（材料加工工程专业论文）半固态流变压铸alsi9mg组织及性能研究.pdf

河北科技大学学位论文原创性声明 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。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。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。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： 篌芰盔 p or d 年5 月2 中日= 0 炉 必l d 年f 月牛日l 河北科技大学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 人授权河北科技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。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 酌 保密。 ( 请在以上方框内打“”) 靴论文作者弛傲苤 2 0 t o 年f 月2 牛日 指导教师签名： ， 啊妣 瑚f o 年f 月z q - 日 摘要 摘要 半固态流变成形的最大优势是工艺流程短、生产成本低，符合当今时代节能减 排、绿色铸造的要求。近些年来已经成为了半固态成形技术的发展趋势。半固态流 变压铸利用半固态合金熔体具有触变性的特点，能有效减轻甚至消除气孔缺陷，具 有独特的优势，工业应用前景非常光明。 本文利用倾斜板法制备半固态a 1 s i 9 m g 合金熔体，并流变压铸标准试样。研究 了浇注温度、压射比压、压射速度、固溶处理工艺参数对半固态a 1 s i 9 m g 组织及性 能的影响，分析了在沿程流动过程中初生固相组织演变规律。 研究表明：浇注温度对半固态a 1 s i 9 m g 合金熔体的微观组织特征影响较大，在 本试验条件下，合适的浇注温度为6 1 0 6 1 5 。c ，浇注温度为6 1 5 。c 时初生固相率为 4 0 3 ，初生固相的平均直径为2 2 4 1 t m ，圆整度为0 6 0 6 。 压铸压力对半固态a 1 s i 9 m g 微观组织和性能的影响较大，在本试验条件下，合 适的压射比压为4 8 7 2 m p a ，压射比压为4 8 m p a 时试样的抗拉强度为2 3 3 m p a ，延伸 率为4 5 ，布氏硬度为7 6 ，冲击韧性为9 8 k j 吖n 。其微观组织中初生固相率为2 7 3 ， 初生固相的平均直径为1 7 2 p m ，圆整度为0 6 6 2 。 压铸速度对半固态a 1 s i 9 m g 微观组织和性能的影响较大，在本试验条件下，合 适的压射速度为1 5 2 0 1 t i s ，压射速度为1 5 m s 时试样的抗拉强度为2 3 8 m p a ，延伸 率为5 7 ，布氏硬度为8 3 ，冲击韧性为1 3 4 k j m - 2 。其微观组织中初生固相率为3 8 9 ， 初生固相的平均直径为2 2 7 p m ，圆整度为0 6 6 3 。 流变压铸试样各部位初生0 【舢都为近球状晶粒，而非普通压铸的树枝晶。沿程 流动时微观组织中圆整度变化很小，差异不超出0 1 ；初生固相率为波浪形曲线变化， 变化值在2 0 左右；晶粒的平均直径在1 0 2 5 9 m 内不规则变化。 固溶处理工艺参数对流变压铸零件组织和性能有较大的影响。固溶处理温度对 抗拉强度和延伸率有较大的影响。本试验条件下适宜的固溶处理工艺为固溶处理温 度5 3 54 c ，保温时间2 h ，水温8 0 。c 。在此固溶处理工艺参数下试样的抗拉强度 3 0 5 m p a ，延伸率1 5 3 ，布氏硬度1 0 7 。 关键词半固态；流变压铸；固溶处理；沿程流动；力学性能 a b s t r a c t t h eg r e a t e s ta d v a n t a g eo fs e m i - s o l i dr h e o l o g i c a lf o r m i n gp r o c e s si st h a tp r o c e s s f l o w s h o r t , l o wp r o d u c t i o nc o s t s ，i nl i n ew i t ht h er e q u i r e m e n t so fe n e r g y - s a v i n g a n de m i s s i o n r e d u c t i o n i nr e c e n ty e a ) si th a sb e c o m eat r