（材料物理与化学专业论文）a380铝合金半固态流变压铸工艺研究.pdf

摘要 摘要 液态压铸件内部缺陷率较高，产品不能热处理，力学性能较低。因此如何 降低压铸件的缺陷率，提高铸件力学性能成为急需解决的问题，并引起广大研 究学者的关注。以江西江铃有色金属压铸厂要求达到的力学性能指标为目的， 本文以a 3 8 0 铸造铝合金试杆为例，利用实验室自主开发的剪切低温浇注式流变 制浆工艺( l o ws u p e r h e a tp o u t i n gw i t has h e a rf i e l d ，简称l s p s f ) 制备半固态 浆料，结合d c c 2 8 0 型号卧式压铸机系统研究了半固态流变压铸成型工艺。主 要研究了l s p s f 法制备a 3 8 0 铝合金半固态浆料最佳工艺参数优化、液态压铸 和半固态压铸工艺及其铸件显微组织与力学性能、液态压铸和半固态压铸热处 理工艺及其铸件显微组织与力学性能。并进行了流变压铸工艺参数对铸件质量 的影响分析。试验结果表明： ( 1 ) l s p s f 法制备a 3 8 0 铝合金的最佳工艺参数为：浇注温度6 2 0 ； 输送管转速9 0 r e v m i n ；结晶器预热温度5 5 0 1 2 ；倾斜角度2 5 0 。浇注温 度和输送管转速共同影响着输送管对合金熔体的激冷和搅拌混合强度，只要浇 注温度和输送管转速能够良好匹配，使出口温度低于合金液相线温度，便可以 获得优质的半固态浆料。 ( 2 ) 在l s p s fi 艺中，低过热浇注、凝固初期的激冷和搅拌混合可有效的 激发熔体形核，促进晶粒游离，提高游离晶的存活率，这也是半固态组织细化 的本质所在。 ( 3 ) 力学性能测试表明，两种不同成形方法所得成形件在压铸态时强度相 差无几，但半固态成形件的塑性几乎是液态成形件的2 倍。经过同样的t 6 热处 理后，半固态压铸件的抗拉强度有所提高，液态压铸件的抗拉强度却下降很大。 伸长率均有所下降，但两者变化的幅度不同，液态压铸件的延伸率下降更多。 ( 4 ) 试验过程需要严格控制压铸工艺参数及合金熔炼工艺，否则即使在半 固态流变压铸条件下，也会因缺陷的产生而导致力学性能的下降。然而与同等 条件下的液态压铸件相比，这些缺陷明显要小得多。总体来看，半固态流变压 铸实验结果仍较好于液态压铸，且随着浇注温度的降低，压铸缺陷的减少，得 到的组织越趋于圆整、细小，力学性能越高。 关键词：a 3 8 0 铝合金：半固态浆料制备；流变压铸；力学性能；显微组织 a b s t r a c t a b s t r a c t t r a d i t i o n a ld i e c a s t i n gi n t e m a ld e f e c tr a t i o s 戤a l w a y sh i g h , a n dc a l ln o te a s i l y d ot h eh e a tt r e a t m e n t , s oh o wt or e d u c et h e s ed e f e c tr a t i o si sa ne m e r g e n tq u e s t i o n w h i c hn e e d st ob es o l v e dh a sa l r e a d yg a t h e r e dm u c hc o n c e r no f s c h o l a r s i no r d e rt o i m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s f o rj i a n gl i n gd i e - c a s t i n g c o r p o r a t i o n , t h ep a p e rs y s t e m a t i c a l l yd o e ss o m er e s e a r c ho ns e m i s o l i dt h e o l o g i c a l f o r m i n gt e c h n o l o g ym a i n l y0 1 1t e s t i n gb a rw h i c hi sm a d eo fa 3 8 0a l u m i n u m 诺咖 a l l o y a n dt h es t u d yu s e san o v e lr h e o c a s t i n gp r o c e s s , t e r m e da sl o ws u p e r h e a t p o u r i n gw i t has h e a rf i e l d ( l s p s f ) t op r e p a r es e m i - s o l i ds l u r r y , t h ef o r m i n g e q u i p m e n ti sd i e - c a s t i n gm a c h i n e o c c 2 s 0 ) t h ep a p e ri n c l u d e t h r e ep a r t s ：t h e o p t i m i z a t i o no ft h el s p