（材料加工工程专业论文）半固态浆料制备用电磁搅拌器中电磁场分布数值模拟与实验研究.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 半固态成形技术与传统的固态成形或液态成形相比具有显著的优点，因此国 内外普遍认为半固态成形技术是2 l 世纪最具潜力的先进制造技术之一。半固态浆 料的制各是半固态成形技术的基础和关键，对于获得细小、均匀、具有近球状非 枝晶微观组织的铸件至关重要，而电磁搅拌最具工业应用潜力，所以本文针对电 磁搅拌中的电磁场进行了研究。 本文根据电磁搅拌器的结构特点，应用宏观电磁场的基本理论，即麦克斯韦 方程，建立了一极对旋转型电磁搅拌器的有限元模型，并采用有限元软件a n s y s ， 对电磁搅拌器空载情况下电磁搅拌器内的电磁场分布，以及置于其中的半固态浆 料的受力状态进行了数值计算。 数值模拟结果表明，在相同的电流输入条件下，施加较低频率的电流可以产 生更高的磁感应强度；电流强度越大产生的磁感应强度越大；磁感应强度随距离 的衰减很明显，设计高效搅拌器应尽量使结构紧凑。 利用数字式特斯拉计测量了电磁搅拌器空载条件下切向磁感应强度分布，结 果表明：磁感强度在搅拌器的高度方向中间处最大；随着半径的增大而增大，越 是靠近线圈和齿槽磁感强度越大；磁感强度随着励磁电流增大而增大，随着频率 增大而减小；在电磁搅拌线圈内壁处，磁感强度呈明显的周期性变化。 通过数值模拟和实验测量结果的比较表明数值模型的合理性，数值模拟能够 反映电磁场的分布情况。 关键词：半固态；铝合金；电磁搅拌器：电磁场；数值模拟 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s tr a c t s e m i - s o l i d f o r m i n g ( s s f ) i sr e g a r d a s a n o v e la n d p r o m i s i n g t e c h n i q u e i n t h e m e t a l f o r m i n go f2 1 s tc e n t u r ya l lo v e rt h ew o r l d , w h i c hc o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n to f a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g ya n do f f e rs i g n i f i c a n ta d v a n t a g e so v e rc o n v e n t i o n a l c a s t i n ga n df o r g i n gt e c h n o l o g i e s 1 1 1 ek e y t os s fi sf a b r i c a t i n gt h es e m i - s o l i dm a t e r i a l s w i t ht m e ，u n i f o r ma n ds p h e r i c a lm i c r o s t r u e t u r e ，a n de l e c t r o m a g n e t i cs t i m n gi st h eb e s t p o t e n t i a li nt h ei n d u s t r y , t h e r e f o r e ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l do ft h ee l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n gi sr e s e a r c h e di nt h i sa r t i c l e b a s e d t h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i co ft h ee l e c t r o m e 唧e t i cs t i r r i n gd e v i c e b yt h e p r i n c i p l eo fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，w ec o n s t i t u t ean u m e r i c a lm o d e lo nt h er o t a t i n g e l e c t r o m a g n e t i cs d r r i n gd e v i c e u s i n ga n s y s ，w en u m e r i c a l l yc a l c u l a t e dt h ef o r c i n g s t a t eo f t h es e m i - s o l i dm e t a l ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c e t h er e s u l to f n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e