e n do fs e m i - s o l i df o r m i n gt e c h n o l o g y u s eo f s e m i s o l i da l l o ym e l t w i t ht h i x o t r o p i cc h a r a c t e r i s t i c s e m i s o l i dr h e o - d i ec a s t i n gc a n e f f e c t i v e l y r e d u c eo re l i m i n a t et h ep o r o s i t yd e f e c t s s e m i - s o l i dr h e o - d i ec a s t i n gh a su n i q u e a d v a n t a g e sa n di t si n d u s t r i a la p p l i c a t i o ni sv e r yp r o m i s i n g i nt h i sp a p e r , s e m i s o l i da 1 s i 9 m ga l l o ym e l tp r e p a r e db ys l o p i n gp l a t e t h e n r h e o 。d i e c a s t i n ga n dm a d e i tt os t a n d a r ds a m p l e s p o u r i n gt e m p e r a t u r e ，i n j e c t i o np r e s s u r e ，i n j e c t i o n s p e e da n dp a r a m e t e r so fs o l u t i o nh e a tt r e a l a n e n tp r o c e s sa r es t u d i e d f i n dh o wt h e y a f f e c t t h em i o r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yo na 1 s i 9 m gs e m i - s o l i da l l o y m i c r o s t r u c t u r e e v o l u t i o no ft h ep r i m a r ys o l i dp h a s ei sa n a l y s e da l o n ga l l o ym e l tf i l l i n gp r o c e s s 一 t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a t ：p o u r i n gt e m p e r a t u r eh a v eg r e a t i n f l u e n c e so nt h e m i c l o s 仃u c 眦o fs e m i s o l i da 1 s i 9 m ga l l o ym e l t i nt h i se x p e r i m e n t ，s u i t a b l ep o u r i n g t e m p e r a t u r ei s6 10 。615 c w h e np o u t i n gt e m p e r a t u r ei s615 。ct h ep r i m a r ys o l i df r a c t i o n i s4 0 3 t h ea v e r a g ed i a m e t e ro fp r i m a r ys o l i dp h a s ei s2 2 4 w n ，r o u n d n e s si s0 6 0 6 埘e c f i o np r e s s u r eh a sg r e a ti n f l u e n c e so nt h e m i c 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 fs e m i s o l i da 1 s i 9 m ga l l o y i nt h i se x p e r i m e n t ，s u i t a b l ei n j e c t i o np r e s s u r ei s 4 8 7 2 m p a w h e ni n j e c t i o np r e s s u r ei s4 8 m p a ，t h et e n s i l es t r e n g t h o ft