s ft e c h n i c a lp a r a m e t e r s t h em i e r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fl i q u i dd i e - c a s t i n gp a r t sa n ds e m i - s o l i dd i e - c a s t i n gp a r t sb e f o r ea n d a f t e r h e a tt r e a t m e n t , t h e nd o e sa n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nt h ei n f l u e n c eo fr h e o l o g i c a l d i e - c a s t i n gt e c h n i c a lp a r a m e t e r s t ot h ep e r f o r m a n c eo fc a s t i n g s r e s e a r c hm e t h o da n d m a i nr e s u l t si s 硒f o l l o w i n g ： ( 1 ) w er e c e i v e dt h eb e s tm i c r o s t r u c t u r eo ft h ea 3 8 0s e m i s o l i da l u m i n u ms l u r r y w h e nt h er o t a t i n gs p e e di s9 0 r e v m i n ，p o u r i n gt e m p e r a t u r ei s6 2 0 ，i n c l i n e dd e g r e e i s2 5 。a n dt h et e m p e r a t u r eo f t h ec r u c i b l ei s5 5 0 c p o u r i n gt e m p e r a t u r ea n dr o t a t i o n s p e e do fb a r r e ld e t e r m i n et h es t i r r i n g - m i x i n gi n t e n s i t ya n dc o o l i n ga b i l i t ya p p l i e db y t h er o t a t i o n a lb a r r e l0 1 1t h em o l t e na l l o y i tc 柚b ec o n c l u d e dt h a ts o u n ds e m i s o l i d m e t a ls l u r r yc a nb ep r o d u c e du n d e rt h ea p p r e c i a t ec o m b i n a t i o no fp o u r i n g t e m p e r a t u r ea n dr o t a t i o ns p e e do f b a r r e l ( 2 ) u n d e rl s p s fp r o c e s s ，l o ws u p e r h e a tp o u r i n gc o m b i n e d 谢血l o c a l i z e dr a p i d c o o l i n ga n dv i g o r o u sm i x i n gd u r i n gt h ei n i t i a ls t a g eo fs o l i d i f i c a t i o nc a ne n h a n c e w a l ln u c l e a t i o n , c r y s t a ls e p a r a t i o na n dc r y s t a ls u r v i v a l m o r e o v e rt h e e f f e c t i v e n u c l e a t i o nr a t ei s s i g n i f i c a n t l y a f f e c t e d b y t h ec o m b i n e de f f e c t so fp o u r i n g t e m p e r a t u r ea n d r o t a t i o ns p e e do f b a r r e l ( 3 ) m e c h a n i c a lp r o p e r t yt e s t s h o w st h a ts e m i s o l i dd i e - c a s t i n ga n df i q u i d a b s t r a c t d i e - c a s t i n gh a v ea l m o s tt h e5 a i d et e n s i l es t r e n g t hb e f o r et h e ya l eh e a tt r e a t m e u t e d b u t t h