（材料加工工程专业论文）亚共晶铝硅合金半固态坯料的制备及二次加热.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 半固态金属加工技术是近年来金属加工技术研究的热点，通过该技术成形的 零件具有尺寸精度高、表面质量高和性能好等特点。铝合金半固态成形技术为汽 车工业、航空工业所急需，而制备非树枝晶的半固态坯料和通过二次加热对合金 组织的控制以得到适合触变成形的组织是半固态成形技术的关键。 本文采用液相线铸造法和固一液混合铸造法制各适合进行半固态成形的坯 料，并研究了不同工艺对合金显微组织的影响；对半固态坯料进行了不同条件下 的二次加热，对二次加热后的试样进行金相观察和硬度试验，并对硬度较高、组 织较好的试样进行拉伸试验，采用扫描电子显微镜对试样的断口进行了分析。 随着浇注温度的降低，所得到的试棒的显微组织从树枝晶过渡到蔷薇状晶体 和球状晶并存，当浇注温度在液相线附近时初生相为较圆整的球状颗粒，而当浇 注温度低于液相线温度时得到的组织中有异常长大的晶粒。在液相线附近浇注时， 选用的模具对材料的显微组织没有明显影响。将经过变质处理的a 1 2 0 w t s i 合金 坯料在一定的温度下添加到液态亚共晶a i 6 w t s i 合金中，也可以有效地制备成 分为a i 7 w t s i 的半固态成形用坯料，并且其硬度较高。 在常规的二次加热过程中，a 1 7 w t s i 合金中的初生铝相表现出了局部熔化 和粗化，这是合金的显微组织发生变化的主要原因；加热温度的不同，显微组织 随时间的变化有一定程度的差异，但初生铝相的尺寸均随加热时间的延长而逐步 变大。加强制冷却后的二次加热在5 9 0 0 c 和6 0 0 0 c 时显微组织变化不明显，但在 6 1 0 0 c 时有明显的变化。特别是在6 1 0 0 c 、8 0 t t m s 条件下从冷却区进入高温区后得 到的组织，其中的初生a 相颗粒连成了网状，并有s i 颗粒析出。并且其综合力学 性能较好：硬度较高，抗拉强度ob = 2 2 4m p a ，伸长率8 = 8 4 8 ，断面收缩率、i ， = 2 0 6 。 关键词：亚共晶铝硅合金，半固态成形，二次加热，力学性能 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t s e m i s o l i dm e t a lf o r m i l l g ( s s f ) h a sb e c o m et h ef o c u so fs t u d i e so nm e t a lf o r m i n g t e c h n i q u e si nr e c e n ty e a r s t h ec o m p o n e n t so b t a i n e db yu s i n gt h i st e c h n i q u eh a v en o t o n l yh i g hd i m e n s i o np r e c i s i o na n dg o o ds u r f a c eq u a l i t y , b u ta l s og o o dp r o p e r t i e s ，s s f o fa l u m i n u ma l l o y si sn e c e s s a r yi nb o t ha u t o m o b i l ei n d u s t r ya n ds p a c ei n d u s t r y 1 1 坞 p r o d u c t i o no fn o n d e n d r i t i cs e m i - s o l i db i l l e ta n dr e h e a t i n gc o n t r o ls t r u c t u r eo fa l l o yt o o b t a i nb i l l e t ss u i t e dt os s fa r et h ek e yt e c h n i q u e si nt b es s k i nt h i sp a p e r , l i q u i d u sc a s t i n ga n ds o l i d - l i q u i dm i x i n gc a s t i n gw e l ea p p l i e dt o o b t a i nb i l l e t ss u i t e dt os s f , a n dt h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n tp r o c e s s e st om i c r o s t r u c t u r eo f a l l o yh a v eb e e ns t u d i e d s e m i s o l i db i l l e tw a sb e e nr e h e a t i n gw i t hd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ， a n dt h es a m p l e sa f t e rr e h e a t