（材料加工工程专业论文）新sima法制备az91d半固态坯及其触变模锻研究.pdf

摘要 摘要 a z 9 1 d 系铸造镁合金，以其密度小、比强度和比刚度高、尺寸稳定性和 电磁屏蔽性好等一系列的优点，在很多领域得到广泛应用。目前，镁合金的 成形方法有压铸、固态锻造、固态挤压等。压铸方法不能保证结构件的力学 性能要求，固态锻造、挤压方法不能满足形状复杂结构件的形状要求。半固 态金属加工是一种新发展的一次近净成形复杂形状制件技术，其制件力学性 能接近锻件，其制件形状复杂程度接近压铸件。其工艺性为镁合金复杂结构 件成形开辟一条新路。在镁合金半固态成形中，镁合金半固态坯料制备是关 键技术之。由于a z 9 1 d 镁合金化学性质活泼和塑性变形能力差，所以需 要寻求一种较合适的半固态制备方法。基于以上原因，本文利用新s m l a 法 ( 等径道角挤压+ 等温处理) 对a z 9 1 d 半固态坯进行了制备，并且以枪械部 件托弹板为切入点，对a z 9 1 d 半固态坯的制备、半固态等温压缩中的力学 行为及托弹板触变模锻成形等进行了深入的理论探讨和实验研究。 本文采用等径道角挤压( e q u a lc h a n n e la n g u l a re x t r u s i o n - - e c a e ) 工艺 对a z 9 1 d 镁合金铸坯进行了晶粒细化处理。利用金相显微镜、透射电镜和 材料拉伸机等检测手段，对等径道角挤压工艺对a z 9 1 d 力学性能及微观组 织的影响进行了研究。揭示出通过e c a e 对a z 9 1 d 铸坯的力学性能有很大 提高，对微观组织有很大细化作用。 采用半固态等温处理实验，借助金相显微镜、扫描电镜和图像分析仪等 检测手段，对原始铸坯、镦粗和e c a e 三种加工状态的a z 9 1 d 镁合金材料 在半固态等温处理中微观组织演变规律进行了观察。揭示了经过e c a e 的 a z 9 1 d 镁合金在半固态等温处理中微观组织晶粒细小、球化程度好。以此为 依据提出新s i m a 法制备a z 9 1 d 镁合金半固态坯方法。 通过大量的高温固态、半固态等温压缩实验和应变速率跳跃实验，研究 了镦粗和e c a e 两种状态在半固态等温压缩下的力学行为。揭示了e c a e 状 态的a z 9 】d 镁合金具有较低的变形抗力和较强的变形协调能力，且在高温 固态和半固态下均具有温度敏感性和应变速率敏感性；为合理确定托弹板触 变模锻过程数值模拟所需材料的模型奠定了基础。 结合e c a e 状态a z 9 1 d 镁合金在高温固态和半固态下不同温度、不同 应变速率下的真应力一真应变曲线，利用d e f o r m 3 d 软件对a z 9 1 d 托弹板触 啥尔滨工业大学工学博士学位论文 变模锻过程进行了三维热力耦合粘塑性有限元分析，得到了各工艺参数对材 料触变模锻过程的影响规律，为托弹板制件触变模锻成形工艺参数的确定提 供了科学依据。最后，通过生产性的工艺实验，采用触变模锻成形工艺，在 较低吨位的压力机上成功的制造出最薄处壁厚为2 m m 的a z 9 l d 镁合金托弹 板制件，进一步验证了此工艺的可行性，并对各工艺参数对托弹板制件的力 学性能的影响进行了研究。 关键词a z 9 1 d 镁合金；半固态坯：新s 1 m a 法；触变模锻 a b s t r a c t a z 9 jdi sac a s t i n gm a g n e s i u ma l l o y i th a sb e e na p p l i e di n t om a n yf i e l d s d u et ol o wd e n s i t y ，h i g hs p e c i f i c s t r e n g t ha n ds t i f f n e s s ，g o o dd i m e n s i o n a l s t a b i l i t ya n de l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n g a tp r e s e n t ，f o r m i n gt e c h n o l o g i e so f m a g n e s i u ma l l o yi n c l u d ed i ec a s t i n g ，s o l i df o r g i n ga n de x t r u s i o n a n ds oo n m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sc a n tb es a t i s f i e di nd i ec a s t i n gt e c h n o l o g y a st os o l i d f o r g i n ga n de x t r u s i o n ，i tc a n ts a r i s f yt h es h a p er e q u i r e m e n to fw o r k p i e c ew i t h c o m p l e xs h a p e s e m i - s o l i dm e t a lp r o c e s s i n gi san e wn e t s h a p ef o r m i n g t e c h n o l o g y i nw h i c hc o m p l e xs h a p ec l o s et oc a s t i n g sa n dh i g hm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s “c l o s et of o r g i n g sc anb eo b t a i n e d i tw i l lc o m eu pw i t han e wp a t hf o r f o r m i n gc o m p l e xs h a p es t r u c t u r ew o r k p i e c e s d u r i n gs e m i s o l i dp r o c e s s i n g t e c h n o l o