（材料学专业论文）自孕育铸造法对alzncu非铁合金组织的影响及凝固过程的研究.pdf

硕十学位论文 暑鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼蔓曼曼曼皇曼! 曼曼曼! _ ll 曼曼! 曼鼍曼鼍皇曼量曼皇曼皇曼曼曼! 曼! 曼曼曼! ! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼 摘要 半固态合金浆料的制备是半固态成型技术的基础和关键，是材料加工和材料 行为之间的关键纽带。因此对材料在成形过程中微观结构的有效控制成为材料工 作者孜孜追求的目标。对于金属和合金材料，凝固是最重要的成形途径。建立在 现代科学基础上的优质铸件凝固技术正成为材料成形加工的发展方向，供给浆料 必须是非枝晶结构的半固态金属加工工艺是由材料的微观结构来决定其工艺特 征的。半固态金属成形具有许多独特的优点，如近( 净) 终成形、产品高质量和高 性能以及工艺节能等，是2 l 世纪最有前途的金属材料加工技术之一。 本文研究了一种新的合金半固态浆料制备工艺，即自孕育法在z l l 0 1 铜合金 z a 2 7 锌以及q a l 0 3 铜合金中的应用。研究了浇注工艺对自孕育法制备的三种合 金铸坯的铸态组织的影响；不同温度对合金铸坯铸态组织的影响；结果表明： z l l 0 1 合金浇注温度为7 1 0 ，采用自孕育法成形，铸锭的铸态组织比较理想。 浇注温度过高，晶粒粗大；浇注温度过低，实验操作困难；孕育剂的颗粒尺寸和 原始组织越细小，制备的铸锭铸态组织越细小。z a 2 7 合金理想浇注温度为5 3 0 ， 采用自孕育法成形，得到的组织较之原始组织有明显细化效果，其组织细小，均 匀。q a l 0 3 合金理想浇注温度为1 1 0 0 ，采用自孕育法成形，铸锭的铸态组织 比较理想。q a l 0 3 合金在导流器上受到的粘度和剪切力经计算最大，较之原来 板条状组织，得到的组织细小，均匀。细小的球状组织有利于浆料的流动和复杂 件的成形。该技术工艺简单，成本低廉，具有良好的工业应用前景。 关键词：自孕育铸造，半固态浆料，孕育剂，z l l 0 1 合金，z a 2 7 合金，q a l 0 3 今 日立 白孕育铸造法对a l 、z n 、c n 非铁合余绢织的影响及凝同过f 罕的研究 曼曼曼量曼曼曼曼! 皇曼曼! 曼! i i； mmm m 曼曼皇曼曼曼皇曼蔓皇奠 a bs t r a c t t h es e m i - s o l i ds l u r r yp r e p a r a t i o n ，af o c u so fr e s e a r c hi nt h es e m i s o l i dp r o c e s s i n g i st h es t r a t e g i cl i n kb e t w e e ne m i - s o l i dm e t a lp r o c e s s i n ga n dm a t e r i a lp r o p e r t i e s m i c r o s t r u c t u r ec o n t r o li st h e r c f o r ee s s e n t i a lf o ra n yp r o c e s s i n ga c t i v i t y t h em o s t i m p o r t a n tp r o c e s s i n gr o u t ef o rm e t a l sa n da l l o y s i ss o l i d i f i c a t i o n s o l i d i f i c a t i o n t e c h n o l o g yo ft h eh i g hq u a l i t yc a s t i n gb a s e do nm o r d e ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g yi s b e c o m i n g t h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fm a t e r i a l s p r o c e s s i n g s e m i s o l i dm e t a l p r o c e s s i n g ，w h i c hd e m a n d sn o n d e n d r i t i cm i c r o s t r u c t u r e ，i t sp r o c e s sc h a r a c t e r i z a t i o ni s d e t e r m i n e db yt h em i c r o s t m c t u r eo fm a t e r i a l s s mi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t