v e a l e dt h a tt h el o w f r e q u e n tc u r r e n tc o n d u c t sa s t r o n g e re l e c t r o m a g n e t i ci n t e n s i t yt h a nt h eh i g hf r e q u e n tc u r r e n ti n t h es a m ei n p u t c u r r e n t ；t h eh i 曲c u r r e n ti n d u c e sas t r o n g e re l e c t r o m a g n e t i ci n t e n s i t y ；m a g n e t i cf l u x d e n s i t yi sl o w e r w h e ni ti sa w a yf r o mm a g n e t i cp o l ea n df r a m eo f t h ee l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n gd e v i c e t h ee x p e r i m e n tr e s u l to ft h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e n s i t ym e a s u r e m e n tu s i n gt h e t e s l a m e t o ri n d i c a t e dt h a te l e c t r o m a g n e t i c i n t e n s i t yi ss t r o n g e ri nt h em i d d l eo ft h e e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gd e v i c e ；i ti sm o r es t r o n g e ra l o n gw i t hb i g g e rd i r e c t i o n ；i ti s m o r es t r o n g e rw h e nc u r r e n tb e c o m es t r o n g e r ；i tm i n i s h e sw h e nf r e q u e n c yb e c o m e l e s s ；i ti sa c u t e l yp e r i o d i cv a r i e t yr o u n dl o o pa n da l v e o l a r c o m p a r i n gt h e r e s u l to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t ht h a to fe x p e r i m e n t m e a s u r e m e n ti n d i c a t e dt h a tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sr e a s o n a b l e ，s or e s u l to f n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm a yr e f l e c tt h ed i s t r i b u t i o no f t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d k e y w o r d ss e m i s o l i d ；a l u m i n u ma l l o y ；e l e c t r o m a g n e t i cs t i 盯i n gd e v i c e ； e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 1 ：与参考文献相对应。除文中已注明弓1 用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己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。 作者( 签字) ：夕爹缸 日期 ：四年弓月j9 ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学町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、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 产一签毳就，莎秽币签氨物 日 期：聊撕日 期：少7 名。6 第l 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 自2 0 世纪7 0 年代半固态加工技术被开发出来以后，已经成为近年来零件少无余 量加工研究的热点之一，被誉为2 l 世纪新一代金属成形工艺。