ed u c t i l i t yo ft h es e m i - s o l i df o r m i n gp a r t si sa l m o s tt w ot i m e st h a nt h a to fl i q u i d f o r m i n gp a r t s a f t e rt 6h e a tt r e a t m e n t , t h et e n s i l es t r e n g t hi m p r o v e da n dt h e d u c t i l i t yi n c l i n e df o rb o t hs e m i s o l i dd i e - c a s t i n ga n dl i q u i dd i e - c a s t i n g ，b u tt h e yh a v e d i f f e r e n tv a r i a t i o nr a n g e ( 4 ) t h er e s u l ts h o w st h a tt h e s ep a r a m e t e r ss h o u l db es t r i c t l yc o n l r o l l e do rt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw i l lf a l ld o w nb e c a u s eo ft h ed e f e c t sp r o d u c i n g , t h o u g hu n d e r s e m i s o l i dr h e o l o g i c a ld i e - c a s t i n g h o w e v e r , t h er e s u l t so fs e m i s o l i do n ei sb e t t e r t h a nt h et r a d i t i o n a lo n e ，a c c o m p a n i e dw i t hd e s c e n d i n go f p o u r i n gp o i ta n dr e d u c i n g o fd e t e c t s , f i n a l l yg a i n sm o r en e a r - c i r c u l a ra n ds m a l l e rs t r u c f l l l e s t h em e c h n i c a l p r o p e r t i e sm o r ei m p r o v e d k e y w o r d s ：a 3 8 0a l u m i n u ma l l o y ：s e m i s o l i ds l u r r yp r e p a r a t i o n ；r h e o d i ec a s t i n g ； i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得直昌态堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：知掘身签字日期：砷年，l 月垆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解壶昌盍堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直星太堂可以将学位论文的全 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、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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 导师签名：彳哆铲；穗参 签字日期：沙7 年f 矿月彤日 屯1 i 刊1 移 坪 彬尹 办咽 钕 年 签 7 箍 7 仁卜，r 文 期 融 副 科 学 整 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 金属半固态成形技术简介 1 9 7 1 年美国麻省理工学院的博士研究生d b s p e n c e r 在研究s n - p b l 5 合金 高温热裂过程中，偶然从高于s n - p b l5 合金液相线温度开始旋转粘度计外桶( 实 验装置为内壁刻有沟槽的双桶粘度计) 。与过去试验结果相比，此时的切应力下 降了约三个数量级，并且发现s n - p b l 5 合金的初生固相都呈球状。d b s p e n c e r 的实验现象引起导师m c f l e m i n g s 教授的高度重视，在其领导下，投入了大量 的人力和物力，进行了广泛研究，创立了金属半固态成形的概念、理论和技术【l , 2 1 。 1 1 1 半固态成形技术的概念与分类 所谓的半固态成形( s e m i s o l i df o r m i n go f m e t a l s ) 或半固态加i ( s e m i s o l i d p r o c e s s i n go f m e t a l s ) ，是将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。