p r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e si n21 吼c e n t u r yd u e t oi t sa d v a n t a g e s ，s u c ha sn e a rn e t s h a p e f o r m i n g ，h i g hq u a l i t ya n dp e r f o r m a n c eo fp r o d u c t sa n de n e r g y - s a v i n g a ni n n o v a t i o n a lt e c h n i q u ef o rs s pi ss t u d i e di n t h i s t h e s i s ，a n dt h i st e c h n i q u e a p p l i e ss e l f - i n o c u l a t i o nm e t h o d ( s i m ) t oa l l o yz l l 0 1 ，a l l o yz a 2 7a n da l l o yq a l 0 3 t h et h e s i ss t u d i e st h ee f f e c t so fp o u r i n gp r o c e s so nc a s t i n ga n da s - c a s to ft h et h r e e a l l o y sb ys e l f - i n o c u l a t i o nm e t h o da n dt h ee f f e c t so fa l l o y s c a s t i n ga n da s - c a s to n d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s t h er e s u l ts h o w st h a tt h ea s c a s tm i c r o s t r u c t u r eo fi n g o tc a s t i n g i sp r e f e r r e dw h e na l l o yz l l 0 1i sp o u r e db ys e l f - i n o c u l a t i o nm e t h o da t7 1 0 。c i ft h e c a s t i n gt e m p e r a t u r eo fa l l o yz l 101i sa b o v e710 。c ，t h ep a r t i c l ea n dg r a i nw i l lb e c o a r s e ；o nt h ec o n t r a s t ，i ft h et e m p e r a t u r ei sb e l o w710 ，t h ee x p e r i m e n tw i l lb e d i f f i c u l tt oc a r r yo u t s o ，t h es m a l l e rp a r t i c l e sa n dg r a i n so fs e l f i n o c u l a t o r si st h ef i n e r t h eg r a i no fa s c a s ta l l o yz l101i s a n di ta l s os h o w st h a tt h ea s c a s tm i c r o s t r u c t u r eo f i n g o tc a s t i n gi ss a t i s f y i n gw h e na l l o yz a 2 7i sp o u r e db ys e l f _ i n o c u l a t i o nm e t h o da t 5 3 0 。c i ft h ec a s t i n gt e m p e r a t u r eo fa l l o yz a 2 7i sa b o v e5 3 0 。c ，t h em i c r o s t r u c t u r e w i l lb ec o a r s e ；o nt h ec o n t r a s t ，i ft h et e m p e r a t u r ei sb e l o w5 3 0 。