可以看出，半固态成形方法可以有很多，但无论那种成形方法， 半固态合金熔体的流变充型能力都是一个不可回避的关键问题，可是目前 的研究还未给予应有的重视。 1 1 4 半固态成形技术的应用现状 近年来，半固态成形技术的工业应用取得很大进展。其中，在美国、法 国、意大利和瑞士等国家，半固态成形的铝合金和镁合金件已经大量地用 于汽车工业的零件k 1 5 0 , 6 2 侧，其生产的汽车零件主要有汽车铝合金轮毂、铝 合金三通管连接件、汽车主刹车缸体、燃油系列零件、汽车空调零件、齿 轮箱盏、空压机盖等。另夕 ，半固态成形技术也已用来生产质最要求十分 严格的军用航空电器连接件。该零件以前用切削加工方法制造，原料是铝 台金棒材加工量大材料利用率低，成本高，采用半固态成形技术生产， 节约材料。生产率明显提高。对比效果见表1 1 【6 5 】。 表1 1 机加工和半固态成形零件效果对比 成形工铝合金牌原材料重完工件重机加工损单副模具生 艺号 量，g量幢 失肠产率i ( 件m ) 半固态 6 2 6 2 t 62 52 383 0 0 成形 机加工6 2 6 2 一t 92 4 5 2 38 l2 0 0 北京交通大学硕士学位论文第9 页 半固态金属成形技术最早在美国得到应用郾o 6 1 6 6 1 ，a l u m a xe n g i n e e r e d m e t a lp r o c e s s ( a e m p ) 公司率先将此技术转化为生产力。1 9 7 8 年，它使用m h d 技术生产出供触变成形用的圆锭，随后建成了全球首条高容量和高度自动 化的触变成形生产线，用于生产铝合金汽车零件，并拥有相关专利6 0 多项。 a l u m a x 公司于1 9 9 4 年建立了用半固态成形技术生产汽车零件的工厂，每 年可生产2 4 0 0 万个零部件。1 9 9 6 年在阿肯色州筹建了第2 个半固态技术专 业厂，可生产从1 0 9 到1 0 k g 、直径达5 0 0 m m 的零件；1 9 9 5 年该公司生产 出5 0 0 多万件汽车零件，己为美国汽车公司提供了2 5 万个汽车空调箱体和 2 0 0 多万件火箭支架底座。荚国o r m e t 公司在o h i o 州投资1 5 0 0 万美元，用 于生产半固态成形用坯料，并从法国p e c h i n e y 公司获权在美国、加拿大和 墨西哥生产半固态坯料及半固态成形汽车零件。美国麻省理工学院的实验 室已生产了a i s l 3 0 4 和4 4 0 c 不锈钢i s l 4 3 1 0 和m 2 工具钢的半固态压铸 件2 5 0 0 多件。 在欧洲，德国的e f u 公司自行开发了立式半固态连铸机，已大批量稳 定地生产直径为7 5 1 0 0 r a m 的a i m g s i 及a i s i 7 m g 舍金半固态坯料，同时 也生产半圆态成形零件。意大利的s t a m p a l s p a 公司利用半固态压铸技术 为f o r d 汽车公司生产z e t a 发动机的油料注射挡，生产率达到了1 6 0 件h ， 另外还生产齿轮箱盖和摇臂等零件。瑞士的b u e h l e r 公司于1 9 9 3 年开发出 称为s c 的半固态压铸设各，并开始进行汽车零件的生产。同时瑞士的 a l u s u i s s e - l o n z a ，意大利的f i a t ，法国的p e e h i n e y 等国际知名公司已采用了 半固态成形技术 3 , 6 1 6 7 】。 