i n gh a v eb e e nl n a k e nm e t a l l i cp h a s eo b s e r v a t i o na n d h a r d n e s st e s t t h es a m p l ew i t hh i g hh a r d n e s sa n df i n em i c r o s t m c t u r ew a ss e l e c t e dt o c a l r yo u tt h et e n s i l et e s t i n g t h ef r a c t u r em o r p h o l o g yw a st h e no b s e r v e du n d e rs c a u i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) a st h ep o u r i n gt e m p e r a t u r ed e c r e a s e d , m i c r o s t m c t u r eo ft e s tb a rc h a n g e d 妇 d e n d r i t i cg r a m st ot h em i x u l r eo fr o s a c e o u sa n ds p h e r i c 霉矗i 啮，w h i l es p h e r i cg r a i n sw e r e o b t a i n e da tl i q u i d u st e m p e r a t u r e h o w e v e r , a b n o r m a lb i gg r a i n sw e r ea l s oo l ，t i i n e dd u r i n g l i q u i d u sp o u r i n g ，b yl i q u i d u sp o u r i n g ，t h em i c r o s t m c u m w a sn o to b v i o u sc h a n g e dw i t h d i f f e r 髓tm o u l d s s s fb i h e t so fa 1 7 叽s ia 0 yw e 托o b t a i n e db yp u t t i n gm o d i f i e d a b 2 0 w t s ia l l o yb i l l e ti n t oh y p o e u t e c 吐ca i - 6 w t s ia l l o ym e l ta td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s h a r d l e s s o f t h e s es a m p l e s i s h i g h e r t h a n n o r m a l a l - 7 w t s is a m p l e a tc o n v e n t i o n a lr e h e a t i n g , t h em a i nr e a s o no fa l l o ys u u c t u r e sv a r i a t i o nw a sp a r t i a l m e l t i n ga n dc o a r s e n i n go fp r i m a r ya l u m i u i u mp h a s e a n dt h e s i z eo fp r i m a r y a l u m i n i u mp h a s ei n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gh e a t i n gt e m p e r a t u r ea n dh e a t i n gt i m e t h e m i c r o s t m c t u r eo ft h o s er e h e a t i n ga t5 9 0 。ca n d6 0 0 0 cw e r en o to b v i o u sc h a n g e d , b u ti t w a so b v i o u sc h a n g e da t6 1 0 0 c e s p e c i a l l y , a t6 1o o ca n d8 0 9 m s ar a t e 丘d mc o o l i n g z o n ei n t oh i g ht e m p e r a t u r ez o n e ，p r i m a r yc tg r a i n s j o i n t e dt o g e t h e r , a n ds i l i c o np a r t i c l e s p r e c i l ；l r a t e di nag r a i n s i th a dh i g h e rc o m p o s i t em e c h a n i c a lp r o p e r t y ：h a r d n e s sw a s h i g h e rt h a nn o r m a la i 7 w t s is a m p l e ，w h i l eo b = 2 2 4 m p a , 5 = 8 4 8 ，、l ，= 2 0 雠 k e y w o r d s ：h y p o e u t e e f i ca i s ia l l o y , s e m i s o l i df o r m i n g , r e h e a t i n g ，m e c h a n i c a l 弘 o p e r t y 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，同意学校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。