c ，t h ee x p e r i m e n tw i l l b ed i f f i c u l tt oc a r r yo u t s o ，t h es m a l l e rp a r t i c l e sa n dg r a i n so fs e l f i n o c u l a t o r si s ，t h e f i n e rt h eg r a i no fa s c a s t a l l o yz a 2 7i s m e a n w h i l e ，i ts h o w st h a tt h ea s c a s t m i c r o s t r u c t u r eo fi n g o tc a s t i n gi ss u i t a b l e ，w h e n a l l o yq a 10 - 3i s p o u r e db y s e l f - i n o c u l a t i o nm e t h o da t110 0 。c i ft h ec a s t i n gt e m p e r a t u r ei sa b o v e110 0 c ，t h e m i c r o s t r u c t u r ew i l lb ec o a r s e ；o nt h ec o n t r a s t ，i ft h et e m p e r a t u r ei sb e l o w110 0 。c ，t h e e x p e r i m e n tw i l lb ed if f i c u l tt oc a r r yo u t s o ，t h es m a l l e rp a r t i c l e sa n dg r a i n so f s e l f - i n o c u l a t o r si st h ef i n e rt h eg r a i no fa s c a s ta l l o yq a10 3i s t h ef i n ea n ds m a l l i i 硕十学何论文 g l o b u l a rs t r u c t u r ei sc o n d u c i v et ot h ef l o wo fs l u r r ya n dt h ef o r m i n go fc o m p l e xm o d e l t h e r e f o r e ，b e c a u s et h i st e c h n o l o g yi se a s yt om a s t e ra n di n e x p e n s i v e ，t h i st e c h n o l o g y w i l lg e tag r e a tp o t e n t i a lo fi n d u s t r i a la p p l i c a t i o nb e c a u s eo fi t ss i m p l i c i t ya n dl o w c o s t k e yw o r d s ： s e l f - i n o c u l a t i o nm e t h o d , s e m i s o l i ds l u r r y , s e l f - i n o c u l a n t s ，z l l 0 1 a l l o y , z a 2 7a l l o y , q a l 0 - 3a l l o y 1 i l 自孕育铸造法对a 1 、z n 、c n 非铁合会纲织的影响及凝同过程的研究 曼舅曼曼曼蔓曼曼曼曼曼曼蔓曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼鼍曼曼皇蔓曼蔓- 一i i 曼曼曼! 曼曼! 曼曼蔓曼曼曼曼曼曼曼皇曼! ! 笪! 兰鼍 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图1 7 图1 8 图1 9 图1 1 0 图1 1 1 图1 1 2 图1 1 3 图2 1 图2 2 图2 3 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图4 1 图4 2 插图索引 s s r 制浆工艺4 r d c 法示意图5 波浪型倾斜板半固态成形技术示意图6 s e e d 法示意图6 n r c 法示意图7 c r p 法示意图7 s l c t m 法示意图一8 固液混合铸造设备9 固液混合铸造的工艺流程9 铝合金z l l 0 1 非枝晶组织1 0 强烈搅拌条件下晶粒形貌演变示意图一1 1 二次枝晶臂碎断机制示意图1 l 随切变速率和紊流强度的增大时晶粒形貌的演变示意图1 2 技术路线15 可控角度导流器17 孕育剂加入方式的浇注示意图1 7 不同浇注温度采用m 方式金属型浇注坯料的铸态微观组织一2 1 不同浇注温度m c 方式下浇注坯料的铸态组织2 2 不同浇铸温度下的z l l 0 1 铝合金自孕育流变铸造组织2 3 浇铸时导流器温度区间2 3 z l l 0 1 合金在7 1 0 时不同铸造方式的金相组织：2 5 不同铸造方式下z l l 0 1 合金晶粒尺寸2 6 不同浇注温度采用m 方式金属型浇注坯料的固溶处理的组织2 7 不同浇注温度采用m 方式金属型浇注坯料的晶粒尺寸2 8 不同熔体处理温度m s 方式下浇注坯料的固溶处理后的组织2 9 不同浇注温度采用m s 方式金属型浇注坯料的晶粒尺寸3 0 不同熔体处理温度m c 方式下浇注坯料固溶处理后的组织一3 1 不同浇注温度m c 方式下浇注坯料的晶粒尺寸3 2 不同浇注温度采用n 方式金属型浇注坯料的铸态微观组织3 4 不同浇注温度采用n 方式金属型浇注坯料的晶粒尺寸3 5 l v 硕十学何论文 图4 3不同熔体处理温度下的z a 2 7 铝合金自孕育流变铸造组织；3 6 图4 4 浇铸时导流器温度区间一。