半固态铸造的概念于 1 9 7 1 年由美国麻省理工学院的m c f l c m i n g s 教授提出【u ，半固态铸造包括半固态金 属制备( s s s ) 及半固态金属成形( s s f ) 。半固态金属浆料的成形可用常规的压铸或 挤压铸造，与传统的液态金属成型工艺( 铸造) 及固态成型工艺( 锻造) 相比_ ，半固 态金属铸造具有很多优点。因此，半固态加工技术作为新一代金属成形工艺，将有广 泛的应用前景，不但适用于低熔点金属，还适用于高熔点合金以及复合材料制备。当 前，国内外对于半固态加工技术的研究主要集中在铝、镁等低熔点合金，而对于高熔 点合金的研究尚少。 半固态成形概念提出以后，受到各国的重视。美国i s c 公司为了降低钢铁零件的 生产成本，组织了一批专家开发半固态成形工艺糊。2 0 世纪9 0 年代，国内外对低熔点 合金的半固态研究己经发展到了一个比较成熟的阶段，半固态加工技术的工业应用己 取得了较大进展。其中美、日、英、法、意大利和瑞士等国家的应用水平处于领先地 位，低熔点金属的半固态加工技术己成功应用于制造业。由于钢铁材料熔点高，受加 工设备高温性能局限性的影响较大，导致非枝晶的获得比较困难，流变学行为不易测 定b i ，给制各钢铁材料的半固态浆料带来很大困难，而合格的半固态浆料制备是钢铁 材料半固态成形技术的关键。正是由于黑色金属半固态成形的特点，对它们的研究和 工业应用还处在一个开发、探索阶段。 获得半固态金属浆料或坯料的方法很多，具有代表性的有机械搅拌法、电磁搅拌 法( e m s ，e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ) 、电磁脉冲加载法、超声振动搅拌法、紊流效应法、 应变诱发熔化激活法( s 1 m a ) 、喷射沉积法( o s p r a y ) 、斜坡法、控制合金浇注温度法 等。其中，电磁搅拌法应用最为普遍。 由于电磁搅拌器内的半固态浆料的驱动来自于电磁场产生的电磁力，电磁场的分 沈阳理工大学硕士学位论文 布和运动决定了半固态浆料的受力情况，而搅拌器内的电磁场受到很多因素的影响， 如：电流强度、电流频率、线圈匝数和尺寸、齿槽结构等等。虽然电磁搅拌已经获得 工业应用，但由于旋转磁场运动的复杂性，尤其是在半固态浆料制备中电磁搅拌的研 究尚少，所以本文将运用数值模拟和实验测量的来对旋转电磁场进行分析研究，为下 一步的深入研究奠定基础。 1 2 半固态成形技术概述 1 2 1 半固态成形技术概述 半固态成形技术就是利用金属材料从固态向液态，或从液态向固态转变过程中， 经历固液态温度区间，获得一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定固相组分的周液混 合浆料( 固相体积分数最高可达o 6 o 8 ) ，用于填充铸型或进行压力加工。 1 2 2 半固态成形技术的的特点 半固态金属浆料或坯料与传统过热的液态金属相比，具有一半左右的初生固相，而 与固态金属相比，又含有一半左右的液相，且固相为非枝晶态，所以，金属半固态成 形技术又具有以下一系列的优点【4 l ： ( 1 ) 在重力下，重熔加热后的半固态金属坯料的粘度很高，可以方便地机械搬运，也 便于实现自动化操作；在高速剪切作用下，半固态金属坯料的粘度又可迅速降低， 便于成形。 ( 2 ) 半固态金属成形的生产效率很高，如美国阿卢马克斯工程金属工艺公司( 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 ，i n c ) 在半固态锻造铝合金汽车制动总泵体时，每小时 生产1 5 0 件，而利用金属型铸造同样的铸件，每小时只能生产2 4 件。 ( 3 ) 半固态成形时，金属在充型过程中，不易发生喷溅，减轻了合金的氧化和裹气， 提高了铸件的致密性。因此，可以通过热处理来进一步提高铸件的力学性能，其 强度比液态金属的压铸件高。 2 第1 章绪论 ( 4 1 会属浆料或坯料在充型前已析出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，能够承受更高的液体压力。 ( 5 ) 半固态会属浆料或坯料不存在宏观偏析，因而铸件也不存在宏观偏析，其性能更 均匀。 ( 6 ) 半固态金属浆料或坯料的固相分数可以在一定范围内调整，借此改变半固态金属 浆料或坯料的表观粘度，以适应不同铸件的成形要求。 ( 7 ) 利用半固态会属可以进行机械零件的近终化( n e t - s h a p e ) 成形，可大幅度减少零 件毛坯的机械加工量，降低生产成本。 ( 8 ) 半固态会属浆料或坯料的充型温度低，减轻了模具的热冲击，提高了模具的寿命。 如压铸9 0 5 半固态铜合金时，与压铸相同的液态铜合金相比，模具表面的最高温 度下降7 5 ，模具表面的温度梯度下降8 8 ，模具表面的受热速率下降8 6 ，所 以压铸半固态金属会延长模具的寿命，尤其当压铸高熔点合金时更是如此。 ( 9 ) 加热半固态金属坯料比熔化金属炉料可节约能源2 5 - - 3 0 。 ( 1o ) 半固态会属成形车间不需处理液态金属，工艺操作更安全，工作环境更优良。 ( 11 ) 半固念会属的粘度较高，可以方便地加入增强材料( 颗粒或纤维) ，为复合材料的 廉价生产开辟了一条新途径。 ( 1 2 ) 半固态金属的成形应力显著降低，因此半固态金属可以成形复杂的零件毛坯，降 低成本，而铸件性能与固态金属锻件相当。 