本人授权江苏大学可以将本学位论 文的全部内容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。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密酗 学位论文作者签名：上于 一1 2 。n 呻j 1 月1 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 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结果由本人承担。 学位论文作者签名：王罗 日期：2 呻6 年j 2 月1 1 日 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着科学技术的进步，人们对材料的要求越来越高，工程材料的发展方向是 轻量化、优质化和高比强度。所以铝合金以其低密度、高比强度和原料丰富( 铝元 素占地壳质量的7 4 5 ，约是铁元素的1 8 倍) ，得到了广泛的应用。近年来，人 们对材料的力学性能要求进一步提高，现有的铝合金材料已经不能充分满足实际 的需要，所以开发出能够满足人们需求的高强度、高硬度的铝合金材料已经成为 当务之急。从本质上讲，要想获得优质的材料，就是要把材料的微观缺陷和宏观 缺陷降低到最低程度。无论微观缺陷还是宏观缺陷，很大程度上取决于合金系的 铸造性能和相应的工艺措施。为此，本课题对普通的亚共晶铝硅合金先采用液相 线铸造法浇注成形后，再对其进行二次加热，希望通过控制材料的制备过程以获 得理想组织，从而使材料达到所希望的使用性能，以满足人们日益增长的对铝合 金材料的使用性能方面的需求。 1 1 半固态加工概述 1 1 1 半固态加工的概念 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 - 1 5 p b 合金高温粘度时，发现了金属在凝固过程中的特殊力学 行为【l 】：即金属在凝固过程中，对其进行剧烈搅拌，即使在较高固相体积分数时， 金属仍然具有相对较低的剪切应力，这种特殊性能是由于基体中存在奇特的球状 微粒结构。美国麻省理工学院的研究人员很快意识到金属凝固的这一特征将具有 许多潜在的运用价值，随即对这种现象进行了广泛深入的研究，并发展成为半固 态金属加工技术。半固态金属加工技术( s e m i s o l i dm e t a lp r o c e s so rs e m i s o l i d m e t a lf o r m i n g ) ，就是金属在凝固的过程中，对其进行剧烈搅拌，或控制固一液相 温度区间，从而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 ) ，这种半固态金属浆料具有流变特性，即半固态 金属浆料具有很好的流动性，易于通过普通加工方法制成产品，采用这种既非完 江苏大学硕士学位论文 全液态，又非完全固态的金属浆料加工成形的方法，就称为半固态金属加工技术。 1 1 2 半固态加工的特点 半固态金属加工技术是一种生产效率高、近无余量精确成形技术。从变形机 理分析，其变形是一个从塑性变形到超塑性变形的过程。这种技术具有如下几方 面特点f 2 。 ( 1 ) 应用范围广泛，凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工，如铝合 金、镁合金、锌合金、镍合金、铜合金以及铁合金等。可适用于多种加工工艺， 如铸造、挤压、锻压和焊接等。 ( 2 ) 半固态加工过程中，浆料充型平稳，无湍流和喷溅。相对铸造等液态加 工技术而言，加工温度较低，对模具的热冲击较小，可成形十分复杂的零件。与 锻造和挤压等固态加工技术相比，变形抗力较小，可以成形一些难加工的合金材 料如高锰钢和高速钢的零件 ( 3 ) 半固态加工技术可以实现近净成形，成形零件尺寸精度高，表面平整光 滑。半固态加工成形件尺寸与成品零件几乎相同，极大地减少了机械加工量，可 以做到少或无切削加工。同时半固态加工凝固时间短，有利于提高生产率。制品 内部组织致密，晶粒细小，内部气孔、偏析等缺陷少，力学性能高，可接近或达 到变形材料的力学性能。 ( 4 ) 应用半固态加工技术可改善制各金属基复合材料中非金属材料的漂浮、 偏析以及与金属基体不润湿等技术难题，为金属基复合材料的制备和成形提供了 有利条件。 ( 5 ) 采用半固态加工技术可进一步节约能源和资源。