h es a m p l ei s 2 3 3 m p a , e l o n g a t i o np e r c e n t a g ei s4 5 b r i n e l lh a r d n e s si s7 6 ，a n di m p a c tt o u g h n e s s i s 9 8 k j 1 n _ 2 i nm i c r o s t r u c t u r et h ep r i m a r ys o l i df r a c t i o ni s2 7 3 ，t h ea v e r a g ed i a m e t e ro f p r i m a r ys o l i dp h a s ei s17 2 p m ，r o u n d n e s si so 6 6 2 1 1 1 ie c t i o ns p e e dh a sg r e a ti n f l u e n c e so nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fs 锄i s o l i da 1 s i 9 m ga l l o y i nt h i se x p e r i m e n t ，s u i t a b l ei n j e c t i o ns p e e di s 1 5 2 0 m s w h e ni n j e c t i o ns p e e di s1 5 r n s ，t h et e n s i l es t r e n g t ho ft h es a m p l ei s2 3 8 m p a , e l o n g a t i o n p e r c e n t a g ei s5 7 ，b r i n e l l h a r d n e s si s8 3 ，a n di m p a c tt o u g h n e s si s 13 4 k j 。m 吃i n m i c r o s t r u c t u r et h ep r i m a r ys o l i df r a c t i o ni s3 8 9 ，t h ea v e r a g ed i a m e t e ro fp r i m a r ys o l i d p h a s e i s2 2 7 岬，r o u n d n e s si s0 6 6 3 a te v e r yt r a n s v e r s es e c t i o no fr h e o l o g yd i ec a s t i n gp r i m a r ys o l i d ( i - a 1g r a i n sa r e n e a r l vs p h e r i c a l ，r a t h e rt h a no r d i n a r yd i ec a s t i n gd e n d r i t eg r a i n s a l o n ga l l o ym e l tf i l l i n g p r o c e s st h ec h a n g eo fr o u n d n e s si nt h em i c r o s t r u c t u r ei s s m a l l ，t h ed i f f e r e n c ed o e sn o t e x c e e do 1 p r i m a r ys o l i df r a c t i o nh a saw a v e s h a p e dc h a n g e ，a n dt h ev a l u ec h a n g ei s a r o u n d2 0 t h ea v e r a g ed i a m e t e ro fg r a i n si s10 2 5 9 m i tc h a n g e si r r e g u l a r a b s t r a c t s o l u t i o nt r e a t m e n tp a r a m e t e r sh a v eg r e a ti n f l u e n c e so nt h em i c r o s t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr h e o l o g yd i ec a s t i n g s o l u t i o nt r e a t m e n tt e m p e r a t u r eh a sa s i g n i f i c a n ti m p a c to nt h et