（材料加工工程专业论文）a356a357铝合金半固态成型工艺性能分析及其模拟.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 金属半固态成形技术作为具备组织致密、性能优异特点的近终成形技术之一。自 2 0 世纪7 0 年代问世以来，取得了迅猛的发展，目前已经在航空、汽车、电子等行业 得到了广泛应用，被誉为“2 1 世纪最有发展前景的绿色工业技术。这项技术在中国 正在兴起，前景广阔。了解半固态成形工艺过程、组织演变规律及性能优化方法对于 指导半固体生产具有重要意义。 本文针对板形阶梯试样的半固态成形过程，应用金相，力学性能，计算机模拟等 方法，系统地研究了半固态成形的工艺、流场、缺陷、成形模具、组织演变等规律。 通过优化模具设计和工艺参数，取得了减少缺陷和提高性能的良好效果。 通过对原板形试样的实验分析可知：在模具温度2 5 0 ，快速压射模式下能得 到综合力学性能相对较高、缺陷相对较少的试样。对缺陷的研究结果表明：快压射条 件下因板形试样的两侧拐角处易出现充填状况不佳而导致缺陷产生；慢压式下容易形 成局部冷隔或表面折皱，故不太适合于半固态的成型。为了减少缺陷，使用计算机模 拟与实验相结合的方法对模具进行了优化，优化过程中对半固态充型流场进行了有效 改善，经实验确认优化后模具的成形缺陷明显减少，综合力学性能也有显著提高。 触变成形工艺研究分析表明：在各工艺中，模具温度降低能得到较高的抗拉强 度，但是塑性会下降；压射速度减小，延伸率提高，但是充形效果差；模具温度提高 也能提高延伸率，但是其影响小于充填速度的影响；t 5 热处理可提高试样的抗拉强 度，但会使延伸率有所下降。对优化后的模具进行工艺实验表明：板形压铸件合适的 压铸成形工艺：冲头峰值速度范围0 3 0 m s - 4 m s ；模具温度2 0 0 。c - 2 5 0 = c ；保压时间 9 1 1 s 。 本文还研究了二次加热过程、半固态触变成形过程微观组织的变化规律，结果 表明：在二次加热过程中，温度未达到共晶温度时，q 晶粒以合并的方式生长，达到 共晶温度以后除了合并长大以外，还有自身的熟化生长，当液相达到一定比例的时候， 初生q 晶粒以自身生长的方式长大，部分合并晶粒被熔断，初生q 晶粒得到球化；在 触变成形过程中，离浇口位置越远的地方，固相晶粒的圆整度越好，晶粒尺寸也比较 小，粗大的q 相晶粒容易在拐角和浇口处发生聚集，并在压力的作用下发生变形，这 种现象易造成压铸件整体性能的不均匀，在压铸过程中液相较多的地方容易产生较多 上海大学硕士学位论文 细小q 晶粒。经过对固相率、固相晶粒尺寸进行了系统数学分析之后得出了这两种参 数随工艺、模具结构发生变化的数学公式，经过验证，数学公式成功推导出支撑座零 件固相率、晶粒尺寸的分布规律。 关键词：半固态触变成形，计算机模拟，成形模具优化，半固态成形工艺，微观组织 特征 n 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es e m i - s o l i df o r m i n gi san e a r - n e ts h a p ef o r m i n gt e c h n o l o g y , w h i c hh a sc o m p a c t s t r u c t u r ea n dg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s s i n c e7 0 so ft w e n t i e t hc e n t u r y , t h et e c h n o l o g y h a sd e v e l o p e dg r e a t l y , a n db e e na p p l i e da b r o a da m o n ga v i a t i o n ，a u t o m o b i l e ，e l e c t r o n i c s i t w a s r e c o g n i z e da s “g r e e nf o r m i n gt e c h n o l o g yw h i c hh a sg r e a tp r o s p e c ti n21 吼c e n t u r y ” t h i sf o r m i n gt e c h n o l o g yi sr i s i n gi nc h i n a s o ，i th a sag r e a ts i g n i f i c a n c ef o rg u i d i n g p r o d u c t i o nt ok n o wt h ef o r m i n gc r a f t s ，s t r u c t u r ee v o l v e m e n ta n dt h em e t h o d st op r o m o t e p r o p e r t i e s i nt h i sa r t i c l e ，t h el a d d e r - s h a p ep l a t ep i e c ew a su s e df o rs e m i s o l i df