以生产单位质量零件为 例，半固态加工与常规压铸相比，节能3 5 左右，省材2 0 一3 0 ，加工用模具 寿命延长l 一2 倍。 总之，半固态金属加工技术的优点是相当明显的，利用半固态成形技术，可 以获得耗能耗材少，质量高和有足够机械性能的铸件。图1 1 是半固态加工技术 的主要优越性框图。 2 江苏大学硕士学位论文 图1 1 半固态加工成形技术优点框图 f i g 1 1m o r i t o f s e m i - s o l i d m o r a l f o r m i n g 1 1 3 半固态加工的工艺流程 半固态金属加工的工艺路线有两条【6 叫：一条是将经过搅拌或其它处理获得的 半固态金属浆料在保持其半固态温度的条件下直接进行半固态加工，通常被称为 流变铸造( p , h e o c a s t i n g ) ；另一条是将半固态浆料冷却凝固成坯料后，根据产品尺 寸下料，再重新加热到半固态温度区间( 根据实际需要确定具体二次加热温度) ， 然后进行成形加工，通常被称为触变成形( t h i x o f o r m i n g ) 。在实际工业生产中，主 要采用后一种工艺。图1 2 是半固态加工的工艺流程简图。 ( 1 ) 流变成形 流变成形包括两个环节，即半固态浆料的制备及最终成形，如图l 一3 所示。 在凝固期间，对合金旋加搅拌，使浆料中形成颗粒状固相，然后像液态金属压铸 一样直接将半固态浆料注入压型中成形，这种工艺称之为流变成形。流变成形充 型前浆料已呈半固态状态，虽然粘度较高，但仍具有良好的流动性，充型流态为 层流，因此可以制造尺寸精确、形状复杂、没有内部孔隙的高质量零部件。这种 加工方法的缺点是半固态浆料储运比较困难，所以在工业中的应用受到了很大的 限制。但是流变成形有设备较简单、流程较短、可节省能源等优点，是今后半固态 成形的发展方向。 江苏大学硕士学位论文 图1 2 半固态金属加工的工艺流程 f i g 1 - 2t e c h n o l o g i c a lp r o c e s so f s e m i - s o l i dm e t a lf o r m i n g 图l 一3 流变成形工艺流程 f i g 1 - 3t e c h n o l o g i c a lp r o c e s so f r h e o c a s t i n g 目前进入实用的流变成形技术只有一种，它被称为射铸( i q j e c t i o nm o l d i n g ) 技 术。目前射铸技术只应用于镁合金的半固态成形，成形件为汽车零件毛坯。它的 成形原理见图l 一4 。成形机构中包含了一个特殊的螺旋推进系统，并配有制备半 固态镁合金的加热源。当小块状的镁合金( 由传统的枝晶镁合金铸锭剪切而成) 被 4 江苏大学硕士学位论文 送入螺旋推进系统后，镁合金一边被加热，一边由右向左螺旋剪切推进；到达螺 旋推进系统左边的半固态镁合金已经具有流变性，随后被射入模具型腔成形。射 铸零件的强度、塑性与高压铸件的相当，但射铸零件的气孔率降低约4 6 ，耐腐 蚀性更强【1 0 1 。 7 图l 一4 镁合金射铸技术示意图 1 一模具2 一单向阀3 一螺旋剪切加热区4 一氩气5 一定量供料器6 一止推轴承7 一高速射 压系统8 一螺旋驱动机构9 一剪切阀1 0 一触变浆料累计机构1 1 一射嘴 f 培1 - 4 s c h e m a t i co f i n j e c t i o nm o l d i n gf o rm a g n e s i u ma l l o y 1 - m o u l d2 - o n e - w a yv a l v e3 h o ta r e ao f s p i r a ls h e a r i n g 心5 - c a l i b r a t e df e e d e r6 - t h n 】s tb e a r i n g 7 - h i g hs p e e ds h o o ts q u s y s t e m8 - s p i r a ld r i v em e c h a n i s m9 - s h e a rv a l v e1 0 一c u m u l a t i v e m e c h a n i s mo f t h i x o t r o p ys l u r r yl l - j e tb l o w e r ( 2 ) 触变成形 触变成形由三个环节组成：首先制备半固态合金坯料；然后将半固态合金坯 料按实际需要加工成一定质量和大小的块状，将其重新加热至固液两相区间的某 一温度；最后将二次加热后的半固态坯料压入型腔充填成形。触变成形工艺原理 是将半固态坯料加热至固液两相区某一温度，保持一定的固液相比例，然后对之 实施成形，如图1 5 所示。工业生产中加热半固态坯料通常采用电磁感应加热的 方法，因为电磁感应加热既能保证半固态坯料的加热温控精度，又能满足所需加 热速度的要求。将重新加热至固液两相区的半固态坯料送往成形机进行成形的方 式有如下几种： 触变压铸，其成形设备是压铸机； 触变锻造，其成形设备是压力机； 江苏大学硕士学位论文 触变挤压，其成形设备是轧机。 上述成形方法中，前两种工艺已经工业化应用，后一种尚不成熟。 