e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o n i nt h i se x p e r i m e n t , t h es u i t a b l e s o l u t i o nt r e a t m e n tp r o c e s sf o rr h e o l o g yd i ec a s t i n gi st h a tt h es o l u t i o nh e a tt r e a t m e n t t e m p e r a t u r ei s5 3 5 c ，h o l d i n gt i m ei s2 也w a t e rt e m p e r a t u r e i s8 0 c u n d e rt h i ss o l u t i o n t r e a t m e n tp a r a m e t e r st e n s i l es t r e n g t ho ft h es a m p l ei s3 0 5 m p a , e l o n g a t i o np e r c e n t a g ei s 1 5 3 ，b r i n e l lh a r d n e s si s1 0 7 k e yw o r d ss e m i - - s o l i d ；r h e o - - d i ec a s t i n g ；s o l u t i o nt r e a t m e n t ；a l o n ga l l o ym e l tf i l l i n g p r o c e s s ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i l l 矗 河北科技大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1铝合金的特点及应用1 1 2 半固态合金成形技术简介一1 1 2 1半固态合金成形技术的概念及特点1 1 2 2 半固态合金的制备方法2 1 2 3 半固态合金成形技术的工艺2 1 2 4 半固态合金流变压铸成形的方法4 1 2 5 流变压铸技术的应用5 1 3国内外流变压铸的研究现状7 1 4 流变压铸零件热处理的研究现状“8 1 5 本课题的研究内容及意义”9 1 5 1 本课题的研究内容9 1 5 2 本课题的研究意义9 第2 章试验材料和方法1 1 2 1 试验材料1 l 2 2 试验设备1 1 2 2 1熔炼设备11 2 2 2 倾斜板流变设备一12 2 2 3 压铸机1 2 2 2 4 压铸模具l3 2 2 热处理设备13 2 3 试验方法1 4 2 3 1 a 1 s i 9 m g 合金的熔炼1 4 2 3 2 半固态a 1 s i 9 m g 合金熔体的制备1 7 2 3 3 半固态a 1 s i 9 m g 合金熔体的取样1 7 2 3 4 半固态a 1 s i 9 m g 的流变压铸1 7 2 3 5 流变压铸试样的热处理1 8 2 4 力学性能的测定1 9 i v 目录 2 4 1 抗拉强度及延伸率测定1 9 2 4 2 硬度测定2 0 2 4 3 冲击韧性测定2 0 2 5 金相试样的制备- 2 0 2 6 组织特征的观察与测定2 l 2 6 1初生固相率”2 1 2 6 2晶粒大小2 1 2 6 3 圆整度2 2 2 7 本章小结2 3 第3 章 浇注温度对半固态a 1 s i 9 m g 组织的影响2 4 3 1影响半固态合金组织的因素2 4 3 1 1预热温度“2 4 3 1 2 浇注温度2 4 3 1 3 浇注长度2 4 3 1 4 振动频率2 4 3 2 浇注温度的影响2 5 3 2 1 6 3 0 时半固态a 1 s i 9 m g 的组织2 5 3 2 2 6 2 5 时半固态a 1 s i 9 m g 的组织2 6 3 2 3 6 2 0 时半固态a 1 s i 9 m g 的组织2 6 3 2 46 1 5 时半固态a i s i 9 m g 的组织2 7 3 2 5 6 1 0 时半固态a 1 s i 9 m g 的组织2 7 3 2 66 0 5 时半固态a 1 s 3 2 76 0 0 时半固态a 1 s 3 2 85 9 5 时半固态a 1 s 9 m g 的组织 9 m g 的组织 9 m g 的组织 ”2 9 ”2 9 3 0 3 2 9 5 9 0 时半固态a 1 s i 9 m g 的组织3 0 3 3 浇注温度对组织影响的规律分析3 0 第4 章流变压铸半固态a i s i 9 m g 的组织研究3 5 4 1影响流变压铸合金组织的主要参数3 5 4 1 1 压铸压力3 5 