按照这个定义，半固态成形或半固态加工技术具有 三个特征，一是被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。 目前，合金半固态成形的工艺方案主要分流变成形和触变成形两大类，如 图1 1 所示。 流变成形：在金属凝固过程中，通过施加搅拌或扰动、或改变金属的热状 态、或加入晶粒细化剂等手段，改变合金熔体的凝固行为，获得一种液态金属 母液中均匀地悬浮一定球状初生固相的固一液混合物( 半固态浆料) ，并利用此 浆料直接成形加工。 触变成形：获得半固态浆料后，将其进一步凝固成坯料( 通常采用连铸工 艺) ，根据需要将坯料切分，把切分的坯料重新加热至固一液两相区形成半固态 坯料，利用这种半固态坯料进行加工成形。 触变成型在工业界中已得到了成功应用，目前国外已经形成了一定商业生 产规模。但随着触变成形技术的推广和应用，其主要缺陷也逐渐暴露出来：浆 料制备成本高，设备投资大、坯料的成分和微观结构的不均匀性、浆料制备过 第1 章绪论 程控制难度大等等。近年来，学术界和商业界都普遍关注流变成形技术，该工 艺具有低能耗、工艺流程短、设备简单等特点，容易被中小型生产企业所接受， 被认为具有较好的工业应用前景。 扼变铸造工艺流程 莲援鲁鲁半日砉暮 触变成形工艺流程( 审 + _ 一瑚 鹰形勰 倒鲁链垤是丹甓垤i 新加蔼至手一季嚣呈肼置 图1 1 合金半固态成形工艺流程示意图 1 1 2 半固态成形技术的特点及应用领域 金属材料在液态、半固态和固态三个阶段表现出不同的物理特性，利用这 些特性，产生了液态加工、塑性加工和半固态加工等多种金属热加工方法。 液态加工利用液态金属的良好流动性，以完成成形过程中的充填、补缩直 至凝固结束。 塑性加工利用固态金属在高温状态下的良好塑性流动性，在外力作用下完 成模堂的充填过程。 半固态加工是利用固液共存的非枝晶半固态浆料( 坯料) 具有的特性进行 成形的方法。2 0 0 0 年f l e r r d n g s 在文献【3 】中阐述了半固态成形技术的特点【3 】，根 据半固态浆料( 坯料) 的金属学和力学特点现归纳为表l 。 由表l 可知，半固态成形技术综合了液态加工和塑性加工的优点，即加工 温度比液态低，变形抗力比固态小，特别地，该技术采用了非枝晶半固态浆料 作为成形原料，打破了传统枝晶凝固模式，因此该技术可以【1 4 5 州： ( 1 ) 提高成形零件的密实性，可进行热处理； ( 2 ) 提高零件的机械性能； ( 3 ) 可以一次大变形量加工成形形状复杂且精度和性能质量要求较高的零 件； ( 4 ) 压铸薄壁零件； ( 5 ) 压铸传统压铸工艺无法生产的压铸材料，如锻造铝合金、高熔点合金 2 第1 章绪论 等； ( 6 ) 提高成形速度，提高生产效率； 在过去的3 5 年里已经研究了各种合金半固态成形的可行性。最初，由于军 方对高性能钢压铸件的需求。主要集中在高熔点合金的研究，特别是钢。2 0 世 纪9 0 年代以来，由于汽车减重、电子信息产品和消费类电子消费品迎合环保要 求，半固态成形技术主要集中在镁、铝合金方面，其重点主要放在成形工艺的 开发上，主要应用在汽车、电子信息、航空航天等领域，最成功的是汽车行业， 文献【4 ，7 】详细报道了半固态成形技术的工业应用。 ( 1 ) 生产高强度( 冲击强度、疲劳强度) 零件：发动机架、转向节、合金 轮、控制壁和拉杆等； ( 2 ) 生产过共晶合金的耐磨零件：压缩机活塞、制动鼓和变速排档干等； ( 3 ) 生产耐压零件：主刹车缸、发动机泵体及关键的安全部件等。 表1 半固态成形特性及潜在价值 特性潜在价值和应用 ( 1 ) 减少凝固潜热，高速零件成形和高速连铸，高熔点合金 液固混合共存 成形，降低铸型的热蚀 ( 2 ) 减少凝固收缩，减少缩孔、低偏析，细化晶粒，可进行 后续热处理，提高性能 ( 1 ) 变形抗力非常小，可以成形复杂零件，提高零件成形速 流动应力比 度缩短加工周期，提高材料利用率，降低成本； 固态金属低 ( 2 ) 实现连续形状的高速成形( 连铸、连轧、挤压等) ； ( 3 ) 开发新成形工艺 ( 1 ) 充型平稳，减少气体卷入，减少氧化，改善加工性能； 黏度比液态金屡高且 ( 2 ) 减少粘模倾向，可进行更高速的零件成形，改善表面光 容易控制 洁度，易实现自动化； ( 3 ) 开发新成形工艺 易混入异种材料 制各复合材料及成形 可进行液固分离 材料提纯 现在。半固态成形技术已经作为一种科学上合理、商业上可用的技术为精 确成形、高性能、节能和环保等问题的综合良好解决提供了一条新技术途径， 3 第1 章绪论 在科技和商业的进一步发展中显示出巨大的应用潜力，被誉为2 l 世纪最具发展 前途的材料成形加工方法之一。目前出现的半固态加工方法有：半固态锻造( 半 固态模锻) 、半固态挤压、半固态轧制、半固态压铸等。 1 1 3 半固态浆料制备与直接成形 半固态金属的流变成形是最早进行研究的半固态金属成形工艺，它将制备 出的半固态合金浆料直接送往压铸机的压射室，进行流变压铸。