3 7 图4 5 不同熔体处理温度n s 方式下浇注坯料的固溶处理后的组织3 8 图4 6 不同浇注温度采用n s 方式浇注坯料的晶粒尺寸。3 9 图5 1c u a 1 二元平衡图4 2 图5 2 q a l l 0 3 合金在11 0 0 时不同铸造方式的金相组织：4 3 图5 3不同熔体处理温度下的q a l 0 3 铜合金合金自孕育流变铸造组织4 4 图5 4 不同浇注温度采用q s 方式浇注坯料的晶粒尺寸4 4 图6 1 枝晶温度场4 8 图6 2z l l 0 1 合金自孕育流变凝固过程图4 9 图6 3 导流器合金熔体流动的剪切变形5 l 图6 4 合金熔体的粘度与温度5 1 图6 5牛顿流体与伪塑流型流体应力应变曲线5 2 图6 6z a 2 7 锌合金自孕育流变导流器底部组织5 3 图6 7q a l 0 3 合金l1 0 0 自孕育流变凝固过程图( a ) 5 4 图6 8 二元合金相图与响应函数的热力学极限5 7 图6 9 球对称的稳态扩散场5 9 v 自孕育铸造法对a l 、z n 、c n ：f f 铁合会纲织的影响及凝| 匍过稗的研究 附表索引 表2 1 腐蚀剂成分1 8 表3 1z l l 0 1 铝合金的化学成分( 质量成分数) 1 9 表3 2 实验条件2 0 表4 1z a 2 7 锌合金的化学成分( 质量成分数) 3 3 表4 2 实验条件3 3 表5 1q a l 0 3 铜合金的化学成分( 质量成分数) 4 1 表5 2 实验条件4 2 表6 1 切应力与粘度系数。5 2 v i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 弦朋芗 日期：列。年歹月i 矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国 科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 擞鹏 刷帷名。习而芟 日期：弦7 年，月i o 日 日期：如和年歹月肋日 硕十学位论文 曼! ! 曼曼苎! 曼曼曼! 曼曼鼍曼鼍o _mu mi m i 寰 1 1 半固态成形的概念 第一章绪论弟一早珀t 匕 半固态金属成形具有许多独特的优点，如近( 净) 终成形、产品高质量和高性 能、工艺节能等，被誉为2 1 世纪最具前途的金属材料加工技术之一。因此一经提 出，就在理论和应用上引起了材料工作者的高度关注以及商业集团的广泛兴趣。 从1 9 9 0 年第一届国际半固态加工专题学术会议在法国的s o p h i aa n t i p o l i s 召开以 来，先后在欧美、亚洲举办了十届。正是在这些工业发达国家，半固态加工金属 部件在汽车、通信、电器、航空航天、运动以及医疗器械等领域应用越来越广泛， 其中主要是半固态加工生产铝合金和镁合金的成形零件，而且垄断了现有的半固 态加工生产的大部分发明专利。我国已经成为制造业大国，同时是非铁合金生产 大国，然而高附加值的工业产品生产技术专利依旧匮乏，通过自主创新是实现制 造业强国的必然之路。 半固态合金浆料的制备是半固态成形技术的基础和关键，半固态成形要求浆 料原始组织为均匀细小的球形非枝晶组织。为了降低制备半固态浆料过程中的生 产成本，可以通过控制浇注温度或利用低温浇注技术来细化晶粒尺寸或改善晶粒 形貌【i 】。但是由于合金的凝固特性以及铸型热传导的差异，铸型中的液态合金因 各部位存在明显的温度差，以至于同一铸型中不同部位的液态合金的冷却速率不 一样，导致最终获得的组织形貌不一致。在低温浇注获得的铸锭中，由若干个具 有不同组织形貌的区域组成：铸件周边区域为枝晶层，由等轴枝晶组成；第二个 区域是一个逐渐过渡的区域，存在枝晶向着蔷薇状形貌转变，由蔷薇状和球状晶 体混合组成；在接近铸锭中心位置时蔷薇状晶体的数量减少，显微组织完全由球 状颗粒组成。对于这类组织形貌不均匀的问题，目前还没有很好的解决办法。利 用单纯的低温浇注技术所获得的半固态浆料不能满足直接用于流变成形的要求， 因此必须严格控制初生相的形貌。为了获得符合流变成形要求的半固态浆料，人 们采取了严格控制液态合金的浇注温度和低冷却速率或者使液态合金在固液两 相区停留保温等措施来保证初生相形貌。这样虽然可保证获得形貌良好的初生相 颗粒，但操作困难，成本亦会提高。半固态加工镁、铝合金产品的研发、创新成 为必要。