4 1 2 压铸速度3 6 4 2 压铸压力对a 1 s i 9 m g 组织的影响3 7 4 3 压铸速度对a 1 s i 9 m g 组织的影响4 0 4 4 固溶处理参数对a 1 s i 9 m g 组织的影响4 2 4 4 1热处理前后流变压铸试样组织对比4 2 v 洞北科技大学硕士学位论文 4 4 2 固溶处理对组织的影响4 3 4 5 沿程流动初生固相组织演变”4 5 4 5 1y 1 试样沿程流动初生固相组织演变4 6 4 5 2y 4 试样沿程流动初生固相组织演变4 8 4 5 3s 0 试样沿程流动初生固相组织演变5 1 4 5 4s 2 试样沿程流动初生固相组织演变一5 3 4 5 5 沿程流动初生固相组织演变分析5 5 4 5 6 液态压铸沿程流动初生固相组织演变5 5 4 6 本章小结5 6 第5 章流变压铸半固态a 1 s i 9 m g 的性能研究5 7 5 1 压铸工艺参数对半固态a 1 s i 9 m g 性能的影响5 7 5 1 1 压铸压力对半固态a 1 s i 9 m g 性能的影响5 7 5 1 2 压铸速度对半固态a 1 s i 9 m g 性能的影响”5 9 5 1 3 普通压铸试样与流变压铸试样性能的对比6 1 5 1 4 倾斜板振动前后流变压铸试样性能的对比”6 2 5 2 固溶处理参数对半固态a 1 s i 9 m g 性能的影响6 2 5 3 本章小结6 6 结论6 7 参考文献“6 8 攻读硕士学位期间所发表的论文7 2 致谢7 3 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 铝合金的特点及应用 铝是有色金属中最常用的金属，世界年产量比其它有色金属的总和还要大。铝 合金是以纯铝为基础，加入其它金属或非金属元素，不仅能保持了原有的基本性能， 而且由于合金化使铝合金综合力学性能大幅提耐1 1 。铝合金密度小、比强度高于铜合 金、球铁及碳素钢，因而在交通运输机械、飞行器、化工机械、建筑材料、体育器 械及家用电器诸方面获得广泛的应用【2 j 。 铝合金可分为形变铝合金和铸造铝合金两大类。铸造铝合金的熔炼及浇注温度 较低( 一般约在7 3 0 7 5 0 c 左右) ，熔化潜热大，流动性好，非常适合于金属型铸造、 压铸、挤压铸造等工艺【3 】，获得尺寸精度高、表面光洁、内在质量好的薄壁、复杂铸 件。 铸造铝合金是优质的半固态成形原材料。成形零件具有晶粒细小、致密，组织 分布均匀、内部疏松少、近净成形、切削加工量少等特点。据有关资料报道【4 】，在实 际工业生产中，用半固态成形技术生产的铝合金产品，其力学性能明显优于传统铸 造制品。一些半固态铝合金产品允许进行热处理，使用性能可进一步提高，接近于 锻件，扩大了其应用范围。合金牌号为a 1 s i 9 m g 的合金，代号z l l 0 4 ，是铸造铝硅 类合金中最常用的合金之一，在工业生产中被广泛使用，该合金靠近共晶点，具有 优良的铸造性能、抗蚀性能、切削加工性能及较好的焊接性，通常用来制造形状复 杂、薄壁、承受载荷较大以及要求较高的气密性、耐腐蚀性的零件，如发动机缸体、 缸盖、曲轴箱、增压器壳体及航空发动机压缩机匣、受力框架等，用途广泛【5 7 j 。 1 2 半固态合金成形技术简介 1 2 1半固态合金成形技术的概念及特点 2 0 世纪7 0 年代美国麻省理工学院m c f l e m i n g s 等研究人员发现【8 ，9 】。处于固液 相区间的合金熔体经过连续搅拌后表现为低表观粘度，凝固后形成球状晶或近球状 晶粒而非普通的树枝晶。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，从而开发出了一种新的成形技术即半固态成形技术( s e m i s o l i d m e t a lf o r m i n g ) 。 所谓金属半固态成形技术或半固态加工就是在金属凝固过程中对其加以剧烈搅 拌或扰动、或改变金属热状态、或加入晶粒细化剂、或进行快速凝固改变初生固相 的形核和长大过程，得到一种液态金属母液中均匀悬浮一定球状初生固相的固液混 河北科技大学硕士学位论文 合浆料，利用该浆料直接成形加工，或者凝固成坯料，再根据需要将坯料切分重新 熔化至固液两相区进行成形加工。两种方法均都是半固态成形技术 1 0 , 1 1 。 半固态成形技术介于固态加工与液态加工之间，具有独自的一些特点，如：固 液共存、扩散现象活跃、局部浓度不断变化，固相粒子间结合力小、宏观流动时变 形抗力小，当施加外力时固相与液相成分有分别流动的倾向【1 2 1 ，可以混入异种材料 进行搅拌等。