然而，早期通 过强烈机械搅拌获得的半固态合金浆料的保存和输送很不方便，因而半固态合 金流变成形技术的进展很缓慢，一直没有出现成熟的技术。与此同时，工艺流 程较长的触变铸造却获得了较大规模的应用，并占据工业应用的主导地位。但 是，经过多年的生产实践和深入研究发现，采用触变铸造技术尚存在三大工艺 问题： ( 1 ) 生产成本高，电磁搅拌功率大，效率低，能耗高，制备半固态坯料时 额外高出约4 0 的费用；重熔加热能耗高，坯料表面氧化严重，流失金属约占 坯料重量的5 - 1 2 ；锯屑、重熔加热期间的流汤、浇注系统和废品废料不能马上 回收，必须返回坯料制备车间或坯料供应商的生产厂，增加生产成本。 ( 2 ) 坯料的液相成分不能过高，否则成形复杂零件时遇到困难，坯料的搬 运难以实现。 ( 3 ) 生产过程中控制任务重，除了对半固态浆料和坯料质量严格控制外， 还需要对重熔加热过程进行严格控制。 性价比是决定半固态成形技术应用的关键因素，近年来，半固态合金浆料 直接成形技术的研究越来越受到重视( 具有流程短、材料损失少、节能低耗， 易被中小型企业接受) ，成为降低生产成本的主攻方向。就目前发展趋势讲，一 种可以推广应用的理想的半固态成形工艺应具备以下三个特征： ( 1 ) 浆料制各工艺应高效，优质和低成本。 ( 2 ) 浆料制备工艺能够与原有成形工艺和设备衔接，即尽可能少的改动原 有成形设备( 如压铸机、轧机、挤压机等) 的结构，实现半固态浆料直接成形。 ( 3 ) 整个成形流程能够实现有效、精确的工艺控制。 1 2 半固态压铸的分类及特点 压铸是在充型和凝固过程施加压力。半固态压铸技术既继承了压铸这一本 4 第1 章绪论 质特点，同时又兼具半固态技术的优势，并以一种独特的方式应用于工业化生 产中。目前半固态压铸技术已在美国、日本、法国、意大利等国家获得了工业 应用，在我国也已有工业化应用的趋势。 根据原料来源不同，半固态压铸分为半固态熔体直接压铸( 半固态流变压 铸) 和坯料二次重熔压铸( 半固态触变压铸) 两种。在较长时期内，坯料二次 重熔压铸将占有绝对优势。但近年来，半固态流变压铸也正在成为普遍关注的 热点【1 0 1 。 半固态流变压铸就是将熔炼好的合金液在其液相线与固相线温度范围进行 必要的凝固控制，得到含有非枝晶固相的半固态熔体，并将其直接送入压铸机 压室内成型。其工艺过程主要分为三部分：合金料的熔化，半固态熔体的制备 与浇注，以及压铸成型。与传统压铸的区别在于工艺流程中增加了一个半固态 熔体的制备环节。半固态合金熔体中，固相不是通常的枝晶，而是细小的非枝 晶。这种固液混合物具有优异的流变性能，采用较小的压力就可实现均质成型， 且所得制件尺寸精度较高，能够实现近终成形；同时在工艺条件上，与普通压 铸相比，成形温度降低，减小了对压铸模具的热冲击，延长了模具寿命。其最 大的特点是半固态合金流变压铸成型的零件可以进行后续热处理，这对最大化 提高零件的各项性能指标有着深远的意义。 与半固态坯料二次重熔后进行压铸成型相比，半固态流变压铸成型在工业 应用上，成本要小得多。在工艺流程上，坯料二次重熔成型首先必须获得具有 非枝晶组织的合金坯锭，才能进行后续的压铸成型，而半固态流变压铸成型无 需进行坯料的制备即可压铸成型。最终，二者目的都是通过稳定的工艺，获得 具有较高性能的压铸件。所以在工艺上，半固态流变压铸成型比坯料二次重熔 压铸成型能更有效地节约能源，降低了成本，且工艺流程缩短，生产效率得到 了提高。 近年来，学术界和商业界都普遍关注流变成形技术，该工艺具有低能耗、 工艺流程短、设备简单等特点，容易被中小型生产企业所接受，被认为具有较 好的工业应用前景。 1 3 合金半固态浆料制备及直接成形研究现状 半固态成形技术的优越性完全依赖于浆料( 坯料) 所具有的特殊组织结构， 即细小球状固态颗粒均匀悬浮于液态基体中而形成的固液共存的半固态组织。 5 第1 章绪论 在半固态成形技术发展的不同阶段，研究者们开发了很多半固态材料制备技术。 众所周知，蔷薇状晶和细小等轴晶在液固共存条件下保温可发生明显的球 化。因此，在触变成形中，即使坯料的组织不甚理想，可以通过重熔加热阶段 来改善，所以触变成形对坯料的质量要求较低，常见的浆料制备方法有电磁搅 拌、机械搅拌、超声振动、s c r 、液相线铸造、喷射沉积、粉末冶金、化学晶粒 细化、s i m a 方法等。但在流变成形中，半固态浆料的质量( 固相的形态、尺寸、 多少和分布，固相间的体积粘合度) 只能在制备阶段控制，如果半固态浆料的 质量达不到要求，就会出现充型不完整、液相偏析等缺陷。所以半固态浆料直 接成形的关键技术之一是如何快速获得与触变成形中重熔加热后相近的半固态 组织1 1 2 1 。下面着重阐述半固态浆料直接成形及相应的浆料制备技术的研究现状。 1 3 1 机械搅拌式流变射铸工艺 传统的机械搅拌式流变铸造【3 】中，半固态浆料的保存比较麻烦，需要对保 存坩埚或储存室进行预热和保温，半固态浆料的输送也不方便，要么输送容器 为一次性消耗品，在流变铸造时被压碎并混入浆料中而难以分离，要么半固态 浆料容易粘附在输送坩埚的内壁上，需要不断清理坩埚，无法准确保证流变铸 造所需的浆料体积，使流变铸造很难顺利进行。因此，传统的机械搅拌式流变 铸造一直无法进入实际应用。 