在实际t 业生产中，用半固态成形技术生产的金属制品，在采用相同的热处理制 度时，其力学性能明显优于传统铸造制品，并与锻件的性能相近。半固态金属具有触 变性，所以锭坯在成形中具有明显的超塑性效应和充填性能，变形抗力小，可高速填 充变形【5 j o 但是，半固态金属触变成形也存在一些不足，尚存在五大工艺难题： ( 1 ) 传统的电磁搅拌功率大、效率低、能耗高，半固态金属坯料的成本高，一般制备 坯料时额外高出约4 0 的费用。 ( 2 ) 传统电磁感应重熔加热半固态坯料的能耗高，坯料表面氧化严重，丽且加热丑寸坯 料总会流失部分金属，该流失金属约占坯料重量的5 一1 2 。 3 沈阳理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 半固态合金坯料的液相分数不能太高，成形非常复杂零件时较困难，否则半固态 坯料的搬运难以实现。 ( 4 ) 坯料的锯屑、坯料重熔加热时流失的金属、浇注系统( 占半固态坯料重量的1 0 2 0 ) 和废品不能马上回用，必须返回到半固态会属坯料制备车间或坯料供应 者的生产厂，增加了生产成本。 ( 5 ) 半吲念会属触变成形的工艺流程长，零件成本高。因此，进一步降低生产成本成 为当今半固态金属成形金属应用所面临的最重要的课题。 锅合会在不同的成形方法与热处理状态下的力学性能如表1 1 所示，从表中可以 看出半固态成形技术的优越性。 表1 1 不同成形方法获得锅合金的力学性能比较h 成形热处理 屈服强度抗拉强度 延长率硬度 合金 方法状态 ( m p a )( m p a )( )( h b ) a 3 5 6s s m铸造 1 1 02 2 0】46 0 ( a 1 7 s i 0 3 m g ) s s mt 4 1 3 0 2 5 0 2 07 0 s s mt 51 8 02 5 55 1 0 8 0 s s m i 6 2 4 03 2 0 1 21 0 5 s s mt 72 6 03 1 091 0 0 p mt 61 8 62 6 258 0 p mt 5 l1 3 81 9 62 c d f 1 6 2 8 03 4 0 9 2 0 1 7s s m t 42 7 6 3 8 6 8 88 9 ( a 1 4 c t t m z ) w1 42 7 54 2 72 21 0 5 2 0 2 4 s s mt 61 7 73 6 69 2 ( a 1 4 c u m g ) c d ft 62 3 04 2 08 wt 63 9 34 7 61 0 wt 43 2 44 6 91 9 1 2 0 2 2 1 9s s mt 83 1 03 5 258 9 ( a 1 6 c u )w t 62 6 04 0 08 6 0 6 is s m下6 2 9 03 3 08 21 0 4 ( a 1 1 m g s i ) wt 62 7 53 1 01 29 5 7 0 7 5s s m t 63 6 l4 0 566 ( a 1 6 z n m z c u ) c d ft 64 2 05 6 06 wt 65 0 55 7 0 1 115 0 注：c d f 为闭模锻造；p m 为金属模铸造：s s m 为半固态成形；w 为锻造加工。 4 第1 章绪论 1 2 3 半固态成形技术的分类 合会半固念成形工艺按原材料的形念来划分，其成形工艺主要有两种：触变成形 和流变成形。如图1 1 所示，经过热熔炼的合金原料液体通过机械搅拌、电磁搅拌或 其他复合搅拌，在结晶凝固过程中形成半固态浆料，下面的工艺分两种：其一是将半 固态浆料直接压入模具腔进而压铸成型或对半固态浆料进行直接轧制、挤压等加工方 式成形，即流变成形：另一种是将半固态浆料制成坯料，经过重新加热至半固态温度， 形成半固念坯料再进行成形加工，此即触变成形。图1 1 为半固态流变成形和触变成 形工艺流程示意图。 图1 1 半固态加工的基本工艺方法 沈附1 理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 触变成形 触变成形是将经搅拌等特殊工艺获得的半固态浆料冷却凝固后，按所需要的尺寸 下料，再重新加热到半固态温度，然后进行压铸或挤压成形【7 】。半固态金属坯料的加 热、输送很方便，成形过程容易控制，易于实现自动化生产。目前，大多采用触变成 彤【艺，而且在触变成形的基础上又进一步开发出了半固态锻造、半固态挤压、半固 态轧制和半固态压铸等工艺类型。 半固态会属锭重新加热到半固念区域后可以进行锻造、挤压及轧制。值得注意的 是：半固态锻造时，锻造速度必须相当高，以避免液、固相分离或因自由表面呈拉应 力状念婀导致出现表面裂纹。利用半固态锻造工艺可以锻造难以成形的超合金。到目 前为止，已进行了低熔点合金、铸铁、高碳钢甚至高速钢的半固态锻造加工试验；半 幽念挤l 制晶内部组织及力学性能均匀，操作简单，所以半固态挤压是制造难加工材 料、粒子强化会属基复合材料、纤维强化金属基复合材料不可缺少的技术；半固态轧 制技术主要是利用金属合金材料在半固态时变形抗力很低，对轧制成形有利的特点而 丌发的半固态成形技术，应用对象主要是板材的轧制成形。 ( 2 ) 流变成形 流变成形是将经过搅拌等特殊工艺获得的半固态浆料直接进行成形【8 l 。由于半固 态金属浆料的保存和输送很不方便，因而这种成形方法的实际应用较少。