与普通的加工方法相比，半固态成形技术的优点在于： 1 1 流动性、变形性好，可以近净形生产，缩短了加工周期，提高了材料利用率； 2 ) 充型平稳，不易喷溅，减轻了合金的氧化及裹气，提高了铸件的致密性； 3 1 成形温度比液态合金低，成形模具工作温度低于普通铸造，对模具热冲击小， 有利于提高模具寿命，从而降低生产成本； 4 ) 合金熔体或坯料有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 ) 应用范围广，适合多种加工工艺，如铸造、轧制、挤压等，并可以进行材料 的复合及成形【l 引。 1 2 2 半固态合金的制备方法一 围绕制备近球形非枝晶固相的半固态合金熔体这一关键问题目前已经研究出了 2 0 多种各具特色的制备方法。从技术本质看，这些方法可归为液态凝固控制、固态 塑性变形、和热处理三大类【l 酬。 凝固控制类方法中除了人们熟知的机械搅拌、电磁搅拌和孕育变质处理外，倾 斜板( 管或槽) 对流、等温或缓慢冷却、电脉冲、机械振动、超声振动液相线浇注、 喷射沉积、熔体混合法等新的制备方法已经基本成熟；固态塑性变形制备方法中除 了早期的应变诱发熔体激活法( s m i a ) p - ，近年来也出现了新s m i a 法、等径道角挤 压与机械剪断+ 急速冷却法( s c r ) ；热处理类制备方法中，循环等温法与二次加热保 温法也已经在试验及生产中被广泛应用。此外，综合利用凝固控制、塑性变形、及 热处理进行交叉而出现了铸轧法和粉末冶金法也在蓬勃发剧17 1 ，形成了丰富多彩的 半固态合金浆料与坯料的制备技术体系。半固态合金浆料与坯料的制备的本质在于 材料科学与工程领域最经典的合金微观组织形貌和尺寸控制问题，其理论基础是凝 固理论、流变学原理和热处理原理。目前已有的各种制备技术只要经过必要的工业 应用开发后都可以成为工业化应用的技术。 1 2 3 半固态合金成形技术的工艺 半固态成形技术的工艺分为流变成形( r h e o f o r m i n g ) ：和触变成形( t h i x o f o r m i n g ) 两 种，工艺过程如图1 1 、1 2 所示。 第1 章绪论 原料供应 却系统 图1 - 1 流变成形工艺 f i g 1 - 1t e c h n o l o g i c a lp r o c e s so f r h c o 模具 i 锭 图1 2 触变成形工艺 f i g 1 - 2t 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 二次加热 经加热熔炼的合金液通过机械搅拌、电磁搅拌或者其他复合搅拌，在结晶凝固 过程中形成半固态合金熔体。其后的工艺可分成不同的两种：其一是将半固态合金 熔体直接压入模具型腔进而压铸成形，或对半固态合金熔体进行直接轧制、挤压等 3 露啦冒鸣雷冒 jliiltil -l 1 热加应感 01。oooo 雩舀 礴隰陵图量昏匿舀 河北科技大学硕士学位论文 加工方式成形，即流变成形；另一种是将半固态合金熔体凝固制成坯料，再经过重 新加热至半固态温度形成半固态坯料进而再进行成形加工，即触变成形。 流变成形可分为流变压铸、流变锻造、流变轧制、流变挤压等【l 引。早期通过强 烈机械搅拌获得的半固态合金熔体保存和输送很不方便，因而，半固态流变成形技 术的进展很缓慢，没有引起人们更多的关注。触变成形也可分为触变压铸、触变锻 造、触变轧制、触变射铸、触变挤压等几种不同方法。在触变成形中合金坯料的加 热、输送工艺相对较为方便，并易于实现自动化操作，因此半固态合金触变成形是 目前国外最主要的应用工艺【l9 1 ，但是半固态合金触变成形也有缺点和不足之处。而 半固态流变成形的最大优势是工艺流程短、生产成本低，符合当今时代的节能减排、 绿色铸造的要求。近些年来半固态流变成形已经成为了半固态成形技术的发展趋势， 该项目及相关课题已被很多学者视作重点研究对象【2 u 驯。 1 2 4 半固态合金流变压铸成形的方法 半固态流变压铸成形是将制备好的半固态合金熔体直接转移到压射室进行压铸 获得铸件。半固态合金的流变压铸是最早进行研究的半固态金属成形工艺之一2 2 1 。 然而，早期获得的半固态合金熔体的方法如传统机械搅拌式流变压铸成形，保存和 输送很不方便，因而成形技术的进展缓慢，一直没有成熟的技术。近年来半固态合 金流变压铸成形的研究才越来越引起学者们的关注，涌现了不少新的流变压铸成形 方法。目前已经报道出来的流变压铸成形方法有：传统机械搅拌式流变压铸成形、 压射室制备浆料式流变压铸成形、单螺旋机械搅拌式流变压铸成形【2 3 1 、双螺旋机械 搅拌式流变压铸成形、锥桶式半固态流变压铸成形、低过热度倾斜板浇注式流变压 铸成形、低过热度浇注和弱机械搅拌式或弱电磁搅拌式流变压铸成形 2 4 - - 2 7 。