图l 一5 触变成形工艺流程 f i g i - 5t e c h n o l o g i c a lp r o c e s so f t h i x o f o r m i n g 1 1 4 半固态加工技术在金属成形领域中的地位0 1 ”3 对于金属材料来说，无论从固态向液态的转变还是液态向固态的转变过程中， 均经历着半固态阶段。特别是对于结晶温度区间宽的合金，尤为明显。半固态是 金属凝固过程中的一个必经阶段，由于在三个阶段中，金属材料呈现出不同的特 性，利用这些特性，便产生了塑性加工、铸造加工和半固态加工等多种热加工成 形方法。 铸造属于液体充填形式的加工方法。它利用液态金属具有良好的流动性，以 完成成形过程中的充型、补缩，直至凝固结束。为了提高铸件的质量和尺寸精度， 铸造不断的向着快速、精密、高压方向发展。然而，从凝固机理角度看铸造加工 要想完全消除铸件内部缺陷是极其困难的。 塑性加工属于固体充填形式的加工方法。它利用固体金属在高温下呈现较好 的塑性流动性，以完成成形过程的充填。采用压力加工方法生产出的产品，其质 量远高于用其它方法生产的产品。但是固态金属变形抗力高，需要消耗较多的能 源。对于稍微复杂的零件，往往需要多道锻造工序，成形才能完成，成本很高。 因此，降低能源消耗和成本，减小单位变形力，提高制件的尺寸精度，保证质最， 就成为塑性加工的发展方向。 半固态金属加工则利用了金属或合金处于固、液两相共存时的特征，吸取了 铸造的充填形式和塑性加工的压力因素，是处于二者之间的一种工艺。半固态加 6 江苏大学硕士学位论文 工是铸造加工和塑性加工发展的产物，铸造加工向着高速、高压、高质量、高精 度方向发展，最终与液固共存的液态模锻、液态挤压、连续挤压、液态轧制、半 固态加工相衔接；塑性加工向着降低变形抗力及变形能、降低成本、提高尺寸精 度方向发展，最终也与金属材料呈液固相共存状态的液态模锻、半固态加工等工 艺相衔接。因此半固态成形技术是铸造及塑性加工相衔接的一种加工工艺，是一 个有别于固态加工和液态加工的领域，是一种非常有效的近净成形加工技术，具 有很好的发展前途。 1 1 5 半固态加工技术的应用现状和发展方向 ( 1 ) 国外应用现状 在半固态加工技术应用中，美国、意大利、瑞士、法国、英国、德国和日本 等国走在世界的前列，处于世界领先水平。应用的领域主要集中在汽车行业、电 子产业( 电脑、通信和消费类电子产品等) 和军工产业【1 3 】。美国a l u m a x 公司是一家 超大型应用半固态成形技术生产汽车零件的厂家，其生产的产品质量从1 0 9 到 1 0 k g ，最大直径为5 0 0 r a m 1 4 1 。瑞士b u h l c r 公司【习用合型力为1 8 m n 的压铸机生产 出了铝合金汽车悬挂件、自行车零件和汽车转向齿轮等，并已进行系列化生产供 应世界各地用户。该公司还采用与生产半固态压铸铝合金相同的主要设备，制造 出半固态镁合金压铸件。意大利a l f a r o m e o 公司【1 6 】为g t v 和s p i d e r 高性能赛车 开发了铝合金的多臂悬挂件，该零件的尺寸为1 2 m x 0 8 5 m ，而质量只有1 8 7 k g ， 它由两个侧向支撑和三根挤压棒所组成，达到了很高的水平。德国的e f ug m b h 公司【1 7 】用半固态压铸的方法制造了铝合金汽车主连杆、具有交叉肋的零件( 壁厚 2 5 r a m 、长5 0 0 m m 、宽9 0 m m ) 以及以a 3 5 6 为基体含有1 6 体积分数的s i c 颗粒 的复合材料为原料的圆盘状零件。日本的h i t a c h i 金属公司【1 8 】用6 3 0 0 k n 立式压铸 机进行半固态压铸a 1 7 s i 0 3 m g 合金汽车零部件的生产，铸件质量达4 9 k g 。 ( 2 ) 国内应用现状 国内的很多大学和科研机构，如北京科技大学、哈尔滨工业大学、东南大学、 上海大学、清华大学、大连理工大学、西北工业大学、北京有色金属研究总院、 沈阳金属研究所以及北京航空制造工程研究所等，从上世纪8 0 年代后期开始也进 行了半固态成形技术的研究。他们自行设计了不同类型的实验设备进行实验工作， 同时在半固态成形技术的基础理论研究中也取得了较大进展。但是，与国外相比， 7 江苏大学硕士学位论文 我国半固态加工技术的工业化应用水平较低，半固态坯料制备技术自动化水平、 棒坯质量可靠性和稳定性水平均不能满足大规模工业化应用的需求，不具备高品 质重融加热设备和半固态成形机械的生产制造能力。所以，我国还没有应用半固 态成形技术批量生产产品的企业。 ( 3 ) 发展方向 半固态金属加工技术出现3 0 多年来，各国的科研工作者对它的研究已经取得 了很多成果，并且在国外该方法也已成功的应用在了工业生产中。但是，由于种 种因素的制约，使半固态金属成形技术的研究工作中仍然还存在着很多急需解决 的问题【1 9 1 。 需要出现能用于工业生产的制备半固态浆料的新方法 虽然到目前为止各国科研工作者已经开发出了多种半固态浆料的生产方法， 但是能够用于工业生产的技术只有电磁搅拌法和应变诱发熔化激活技术( s i m a ) 两种。虽然电磁搅拌法拥有很多优点，如不与金属液接触，搅拌力大小可以控制 等；但其效率低、电能消耗大、设备结构复杂等缺点，使其生产成本太高。