但流变成形 t ：艺流程短、设备简单、节省能源，仍是未来金属半固态成形的一个重要发展方向。 - 7 半固态触变成形工艺的研究相比，对流变成形工艺的研究要少得多，目前仅停 留往成形组织的研究上，而鲜有成形产品出现。这是因为钢铁半固态流变浆料的保存、 输送和搬运过程更加难以控制。对流变成形的研究主要集中在流变轧制和半固态流变 挤压两方面。同本r h e o t e c h n o l o g y 。】公司开发的高熔点合会流变成形技术可以实现固 相分数为0 3 时的流变成形，并获得了理想的微观组织和很高的生产率：北京科技大 ，利用臼行设计的设备对1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢进行了半固态流变成形的直接轧制，并取 得了初步成果【”1 。 目前，除以上两种传统的半固态成形工艺外，还有一种新的成形工艺，即半固态 连接工艺。此工艺是在需要把某些功能部件连接到某种材料上时，把该材料加热到半 6 第1 章绪论 同念区域，使之与功能部件进行连接，例如把钢针嵌入铝锭中。这项研究最初始于铝 合金的研究，德国a a c h e n 大学金属成形研究所把该研究应用于钢与钢的连接。利用 这种半固念连接工艺制造的m 2 工具钢与不锈钢的组合功能部件，在半固态条件下两 者的结合界面获得了很好的微观连接( 焊接1 。结果证明：在半固态情况下将成形与连 接组合的半固态连接工艺具有可行性。 1 2 4 铝合金半固态坯料的制备方法 自2 0 世纪7 0 年代m i t 的d b s p e n c e r 等人开始研究半固态组织以来，国内外出现许多 半吲态坯料制备方法，而且新的半固态制备工艺层出不穷。目前，主要坯料制备工艺有 近二十种，如机械搅拌法( m s ) 、电磁搅拌法( e s ) 、应变诱发熔化激活法( s t r a i ni n d u c e d m e l ta c t i v a t i n g ) 、粉末冶金法( p o w d e rm e t a l l u r g y ) 、近液相线铸造法( n e a r l i q u i d s c a s t i n g ) 、转管法( r o t a t i n gt u b ) 、s c r 法、s e u 方法、s e e d 法、新m i t 法、新s 1 m a 法等，这些工艺方法又各有优缺点，因而人们对半固态坯料制备技术的研究主要集中在 工艺优化和新工艺开发等方面。 ( 1 ) 电磁搅拌法 电磁搅拌法是通过对合金液体施加电磁场，其产生的剪切力使合金凝固后的固相 晶粒不为枝晶状而为非枝晶状( 近似等轴晶) 。由于这种方法适合批量生产，它已在美 国、欧洲、r 本等国获得工业化生产。如瑞士的a l u s u i s s e l o n z a ，法国的p c h h a e g ，美 国a l u m a x 可供应这一坯料。这种方法制备的坯料在大量生产时成本较低，但存在铸 造参数不好控制，含有一些不规则、不均匀的等轴晶粒，这些晶粒在重新加热至半固 态时，需要几分钟时间来促进晶粒的圆整。电磁搅拌器可安装在垂直或水平连铸机上， 一般水平连铸机具有经济、可连续生产和低成本投资等优点，但凝固过程受重力影响。 而垂直连铸机具有坯料直径不受限制、凝固均匀等优点，但生产成本和投资较大。表 1 2 为德国某公司电磁搅拌器的一些参数【n 1 。用这种方法生产的坯料，已成批应用于生 产汽车轮毅、铝合金汽车主刹车缸体等零件。 7 沈阳理工大学硕士学位论文 表1 2 低频电磁搅拌器的参数 ( 2 ) 形变法 这一方法是对坯料先进行压力加工、形变。在随后的加热过程中，变形的晶粒通 过再结晶变成等轴晶粒，继续加热至半固态时，固态的晶粒仍保持为等轴状并和液相 混合在一起。这种方法的关键是要控制变形量及变形后的加热温度和保温时间等参数。 和其它力法相比，该方法所需设备及投资较少，制各成本低，且制备的半l 重【态坯料的 等轴自 粒彤态好。但由于受加工变形量的限制，仅适合于尺寸较小的工件的生产。英 固、美固、德国及韩国等对此研究较多并己成功应用于一些零件的生产。美国f o n n c a s t 公司利用从英国设菲尔德大学购买的形变法生产半固态坯料的专利技术专门生产重量 小于lb f 的铝合会工件，如高尔夫球的轻击棒等。韩国釜山大学则研究了2 0 2 铝合金 冷变形彤变量与形成等轴晶粒的关系，并进行了计算机模拟的研究【i “。他们对研究的 坯料先进行退火处理然后进行了冷墩变形。冷墩前坯料的直径为1 5 m m 高度为1 5 m m 。 采用的液压机压力为2 5 t ，锤头的速度保持在lm m m i n 。变形中，试样的高度依次降 低1 5 ，2 0 ，2 5 ，4 0 ，6 0 。冷后的试样再进行感应加热。感应加热的参数为： i u 肛2 2 0 v ，功率5 k w ，频率2 5 5 k h z ，加热温度设定为对2 0 2 a 合金中固相分数占8 0 的半固态温度。结果表明当应变为o ，1 5 ( 即试样冷墩后高度降低1 5 ) 时，可获得均匀 的等轴晶粒，晶粒尺寸为6 8 f f m ，试样高度降低的越多，获得的等轴晶粒尺寸越小。 当高度降低为6 0 时，晶粒尺寸可在5 4 2 4 9 m 5 8 4 4 1 x m 之间。 ( 3 ) 喷射成形法 喷射成形是将合金液体在气体压力的作用下喷射到冷却板上，使合金凝固后可获 得具有细小等轴晶粒组织的坯料。该坯料可用于半固态成形加工用的坯料。这一方法 在制备大过共晶铝硅合金、复合材料等特殊材料的坯料方面有一定的优势，但成本较 高。这一方法由英国o s p r e y 拥有专利技术。 第1 章绪论 ( 4 ) 应变诱发熔化激活法( s i m a ) 应变诱发熔化激活法是将常规铸锭经过挤压、滚压等预变形工艺制成具有强烈拉 长形变结构显微组织棒料，然后加热到固液两相区等温一定时间，被拉长的晶粒变成 了细小的粒状颗粒，随后快速冷却获得非枝晶组织坯料。其机理是熔化的部分液相渗 入小角度晶界中，树枝晶侧枝熔断而成为初生球状晶粒。通过添加微量元素和进行循 环热处理，可使晶粒尺寸减小，初生相的颗粒圆整，缩短了初生相球粒化的时间。工 艺效果主要取决于低温热加工和重熔两个阶段，若在两者间设置冷加工工序可以增加 工艺的可控性“技术适用于各种高低熔点的合金系列，尤其对制备较高熔点的非枝晶合 会具有独特的优越性，己成功应用于不锈钢、工具钢和铜合金、铝合金等，并获得了 晶粒尺寸2 0 l 左右的非枝晶组织合金，它将是一种有前景的坯料制备方法。 ( 5 ) 液态异步轧挤法 液态异步轧挤法实质是剪切一冷却一轧制( s h e a r i n g c o o l i n g r o l l i n g ) ，简称s c r 法，其 _ 艺原理是：利用一个机械旋转的锟轮把静止的弧状结晶壁上生长的初晶不断碾下、 破碎，并与剩余的液体一起混合，形成流变金属浆料，是一种高效制备半固态坯料的 方法。 ( 6 ) 粉未冶金法 粉末冶金是一种金属或合金快速凝固技术，它利用金属雾化技术的方法制备细小 的会属粉末。雾化技术就是利用离心力、机械力或高速流体冲击力等外力的作用使金 属熔体分散成尺寸很小的雾状熔滴，并使熔滴在与流体或冷模接触中迅速冷却凝固。 会属粉木的一般制各方法有：双流气体雾化、双流水雾化、超声波气体雾化、高速旋 转筒雾化( r s s ) 等，其中双流气体雾化、双流水雾化、超声波气体雾化应用最为广泛。 粉末冶会法制备半固态会属坯料的一般工艺路线是：首先制备金属粉末，然后进 行不同种类金属粉末的混合，再进行粉末预成形，并将预成形坯料重新加热至半固态 区，进行适当保温，即可获得半固态金属坯料i l ”。 ( 7 ) 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备铝合金和镁合金的半 蚓态浆料的新工艺。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 9 沈阳理工大学硕士学位论文 倒在冷却斜槽上，由于斜槽的冷却作用，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入容器，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。 1 - 2 5 国内外关于半固态加工技术的现状 ( 1 ) 国内外半固态的工业应用概况“”1 当自u ，半固态技术应用得最广泛和成功的领域就是汽车行业，美国、欧洲和同本是 半同态成形技术研究和应用的主要地区。美国的a e m p 公司是世界首家具备s s m 商 、p 化，卜产能力的厂家，1 9 7 8 年，该公司使用电磁搅拌技术生产出供触变成形用的圆锭， 随后建成了世界 ：第条高容量和高度自动化的触变成形生产线，用于生产铝合金汽 午零件，鼻二拥有相关专利6 0 多项。从上个世纪8 0 年代未开始，该公司为美国福特汽 车公司生产了1 5 0 0 万件铝合金压缩机活塞，其成品率几乎为1 0 0 。在欧洲，意大利 是半固念加工技术商业化应用最早的国家之。s t a m p a l 公司是一个从事铝合金触变 成形的欧洲厂商，能够生产9 0 一1 1 0 m m ，长度为4 0 0 0 m m 的锭坯，并采用该技术为福 特汽车公司生产z e t a 发动机油料注射挡块，生产率为1 6 0 件d , 时。英国s h e f f i e l d 大 学的e k a p r a n o s 等在1 0 0 k n 锻压机上进行半固态模锻成形，成功制出尺寸精度极高的 a 3 5 7 铝合金锻件和m 2 工具钢齿轮等零件。日本在1 9 8 8 年就设立了金属半固态加工 开发研究公司，川崎制铁、住友金属、神户制铁、三菱重工等1 7 家公司为该项基础 技术研究出资丌展半固态成形技术的基础研究，于1 9 9 4 年完成此项计划，并开始进 步转入半固念会属成形件的产品的开发，已有公司利用该技术生产铝合金轮毂。 国内对半固态金属成形的研究始于2 0 世纪8 0 年代，相对落后于西方先进工业国家， 但近几年来进步较快，已有不少高校和研究机构开展了这方面的研究工作，并自行设 计了1 i 类型的实验设备，在半固态金属成形技术的基础理论研究中取得了一些成果。 如尔南大学，北京有色金属研究总院、北京科技大学、哈尔滨工业大学、东北大学、 清华大学、重庆大学等单位。其中北京有色金属研究总院利用电磁搅拌设备已能够连 0 第1 章绪论 续生产直径为8 0 m m 的铝合金半固态坯料，并正在与东风汽车公司合作试验用半固态 铝合会生产汽车空压机连杆及轿车水泵盖h ”。