日本于2 0 世纪8 0 年代后期成立了由1 8 个成员组成的r h e o t c c h 公司 随后对半固态加工技术进行系列研究，同时加强与美欧著名大学和公司的 联系。公司成员包括：三菱重工、川崎制铁、神户制钢、古河电气等1 4 家 钢铁公司和4 家有色金属公司。日本的川崎制铁等1 8 家公司与基盘技术研 北京交通大学硕士学位论文第1 0 页 究促进中心共同组建流变技术研究所。该所自1 9 8 8 年至1 9 9 4 年，投巨资 开发半固态铸造的关键技术并实现了产业化1 6 1 t 6 ”。 我国研究工作正在蓬勃开展，特别是进入2 0 世纪9 0 年代后，有实力的 大专院校和研究院都开展了不同程度的研究，其中以清华大学、东南大学、 北京科技大学、北京有色金属研究总院、北京交通大学、东北大学为代表。 目前，在基础理论方面的研究水平与国外差别不大，但是我国在半固态成 形技术的工业应用方面是个薄弱环节，其主要原因之一是对半固态合金熔 体的流变充型能力还缺乏系统深入的了解。 1 2 合金熔体充型能力的研究现状 合金熔体的充型能力直接关系到零件是否能完整成形以及所得产品表 面光洁度的高低，所以一直是材料成形领域关注的基本问题【6 8 - 7 4 1 。 合金熔体的充型能力( m o l d - f i l l i n g a b i l i t y ) 在国标g b 5 6 1 1 - - 8 5 中定义 为：考虑铸型及工艺因素影响的熔体流动性，即熔体充满铸型型腔，获得 形状完整，轮廓清晰的铸件的能力。这是针对全液态合金熔体而言的。如 果将合金熔体包括半固态合金熔体在内，上述定义应修正为考虑铸型及工 艺因索影响的熔体流变性。 从充型能力的定义可以看出，合金熔体的充型能力的研究不仅仅是熔体 自身的流变性也涉及到铸型及浇注条件等外部因素的影响作用。影响合 金熔体流变性的主要内在因素是合金熔体本身的物理特性，即化学成分和 凝固特性。而影响合金熔体充型能力的主要因素有合金熔体本身的流变性、 浇注条件、铸型填充条件及铸件结构及铸造工艺等。合金熔体本身的流变 性，可以用合金熔体的粘度来表征。粘度越大，流变性越差。流变性的好 坏，直接影响铸件的轮廓清晰或复杂程度与否。它对减少铸件缺陷( 浇不 足、冷隔、气孔等) 也起着重要作用。浇注条件中的浇注温度对金属充型 能力的影响最大。浇注温度越高，液态熔体蓄热越多，合金熔体的粘度越 北京交通大学硕士学位论文 第1 l 页 小，熔体在铸型中持续流变的时间长，合金熔体的充型能力就越强。铸型 填充条件包括铸型蓄热能力、铸型温度及铸型中气体等。如铸型蓄热能力 大，铸型温度低，铸型发气量大、排气量小，使型腔中气体形成反压力， 都将降低合金熔体的充型能力，所以要在铸型上设排气孔。当铸件壁厚过 小、壁厚急剧变化或铸件截面太小时，也会导致合金熔体充型困难。另外， 采用先进的铸造工艺如精密铸造、挤压铸造、真空密封铸造、电磁铸造、 高压压铸等都是提高合金熔体的充型能力的可行方法。 1 2 1 液态合金熔体充型能力的研究现状 对纯液态合金熔体而言，影响其充型能力的内在因素是台金熔体本身的 流动性。在对合金熔体充型能力的研究中，美国f l e m i n g s l 7 5 】提出了宽窄结 晶温度范围合金的停止流动机理，指出窄结晶温度范围合金之所以停止流 动是由于壁面生长的柱状晶互相搭接封死通道，故充型长度取决于柱状晶 搭接前时间内流速的大小，一旦通道封死，有效压力增加( 不足以冲掉凝固 层) 也不能导致再流动宽结晶温度范围合金之所以停止流动是由于有效压 力不能抵抗由于技晶形成骨架造成的阻力，故有效压力增大，枝晶形成骨 架能力低，必然导致充型长度增加。