并且据 了解还有许多新的方法处于研究和完善阶段，尚未完全公开。 压射室制备浆料式流变压铸成形是在立式压铸机的压射室中对铝合金进行电磁 搅拌制备半固态合金熔体，然后直接压射成形【2 8 1 。单螺旋和双螺旋机械搅拌式流变 压铸成形是将液态合金加入螺旋料筒，依靠重力下行的过程中受到螺旋的连续的 机械搅拌作用，液态合金呈现“8 ”字向下移动并不断冷却，得到半固态合金熔体， 合金熔体积累到一定量后，由注射装置注射成形，这两种工艺的优点是工艺流程 短，生产成本低，废品和铸件余料回收方便，铸件气孔率低。锥桶式半固态流变压 铸成形是由送料装置、剪切机构、射压机构、温度控制装置和气体保护系统构成， 通过调整内筒转速和升降内筒高度，使液态合金在内、外筒缝隙之间受到剧烈剪 切作用，从而制备出晶粒细小、组织均匀的半固态合金熔体 2 9 , 3 0 ，再进行后续的 压铸或其它加工方式。低过热度浇注和弱机械搅拌流变压铸成形是将低过热度的合 金液浇注到制备坩埚中，利用镀膜的铜棒对坩埚中的金属液进行短时弱机械搅拌， 4 第1 章绪论 使合金冷却到液相线温度以下，然后移走搅拌铜棒让半固态合金熔体冷却到预定的 温度或固相分数再倾入压铸机压射室进行流变压铸。低过热度浇注和弱电磁搅拌流 变压铸成形是对坩埚中的合金液进行短时弱电磁搅拌，然后让坩埚中的合金熔体 冷却到预定的温度，就得到了具有球状初生晶粒的半固态合金熔体，再将其倾入 压铸机或挤压铸造机的压射室就可以进行流变压铸或挤压铸造成形。 上述的方法都要依靠比较复杂的设备或对压铸机进行繁琐的改造才能够获 得半圆态合金熔体【3 1 , 3 2 】，因此改造成本高、投入资本大，距离实际工业应用还有不 小的距离，不能充分满足中小企业生产的需要。 低过热度倾斜板浇注式流变压铸成形( n e wr h e o c a s t i n g ) 简称n r c ，是由日本 u b e 公司【3 3 】提出的，其技术路线如图1 3 所示。n r c 的核心内容是：首先降低浇 注合金的过热度，将合金液浇注到一个倾斜板上，合金熔体流入收集坩埚再经过 适当的冷却凝固，这时在合金液中产生球状初生固相均匀分布在低熔点的残余液 相中，最后进行温度调整获得均匀的温度场就可以将收集坩埚中的半固态合金熔 体送入压铸机压射。n r c 技术是直接从球形晶粒形核、长大的热力学和动力学条1 件着手，获得球形晶粒。u b e 公司已于1 9 9 9 年推出h v s c 。p l 型流变压铸样机，并 已经在意大利s t m - n p a l 公司等投入使用【3 引。 第3 步 倒黯 笫4 多 ；冒 图1 3 低过热度倾斜板浇注式流变成形 f i g 1 - 3 l o w s u p e r h e a tr h e o f o r m i n gc a s t i n gu s i n gac o o l i n gs l o p e 近些年在低过热度倾斜板浇注式流变压铸成形的基础上又开发出冷却管法及剪 切冷却斜槽法等多种形式，丰富了此种方法的研究，低过热度倾斜板浇注式流变压 铸成形缩短了半固态成形技术的工艺流程，简单易控制，并且对设备的改动相对 较小，易于被中小型企业所接受。 1 2 5 流变压铸技术的应用 目前，半固态铝合金、镁合金成形技术日趋成熟，许多国家都步入了实际商业 应用及二次技术开发的行列。美国处于世界最先进的地位，意大利、法国、瑞士、 德国、英地利、日本等国紧随其后，我国也在努力赶超，并取得一定进展【j 卜3 7 j 。 5 河北科技大学硕士学位论文 美国在9 0 年代初就出现了半固态铝合金生产厂家，1 9 9 6 年b e n t o n v i l e 公司投资 2 3 6 0 万美元建成一家专门生产汽车零件的半固态铝合金成形工厂，该公司每年的生 产能力达到5 0 0 0 万件【3 8 】，最大重量为9 k g 。阿卢马克斯公司每年主要生产汽车制动 总泵壳约2 4 0 万件、油道约1 0 0 万件、发动机支座零件约1 0 0 万件、摇臂座约1 5 0 2 0 0 万件【3 9 1 。半固态铝合金铸件的优势得到了良好体现，生产的半固态铝合金铸件实现 了近净成形【4 0 1 ，减少了原材料的使用及机加工成本。美国的h m m 公司利用英国 s h e f f i e l d 大学的专利技术专门生产小型零件，他们的经验发现立式成形工艺适合小 型零件的半固态成形；该公司半固态合金种类主要有a 3 5 6 、a 3 5 7 铸造铝合金，也 采用3 7 7 、6 4 2 铜合金及金属基复合材料，用于生产计算机电动机臂、钢笔件、汽车 带轮等 4 1 , 4 2 】。 欧洲许多研究机构和公司对半固态合金成形技术也作了大量的研究和开发， 2 0 0 4 年已有4 0 多家公司专门从事半固态铝合金零件的生产，时至今日这一趋势仍在 加大。