而应 变诱发熔化激活技术包括变形破碎和熔化激活两个过程，增加了生产步骤，使生 产效率降低，成本升高。所以开发出能够应用于工业生产的更简单更经济的半固 态坯料生产技术是非常必需的。 半固态成形技术的基础理论研究 半固态合金的流变性能是半固态成形工艺的基础，也是人们研究的重要方向 之一。现在对变温非稳态、等温稳态、触变性及动态流变性能方面进行了大量的 研究，取得了很好的成果。合金流变性能与其组织的关系及对铸件性能的影响是 未来的研究方向之一。 流变成形工艺的研究 半固态成形工艺有了较大发展，触变成形工艺已很成熟，在工业中取得了广 泛的应用。但是流变成形工艺发展较慢，目前只有射铸成形技术应用于镁合金零 件生产。而与触变成形相比，流变成形有生产效率高、成本低的优点，因而是未 来成形技术的发展方向。主要是要解决半固态坯料的储藏、运输问题以及运输过 程中坯料的保温问题。 计算机模拟技术在半固态成形中应用的加强 8 江苏大学硕士学位论文 国内外学者已开发了成形过程数值模拟软件，但这些软件并未完全考虑合金 的触变性能，使其应用受到一定限制。 1 2 二次加热的研究概况 二次加热是半固态触变成形工艺中又一关键的问题，针对它的研究也越来越 深入。 坯料的二次加热在半固态触变成形工艺中起着承上启下的作用，其目的主要 是获得触变成形工艺所需要的固相体积分数和组织结构。经二次加热的坯料应有 足够的强度，以保证机械手能将其夹持到成形机械上，同时还要保证具有足够好 的触变成形性。由于兼顾上述要求的温度区间十分狭窄，因此如何将坯料在工艺 操作允许的时间内快速、精确、均匀地加热至规定温度和组织是需要认真分析的 技术问题。 1 2 1 二次加热的试验研究和控制技术 在目前的二次加热研究中，主要的研究集中在不同的加热温度和加热时间对 半固态坯料组织的影响。 科研工作者对z l i o i 2 0 、a 3 5 6 f 2 1 1 、a l s i 6 m 9 2 、a 2 0 1 7 1 2 3 1 、7 0 7 5 剀等铝合金 和z a 2 7 2 5 i 锌合金以及a z 9 1 d 1 2 6 1 镁合金等进行y _ - 次加热的研究，得到的结果是 二次加热都可以使合金组织中的晶粒变得圆整。随着二次加热温度的升高，晶粒 球化的速度加快；在相同的二次加热温度下，延长二次加热的时间，也可以使晶 粒向球形转化。 二次加热主要是控制合金的重熔程度，对于不同的合金和触变成形工艺，二 次加热的控制强度不同。从工业生产的角度来看，合金液相体积分数变动范围应 控制在士3 以内。对于a 3 5 6 合金，其加热温度偏差控制在士3 0 c 以内，液相体积 分数在4 0 4 6 r r l 。为了获得合格的二次加热坯料，控制技术应满足重熔升温 速度快、坯料内外温度均匀、固相分数精确的要求。目前二次加热主要有三种实 用控制技术田】： ( 1 ) 分步控制法：采用圆盘回转感应加热系统和光导纤维测温装置，当圆盘 转换位置时，坯料在陶瓷托架上从一个线圈内转移到另一个线圈内，逐步提高温 度。该方法在工艺上较容易实现，是目前典型的二次加热控制方法。但这种连续 9 江苏大学硕士学位论文 式电磁感应加热设备通常采用一个控制回路，因此当成形过程中出现故障或间断 时，已被加热到预定温度的坯料只能报废。 ( 2 ) 感应线圈输入能量控制法：在某一要求的液相体积分数下，感应线圈输 入的能量与坯料的质量、体积成正比。因此，只要知道坯料的精确质量，通过控 制感应加热的时间及强度，就可以将坯料加热到所需要的液相体积分数。但是， 由于能量的转换和传递受到多种环境因素的影响，因此这种控制比较粗糙和模糊。 ( 3 ) 感应圈涡电流法：利用金属由固态转化为液态时，其电导率明显减小， 同时利用坯料从固态逐步转变为部分液态时，电磁场在被加热坯料中的穿透深度 改变，这种改变将引起加热回路的变化。通过安装在靠近加热坯料底部的检测线 圈测出回路的变化，比较测量线圈信号与设定信号之间的差别，间接计算出坯锭 的加热温度，从而实现控制加热温度，即控制液相体积分数。 1 2 2 二次加热应注意的问题 为了使二次加热中坯料的软化实现精确的动力学过程，应注意以下问题1 2 8 ： ( 1 ) 在保持阶段，降低加热功率可减少或避免金属液渗出现象。若延长保持 时间可提高固相分数并使坯料温度更均匀。 ( 2 ) 目前广泛采用热电偶测量坯料内部温度的均匀性，但并不能以此判定坯 料触变成形性的好坏。因为坯料的软化是一个动力学过程而不是一个温度场的概 念，温度均匀不能代表触变特性好。a 相的尺寸和形态对触变成形十分关键，优良 的触变成形坯料希望i f , 相变圆整，但尺寸不要大，而这种特征与保温的时间有很 大关系。由于有部分液相存在，在界面曲率和界面能作用下，小的a 晶粒会逐渐 熔化，大的a 晶粒则不断长大且变得更加圆整。在无对流的二次加热状态下，原 子的扩散缓慢，a 相晶粒生长速度也很慢，但不能为了追求温度场的均匀使加热时 间太长，否则任其缓慢长大，最终将使触变性和材料的性能恶化。 ( 3 ) 加强绝热和减少坯料顶部和底部的热扩散，可以明显改善坯料温度场的 均匀性。二次加热的最佳温度范围很窄，温控精度现场尽可能保持在士l o c 。试验 结果表明，若不对坯料上下端部的热散失进行隔热处理，则相同加热条件下坯料 内最大温差达2 0 3 0 0 c ，远高于触变成形工艺允许的范围。