因此开发和研究具有自主知识产权的半固态加工工艺意义重大，同时凝 固过程中材料组织的形成机制也是材料工作者的基础研究方向，对指导和提出更 合理的金属半固态加工工艺更具有实际意义【2 】。 1 2 半固态成形的研究和发展现状 传统铸造和挤压成形方法是利用工艺过程来获取能够提供零件使用性能的 自孕育铸造法对a 1 、z n 、c n 非铁合金绢织的影响及凝 司过稃的研究 微观结构，而半固态金属加工用的供给料微观结构必须是非枝晶组织，因此可以 说是由材料的微观结构来决定半固态加工工艺特征。和许多人类的科技创新一样， 这种新兴的金属材料加工技术是材料工作者们通过对实验中偶然现象的观察和研 究，在探求其本质过程中开发出来的。半固态金属加工工艺的研究开始于二十世 纪七十年代初，麻省理工学院的s p e n c e r 博士在f l e m i n g s 教授的指导下研究合金的 热裂试验中，利用粘度计测评s n p b 部分凝固合金的粘度来模拟钢铸件热裂性能 【3 j 。在试验过程中，s p e n c e r 博士发现在对部分凝固合金连续施加剪切作用时，合 金具有机械油一样的流动性；并表现出触变性的流变行为。这一现象有悖于传统 的铸造工艺中合金在固相率达到2 0 时就不能流动的结论。敏锐的科学工作者们 立刻意识到这一发现对金属加工科学和技术具有突破性的重要意义。深入研究表 明这种具有触变性和伪塑性流变特性的半固态合金结构特征区别于传统铸造工艺 中得到的枝晶结构，而是球形或非枝晶形态的微观结构。这种建立在球形结构或 者说触变性结构上开发出来的新工艺称之为半固态金属加工。半固态加工技术的 核心内容就是生产具有球形晶组织的半固态浆料。迄今为止，对各种合金的半固 态加工研究进行了三十多年，研究的金属材料随着时代的选择而变化。在开始阶 段，主要是集中在钢铁等高温合金上，其目的是在军事工业中完善钢的压铸技术， 半固态加工可以大大降低成形温度。由于钢铁合金熔液控制手段复杂，设备昂贵， 难以用于商业性生产，因此半固态加工技术的发展停滞不前。随着二十世纪七十 年代末的石油危机和八十年代开始日趋严重的环境问题，要求汽车制造商采用高 性能的轻金属材料加工零件以减轻汽车重量，从而减少能源消耗和环境污染。高 比强度、良好的铸造和加工性能以及低熔点的铝、镁轻合金受到人们的青睐。因 此，从上个世纪九十年代开始，合金的半固态加工成为主要研发内容，随着各种 合金的开发和利用，近年来合金的半固态加工成为研发热点。受限于加工成本和 工艺控制流程，半固态加工技术的生产应用还处于初始阶段，9 1 2 0 1 0 年，触变压 铸成形的铝合金零件仅占到北美、欧洲和日本铝合金件产量2 5 0 万吨的4 。 1 2 1 传统制备方法 ( 1 ) 机械搅拌法 机械搅拌法是最早制备半固态浆料的方法，分为非连续机械搅拌法和连续机 械搅拌法。该方法利用机械旋转的叶片或搅拌棒改变凝固中合金初生晶粒的生长， 获得球状或类球状的初生晶粒的半固态金属流变浆料，这些球状或类球状的初生 晶粒均匀地悬浮在母液中。在搅拌过程中可以通过控制搅拌温度、搅拌速度和冷 却速度等工艺参数，使初生树枝晶破碎成为颗粒结构。该方法多用于实验室的研 究【4 1 。 机械搅拌装置结构简单、造价低、操作方便、剪切速度易于控制，机械搅拌 法制备半固态金属浆料成为目前实验室应用最广泛的方法。但是这种方法生产效 率低，搅拌室和搅拌棒的寿命短且容易污染半固态金属浆料，无法满足商业生产 2 硕十学位论文 的需要。 ( 2 ) 电磁搅拌法 电磁搅拌技术是经历了较长时间的发展才逐渐成熟起来的。我们知道，闭合 导体在变化的磁场中切割磁力线会产生电流，而运动的电子( 或通有电流的导体) 垂直于磁力线在磁场中会受到洛仑兹力的作用而产生运动的趋势。这就是电磁搅 拌技术的基本理论依据。电磁搅拌按磁场方向分为水平式与垂直式：水平式生产 工艺，即电磁感应线圈平行于铸型的轴线方向；垂直式生产工艺，即电磁感应线 圈与铸型的轴线方向垂直。电磁搅拌能使金属液产生三维流动，增加搅拌效果， 所制备的铸锭晶粒尺寸一般可达至l j 6 0i lm ，为球状等轴晶组织。电磁搅拌法应用 较广，且相对于机械搅拌法，它是一种比较成熟的半固态浆料制备方法，它克服 了机械搅拌的大部分缺陷，是一种非接触式搅拌，不污染金属浆料，不会卷入气 体，可实现连铸，生产效率高，且电磁参数控制方便灵活，在工业中得到了广泛 应用。目前，工业上应用电磁搅拌法可以生产出直径达至1 3 8 m m 1 5 2 m m 的半固态 铸坯。但是，交变电流的集肤效应使得电磁力从铸坯四周到中心逐渐减弱，所以， 电磁搅拌法不宜生产更大直径的铸坯，而且这种方法电能消耗量大，设备结构复 杂，工艺复杂而且成本高，搅拌效率有待于进一步提剐5 1 。 ( 3 ) 应变熔化诱发激活法 应变熔化诱发激活方法，简称s i m a 。其工艺要点是：利用传统连铸方法预先 制备出晶粒细小的金属坯料，将该金属坯料在回复再结晶的温度范围内进行大变 形量的热态挤压，通过变形破碎铸态组织，然后再对热态挤压变形过的坯料加以 少量的冷变形，在坯料的组织中储存部分变形能量，最后按需要将经过变形的金 属坯料切成一定大小，迅速将其加热到固液两相区并适当保温，即可获得具有触 变性的球状半固态浆料。