法国的a l u m i n i u mp e c h i n e y 建立了半固态合金生产厂利用电磁搅拌生产并出 售以a 3 5 6 、a 3 5 7 、a 1 s i 6 c u 3 m g 、a 1 s i 6 c u l m g 、a i s i 7 c u 4 m g 等为主的半固态合金【4 引， 方便了半固态压铸技术应用时合金原料的供给。德国的e f u 等公司也在积极研究， 该公司装备了立式液压伺服压力机和实时控制的压铸机，并研究了a 3 5 6 铸造铝合金 及铝基复合材料的半固态成形工艺，成形了厚壁与薄壁零件m j 。瑞士的b u h l e r 公司 已经研制和生产出半固态铝合金成形专用s c 型压铸机。该型压铸机具有实时压射控 制和单一压射缸以实现复杂的充型过程、满足半固态铝合金压铸需要，该压铸机已 经用于一些公司的半固态合金成形生产线【4 5 1 。日本的半固态合金成形技术研究和生 产相对要落后于欧美，2 0 世纪8 0 年代后期在流变技术公n ( r h e o t e c h n o l o g y ， l t d ) 进行基础研究工作的推动下，日本的一些公司已经开始了半固态铝合金成形件 的生产，如s p e e ds t a rm e e l 公司在9 4 年开始利用半固态铝合金成形技术生产铝合 金轮毂( 约5 k g ) 4 6 ；h o n d ae n g i n e e r i n g 公司利用a 1 s i 6 c u 3 m g 合金成形了汽车空调压 缩机蜗室，合格率达到9 5 以上【4 。 我国在半固态合金成形技术的研究领域起步晚，因此在半固态压铸技术的应用 上也相对滞后。半固态流变压铸技术尚未发展到可以工业化的程度。不过一些有实 力的企业单位加紧与科研部门合作，加快着应用的步伐【4 8 , 4 9 】。有迹象表明，国内的 半固态流变压铸技术已经取得一定的成果，能够制成一些汽车上的重要零件，诸如 连杆，涡轮以及轴承杆等，且性能良好。但总的来看，与欧美等技术先进的国家相 比，我国在半固态流变压铸技术的应用上差距还比较大，需要不断地努力，才有可 能赶上世界先进水平。 镁合金是最轻的工程金属材料，在宇航、兵器等工业制造品中的用量越来越 大，未来镁合金的应用将会占据非常重要的地位【5 0 啕】。与铝合金的半固态成形相 6 第l 章绪论 比较，镁合金的半固态成形技术发展较晚，目前镁合金的半固态流变压铸技术要 逊色很多，射铸是唯一进入商业应用的机械搅拌式流变铸造技术，且该技术处于 完善设备、优化生产工艺的阶段，实际应用水平有限，只有a z 9 1 d 合金采用这 种技术试生产出了汽车、计算机和照相机零件毛坯。近些年来英国的布鲁诺大学 研制出了低熔点合金双螺旋半固态流变成形机，目前正在向产业化拓展【5 4 1 。 1 3国内外流变压铸的研究现状 影响和制约半固态流变压铸技术的主要问题在于合金熔体的制备方法及定量浇 注技术上的改进、压铸工艺参数的选取、浇注过程的控制和系统设计等方面，而近 些年的研究工作也主要围绕半固态合金熔体制备方法及流变工艺参数的优化，试样 组织性能等方面展开【55 1 。 在研究材料选取时，流变压铸研究的合金主要集中于a 3 5 6 、a 3 5 7 和a z 9 1 d 等铸 造合金，一些学者也在进行尝试，不断探索适合于流变压铸的合金范围。如郭洪民 和杨湘杰选用的合金为工业压铸专用铝合金y l l1 2 【5 6 】，研究了y l l1 2 合金半固态合金 熔体制备和流变压铸的微观组织特征。国# b a n n a t i s ap o l a 等人对合金的化学成分进行 设计调整【，7 1 ，通过试验实现了新合金成形件性能水平的进一步提高。 半固态合金熔体制备是半固态流变压铸技术的基础和关键，熔体的优劣决定了最 终产品。学者们已经意识到采用两种或几种方法结合的方式制备优良的半固态合金 熔体。如王平等人【5 8 】研究了近液相线电磁铸造、电磁铸造、近液相线铸造合金熔体 的显微组织，发现近液相线电磁铸造合金熔体的组织为细小均匀的等轴晶组织，优 于电磁铸造和近液相线铸造的合金组织与流变成形件的性能。南昌大学在低过热度 倾斜板浇注式流变铸造技术的基础上，开发了剪切低温浇注式半固态流变压铸工艺。 含有一定过热度的合金熔体在自身重力和输送管转动的共同作用下流经输送管，并 在浆料蓄积器中静态缓慢冷却得到所需的合金熔体，然后倒入压铸机的压射室内进 行流变压铸成形。采用多种方法结合的方式制备半固态合金熔体具有球状晶细小、 分布均匀等优势，发展前景十分光明。冯鹏发等人【5 9 】研制开发了双向多级速电磁搅 拌装置，研究出一种合金熔体制备与工件成形系统分离的铝合金流变成形技术。合 金熔体制备与成形分离具