在研究开发触变射铸技术的同时，美国康乃尔大学提出了单螺旋流变射铸 技术，于1 9 9 6 年3 月获得专利授权【1 4 1 ，这种技术集半固态浆料的制备、输送、 成形等过程于一体，较好地解决了半固态浆料在状态保持及输送等方面存在的 困难。1 9 9 7 年，台湾新竹工业技术研究院【j5 】改进了立式流变射铸机，制造了 1 0 0 0 k n 卧式流变射铸原型机，并进行了镁合金和锌合金的流变射铸工艺试验。 在单螺旋机械搅拌流变射铸的研究开发过程中，英国b r u n e l 大学的f a n 和 b e v i s 临1 9 1 于1 9 9 9 年提出了双螺旋流变成形工艺。成形设备主要包括液态合金供 料机构、双螺旋机械搅拌机构、压射机构和中央控制机构。供料机构可以向双 螺旋机械搅拌机构提供温度合适和数量合适的液态合金，在双螺旋搅拌机构中 设置了许多加热和冷却通道，可以精确地控制合金浆料的温度，当输送阀打开 时，半固态合金浆料进入成型设备。其工作原理是利用双螺旋的旋转使金属液 呈“8 ”字型运动，产生剧烈的紊流，增加剪切率来达到细化晶粒、均匀成份的 目的。s n 1 5 p b 和m g 3 0 z n 的搅拌试科1 6 1 表明：在大剪切速率高强度紊流条件 6 第1 章绪论 下，半固态浆料中的初生固相非常细小、圆整、均匀，并且很少发生固相集聚 现象。利用其高剪切速率特性，可以用于流变混合工艺，消除密度偏析，混制 相互不溶的合金，使软质点均匀分布于硬的基体上。该工艺的优点是可以产生 5 0 0 0 1 0 0 0 s - 1 的剪切速率，能够获得高强度的紊流，半固态颗粒细小均匀，可用 于生产薄壁、断面复杂的零件，不足之处是双螺旋机构螺杆工况差、消耗高、 寿命短等问题。 双螺旋搅拌机构就是一个半固态浆料制备器，可以采取斜置、垂直和水平 三种形式，便于与现有成形设备衔接，用于铝镁合金的流变压铸【l 町、半固态制 坯、流变挤压成型【2 0 j 、混制难混溶合金【m 。图1 2 为r h o e - c a s t i n g 流变压铸设备 筒图，包括高压压铸机、双螺旋搅拌制浆机构和浆料蓄积器。其中浆料蓄积器 用于蓄积浆料，实现压铸4 k g 以上零件。图1 3 为l m 2 4 合金流变压铸成型件的 微观组织。 图1 2 流变压铸设备简图“” 图1 3u 1 2 4 合金流变压铸成型件的微观组织1 华中科技大学罗吉荣、吴树森等【2 1 1 调整了双螺旋杆结构，把两个螺纹从 原来的单一导程，单一错列角改为多导程多错列角，保证浆料在不同温度阶段 7 第1 章绪论 受到不同剪切作用，并对双螺旋机械搅拌流变压铸工艺进行了深入研究，取得 了与b r u n e l 大学相类似的结果，压铸出a z 9 i d 镁合金试件。 2 0 0 2 年北京科技大学康永林等利用金属液流经旋转的斜锥形内外桶间的缝 隙形成剧烈剪切应力场作用的原理，开发了锥桶式半固态流变成形装置，用于 铝合金和镁合金等进行半固态浆料制备及直接流变成形 2 4 - 2 6 1 。该装置主要由送 料机构、剪切机构、射压机构、温度控制装置和气体保护系统构成，如图1 4 。 在熔化中将合金熔化到一定过热的液体，通过提升塞棒使低过热熔体通过导流 管进入剪切机构，由于内桶的高速旋转，合金液在内外桶的缝隙间收到剧烈的 机械剪切作用，通过温度控制装置的调节使合金液迅速达到预先设定温度，从 而达到具有理想固相分数的半固态浆料。通过调节外桶底部的单向阀将定量的 半固态浆料送入挤压缸，再通过挤压杆的挤压作用将其压入模具型腔，并快速 加压成形。剪切时间、剪切速度、半固态浆料温度、成形压力和保温时间等重 要参数将根据成形件性能要求进行调整。整个过程在一个完全封闭的环境中进 行。对于易燃合金采用惰性气体和阻燃技术相结合实现安全熔化和加工。 图1 4 锥桶式半固态流变成形装置简图瞄1 经过对s n - 1 5 p b 合金、m g - 3 0 z n 合金及a z 9 1 镁合金的半固态流变成形实验 表明，利用该装置制备的成形件内部化学成分均匀，微观组织细小均匀。图1 5 为三种合金的微观组织。该工艺具有结构简单紧凑、剪切速率高且调整灵活的 特点，目前处于实验室研究阶段。 无论单螺旋机构、双螺旋机构，还是锥桶结构，机械搅拌式流变射铸技术 都存在以下问题：( 1 ) 搅拌元件不可避免地对浆料产生成分污染；( 2 ) 浆料 容易粘附在搅拌元件上，限量阀较难连续正常工作，无法准确保证工件所需的 浆料体积，使流变射铸很难顺利进行；( 3 ) 由于搅拌元件工况差( 高温、高强度 3 第1 章绪论 扭矩1 ，搅拌元件的材质、性能要求较高( 高温强度、高温耐磨性、耐蚀性和抗 蠕变性等) ；( 4 ) 搅拌元件消耗高，寿命短；( 5 ) 尽管搅拌机构采用h l l 、 h 1 3 、h 2 1 ，甚至复合材料等高温性能优异的材料，但仍然只能进行合金、 m g 合金、z n 合金和s n - p b 合金等低熔点合金的流变成形。目前，所有流变射 铸工艺尚未达到实际应用水平，正处在设备完善和生产工艺优化阶段。 