北京科技大学承担的国家8 6 3 基金项目， 用电磁搅拌法成功制备出半固态a 1 s i 7 m g 合金连铸坯料，显微组织理想，并用触变成 彤出汽车制动总泵体毛坯。另外重庆大学与中国嘉陵集团重庆九方铸造公司合作，采 用实验室与实际生产相结合的方法，成功地摸索出一套半固态零件成形的合理工艺路 线，并采用触变成形技术成功制成j h 7 0 型摩托车发电机支架镁( 铝) 合金支架。2 0 0 2 年1 1 月我国召开了第二届半固态金属加工技术研讨会，s s m 技术的研究和应用在国 内得到了越来越多的重视。 f 2 ) 国内外半固态学术研究概状 尽管半固态技术有许多优点，但也存在一些不足，如流程较长、加工成本高。因此， 半崮念加上技术的发展趋势是进一步简化加工工艺流程；进一步降低加工成本；扩宽 半固态加工技术的应用范围。半固态浆料的制各是半固态加工技术的关键，近几年国 内外在半固态制浆方面出现了许多新工艺、新技术和新装置。如双螺旋搅拌法、冷却 剁槽法、近液相线法、新m i t 法和4 n r c 工艺等。 双螺旋法【，】是英国b r u n e l 大学樊中云教授等人丌发的半固态金属流变成形制备浆 料的新方法。该方法采用其自行开发的双螺旋半固念金属流变注射成形机来制备浆料。 其上作原理为：熔融的合金液在设定的温度下静置一定时间，然后打开止流阀，液态 会属液进入圆筒，在冷却到一定的固相分数的同时，受到双螺杆的剪切作用，从而获 得理想的半固态浆料，经由转向阀进入注射筒，在活塞作用下注射成形。研究结果表 明它比单螺旋的机构能获得更细小的球形晶粒。 冷却斜槽法【t s 】是日本宇部株式会社开发的新工艺，并且己在欧洲申请了专利。其 原理为：将略高于液相线温度的熔融金属倒在冷却斜槽上，由于斜槽的冷却作用，在 斜槽上有细小的晶粒形核长大，金属流体的冲击使晶粒从斜槽壁上脱落入容器，然后 使容器中的会属液在缓慢冷却条件下冷却到半固态温度后保温，在达到合适的固相体 积分数后进行流变成形或触变成形。 近液相线法【，。】是由东北大学和澳大利亚墨尔本大学合作开发的一项新的半固态浆 料制备技术，该方法是在液相线附近经保温静置后，在定的冷却速度下浇注而获得 沈阳理工大学硕士学位论文 均匀、细小的非枝晶半固态组织的一种方法。这种方法具有经济和高效的特点。 新m i t 法【2 。i 是由f l e m i n g s 等提出的。其工艺过程为：用带有冷却作用的搅拌器 插入温度在液相线温度以上几度的合金溶体中进行搅拌，由于搅拌和冷却的共同作用， 导致了溶体中合金晶粒的过冷形核，而且圃相晶粒在溶体中均匀分布。当溶体温度降 f 氐剑合适的固棚d 分数时将搅拌器取出，就得到了半固态浆料。 n r p ( n e wr h e o c a s t i n gp r o c e s s i n g ) s e 艺是同本宇部株式会社开发的一种流变工艺 1 2 u 。目前已在欧洲申请了专利，并进行商业推广。其工艺路线与传统的流变铸造不同。 咳方法的原理是将稍过热的熔融金属与冷却板接触，熔体内瞬间大量形核，含有大量晶 核的熔体流入绝热容器，控制冷却获得一定固相分数的具有球状组织的半固态浆料， 注入模腔成形。 1 3 电磁搅拌技术概述 电磁搅拌技术是根据麦克斯韦方程，通过应用移动磁场在凝固前沿的液体中产生 对流运动。磁场运动可以是旋转的、线性的或交变的，都可以产生感应电流。磁场和 涡流的棚乜作用产生了电磁驱动力，电磁力作用在钢水体积元上钢水就被迫运动。电 磁场技术在材料加工领域的运用，归结于研究电磁场与导电流体间相互作用的电磁流 体力学( e l e c t r o m a g n e t i ch y d r o d y n a m i c s ，简称e m h d ) 的发展。电磁流体力学是研 究f u 磁平流体流动之间相互关系的科学，涉及电动力学和流体力学等方面。在对金属 流体施加电磁场时，由于熔融的金属是良好的导电体，根据电磁感应原理，可以在金 属流体中产生电磁力的作用。电磁力具有非接触地对金属流体产生加热、搅拌等功能。 m h d 技术己广泛应用于冶炼、精练、连铸和铸造等诸多冶金领域。在铸造过程中， 通过电磁力改变会属熔体表面形状，传质和流动过程改善铸锭表面质量和内部组织结 j f ：j ，从斯达到制备优质产品的目的。1 8 2 3 年，法拉第就开始测量流体在磁场中地流动。 1 9 6 1 年，l a n g e n b e r g ：z 】提出交变电磁场可以使金属流体组织细化，揭开了电磁技术 在冶会及材料加工领域应用的序幕。然而，直至1 9 8 2 年在英国召开的国际力学理论 ， 和应用技术联合会议上才第一次出现了材料电磁加工的技术术语。近几年来，材料的 1 2 第1 章绪论 电磁加工广泛应用于有色金属和黑色金属的冶金过程及其他材料加工领域，极大地推 动了材料科学的飞速发展。 金属半固态流变加工过程中浆料的制备主要有两种方法，一种是机械搅拌法，另 一种是电磁搅拌法。采用机械搅拌法时，由于搅拌片长时间在液相线温度以上工作， 冈此磨损严重，增加了生产的成本，同时搅拌棒易于污染金属，这给半固态流变过程 浆料的制备带来了难以克服的困难。然而采用电磁搅拌法就不会遇到这种难题。 1 3 1 国内外电磁搅拌技术的发展现状 在会属半固态成形技术的推动下，电磁搅拌技术在7 0 年代末期应用于半固态会 属浆料的制备中，利用电磁感应力将凝固中析出的枝晶打碎。