o r m i n gr e s e a r c h i t sc r a f t s ，f l o wf i e l d ，d e f e c t s ，f o r m i n gm o l da n ds t r u c t u r ee v o l v e m e n tw e r es y s t e m a t i c a l l y s t u d i e db ym e t a l l o g r a p h y , m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n t h r o u g ht h e s t u d y , i t sm o l da n dc r a f t sw e r eo p t i m i z e d ，d e f e c t sd e c r e a s e da n dp r o p e r t i e si n c r e a s e d f r o mt h er e s u l t so fe x p e r i m e n t ，w ec a ns e et h a tt h ei n t e g r a t e dp r o p e r t i e si sg o tu n d e r t h ec o n d i t i o no f2 5 0 m o l dt e m p e r a t u r ea n df a s t - s p e e dd i e - c a s t i n gm o d e d e f e c t s r e s e a r c hr e s u l ts h o w e dt h a td e f e c t sa p p e a r e de a s i l yi nc o r n e rf o rb a df i l l i n gi nf a s t s p e e d m o d e ，t h es u r f a c ew o u l da p p e a rc o l dl a pa n dc o r r u g a t i o ni ns l o w - s p e e dm o d e ，w h i c hw a s n o tf i tf o rs e m i s o l i df o r m i n g f o rf e w e rd e f e c t s ，i tw a sn e c e s s a r yt oo p t i m i z et h em o l d a f t e rm o l do p t i m i z i n g , t h ef l o wf i e l db e c a m eb e t t e r , d e f e c t sb e c a m el e s sa n dg o o d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r eo b v i o u s l ya c h i e v e d f r o mt h er e s u l to ft h i x o f o r m i n gc r a f t sr e s e a r c h , l o w e rm o l dt e m p e r a t u r ec a ni n c r e a s e t e n s i l es t r e n g t h ，b u td e c r e a s ep l a s t i cp r o p e r t y l o w e rd i e c a s t i n gs p e e d sc a l lg e tg o o d p l a s t i cp r o p e r t y , b u tb a df l o wf i e l d t h ei n f l u e n c eo fm o l dt e m p e r a t u r eo np l a s t i cp r o p e r t y i sm u c hl e s st h a nd i e c a s t i n gs p e e d s t 5c o u l dg e th i g h e rt e n s i l es t r e n g t h ，b u tl o w e rp l a s t i c p r o p e r t y t h o u g ht h ec r a f t se x p e r i m e n t so fo p t i m i z e dm o l d ，w ec a ns e et h a ta p p r o p r i a t e c r a f t sa r ed i e c a s t i n gs p e e d s ：0 3 0 m s - 4 r n sa st o ps p e e d s ，m o l dt e m p e r a t u r e ：2 0 0 c 一2 5 0 c ， p r e s s u r em a i n t a i n i n gt i m e ：9 - 1ls t h i sa r t i c l eh a da l s oi n v e s t i g a t e