图1 5s n - 1 5 p b 合金、1 4 9 - 3 0 z n 合金及& 7 , 9 1 镁合金半固态组织结构” 1 j 2 压室内制浆式流变成形工艺 为了避免半固态合金浆料的存储和输送，日本h i t a c h i 金属有限公司的 s h i b a t a 等于1 9 9 5 年前后提出压铸机压室内电磁搅拌制备半固态浆料【2 7 】，然后直 接压射成形的技术方案，如图1 6 所示，开创了非接触式制备浆料流变铸造的先 例。图中所用的压射室具有特殊结构，以减少压射室产生的感应电流，强化电 磁搅拌效果。 图1 6 压射室电磁搅拌制浆及流变成形示意图。1 图1 7 为- a s i t m g o 7 合金在1 3 3 m p a 的压射力和0 4 m s 的浇口入射速度下， 压铸的平板压铸件的微观组织。 9 第1 章绪论 图1 7 s i t m g o 7 合金平板铸件的显微组织”1 2 0 0 2 年韩国c p h o n g 掣嚣j 提出了另一种电磁搅拌流变铸造系统，如图1 8 ， 线圈电磁场施加部分5 安装在压射室3 下方，电磁场施加部分2 围绕生料浇口9 布置。在合金液送入压射室前启动电磁搅拌，因此合金液在流入压射室前可以 在生料浇口内被充分搅拌，并且可以在压射室的中央和内壁问有效地搅拌合金 熔体，使得压室内热流传递充分，温度均匀，缩短制浆时间，提高压铸效率。l 一浇包，2 ，5 一搅拌器，3 一压射室，4 一挤压杆，6 一浇道，7 一型腔，8 一挡板， 9 一导流管 4 图1 8c p h o n g 开发的流变成形装置简图 2 0 0 2 年，北京科技大学毛卫民等提出两段式电磁搅拌制浆流变成型形工艺 【凹j 。其核心思想是：将低过热度的合金液浇注到承接容器中，对合金液施加短 时弱电磁搅拌，初步得到球状初晶半固态浆料，经过进一步控冷，使浆料冷却 至特定温度，初生晶形态获得进一步改善，最后将承接容器中的半固态浆料倾 入压铸机压室，进行流变压铸，工艺过程如图所示。该制浆工艺的特点是将低 过度浇注和电磁搅拌相结合，改变传统电磁搅拌高能耗的缺点，降低了深产成 本。 相对于机械搅拌式流变成形而言，电磁搅拌式流变成形的最大优势在于非 1 0 第1 章绪论 接触性，从而保证了浆料质量，并且电磁搅拌易于调整。但电磁搅拌总体效率 低、能耗高，仍然容易引起合金液的飞溅和氧化。为此，s h i b a t a 等提出一种新 技术方案1 3 0 】：压射室与图1 6 类似，将0 6 0 m m 1 2 0 r a m 的压室预热到不同温度 ( 2 5 7 0 0 ) ，再浇入不同温度( 6 2 5 - 6 6 0 ) 的a l s i 7 m 9 0 3 铝合金熔体，当合 金熔体心部温度冷却到6 0 0 时，将半固态浆料压入型腔。试验表明，浇注温度 较低时，如不超过6 3 0 ，a 1 s i 7 m 9 0 3 铝合金熔体心部的初生固相呈球状；在同 一浇注温度下，压射室预热温度过高，浆料心部初生固相形态变差，适宜的压 射室温度不应超过3 7 0 。之后，h i t a c h i 金属有限公司对压射室制浆流变成形工 艺作了进一步改进，用电磁泵和热管将熔化炉中的铝合金液直接送入压铸机压 射室，避免与空气接触，再通过氩气保护，进一步减少浆料中的氧化夹杂物； 压射室外增加了感应线圈，用以均匀半固态浆料的温度场。从1 9 9 9 年开始，该 技术已经由于汽车零件生产。改进的压射室制浆流变成形工艺充分利用了低过 热度浇注理念，具有工艺简单、流程短的特点，但压铸机压室内浆料制备的效 率低下，难于实现连续性生产，降低整体压铸生产效率，浆料的热冲击会降低 压射室寿命，压射室的机构改造过于复杂，增加成本。 1 3 3 超声振动方法制备半固态金属浆科 超声振动方法制备半固态金属浆料【3 l 】的基本原理：利用超声机械振动波扰 动金属的凝固过程，细化金属晶粒，获得球状初晶的半固态金属浆料：超声机 械振动波作用于金属熔体的方法一般有两种：一是振动器直接作用于金属熔体， 二是振动先作用在铸型上，通过铸型再作用在金属熔体上。 l i u 等人研究了对a l s i 7 m 9 0 4 合金熔体施加低功率超声振动的同时控制合 金熔体开始振动的温度，采用第二种振动方式，超声振动后将合金试样淬入水 中。实验发现：当a i s i 7 m 9 0 4 合金熔体的起始温度接近合金的液相线温度时， 只要在2 8 k h z 和1 5 0 k w 的低功率下进行振动1 0 2 0 s ，就可以获得球状的a l p h a 晶粒，如果合金熔体的初始温度过高或过低，低功率超声振动后的初生晶粒仍 然呈树枝状，如图1 9 。 超声振动方法不仅可以制备半固态浆料，也可以连铸半固态坯料，其的优 点：方法简单，易于实施，成本低；超声振动可以一直加在合金熔体上：超声 振动不仅可以细化晶粒，还可以消除熔体中的气体，减少金属熔体内的氧化夹 渣物，改善熔体的均匀性。其缺点是：在金属熔体中，超声振动波衰减严重， 第1 章绪论 不易达到较深或较远的区域。目前该方法仍然处于研究探索中，尚未进入实际 商业应用。 图1 9 超声振动时间对a 1 s i 7 m 9 0 4 合金显微组织的影响” a - 6 2 0 ，5 s ：b 6 2 0 ，5 s ：c 一6 3 0 ，2 0 s ，d - 6 3 5 ，2 0 s 1 3 4l i q u i d u sc a s t i n g ( 液相线铸造) 制浆工艺 液相线铸造法是由我国东北大学【3 2 】和澳大利亚墨尔本大学联合研发的半固 态浆料制备技术。