g yo fm a g n e s i u ma l l o y ，f a b r i c a t i n gs e m i s o l i db i l l e t so fm a g n e s i u ma l l o y i soneo fi m p o r t a n tt e c h n o l o g i e s d u et oa c t i v ec h e m i c a lp r o p e r t ya n dd i f f i c u l t p l a s t i cd e f o r m a t i o n ，as u i t a b l em e t h o do ff a b r i c a t i n gs e m i - s o l i db i l l e tm u s tb e n e e d e d c o n s i d e r i n ga b o v er e a s o n s ，i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，an e ws i m am e t h o di s p u tf o r w a r dt of a b r i c a t es e m i s o l i db i l l e to fa z 9 1da n df a b r i c a t i o no fs e m i s o l i d b i l l e t ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e su n d e rs e m i s o l i di s o t h e r m a lc o m p r e s s i o na n d t h i x o t r o p i cd i ef o r g i n go ft a k i n gb u l l e tp l a t eo fw e a p o nc o m p o n e n t so fa z 9 1d a r ei n v e s t i g a t e da n da n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y i n t h i sp a p e r , e q u a lc h a n n e la n g u l a re x t r u s i o n ( e c a e ) w a se m p l o y e dt o r e f i n et h eg r a i n so fa z 9 1 dm a g n e s i u ma l l o y b ym e a n so fm e t a l l o s c o p e ， t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p ea n dt e n s i l em a c h i n e ，i n f l u e n c eo fe q u a lc h a n n e l a n g u l a re x t r u s i o no nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r ew a si n v e s t i g a t e d ， t h er e s u l t ss h o wt h a tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa z 9 1 dc a s t i n g sw e r ei n c r e a s e d g r e a t l ya n di t sm i c r o s t r u c t u r ew a sr e f i n e dw e l l b ys e m i s o l i d i s o t h e r m a lt r e a t m e n te x p e r i m e n ta n dw i t ht h eh e l po f m e t a l l o s c o p e ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ea n di m a g ea n a l y s i se q u i p m e n t ，a n d s oo n m i c r o s t r u c t u r a le v o l u t i o no ft h r e ep r o c e s s i n gs t a t e i n c l u d i n go r i g i n a l c a s t i n g s u p s e t t i n ga n de c a ew a so b s e r v e d t h er e s u l t ss h o wt h a tg r a i ns i z eo f m i c r o s t r u c t u r eo fa z 91do fe c a es t a t ei sv e r ys m a l la n ds p h e r i o i d i z a t i o ne f f e c t 坠i ：堡三些查兰三兰篁圭兰堡篁兰 o fg r a i n si sv e r yw e l l b a s e do nt h e s er e s u l t s ，n e ws 1 m am e t h o dw a sp u tf o r w a r d f o rf a b r i c a t i n gs e m i s o l i db i h e to f a z 9 1d m a g n e s i u ma l l o y t r o u g hal a r g en u m b e ro fc o m p r e s s i o nt e s t sa n di s o t h e r m a ls t r a i nj u m pt e s t s i ns o l i ds t a t ea n di ns e m i s o l i ds t a t e ，m