dt h es t r u c t u r ee v o l v e m e n tr u l ed u r i n gr e h e a t i n ga n d t h i x o f o r m i n gp r o c e s s d u r i n gr e h e a t i n gp r o c e s s ，a p h a s eg r a i n sg r e wa sm e r g i n gb e f o r e e u t e c t i ct e m p e r a t u r e w h e ni tr e a c h e de u t e c t i ct e m p e r a t u r e ，a - p h a s eg r a i n sh a p p e n e dt o i i i 上海大学硕士学位论文 g r o wa sp h a s ec h a n g eb e s i d e sm e r g i n g a n dt h e n ，af r a c t u r eo fl i q u i dp h a s ea p p e a r e d s o m e m e 坞e dg r a i n sw e r em e l t e da g a i n a tt h es a n l et i m e ，q p h a s eg r a i n sw e r es p h e r o i d i z e d d u r i n gt h i x o f o r m i n gp r o c e s s ，t h eg r a i n sh a v i n gg o o dr o u n d n e s sa n df i n es i z ee a s i l y a p p e a r e di nt h ep o s i t i o n sf a rf r o mg a t e i nc o n t r a r y , r o u g ha n dl a r g e rg r a i n sw o u l dl i k et o g a t h e ri nc o m e ra n dn e a r - g a t ep o s i t i o n s t h e yc o u l db ed e f o r m e du n d e rt h ep r e s s u r e t h i s p h e n o m e n o nw o u l dm a k ed i f f e r e n tp r o p e r t i e si nt h ew h o l ep l a t e i tw a ss t i l lf o u n dt h a tt h e v e r yf i n e 伍- p h a s eg r a i n sw e r eg e n e r a t e da m o n gt h el i q u i d r i c hp o s i t i o n s a f t e rm a t h m o d e l i n ga n a l y s i so fl i q u i df r a c t i o na n da p h a s eg r a i ns i z e ，t h ef o r m u l a sr e l a t e dt ov e l o c i t y a n dm o l dg e o m e t r i cd i m e n s i o n sw e r eg o t ，w h i c hf i t t e dt h ep r i n c i p l eo fl i q u i df r a c t i o na n d a p h a s eg r a i ns i z ev e r yw e l la f t e rt h et e s to fs u p p o r tp a r t k e yw o r d s ：s e m i - s o l i dt h i x o f o r m i n g , c o m p u t e rs i m u l a t i o n , m o l d o p t i m i z i n g , s e m i s o l i df o r m i n gc r a 如，m i c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r s i v 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。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己发表或撰写过 的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论 文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 酶婵聊繇徽 期：一参二墨! ：! o 上海大学硕士论文 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 铝合金半固态成形技术综述 在金属材料从固态向液态或液态向固态的转变过程中，均经历半固态阶段，特 别是结晶温度区间宽的合金。