这是该工艺能否稳定 所不容忽视的问题。 ( 4 ) 为了获得与最小加热周期相适应的坯料温度均匀化最小时间，不能一味 i o 江苏大擘硕士学位论文 的提高功率，而应通过试验和模拟计算找出功率与时间的最佳匹配，同时可适当 增加加热站的数量。 ( 5 ) 提高坯料搬运机械手的保温性能和取件移送精度，也是与二次加热不可 分割的重要环节。目前国外使用的将坯料从加热系统移送到成形料管中的机械手， 最大可搬送3 0 k g 的坯料，其搬运位置重复误差在0 4 r a m 以内，由二次加热系统的 可编程控制器p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 进行监控和与成形设备进行连锁 协调。如何使坯料从加热工作站转移到成形机械过程中热损失最小是半固态成 形中的又一个技术关键。 ( 6 ) 半固态成形过程中的缺陷，主要表现在氧化皮夹渣，低熔点基体分离及 缩孔，而这些缺陷与半固态坯料的显微组织、二次加热后的组织及流变特性密切 相关，其中氧化皮是最不利的工艺缺陷，是绝对要防止的。此外要对模具的型腔 结构、排气、流道系统进行专门设计，对模温和充型速度要有严格的规定。料管 的保温能力是确保二次加热效果的重要环节，所以需要对料管进行专门设计。 1 2 3 二次加热的发展趋向侧 目前围绕二次加热技术，主要从以下几方面进行开发研究： ( 1 ) 开发两维或三维感应加热温度场数值模拟和计算模型。由于在生产中定 量地检测坯料局部重熔程度很难实现，因此以试验为基础进行工艺优化十分艰难， 往往事倍功半。先进的数值模拟技术给我们提供了新的切入点，将为二次加热设 备的进一步优化设计提供便利和可靠的条件。 ( 2 ) 研究二次加热过程中半固态坯料的组织及其对触变成形性的影响。大量 研究表明，随着二次加热温度和保温时间的变化，组织转变具有不同的特征。二 次加热的目的之一是使半固态坯料中的细小枝晶碎片逐渐长大并转化为球状，以 利于后续触变成形工艺的实施。特别是对于新开发的适于半固态成形的合金，这 方面的研究是不可或缺的。 ( 3 ) 开发更精确控制坯料加热温度的控制路线，包括传感器的灵敏度、可靠 性以及传感信号与实际控温曲线间的定量关系模型。 ( 4 ) 开发控制被加热坯料尺寸稳定性的检测装置和反馈系统。 ( 5 ) 开发以计算机为控制中心，根据检测数据和控制模型建立的控制指令来 调节二次加热工艺的智能集成控制系统。 江苏大学硕士学位论文 1 3 亚共晶铝硅合金的工业应用 铝合金是应用较早且技术日趋成熟的轻量化材料，它在汽车上的用量呈现持 续增长的趋势。根据国际铝协统计 3 0 l ，自1 9 9 0 年以来，铝合金在轿车上的应用翻 了一番，在轻型车中的用量则增长了2 倍；目前每辆轿车的铝合金平均用量为 1 2 1 l 【g ，约占整车质量的1 0 。而所谓“铝密集型汽车”中使用的铝合金比例更高， 如福特2 0 0 0 轿车铝合金用量为3 3 3 k g ，占到整车重量的3 7 ；而奥迪a 8 则达到 了创纪录的5 4 6 k g c a r 。 亚共晶a 1 s i 合金是应用最广泛的铝合金，在汽车、航空航天工业上用于制造 形状复杂的承载零部件，尤其是在汽车工业。当前汽车用铝合金以铸件为主，约 占汽车用铝量的8 0 ，主要为共晶和亚共晶的铝硅合金，用于制造发动机零部件、 壳体类零件和底盘上的其它零件。现已大批量应用的零件有轿车发动机缸体、缸 盖、离合器壳、保险杠、车轮、发动机托架等几十种零件。最近，重型车发动机 中的进气歧管、油底壳、飞轮壳和齿轮室罩盖等零件也已开始大量采用铝合金铸 件。随着快速凝固铝合金、粉末冶金铝合金、超塑性铝合金、铝基复合材料和泡 沫铝材等新材料的开发与应用，未来铝在汽车中的应用范围将进一步扩大，并将 呈现铸件、型材、板材并举的局面。预计铝将会成为仅次于钢的第二大汽车材料【3 l 】。 我国的铝矿产资源丰富，经过几十年的发展，原铝产量位居世界第一( 2 0 0 4 年 的产量达6 5 9 万吨) ，并形成了一个完整的铝工业体系。国内汽车工业用铝也呈现 快速增长态势，1 9 9 3 年国内汽车工业用铝量仅为4 万吨，2 0 0 3 年则上升到2 8 万 吨，年均增长达6 0 。“九五”期间进行了铝合金材料和铸件生产成套工艺技术的 开发研究，开发出了多种铸造a 1 s i 合金和高性能a 1 s n - s i 系轴瓦材料；在半固态 成形、快速凝固等先进成形技术研究与应用方面也取得了突破性进展。目前国内 铸造铝合金的品种及牌号相对齐全，生产技术基本上能满足汽车工业的需要。目 前主要问题有：没有结合我国资源特点建立起具有自主知识产权的汽车工业用铝 合金体系，现有产品标准化、系列化程度不高，生产也没有达到专业化；铸造铝 合金熔体的纯净度不高，铸件成分不稳定，力学性能较差；铝板材品种不全，高 端产品缺乏；板材成形性能差，烘烤硬化效果差，表面质量低、尺寸精度低( 包括 带材与管材) ，不能满足国内汽车工业的需求；材料成本高j 。 江苏大学硕士学位论文 1 4 本课题的研究内容、目的及意义 1 4 1 课题研究内容 本课题的主要研究内容为： ( 1 ) 采用液相线铸造法( 低温铸造法) 制备亚共晶a 1 s i 合金的半固态坯料，然 后把获得的半固态坯料加热到固液两相共存区进行二次加热； ( 2 ) 制备金相试样以观察组织，对二次加热后的试样进行力学性能测试( 硬度 测试和拉伸测试) ； ( 3 ) 对不同二次加热温度、时间等因素对合金组织的影响进行分析，探讨半 固态亚共晶砧s i 合金二次加热过程中显微组织的演化机理。 