应用此种停止流动机理，团内不少学 者提出了各自的模型，含金熔体停止流动模型是最比较成功的一例该模 型认为合金停止流动是由于凝固层增加造成的通道有效尺寸减小及液流前 端的枝晶阻塞两者综合作用的结果。事实上阻碍作用不仅限于液流l j i 端 整个液固两相区相对流动也会产生阻碍作用 。 以在凝固过程中具有较宽固液相区域的a l s i 合金【7 7 1 为例，王春生等人 认为液态合金熔体在充型过程中可分为四个阶段口6 】，如图1 4 所示。液态合 金熔体在其过热量散失之前是纯液态流动，见图1 4 ( a ) 。此为第1 区； 合金熔体继续流动，冷的前端在型壁上凝固结壳，见图1 4 ( b ) ，后续合 金熔体是在被加热了的沟道中流动，因而冷却强度下降，由于液流通过i 北京交通大学硕士学位论文第1 2 页 区终点时尚有一定的过热度，可以将已凝固的部分长度壳重新熔化而形成 第1 i 区；第1 i l 区是末被完全熔化而保留下来的一部分固相区，在该区的终 点，合金熔体已耗尽了过热热量；在第区液相和固相具有相同温度一结 晶温度，由于在该区的起点处结晶开始较早，凝固层厚度大，另一方面由 于前期形成的晶粒有颈缩现象，一部分被后续熔体流动冲刷掉，流股中已 脱落的晶体由于m a g u n s 效应而向轴心集中，聚集于速度最大的流股中心， 并随液流堆积于流股端部从而造成在第i 、区内既有凝固层、又有堆 积的枝晶，在第区内凝固层的增厚减少了有效管道尺寸，加之该处液流 中晶体数量的增加而增大了固液两相流的屈服应力，两方面综合作用的结 果导致合金熔体停止流动。 ) t b r 图1 4 合金熔体停止流动机理示意图 根据上述流动机理，假设( 1 ) 合金熔体流动过程中，铸型与液态熔体 接触表面的温度为常数；( 2 ) 合金熔体在充型过程中平均流速为常数：( 3 ) 合金熔体在充型过程中各物性值不随温度变化；( 4 ) 在液相线以上合金熔 体被认为是牛顿体，而在固液两相区，熔体的屈服应力随温度线性变化。 提出了适合具有一定结晶温度范围台金熔体充型能力的理论计算模型 7 6 1 ： 北京交通大学硕士学位论文第1 3 页 f = 愕- - 7 - + j ( 爿“斫( h f 陋u 圳+ 吉i n 籍( 1 1 ) 并分析了对合金熔体充型能力的影响因素主要包括以下几个方面： 合金性质方面的因素：1 ) 结晶温度区间：结晶温度范围宽，枝品颈缩 加重致脱落量大，这样一方面减少了柱状晶的长度。凝固速度增大，应增 大充型长度；但另一方面大量脱落的技晶混杂在金属液流中，造成流动阻 力增加、单位温度变化又引起屈服应力增加，充型长度又应下降。但相对 来说由于后种作用更大，因而通常结晶温度范围越宽充型能力越差；2 ) 结晶潜热：结晶潜热越大充型能力越大，而且充型能力与潜热成线性正 比关系；3 ) 熔体的导温系数、粘度：熔体的导温系数大，液态合金熔体的 粘度增大都将减小合金熔体的充型能力。 铸型性质方面因素：1 ) 铸型的蓄热能力、换热系数：计算模型中假定 了铸型与盒属液接触表面的温度保持不变，即铸型具有很大的蓄热和导热 能力，故公式中未能体现出铸型蓄热系数。实际上铸型蓄热能力大、换热 系数大，其充型能力下降。2 ) 铸型温度：预热铸型能减少熔体与铸型的热 交换，延长了流动时间，提高充型能力，铸型温度提高、充型长度增加。3 ) 铸型中的气体：铸型具有一定的发气能力，气量小时能在合金熔体与铸型 之间形成气膜，减少摩擦阻力，提高充型能力，但太大时形成气体反压力， 减小有效压力。 