转换过程分为三个阶段，而在这三个阶段中金属材料呈 现出不同的特性，利用这些特性就产生了塑性加工、铸造加工和半固态加工等多种热 加工成形方法。 图1 1 高温下固态、半固态和液态成形方法分类图 半固态加工利用了金属从液态向固态或从固态向液态过渡( 即固液共存) 时的 上海大学硕士论文第一章文献综述 特性，综合了凝固加工和塑性加工的长处，即加工温度比较低。例如铝合金，与凝固 加工相比，加工温度可降低1 2 0 ；变形抗力小，可一次加工形状复杂，且精度要求 高的零件。因此，半固态加工的科学含义是利用金属材料从固态向液态，或从液态向 固态转换过程中所具有的半固态特性实现的加工。这是一个温度概念，所实现的加工 是在半固态温度区间内完成，并没有涉及材料处于半固态的某种特性，即所谓流变性 和触变性，如图1 1 。2 0 世纪7 0 年代初，美国麻省理工学院d b s p e n c e r 等研究人员 在自制的高温粘度计中测量s n 一1 5 p b 合金的高温粘度时，发现了金属在凝固过程 中的特殊力学行为，即在金属凝固过程中进行强力搅拌会使枝晶破碎，得到一种液态 金属母液中均匀地悬浮着一定固相组分的固液混合浆料( 固相组分甚至可高达6 0 ) ， 具有很好的流动性，易于通过普通加工方法制成产品，于是冠以半固态加工，而人们 一直沿用至今。这样半固态加工不仅是温度的函数，而且是性能的函数。 半固态力n - r _ 又可以分为枝晶材料和非枝晶材料加工两种。 1 1 1 枝晶材料半固态加工 在半固态温度下，由于材料存在搭接的枝晶，不具备流变性和触变性，其流动 应力较大。根据加工对象获得的途径不同，可分为半凝固法和半熔融法。 1 1 2 非枝晶材料半固态加工 非枝晶材料半固态加工的工艺实质是将凝固过程中的合金进行强力搅拌，使其 先凝固的树枝状初生固相破碎而获得一种由细小、球状、非枝晶初生相与液态金属共 同组成的液固混合浆料，即流变浆料。将这种流变浆料直接进行成形加工，称为半固 态金属流变成形；而将这种浆料先凝固成铸锭，再根据需要将金属铸锭分切成一定大 小，使其重新加热至固液相温度区间再进行加工成为触变成形。 ( 1 ) 流变成形流变成形也包括流变铸造和流变锻造。由于半固态金属浆料的 保存和输送很不方便，因此流变压铸在实际中应用较少，r s h i b a t a 等人直接在压铸机 2 海大学硒十论立第一章立献综进 的压射室中用电磁搅拌的方法制备半固态浆料，而后将其挤入模腔成形。流变锻造的 研究现在较少。它和液态模锻过程基本样将制各好的半圆志浆料，不经冷却直接 注入模具内，进行半固态锻造包括模锻、挤压和轧制等。 ( 2 ) 触变成形触变成形与流变成形相比更为实际可行，解决了半固态金属浆 料制备与成形漫各的衔接。由于半同态金属及合金坯料的加热、输送很方便并易于 实现自动化操作，因此半固态金属触变压铸和触变锻造足当今金属半固志成形中主要 的工艺方法。成形设备主要是h 三铸机和压力机，并配备机器人搬运和抓取坯抖。 图12 半固态触变锻造 l _ 制坯2 切割坯料成块 3 感应加热( 一次加热) 4 半固志模锻5 半周志挤压 6 半固态轧制 半固态触变锻造分为半同志挤压、半吲态模锻和半同态轧制如图l2 所示。 很显然，触变铸造有两个过程，第个过程是半同志坯料在力的作刖下粘度降低，以 小能量消耗完成流动充填：第一二个过程是密实过程。前者是成形的需要，后者则是产 品质量的需要。因此触变锻造比触变压铸更能获得较高的产品性能。 霍 ，i惟、鞘 ：，臼 上海大学硕士论文第一章文献综述 1 1 3 半固态技术的工艺特点 ( 1 ) 加工温度区低( 针对压铸而言) 。因为半固态金属中有5 0 固体金属熔化 潜热已散失，从根本上解决了液态金属对压铸型、压铸室和冲头的热侵蚀，大大提高 了模具寿命。 ( 2 ) 成形力低( 针对锻造而言) 。由于半固态金属具有“剪切变稀 的触变行 为，充填时像流体一样，容易充填模腔。这与通常热锻模不同，一般简单件，需要经 过墩挤的剧烈金属流动，不仅要克服金属流动的阻力，而且要克服模腔的摩擦力。对 于较复杂件，不仅需要若干个工步才能完成，并且需要消耗大量的能量和大的吨位设 备。 ( 3 ) 制件质量大大高于铸造，且接近锻造。半固态金属像粥一样具有一定粘性， 因此压铸时无湍流现象，卷入空气少，减少了疏松，气孔等缺陷。凝固收缩小，制件 尺寸精度高。 ( 4 ) 应用半固态成形工艺，可以改善制备复合材料中非金属材料的漂浮、偏析 及金属基体中不润湿的技术难题，为复合材料的制备与成形提供了一条有效的路径。 ( 5 ) 实行绿色生产。由于坯料制备与成形分离，专业化程度提高。容易实现全 过程智能控制，减少了铸造和锻造对环境的污染，可实现绿色生产。 1 1 4 半固态加工工艺性能研究进展 1 、技术发展 半固态成形技术由于具有独特的技术优势和广阔的应用前景而倍受关注并且发 展迅速。综观其整个发展过程，可以分为实验研究阶段、应用研究阶段和工程化应用 阶段【1 翻。 试验阶段是从2 0 世纪7 0 年代开始的约1 5 年，初步建立了半固态成形技术理论 基础。应用研究阶段从1 9 8 0 年代中期开始，在这一阶段半固态成形技术应用研究迅 速发展，其工作遍及世界许多国家，我国也是在这一阶段开始半固态成形技术的研究 4 第一章! 