电磁搅拌方法不污染金 属，金属浆料纯净，也不会卷入气体，电磁参数控制方便灵活，是半固态坯料工业化 生产的主要方法。电磁搅拌会使金属的凝固组织发生很大变化，就凝固条件而言，电 磁搅拌作用会使液态金属的温度场和浓度场的分布变得比较均匀，可消除凝固时的柱 状晶生成，从而获得均匀而细小的铸态组织。目前应用电磁搅拌技术制各低熔点合金 半固态坯料已实现了产业化，譬如美国的a l u m a x 公司、德国的e f u 公司、瑞士 a l u s u i s s e l o n z a 公司和法国的p e c h i n e y 公司训。 近来钢铁材料的电磁搅拌技术也日益受到人们的重视。日本学者对高速钢s k h 5 1 的电磁搅拌技术进行了探讨【：”，经电磁搅拌后，高速钢的初晶组织呈球形，碳化物分 布均匀，偏析减轻，对提高高速钢的性能将是非常有利的。巴西学者对电磁搅拌流变 成形不锈钢的微观结构和腐蚀机理进行了研究。杨卯生等1 2 s 】利用自制的高熔点半固念 电磁搅拌装置对6 0 s i 2 m n 钢半固态电磁搅拌力场及它对组织转变的影响进行了理论分 析和实验研究。结果表明：电磁搅拌功率和频率直接影响电磁搅拌力，进而对金属熔 体的流动形态有明显的影响。在一定频率范围内，搅拌功率加大，搅拌力随之增加； 当搅拌功率达到一定值时( s k w ) ，继续加大搅拌功率将导致搅拌装置发热并恶化 6 0 s i 2 m n 钢半固态组织的转变效果。适宜的频率范围为2 0 5 0 h z 。如果频率太高，屏 蔽和钢熔体粘滞效应增大，将导致搅拌力下降；频率太低，涡旋电流减小，同样导致 沈阳理r 大学硕士学位论文 搅拌力下降。电磁搅拌力作用下的金属熔体流动形态由一个集中的大旋涡和较多的小 旋涡构成。这种流动形态在宏观上可促使钢液的温度场和浓度场均匀化：微观上增加 局部紊流密度，促使枝晶组织向球状组织转变。邢书明j 在1 9 9 9 年利用电磁搅拌技术， 进行了半固态挤压抗磨白口铁的试验研究；随后对难变形钢铁材料半固态连铸技术进 行了研究，提出了半固态连铸过程稳定性的三个判据和一套半固态连铸工艺设计准则。 此外国内外诸多学者也对电磁搅拌下轻合金的组织结构进行了广泛的研究。朱明 原f ：等研究了电磁搅拌对z l l 0 i a 铝合金显微组织的影响，阐明了不同搅拌工艺条件 卜z l l 0 1 a 铝合会的显微组织的变化规律。认为搅拌作用与合金凝固速度的良好匹配 是得到理想非树枝晶组织的关键。康世维 2 8 1 对电磁搅拌条件下凝固的亚共晶、共晶合 会组织进行研究后发现，电磁搅拌可使a 1 s i 亚共晶、共晶宏观组织中等轴晶明显细 化；a a l 显微组织出树枝状变球状，c 【一a i 二次枝晶臂变宽，s i 楣间距变宽：a l s i 共 晶合金显微组织中随搅拌电压增加，s i 片变长，分枝减少，s i 片变得有规则，s i 相 间距增大等。杨必成等【：“研究了不同电磁搅拌频率和不同冷却速度对m g a l 9 s i 合金 凝【古】组织的影响，比较了搅拌和不搅拌两种工艺下得到的不同组织。结果表明，电磁 搅拌能完全抑制树枝晶的形成，提高搅拌频率能使m g 趋于等轴化；延长搅拌时间 不能改变晶粒形貌，只能使组织变得更加粗大；此外，电磁搅拌还能促进凝固过程中 m 9 2 s i 相的形核。 以卜这些研究表明，电磁搅拌技术已成为目前半固态加工领域的研究焦点，但由 于该技术目前不是十分成熟，在工艺的实现方面还有一定的困难，因此目前在国内还 未实现产业化，仍需对其进行更加深入透彻的研究。 随着人们对电磁搅拌技术研究的深入，电磁搅拌技术的应用将越来越广泛，其发 展趋势u j c 括为以下几点： ( 1 ) 组合式电磁搅拌方法的进一步发展及参数的确定控制； ( 2 ) 数值模拟仍然是发展电磁搅拌技术的强有力的工具，在这方面需要适应性较广 的、更为精确的数学模型，因此磁流体动力学的研究将会具有更重要的地位； ( 3 ) 随着电磁搅拌所用应用的合金种类的日益广泛及电磁搅拌凝固理论的发展，也 将为金属凝固基础理论的研究开辟一个崭新的局面。 1 4 第1 章绪论 1 3 2 电磁搅拌分类 电磁搅拌按电磁搅拌器本体产生磁场的特点或引起液态金属运动形式划分为：旋 转型电磁搅拌器、线型电磁搅拌器和螺旋型电磁搅拌器。按电磁搅拌的原理或供电方 式划分为：感应式电磁搅拌器、传导式电磁搅拌器和永磁式电磁搅拌器b “。 旋转型搅拌用于方、圆、多边形断面铸坯和宽厚比接近于1 的矩形坯，对于板坯 及宽厚比大的矩形坯则采用线性电磁搅拌。另外，有学者开发出介于二者之间的搅拌 形- ，熔体运动方向与水平方向呈一定角度b “，以及旋转型搅拌和线性搅拌复合到一 起的螺旋型搅拌等。 1 3 3 电磁搅拌法制备半固态浆料的技术原理 半固念浆料是半固态成形的原料之一，它是由非枝晶固体与液体所组成的混合物。 所谓的半固态浆料制备，本质上是控制凝固过程使期间形成的固相不以通常的树枝晶 形式生长，而以非枝晶形式存在，如退化枝晶、条状晶或近球形等。尽管半固态浆料 的制备方法很多，但从凝固控制的原理来看，主要是强化对流、控制凝固过程形核、 外加物理场、晶体游离、孕育和变质处理等。电磁搅拌法之所以能够作为半固态浆料 的主流制备方法就是利用了电磁力产生的金属液的强迫流动来影响和控制凝固过程。 根据电磁感应定律，在对称的三相绕组中通以对称三相交流电时产生的旋转磁场 和电磁转矩可以根据电磁感应