该方法主要思想是：采用控制浇注温度，即将合金熔液在其 液相线温度附近( 液相线温度以上3 5 ) 经适当保温后( 获得具有均匀温度场) 浇注，通过控制冷却速度和冷却强度获得细小、非树枝状的微观组织。经过二 次加热后可以获得适用于触变成形的触变结构。目前，实验室已经成功制备出 7 0 7 5 和2 6 1 8 锻造铝合金【3 3 1 、a 3 5 6 铸造铝合剀、a z 9 1 d 镁合金的半固态坯料【3 5 1 。 潘冶等i3 6 l 研究了浇注温度对a 1 s i 7 m g 合金组织的影响，合金熔化温度为 6 8 0 ，然后将合金温度调至6 1 5 6 6 0 ，再将合金浇入到绝热铸型中，图1 1 0 为高度9 5 m m 直径6 3 m m 试样在不同浇注温度下的心部显微组织。试验表明： 浇注温度是主要影响因素，当浇注温度接近合金液相线温度时，可以获得球状 初生固相，对该试验条件下，a i s i 7 m g 合金的浇注温度不应超过6 3 0 ；获得球 状初生固相的平均冷却速度应该小于0 4 c s 。 毛卫民等口7 】也研究了低过热度浇注对a i s i 7 m g 合金线为组织的影响，并探 讨了浇注高度对显微组织的影响。试验结果表明，浇注温度和浇注高度对 a 1 s i 7 m g 合金的凝固组织都有较大的影响，当浇注温度接近液相线温度时， a 1 s i 7 m g 合金的初生固相呈现球状或粒状( 最佳浇注温度为6 1 5 1 2 ) ；在较高的 浇注高度下，可以适当地提高浇注温度( 如6 3 0 1 2 ) ，a 1 s i 7 m g 合金浆料也可以 获得优良的球形初生固相。 1 2 第1 章绪论 图1 1 0 不同浇注温度下a 1 s i t g g 合金试样心部的显微组织”1 浇注温度：a - 6 1 5 c ，b - 6 2 0 c ，e - 6 3 0 c ，d - 6 4 0 c 液相线铸造一般不采用任何搅拌，具有设备简单、工艺简化的特点，但液 相线铸造对温度控制的精度和均匀性要求非常高，在实际操作中有较大困难， 特别是大尺寸坯料微观组织的均匀性方面。 1 3 5n e wr h e o e a s t i n g t m ) 流变成形工艺 1 9 9 6 年，日本u b e 公司提出c o o l i n g s l o p e ( 倾斜板浇注式) 制各铝合金和 镁合金半固态坯料的新工艺，并在欧洲申请了专利【3 引。倾斜板一般是由合金钢 或石墨制成，其内部通水冷却，表面喷涂一层氮化硼( b ，以防止半固态金属 粘附在冷却斜板表面上。其原理为：将略高于液相线温度的熔融金属倒在冷却 板上，由于倾斜板的冷却作用，在板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板壁上脱落并翻转，以达到搅拌效果。通过倾 斜板的金属浆料落入结晶器，控制结晶器温度，获得均匀的温度场或固相分数， 即缓慢冷却，冷却到一定的半固态温度后保温，达到要求的固相体积分数，随 后可进行触变成形，或将结晶器中的半固态浆料送入压铸机或挤压机的射室、 锻造机的锻模中进行流变成形。在浆料的运输中，结晶器可以盖上低导热的上 盖，可以放在圆盘或带式传送机上，圆盘或带式传送机布有均热装置，借此调 整浆料的温度场。制浆阶段主要有三个工艺参数，即浇注条件、倾斜板长度和 倾斜角度。 自2 0 0 0 年，日本o s a k ai n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y 将双轮牵引式和带轮牵引式 薄板轧机和倾斜板相结合，以低过热度浇注方式制备铝合金半固态浆料，从而 实现铝合金薄板坯的高速轧制 3 9 1 ，工艺原理如图1 1 l 所示。双轮牵引式轧机适 用于糊状凝固的铝合金薄板坯连轧，而带轮牵引式轧机适用于逐层凝固的铝合 金薄板坯连轧。利用双轮牵引式半固态铝合金薄板连轧机可显著提高轧制速度， 如6 0 0 6 0 5 1 2 的半固态a 3 5 6 铝合金奖料的轧制速度可达到9 0 m r a i n ，薄板厚度 1 3 第1 章绪论 为2 - 2 5 m m 。将板坯二次轧制到o 5 m m ，经t 6 热处理，薄板的抗拉强度达到 2 7 0 m p a ，伸长率达到1 8 ；经过退火处理，4 3 5 6 合金薄板弯曲1 8 0 度，表面不 会产生裂纹，韧性得到改善。 一h 匿鼗。 图1 _ 1 l 半固态铝合金薄板连轧原理示意图”1 倾斜板浇注式流变铸造工艺具有设备简单、流程短和低成本等特点，但温 度控制难度大。于是u b e 公司对其冷却方式和后续处理进行了改进，开发出一 种新工艺，即n e wr h e o c a s t i n g ( n r c t m ) p r o c e s s 流变成形工艺【帅l 。首先将低过热 合金液浇入到具有特殊结构的不锈钢结晶器，在浇注过程中激发合金熔体形核， 通过控制冷却强度促使初生固相呈近球形生长，调解浆料温度，获得一定固相 分数的半固态浆料，并利用感应加热使浆料温度场均匀化，利用肌肤效应使浆 料和结晶器内壁分离，将结晶器反转，使半固态浆料滑入压筒，直接进行压力 成形，如图1 1 2 。目前应经利用该