献综t 工作。工程化应用阶段( 9 0 年起) ，在这一阶段许多国家都迅速实现工业化生产，并 给零件制造业带来很大的活力，特别是用在汽车零部件生产的领域。美国a l u m a x e n g i n e e r e dm e t a lp r o c e s s e s ( a e m p ) 公司奠基，标志着半固态成形技术己由试验研究 向工程转变。 2 、半固态工艺对合盒凝固组织性能的影响 材料的性能在很大程度上取决于它的组织特征，在材料成形过程中对其组织形 忐、晶粒大小进行有效控制是提高材料性能的一条重要途径。 a ) 半固态浆料的制备 半固态浆料的制备是半固态成形技术的基础与关键，在过去3 0 多年的研究中已 经出现了多种方法，但是电磁搅拌法在半固态浆料的制各中占有绝对的优势。在电磁 搅拌过程中，合金熔体会形成许多个小的热起伏和成分起伏，使得初生固相生成许多 短枝晶，随着搅拌的继续进行，短枝晶在液相流的冲刷、碰撞及温度和成分起伏的混 合作用下，逐渐向蔷薇状演化，并最终形成非技晶半固态组织。影响这一过程的主要 工艺参数有搅拌功率( 围13 ) 、搅拌时间以及搅拌时合金熔体的冷却速度等”。搅拌 功率直接影响到电磁搅拌力，进而对台金熔体的流动状态有影响。 海大学碗论文 ( c ) 1 2 0 呻 图13a 3 5 6 铝台金不同搅拌功率下的组织形貌 b ) 二次加热工艺对台金凝固组织的影q 半固态坯料的_ 二次加热在半固态触变成形工艺中起着承l 启下的作用，其目的主 要是快速、精确地获得后续压力成形工艺所需的固相体积分数，同时使坯料中的枝晶 碎片逐渐长大并球化，以满足后续压力成形工艺的对坯料的组织要求。_ 次加热过程 中的加热温度和保温时间是影响半固态成形件的性能重要因素，必须严格控制。随着 加热温度的升高和保温时间的延长，品粒等积圆直径逐渐增大，晶粒形状园子也随之 变大：坯料表层氧化加重，内部微观气体容易发生膨胀析出。粘度是评价玖加热后 坯料触变特性的一个重要指标，粘度与材料的固相率和球化程度实际上都是相互联系 的。固相率增大导致枯度的上升，如果球化品粒的圆整度不高或者晶卡立尺寸很大也会 使枯度值升高。二次加热的儡度决定着同相率的多少( 图l6 1 ，加热保温的时问决定着 晶牲圆整度和大小( 图15 ) 【8 - 1 2 从下圈可以看出图13 中的坯料经过二次加热后的形貌 圈14a 3 5 6 铝合金不同搅拌功率下的坯料在二次加热到5 8 0 c 保温2 1 0 s 时的组织形貌 上海大学硕士论文第一章文献综述 h e a tt r e a t m e n th o l d i n gt i m e ( s ) 图1 5 不同搅拌功率a 3 5 6 铝合金其圆整度随保温( 5 8 0 ) 时间的变化关系 童1 ( 3 0 ： 鼍 菊6 0 , - q 4 0 曩约 0 t 日州搿曲毋tc ) 弱0 爱ds 加5 圈0 0 团0 j d 图1 6a 3 5 6 铝合金坯料二次加热温度与固相率之间的关系 c ) 压力成形工艺对合金凝固组织的影响 半固态成形有多种方法，其中触变成形是所有成形方法中比较容易实现和控制的 一种，目前这种方法在国外已经大量工业生产 2 7 。2 9 1 ，但是在国内大部分还处于试验阶 段，从资金到技术上还没有很大突破 1 3 3 7 。目前北京有色金属研究院，上海大学， 东北大学等科研院校在压铸成形领域都进行了比较深入的探讨1 3 州，3 2 确】，然而对半固 态成形稳定性和缺陷的研究还比较滞后。 影响半固态成形组织和性能的两大因素是浆料在模具中的充填状况和压铸工艺 参数。 一。弓置-壹=曩昌o-晴露。o舢二誓 上海大学硕士论文第一章文献综述 由于半固态是固相和液相同时存在，那么在充填过程中就需要注意流场的情况。 所以，在半固态成形工艺中，模具的设计和浇口的位置是很关键的。不良的流场可能 导致卷气，充填不完整等现象【3 8 。3 9 】。 在半固态压铸过程中，影响合金凝固组织的工艺参数主要有压射速度、压射比压、 模具温度、保压时间等。 压射速度半固态合金由于含有一定比例的球状固相，其表观粘度比同种液态合 金的高3 个数量级。因此，在相同的压射速度下半固态合金的流动状态较液态合金的 流动状态平稳。但是，为了获得致密压铸件，还必须具有合适的压射速度，才可能最 终获得合格的压铸件。压射速度过高时，可能导致半固态合金紊流充填，使制件内部 产生气孔。压射速度过低时，半固态合金所受的剪切作用小，表观粘度降低幅度小， 合金充型时间长，冷却大，从而导致半固态合金的流动性差，成形件产生浇不足、流 痕、裂纹等缺陷。 压射比压压射比压的主要作用是使半固态合金具有一定的充型速度。保证半固 态合金在压力下结晶，使成形件的密度增大，晶粒细化，强度提高。但是为了获得合 格的压铸件必须选择适当的压射比压。压射比压过低，可能产生充填不满、缩孔、缩 松等缺陷。较大的压射比压对半固态成形件性能的提高有很大作用，但压射比压过大， 容易使之间严重裹气，同时降低模具的使用寿命。压射比压只有与压射速度进行合理 配合时，才能生产出高品质的压铸件。 模具温度其目的一是减少模具对半固态浆料的激冷作用，避免半固态合金产生 充型不足、冷隔等缺陷；二是减轻半固态浆料对模具的热冲击，延长模具的使用寿命。 