浇注条件方面因素：i ) 浇注温度：浇注温度提高，明显增加液态阶段 的充型长度，同时由于对铸型有预热作用，也提高了液固相区的充型能力： 2 ) 充型压力：充型压力大，有效压力增加，充型能力增加。 该模型由于参与了枝晶脱落系数这一不可测得量和很多不可直接测得 量如：凝固速度，单位温度变化引起的屈服应力变化等等，而不能直观的 表示出合金熔体的充型能力，且该模型未经过实验验证，纯属理论研究分 北京交通大学硕士学位论文 第1 4 页 析，所以还不能作为评价合金熔体充型能力的有效通用模型。 由于在很多情况下，熔体自身的性质、浇注条件、铸件结构等很难改变， 所以在合金熔体充型问题的研究上，研究者更多的是通过改变成形工艺来 提高合金熔体的充型能力。 刘国利等人【7 8 j 在对飞机导流器零件的成形研究中，实验采用熔模陶瓷壳 型精密铸造，浇铸采用真空吸铸加压凝固的方法，发现在成形过程中在铸 型型腔内抽取空气形成负压的同时，使合金熔体流入铸型型腔，这种真空 吸铸加压凝固的浇铸方法显著提高了大型薄壁复杂铸件的充型能力，这是 因为型腔内空气流动方向与合金熔体流入铸型型腔内的方向相同，消除了 重力浇注时空气的气垫作用。另外，对钛台金离心铸造充型过程计算机模 拟1 7 9 l 的结果表明，在离心力场下台金熔体的薄壁充型能力比重力浇注强得 多 电磁铸造技术是一种在铸造过程中，对铸型中的合金熔体施加磁场的新 兴技术它克服了常规铸造条件下的薄壁件散热快，凝固时唰短和壁面的 粘性阻力用等缺点实现了在电磁力作用下合金熔体的无接触式的凝固成 形。张铁军f 酣j 以a 3 5 7 铝合金薄壁板铸件的生产条件为例，研究了充填长度 与磁场密度、输入电压以及磁场距离的关系，发现合金的充填长度随磁流 密度的增大而急速增大，而且在钢制铸型中的充填长度比石膏型大。丁宏 升等人p d j 对流动磁场作用下的a 3 5 7 合金熔体的充型能力的试验研究中表 明：在相同的磁场作用强度下厚壁铸件比薄壁铸件的充型能力好当铸件 的壁厚相同时。在磁场的作用下，合金熔体的充型能力比无磁时提高了5 0 。以上研究均为电磁铸造技术的推广应用提供了重要参考。 高压压铸主要是采用快速的压射速度进行压力充型，从而提高合金熔体 的充型能力。刘正【7 0 】采用高压压铸技术研究了镁合金的充型能力，结果显 示镁舍金的充型能力随铝含量的递减，镁合金充型能力降低：并利用数值 北京交通大学硕士学位论文第1 5 页 模拟技术，发现镁合金在凝固发生之前具有与铝合金相同的充型能力，但 凝固发生之后镁台金的流动性急剧下降。k u l a s e g a r a m ，s 1 6 9 1 、c l e a r , p a u l 7 3 】 也利用数值模拟技术研究了合金高压压铸时的充型能力，为高压压铸工艺 设计提供了可靠的依据。 消失模铸造技术不同于其他金属模铸造技术，其中最大的一点就是在充 型过程中伴随着消失模模样气化分解，在合金熔体与模样之间形成一个 间隙，由于该间隙中气体压力的阻碍作用，显著降低了合金熔体充型时的 充型能力。在消失模铸造技术研究中，袁中岳等人在对狄铸铁充型能力 的试验研究中，讨论了浇注温度、试样厚度、真空度、涂层厚度及e p s 泡 沫塑料密度五种因素对灰铸铁充型能力的影响，认为浇注温度、试样厚度 对铁水流动能力影响较大，真空度、涂层厚度影响次之而e p s 泡沫塑料 密度影响最小，流动长度随浇注温度的提高，试样厚度的加大，真空度的 增高而增长。p a n ，e n y - n i n g 7 1 也采用消失模铸造技术对a 3 5 6 铝合金的