s i m a 法的实质是塑性变形使晶粒破碎，重新再结晶球化， 获得等轴细小晶粒组铡每7 1 。 1 2 2 新兴制备方法 ( 1 ) 化学晶粒细化法 化学晶粒细化法是添加晶粒细化剂或变质剂，增, d h j i - 来晶形核数目与改变结 晶方式来细化晶粒以及改善结晶组织，使生产的锭料适合半固态成形加工。据报 道，挪威n o r s kh y d r o 公司应用化学晶粒细化剂法与特殊的凝固条件相结合，制备 了半固态镁合金a z 9 1 d 细晶粒铸锭【8 l 。 ( 2 ) 近液相线法 近液相线铸造( n e a rl i q u i d u sc a s t i n g ) 法采用控制铸造的温度、静置时间、铸 造速度及冷却强度等因素，将熔融金属在液相线温度以上或接近于液相线温度经 保温静置后，并在一定的冷却速度下浇注，从而获得细小、近球形、非枝晶半固 态组织。该方法具有工艺简单，生产效率高的优点，利用该技术已经成功制备了 3 自孕育铸造法对a l 、z n 、c n 非铁合金组织的影响应凝固过程的研究 7 0 7 5 、1 1 2 、a 3 5 6 及z l 2 0 1 铝合金半固态浆料【9 】。 ( 3 ) 新m i t 工艺 新m i t 工艺是2 0 0 0 年由麻省理工学院的f l e m i n g s 等提出i l 。其核心思想是： 将低过热度的合金液浇注到制备坩埚中，利用镀膜的铜棒或石墨棒进行短时弱机 械搅拌。使合盒熔体冷却到液相线温度以下，然后移走搅拌棒。让坩埚中的半固 态合金熔体冷却到预定的温度和固相分数，即可得到所需的半固态浆料。其研究 认为，影响形成非枝晶半固态浆料的重要因素是合金的快速冷却和热传导，组织 形成机理简单的说是在快速热释放的同时进行搅拌。在液相线温度附近的搅拌冷 却会使合金熔体内产生大量晶核，从而形成半固态组织。其工艺流程如图ll 所示： t i m oc s ) ( 曲( b ) 图1ls s r 制浆工艺( a ) 制浆步骤 ( b ) 制浆工艺中温度和时间曲线 f i g , l1s c h c m 乩i cd i a g r a mo f s s rp r o c e s s ( a ) t h es t e p so f s s r ；( b ) t h ec u r v eo f t e m p e r a t u r ev st i m ei nt h es s r p r o c e s s 该方法设备简单，操作方便，且形成的组织均匀、颗粒尺寸相当，是一种很 好的制浆方法，但不能完全避免搅拌器对浆料的污染i 。 ( 4 ) r d c 法 英国b r a n d 大学的f a nz 等为克服单螺旋触变成形机的不足，发明了双螺旋触 变成形机( t w i n s c r e w i n g r h e o m o u l d i n g ) ，提出t r d c 法( p , h o d l i c c a s t f n g p r o c e s s ) ， 如图l2 所示。研究者认为金属液在双螺旋的强烈搅拌混合作用下，浓度场和温度 场分布的非常均匀一致，在强烈对流作用下连续冷却，异质形核将在整个熔体中 发生，而且尽管实际形核率没有提升，但由于所有的形核都能存活下来，因而有 效形核率大大提高。此外强烈混合作用会引起潜在的晶坯的分散，从而增加潜 在形核的位置【1 2 1 。 | 一 一邮 | | 、 一稠 圆一一圆一 嘲一 c 咖m s | u r f v 腓r 圈12r d c 法示意围 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a m o f r d c ( 5 ) 冷却斜槽法 冷却斜槽法是在1 9 9 8 年由日本宇部株式会社发明用于制各铝合金和镁合金的 半固态浆料的新工艺。冷却斜槽法的组织形成机理为：将稍高于液相线温度的熔融 金属倒在冷却斜槽上，由于斜槽的冷却作_ 1 1 j ，在斜槽壁上有细小的晶粒形核长大， 金属流体的冲击和物体的自重作用使晶粒从斜槽壁上滑落并翻转，可达到搅拌效 果。通过冷却斜槽的金属浆料落八容器，控制容器温度，冷却到半固态成形温度 后保温，并达到满足要求的固相体积分数，然后进行流变成形或触变成形。 为了进一步降低成本、简化设备与工艺，解扶平直倾斜板容易结壳的问题， 如图13 所示，管仁国采用施加了振动并带有波浪形表面的倾斜板。振动混合冷却 板与普通斜流板相比在施加振动后流道上的结壳较少，与非振动的波浪型斜板技 术相比，振动的浪型斜板可以提高组织改善效果可以有效解决合金熔体在浇注过 程中在斜板表面残留结壳的问题。即使在斜板表面不作任何处理和加热，在浇注 温度较低的条件下，台金熔体也不容易在斜板表面结壳，但是振动殴各设备复杂， 能耗太大m j 。 自2 l 錾耋鎏碧盆：；耋；窑i ! 