模具温度过低会使半固态浆料的冷却速度加快，导致铸件表面出现冷隔纹痕、微观裂 纹，内部出现缩孔、疏松等缺陷。模具温度过高容易造成半固态浆料粘膜拉伤，制件 表面硬化层减薄，心部组织粗大。 保压时间保压时间主要取决于半固态成形件断面的最大壁厚和成形件的材质、 形状等因素。保压时间过短，铸件内部尚未完全凝固即卸压，铸件内部容易产生缩孔、 9 上海大学硕士论文第一章文献综述 疏松等缺陷。保压时间过长，容易造成压铸件脱模困难和因凝固收缩而产生微裂纹， 此外还使模具温升过高，降低模具寿命。 d ) 缺陷 冷隔冷隔是半固态挤压铸造中常见的缺陷。其形成原因主要有：模具温度太低 或者挤压速度较慢，浆料的上表面已凝固结壳，冲头下压时，翻出的浆料不能与凝固 壳凝结在一起，而在制件上表面的边部形成冷隔层。因此，在实际操作中可通过适当 提高模具温度、挤压速度来实现。 浇不足当半固态金属浆料固相分数过高，模具预热温度不够，挤压比压不足时， 才可能在型腔的尖角、棱边及一些排气不良的薄壁处出现充填不满的现象。在实际操 作中，可通过降低浆料固相分数，适当提高模具温度和模锻速度以及在模具排气不良 处增设排气槽等措施来预防。 裂纹产生的原因有：模具温度过低，附着在型腔内侧的半固态浆料迅速结壳， 浆料冷却凝固时产生的收缩应力全部由金属壳来承担，当此收缩应力大于金属壳的极 限强度后，金属壳便发生开裂；保压时间过长，制件薄壁处的冷却收缩受到限制而 被拉裂；制件的过渡圆角较小，浆料凝固时在该处产生过大的应力集中。所以在实 际操作中，应严格控制模具温度，合理选择保压时间，适当增大制件过渡圆角等。 夹渣与皮下针孔夹渣的出现主要是由于半固态浆料制备时渣没有除净，充型时 涂料剥落等所引起。预防措施有：浆料制备时认真造渣、去渣。皮下针孔的形成主要 是由于模具温度较低，涂料残留水分过多且喷涂不均匀所致。 缩孔和缩松一般出现在浆料的最后凝固部位。其原因主要是型腔内的半固态浆 料因凝固和温度变化所引起的体积收缩未能得到外界等同补偿而在制件内部留下集 中、分散的孔洞。对于这类缺陷，在实际操作中，可采用以下措施：加大比压，使 冲头压入半固态浆料的体积量大于或等于浆料的体积收缩量：合理选择保压时间， 确保浆料在压力作用下完全凝固：使制件各处壁厚尽可能相等，对有厚大部位的 制件，应采用浮动型腔，或添加侧向的压力使该部位也能受到适当的压缩。 1 0 上海大学硕士论文 第一章文献综述 气孔制件的气孔按存在形式的不同可分为：内部集中性气孔：机械式陷 入气孔：皮下针孔。内部集中性气孔是溶解在浆料中的气体随着浆料温度的下降， 溶解度降低而析出，因未能及时上浮至浆料顶面而被裹在浆料中所形成。机械式陷入 气孔是在机械压力作用下，无法排出的气体被压入制件内所形成。 根据实际情况分析，这些气孔的形成与下列因素有密切关系：挤压速度太高， 导致浆料紊流充填，卷入气体；半固态浆料制备时，除气不彻底；模具温度过低、 挤压比压过小，气体在浆料中的溶解因饱和而析出。模具排气系统设置不合理，冲 头加压时，型腔凹陷部位包裹的气体无法排出，当这些气体产生的压力p 气达到浸入 形成条件p 气 p 阻+ p 静+ p 表( p 阻为气体进入浆料的阻力，p 静浆料的静压力，p 表浆料表面张力) 时，便浸入浆料。涂料用量太多且残留水分过多【3 1 1 。 1 1 5 计算机模拟 目前，计算机技术飞速发展，相应的软件也不断深入各行各业，目前出现很多商 业软件给半固态的技术研究提供很大的帮助。计算机模拟对于成形参数的确定、模具 的设计和铸造工艺的优化等都具有非常重要的指导意义。 半固态合金具有一定的触变特性，其形变抗力不仅与剪切速率有关，还与时间有 密切的关系。对触变机理的研究不仅要进行大量的试验验证，计算机模拟也是有效的 方法之一，目前开发出的比较实用的软件有d e f o r m ，a n s y s ，f o r g e 3 ，a d s t e f a n 等。c g k a n g 等人通过有限元方法实现了半固态铝合金涡流形零件的近终成形 2 2 1 。 另外，他们还提出了一个新的有限元方程序s e m i - - f o r m ，并用它来预测了半固态材 料中固相的畸变状况、充型缺陷以及液相的偏析 2 3 2 4 1 。gf a n g 等人采用t - - 维刚塑 性有限元法模拟分析了十字楔形的成形过程，选用d e f o r m 3 d 模拟了c w r 的整个 成形情况【2 5 】。m u a m m e rk o c 等人对触变成形过程进行了有限元模拟【2 6 1 ，分析了坯料 在模具中的流动状况和生成缺陷的问题。 目前对半固态成型的数值模拟大部分都采用各种商业有限元软件，这些软件用起 上海大学硕士论文第一章文献综述 来的确比较方便，但由于这些软件开发的可适用领域比较广，应用到具体的某一领域 时考虑的因素比较粗线条化，大多应用时都需要做一些假设，所以模拟结果和真实的 试验情况还是有一定的差距。所以对模拟半固态成形时还需要找到符合半固态材料实 际情况的真实数学、物理模型。 目前，关于半固态成形的数学模型归纳起来主要有两种，一种是基于流体特征的 数学模型，一种是基于固体颗粒特征的数学模型。 流体特征数学模型是在流体特征函数的基础上发展起来的【7 3 1 ，主要考虑了半固态 与流体之间最明显的区别：粘度。