1 4 2 课题的目的及意义 亚共晶舢s i 合金在工业生产中有着广泛的应用，生产出具有更高性能的亚共 晶舢s i 合金具有重要的应用价值。本课题通过对半固态亚共晶a 1 s i 合金的二次 加热过程中显微组织的变化规律的研究，试图优化半固态加工工艺，从而通过半 固态金属加工技术这一具有光明应用前景的加工手段来生产出性能更加优越的亚 共晶a 1 s i 合金，使亚共晶m s i 合金拥有更好的工业应用前景和更优良的性价比。 江苏大学硕士学位论文 第2 章亚共晶a l - s i 合金半固态坯料的制备 半固态成形技术的关键就是制各优良的具有非树枝晶组织的半固态坯料，所 以本实验首先要制备出适合进行定半固态成形的非树枝晶组织合金。为此，本文 通过一系列试验来完成得到合适亚共晶铝硅合金半固态坯料的浇注工作。 2 1半固态坯料制备方法简介 2 1 1 机械搅拌法 机械搅拌法是最早采用的制备半固态金属坯料的方法，其设备构造简单，以 通过控制搅拌温度、搅拌速度和冷却速度等工艺参数，使初生树枝状晶被破碎而 成为近球状结构，从而研究金属凝固规律和半固态金属的流变性能。机械搅拌装 置一般分为连续式和间歇式两种类型。 连续式装置包括棒式和螺旋式两种类型( 如图2 一l a 和b ) 。棒式装置具有金属 液不易氧化、固相分数易控制、能连续生产的优点，其缺点是出料速度较慢，搅 拌棒易损耗。螺旋式装置具有向下压缩流体的作用，使出料速度加快。 间歇式装置包括底浇式和倾转式两种类型( 如图2 一l c 和d ) 。底浇式装置的最 大特点是结构简单，但是它的底部密封塞影响铸型的设置。倾转式装置的坩埚可 以倾转，使部分凝固合金能够倒入铸型，这有利于浇注过程的实现，但是在坩埚 倾转前需将搅拌棒从合金液中提出，金属浆料的表观粘度会因为停止搅拌而上升， 也影响了生产效率。 b d 图2 1 几种机械搅拌装置示意图( 一棒式，b 一螺旋式，c 一底浇式，d 一倾转式) f 培2 - ls c h e m a t i c so f m e c h a n i c a ls t i r r i n gd e v i c e s ( a - p o l et y p e ，b - s p i r a lt y p e ，c - b o t t o m - p o u r i n g t y p e ，d - t i l tp o u r i n gt y p e ) 1 4 蚤一旦幽旦由坐霄。 江苏大学硕士学位论文 采用机械搅拌法可以获得很高的剪切速率，有利于形成细小的近球形微观结 构，但是在搅拌腔体内部往往存在搅拌不到的死区，影响了浆料的均匀性，而且 搅拌叶片的腐蚀与溶解会对半固态金属浆料造成污染，这样给半固态金属坯料质 量带来很不利的影响。另外，机械搅拌的设备笨重、操作困难、生产效率低，固 相分数只能限制在3 0 一6 0 范围内。 2 1 2 电磁搅拌法 为解决机械搅拌法存在的上述缺点，在机械搅拌法的基础上又发展了电磁搅 拌法。这种方法可以在一个连续的组合铸型内产生剧烈的搅动，打碎枝晶而形成 细等轴晶。这种细晶组织在重新加热到半固态区间时可以球化，从而得到半固态 加工所需的组织。此外，电磁搅拌还可以用常规技术来监控材料的化学成分、纯 度、晶粒大小和显微组织，从而确保了半固态原材料的高质量【3 2 】。 电磁搅拌法的工作原理是：电磁搅拌是借助电磁力强化铸坯内未凝固金属熔 液的运动，从而改变凝固过程的流动、传热和传质，达到细化晶粒、改善铸坯质 量的目的【3 3 】。 l 毫式 水平式 图2 2 电震i 搅拌方式示意图 f 喀2 - 2 s c h e m a t i c so f e l e c t r o n m g n e f i cs t h r i n gm o d e s 在一组感应线圈内通入交流电，并使其终端具有适当的电压相位差。由于电 场的交变作用，使得系统内的金属，包括液体金属内产生的一个震荡磁场b 和电 流密度场j ，因此又产生了一个力场。由于其相位关系，所产生的不是一个纯震荡 江苏大学硕士学位论文 力，还有一个旋转的力场使金属液产生运动。其大小为： f b = j b( 2 1 ) 式中卜一电流密度；b 一磁感应强度 根据搅拌金属液的流动方式，电磁搅拌有两种形式阴：一种是水平式，即感 应线圈平行于铸型的轴线方向：第二种是垂直式，即感应线圈与铸型的轴线方向 垂直，其示意图见图2 2 。一般来说，影响电磁搅拌效果的因素有搅拌功率、冷 却速度、浇注速度以及金属液温度等。由于加工过程的局限性，通常认为，直径 大于1 5 0 n u n 的铸坯不宜采用电磁搅拌法生产。 电磁搅拌法具有以下特点： ( 1 ) 不接触性。借助电磁感应实现能量的无接触转换，因而不与金属熔液接 触就能将电磁能直接转换成金属熔液的动能。 ( 2 ) 可控制性。由于感应器激发的磁场，无论是交变磁场还是恒定磁场都可以 人为控制，迸而电磁力可以人为控制，因而可以人为地控制金属熔液的流动形态。 其它参数也易于调节，且调节范围较宽，可以适合不同断面