童耋耋堡垒墼星窒墨墼垦茎堡曹叠耋 图13 波浪型倾斜板半固态成形技术示意图 f i g1 ，3s c h e m a t i cd i a g r a mo f c o o h n gs l o p em e t h o d ( 6 ) 半固态等温热处理法 半固态等温热处理法( s e m i s o l i di s o t h e r m a lh e a t - t r e a t m e n to rs e m i s o l i d t h e r m a lt r a n s f o r m a t i o n ，简称s s i t 或s s t t ) 出现于2 0 世纪9 0 年代。半固态等温热 处理法的制浆原理是在熔融合金中加入变质元素，进行常规铸造，然后再将浆料 加热到固、液两相区进行保温处理而获得非枝晶组织。半固态等温热处理的主要 工艺参数为变质元素的种娄和加入量、半固态等温温度和保温时间等。半固态等 温热处理法与s i m a 相比略去了预变形；与机械搅拌法和电磁搅拌法相比省去了专 门制各非枝晶组织的工艺，u t 在半固态成形前的二次加热中实现非枝晶化。此法 设各简单、节约能源、工序简化，但是工艺参数难于控制【i ”。 ( 7 ) s e e d 法 s e e d 法( s w i r l e de n t h a l p y e q u i l i b r a t i o nd e v i c e ) 是有加拿大a l c o a 公司d o u t r e d 等提出的一种制备半固态浆料的方法。2 0 0 2 年获得美国专利，其制浆过程分为 三个阶段( 如图14 所示) ： 昱一冒 图14s e e d 法示意图 f i 9 1 4s c h e m a t i cd i a g r a m o f s w i r l e de n t h a i p y e q u i l i b r a t i o nd e v i c e ( a ) 将定合金成分的台金浇入容器中，并随着容易一起以一定的转速偏心 6 硕士学位论文 旋转，其目的是使在容器壁形核的初生相能在整个容器里分布均匀；( b ) 旋转停 止后静止一段时间，然后打开容器底都的流口排干所剩的液体，排除的液体占整 个熔体的1 0 - 3 0 ；( c ) 翻转容器，取出半固态坯料进行成形。 ( 8 ) n r c 法 n r c 法( n e w r h e o c a s f n gp r o c e s s ) 由冷却斜槽法发展而来，现已成功获得工 业应用，其工艺流程如图15 所示。 将低过热的金属浇入经特殊设计的不锈钢模中，依靠模壁促进形核，钢模上 下加陶瓷保温盖后利用空冷将合金熔体冷却到半固态温度，最后通过高频加热装 置调整真个熔体的径向温度分布，得到质量合格的半固态坯料 1 6 1 。 图1 5n r c 法示意图 f i gl 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f n r c ( 9 ) c r p 法 c r p 法( c o n t i n u o u sr h e o c o n v e r s i o np r o c e s s ) 【1 ”是2 0 0 3 年由美国w p i 的 a p e l i m a ，f i n d o n m 等提出的，如图1 6 所示。 ；崮； m d w 圊16c r p 法示意图 f i g16s c h e m a t i cd i a g r a mo f c r p 盈 自孕育铸造法对a 1 、z n 、c n = f 铁合会组织的影响及凝同过稃的研究 其工艺流程是将两种不同合金成分的熔体在反应器中混合，使合金熔体在凝 固初期快速冷却、强制对流。该方法的优点是工艺简单、灵活性强、微观组织演 化可严格控制、固相百分数可快速调整、废料易于回收等。 ( 1 0 ) s l c 法 s l c t m 法( s u bl i q u i d u sc a s t i n gp r o c e s s ) 是由美国t h t 公司的m t h i e m a n 在 2 0 0 2 年提出的一种流变成形方法如图1 7 所示【1 8 】。该法不需要正常的铸造设备和铸 造循环外附加额外的设备，其半固态浆料制备的关键环节包括：浇铸前的晶粒细 化、浇铸温度控制在液相线温度之上小范围内、直接在压射室内控制凝固得到半 固态浆料。 图1 7s l c 刑法示意图 f i g 1 。7s c h e m a t i cd i a g r a mo fs l c t m 1 2 3 固液混合技术 在过热的熔体中加入大量的同种合金粉末或润湿性好的异种合金粉末，在保 护气氛下进行强烈地均匀搅拌，获得细晶组织，然后进行铸造或各种热加工的一 种材料制备工艺。与半固态加工一样，这种铸造合金坯料也可以冷凝后重新加热 到半熔融状态，进行各种后续加工n 钆州。固液混合坯料具有良好的挤压性能， 挤压坯具有优异的室温和高温耐磨性能啦h2 引。 固液混合铸造虽然类似于半固态加工工艺，但两者的半固态概念有所不同。 