对于一般流体，它的粘度比较低一般在o 0 1 p a e s 左右，而半固态的粘度一般要比它高2 3 个数量级。而且。半固态在充型过程中有 剪切变稀的特性，如图7 所示。 图1 7 半固态 3 5 6 合金稳态粘度与剪切速率和保温温度的关系曲线 该特征的数学模型公式为： 连续函数：i o u + 娑+ 娑：o 。x 卿 o z a 动量函数：兰( p 【，。) + d i v ( p - u - 瓦) = d i v p m + g 。一厶 1 2 5 4 3 2 1 o s茁型蕖饔僻 上海大学硕士论文第一章文献综述 体积函数：竽+ “娑+ ，婺+ w 芒：0 ，粘度数值公式：，7 ：仇+ ( r o - r 一打 c to xd v院 该模型的优点是将坯料看成一种具有一定流变特性( 通过粘度来实现) 的均匀流 体，通过运算它的连续方程，动量方程和能量方程计算流动过程，这种方法计算方便， 易于实现编程进行计算机有限元分析7 卜7 2 1 ，目前大多数计算机商用软件计算半固态充 型过程都采用这种方法，缺点是无法实现微观动态行为，对于微观组织差异造成的缺 陷难以计算。有人试图在运算过程中考虑微观行为，将固相看成一种多孔的伪塑性结 构的运动体【5 引，液相为一般流体，加入渗透系数： 液相流动连续方程：f l y l = - - 丢( 跏一见g )k = 蔫百，k 为渗透系数。 “1 5 ul l 一，i - i 但是这种方法引入了两相流动行为，给实现计算带来了很大的困难。 微观颗粒数学模型原理是将半固态坯料看成具有一定量的悬浮在液相中的球状 颗粒的系统，这些颗粒在流场的作用下不断发生碰撞融合，同时融合在一起的大颗粒 也在发生碰撞分解，半固态成形就是在这种不断的运动中实现成形。缺点是实现运算 比较困难，设计参数繁多，很多参数需要不断求证【5 9 】。该模型的基本假设为： 1 ) 半固态由刚性球体和具有牛顿流体特征的流体组成，刚性球体的尺寸为d ， 具有一定体积分数： 2 ) 半固态浆料具有一定的固相分数，不会形成骨骼状架构； 3 ) 半固态在剪切速率夕下流动。 4 ) 颗粒碰撞只发生在两个结合体之间，大的结合体只会分解2 个结合体，忽略 碰撞中的复杂现象； 5 ) 半固态浆料总量为1 该数学模型成功推导出了半固态流动过程的微观行为，并且实现了剪切变稀的物 理特征，笔者认为，对该模型深入研究，尽快实现方便的运算，对于建立准确的半固 态成形数学模型具有很重要的意义。 本课题应用日本先进的a d s t e f a n 软件模拟半固态性能，此软件具有操作简单， 1 3 上海大学硕士论文第一章文献综述 运算精细的优点，而且能顺利实现半固态板块的模拟，该模拟所采用的数学模型为流 体特征模型。经过一段时间的使用，本软件能够模拟实际半固态材料的成形状况。但 是在此课题中，本软件没有建立关于a 3 5 6 半固态铝合金的数据库，而且关于a 3 5 6 铝合金的粘度与时间的变化关系、模具的热交换，触变成形参数的变化规律都还不充 分，所以模拟的情况需要和实际情况反复验证，不断优化更改参数来实现。 1 1 6 应用 半固态加工技术适用于有较宽固液相共存的合金体系。研究和生产表明，适用 于半固态加工的金属有：铝合金、镁合金、镍合金、铜合金以及钢铁等，其中铝合金、 镁合金、铜合金已应用于工业生产。铝合金半固态加工技术主要用于汽车零件的制造， 例如汽车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、悬挂件、 活塞等、另外，在军事、航空、电子及消费品等方面也进行了产品的开发、主要是镁、 铝合金的半固态压铸、模锻及注射成形。 1 2 国内研究综述 半固态加工技术在我国起步较晚，始于2 0 世纪7 0 年代后期。先后有不少科研院 所开展了这方面的研究，但他们主要都利用机械搅拌法进行流变铸造和触变铸造研 究。中科院金属所是最早进行半固态加工技术研究的单位之一，较早的进行了“铝合 金半固态铸造”等的研究，自行研制了“半固态浆料的制备设备等。2 0 世纪8 0 年 代后期，大多数学者开始从事半固态复合材料和应用于汽车工业小零件的研究。上海 大学是研究半固态成型较早的科研单位之一，在国家经贸委技术创新项目“半固态成 形技术研究与应用”的支持下，上海大学在半固态成型领域进行了比较深入的探索。 在坯料的制备上，上海大学采用电磁搅拌加连铸工艺，并辅助一定量的细化剂来生产 非树枝晶的坯料，取得良好的效果【3 卅；在二次加热和压铸领域，张恒华教授等做了 非常细致深入的工作5 - 7 , 1 3 - 1 4 ；计算机模拟用于半固态在实践中也起到了很好的指导作 1 4 上海大学硕士论文第一章文献综述 用【3 2 3 4 1 。北京科技大学和中科院金属所在国家自然科学基金的支持下，对钢铁材料半 固态直接成形进行了基础性研究，在铸铁、弹簧钢、不锈钢和高碳钢等高熔点合金材 料的半固态加工技术方面取得了长足的进展和阶段性的成果陋1 7 1 。 应用半固态加工技术制备金属基复合材料也已经是一个新的研究热点。 和国外相比，我国在半固态金属成形技术领域的研究还很落后【3 们。为了国民经济 的发展，特别是我国汽车工业的发展，提高我国汽车工业的水平和在国际市场上的竞 争力，需要采用各种新工艺和新材料来装备我国汽车工业，而推动半固态金属成形技 术在汽车工业中的应用是目前的关键。就我国目前的研究现状来看，半固态金属成形 技术的发展动向如下： ( 1 ) 深入研究半固态触变成形，实现工业化继续深入了解半固态成形的机理， 研究控制半固态铝合金成形稳定性的工艺，不断从设备和技术上创新改进，结合计算 机、机械控制等各项技术的发展迅速推动我国铝合金半固态成形的工业化进程。 ( 2 ) 理论研究流变成形技术在我国的发展较为缓慢，没有太多的突破性技术 进展，需要更多的研究人员参与其中；对高熔点黑色金属的应用较少，理论欠成熟。 ( 3 ) 计算机应用加大计算机技术在半固态金属成形工艺中的应用，充分利用 计算机技术，对流变成形和触变成形过程进行计算机模拟，促进半固态金属成形的理 论研究。 1 3 国外研究综述 2 0 世纪8 0 年代以来，半固态加工技术已经得到各国科技工作者的普遍承认，目 前已经针对这种加工技术开展了许多工艺实验和理论研究，取得了很多的成果。 半固态成形技术最早开发于美国，因此在美国这一技术已经基本成熟，处于全球 领先地位。a l u m a x 公司率先将此技术转化成生产力，1 9 7 8 年，它使用m h d 技术生 产出触变成形用圆锭。1 9 9 4 年和1 9 9 6 年，a l u m a x 公司分别建成了两座半固态铝合金 1 5 上海大学硕士论文第一章文献综述 成形汽车零件的生产工厂；生产的半固态模锻铝合金汽车制动总泵体，由于毛坯尺寸 接近零件尺寸，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 。另外，半固态成形的汽车制动泵体质量比金属型铸造的质量轻1 3 ； 到1 9 9 7 年，上述两厂的半固态铝合金成形的生产能力分别达到5 0 0 0 万件。该公司共 拥有相关专利6 0 多项；t h i x o m a 公司则使用半固态注射成形专利生产镁合金零件。i t t 公司用半固态加工技术进行黄铜电接插件的生产。目前，a l u m a x 铝业公司的m th o l l y 铝厂和i n t a l c o 铝厂已经生产出直径7 6 2 m m 和1 5 2 4 m m 的m h d 锭。h m m 公司为通 用生产汽车零件( a 3 5 6 t 6 ) ，日产5 0 0 0 件。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 f a m e r i c a ，p r i n c em a c h i n ec 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动态监控，改善了压铸件，降低了废品率， 节约了能源。 在欧洲，从2 0 世纪8 0 年代以来，意大利、英国、瑞典、德国等国家在半固态应 用方面做了大量的研究和应用工作。意大利是半固态加工技术应用最早的国家之一 【2 7 1 ，s t a m p a l - - s a a 公司使用此技术为f o r d 汽车公司生产齿轮箱盖和摇臂的国内零件。 m m 公司为汽车工业生产半固态铝合金成形的f u e l i n j e c t i o nr a i l 零件，在2 0 0 0 年日产 达到7 5 0 0 件。w e b e r 公司从1 9 9 3 年开始用半固态技术为n u o v al a n a c i ad e l t a 公司生 产油料注射挡。瑞士的b u b l e r 公司已经生产出铝合金触变成形的专用s c 型压铸机和 铝合金半固态坯料的专用二次加热设备。同时，德国的e f u 、法国的p e c h i n e ys a 、 瑞士的a l u s u i s s el o n z a 、意大利的f i a t 等国际知名公司也已经采用了半固态加工技术 2 7 - 2 9 1 o 日本于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 家公 司组建了首家r h e o t e c h 公司。随后，该公司对半固态加工技术进行了系统的研究， 同时加强与欧美著名大学和公司之间的交流。在1 9 8 8 年3 月至1 9 9 4 年6 月共投资了 3 0 亿日元进行研究，其下一步将转向工业应用，开发半固态金属成形件，而汽车零件 将是他们的首选目标之一。目前，日本的s p e e ds t a rw h e e l 公司已经利用半固态成形 1 6 上海大学硕士论文第一章文献综述 技术生产铝合金轮毂 1 3 1 8 捌1 。 1 4 本论文研究的主要内容 迄今为止，对于半固态a 3 5 6 铝合金触变成形工艺的理论研究已经非常成熟，国外 已经成功用于工业生产；国内虽然这方面的理论已经比较成熟，但是限于对半固态工 艺的认识还不深入，设备不足等原因一直未能完全达到工业生产规模。本文根据上海 大学现有的设备条件，通过对半固态压铸成形工艺参数的系统研究，结合计算机模拟 技术，分析了半固态触变成形压铸工艺对成形件的组织和性能的影响规律。主要研究 内容有： 板形试样半固态成形工艺探索分析，通过研究该试样模具中的半固态流场及 缺陷情况，初步探索了半固态成形工艺，并研究了半固态流场与缺陷之间的关系。在 此基础上进行了模具优化设