前者的固相是指未熔化的粉末颗粒，后者的固相主要是指由被搅拌破碎的枝晶生 成的球状晶。固液混合铸造比喷射沉积工艺简单得多，材料的显微组织也比较微 细，具有快速凝固组织的特征。固液混合铸造设备如图l8 所示， 图1 8 圄液混台铸造设备 f i g18s o l i d l i q u i dm i x e dc a s t i n ge q u i p m e n t 屏既髂瞎 图19 固液混合铸造的工艺流程 f i 9 19s o l i d - l i q u i d m i x e dc a s t i n g p r o c e s s 工艺流程图如图1 9 ，先将台金锭坯置于硅碳棒炉中加热熔化，压铸模置于箱式电 阻炉中预热，自制保温装置( 内设搅拌室) 置于井式电阻炉中预热。试验时，先将 保温装置取出，将合金熔体出炉，然后再迅速浇入搅拌室，利用热电偶和数显温 度记录仅记录熔体的实时温度，待熔体达到预定的过热度时，加入同种合盒粉末 并进行搅拌，待熔体达到半固态时将其迅速转移至压铸模中压铸，即进行半固 态流变压铸。 1 2 4 悬浮铸造工艺 悬浮铸造川又称恳浮浇注，就是在浇注金属液时，将定量的粉末材料 加到金属液流中，使它与液流掺和在起而流入铸型的一种铸造方法。这样，浇 注到铸型中的就不再是通常的过热金属液。而是含有固态悬浮颗粒的金属液。这 种铸造工艺主要应用于钢铁铸造，国外也已有通过这种方法进行铝和铝合会的铸 造。所添加的粉末材料，如铁粉、各种铁合金粉、铸铁丸、钢丸等称为悬浮剂。 由于它们也具有通常的内冷铁作用，因此又常称它为微型冷铁，在进行悬浮铸造 时，粉末材料在浇注时加到浇注系统中。由于粉末状的微型冷铁具有很大的活化 表面，并又均匀分布在金属液中，因此，通过它与金属液之间产生的一系列机械 的、热的、物理化学的作用，可以控制金属铸件的结晶凝固、孕育和合金化的进 目芏旦墓誊鎏翌垒! 窑；：j 鏊耋耋鲁釜暨耄窒璺譬冒垫塞墼至耋 程。 1 3 半固态浆料组织 半固态加工工艺是指具有非枝晶组织触变性结构的合金浆料在液固两相区 内综合传统的铸造和模锻的方法进行金属材料成形加工的工艺。与传统的铸造和 锻造工艺的区别在于半固态金属成形的条件是供给浆料由两相混合物组成的悬浮 液，即细小的球形颗粒均匀分散在液态金属基体中，如图l1 0 所示 图l1 0 铝台盒z l l 0 1 非枝晶组织 f i 9 11 0 n o n d e n d r i t i c m i c s u c t u f e o f z l i o id l o y 半固态加工的基本工艺路线可分为流变成形( r h e o f o r m i n 妒和触变成形 ( t h i x o f o r m i n g ) 两种：触变成形是把具有非枝晶组织的半固态坯料重新加热至两相 温度区间，再进行压铸、挤压或轧制成形的工艺。由于合金供给料存在诸多问题， 如台金种类的不同，产品的有限体积，生产零件的质量不同，工艺流程长，增加 操作工序，很大程度上造成生产成本过高。流变成形是指直接利用已制各好的具 有球形组织的半固态浆料进行重力铸造、压铸以及模锻等成形路线；流变成形工 艺以流程短、生产成本低队及废料循环再利用性成为半固态加工的未来发展方向。 流变成形中获得理想的半固态供给料是实现流变成形路线的前提条件。使得 半圆态制浆成为目前的主要研究方向。目前非枝晶形成机制有以下三种生长方式： 枝晶根部熔断，枝晶臂破碎和抑制晶粒长大( 2 s 捌。 半固态浆料流动的熔体在枝晶臂大小范围的空间内能否产生使枝晶臂折断 的弯矩是个疑问，p i l l i n g 和h e l l a w e l l 通过对枝晶间流动熔体对枝晶臂剪切作用 的计算后认为，二次枝晶臂和主干的分离主要是由于枝晶臂根部溶质的富集所引 起，而流动的熔体促进了这种分离。s p e n c e ，j o l y 和m e h r a b i a n t 采用流变计对s n _ p b 台金搅拌的实验结果表明：半固态浆料中的固相颗粒呈现出退化的枝晶组织或蔷 薇形貌。这种蔷薇状形貌在其他实验中也能够见到。然而以上学者提出的枝晶臂 破碎和熔断机制都不能够解释蔷薇状晶粒的成因。对于蔷薇状的形成，h c m i n g s 1 0 硕十学何论文 认为是在凝固过程中由于连续的剪切作用，晶粒在生长过程中和其他晶粒发生摩 擦、熟化后的形貌【2 7 】，如图1 1 1 所示。 移 ( a ) 拶 oo ( b )( c )( d )( e ) 图1 1 1 强烈搅拌条件下晶粒形貌演变示意图 f i g 1 1 1s c h e m a t i cd i a g r o mo fe v o l u t i o no fs t r u c t u r ed u r i n gs o l i d i f i c a t i o nw i t h v i g o r o u sa g i t a t i o n ( a ) i n i t i a ld e n d r i t i