e c h a n i c a lb e h a v i o r so ft w os t a t e s i n c l u d i n gu p s e t t i n ga n de c a ed u r i n gs e m i s o l i di s o t h e r m a lc o m p r e s s i o n ，w e r e i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a ta z 9 1 dm a g n e s i u ma l l o ye x t r u d e db ye c a e h a sl o wr e s i s t a n c et od e f o r m a t i o na n dg o o dh a r m o n i o u sa b i l i t yo fd e f o r m a t i o n a n di t p o s s e s s e st e m p e r a t u r es e n s i t i v i t y a n ds t r a i nr a t e s e n s i t i v i t yd u r i n g s e m i s o l i di s o t h e r m a l c o m p r e s s i o n t h e r e s u l t s l a yt h ef o u n d a t i o n f o r e s t a b l i s h i n gt h em a t e r i a lm o d e lo fn u m e r i c a ls i m u l a t i n gp r o c e s so ft h i x o t r o p i c d i ef o r g i n go t 、t a k i n gb u l l e tp l a t e b a s e do nt r u es t r e s s t r u es t r a i nc u r v e so fa z 9ldo fe c a es t a t eu n d e r d i f f e r e n tt e m p e r a t u r ei ns o l i ds t a t ea n di ns e m i s o l i ds t a t e ，3 df i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s o ft h e r m a l f o r c ec o u p l ev i s c o p l a s t i c i t yo ft h i x o t r o p i cd i ef o r g i n g p r o c e s sw a si n v e s t i g a t e db yd e f o r m - 3 ds o f t w a r e t h ei n f l u e n c eo ft e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r s o ns e m i s o l i d f o r g i n gp r o c e s sw a sd e t e r m i n e d ，w h i c hp r o v i d e d s c i e n t i f i cb a s i sf o r s e l e c t i n gp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s a tl a s t ，t h ep r a c t i c a l e x p e r i m e n t sf u r t h e rt e s t i f i e dt h ep o s s i b i l i t yo fs e m i s o l i df o r g i n gt e c h n o l o g yt h a t a z 9 1dm a g n e s i u mt a k i n gb u l l e t p l a t e s w i t h2 m mt h i c k n e s sh a v e b e e n s u c c e s s f u l l yf o r m e do n2 0 0 0 k np r e s s t h ei n f l u e n c eo fv a r i o u sp a r a m e t e r so n m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t a k i n gb u l l e tp l a t ew a sa l s oi n v e s t i g a t e d k e yw o r d sa z 9 1 dm a g n e s i u ma l l o y , s e m i s o l i db i l l e t ，n e ws i m am e t h o d ， t h i x o t r o p i cd i ef o r g i n g 1 1 概述 第1 章绪论 镁合金以其密度小、比强度和比刚度高、尺寸稳定性和电磁屏蔽性好以及 易于再生等一系列的优点，被认为是2 1 世纪最富于开发和应用的“绿色材料”。 随着汽车、航空、建筑及运输等工业中轻量化的发展要求，镁合金的应用范围 越来越广，镁合金结构件的应用比例也在逐年上升【】。目前，镁合金的成形方 法有压铸、固态锻造、固态挤压、固态轧制和板料冲压等。镁合金最常用的成 形方法是压铸1 5 。虽然应用压铸方法生产的镁合金制件很多，但大多数是生产 功能件。在生产结构件方面，压铸方法有很大的局限性。因为，结构件大都是 用在承受严重载荷的地方，对构件的力学性能有很严格要求，一旦构件的力学 性能满足不了要求，就可能造成构件的破坏，导致严重的后果。而且，镁合金 是一种化学性质极其活泼的金属，液态镁合金遇到氧气会急剧燃烧，甚至发生 爆炸。这就要求在压铸中必须考虑镁合金燃烧的因素，给工艺增加了大量的成 本。另外，由于镁合金活泼的化学性质，镁合金的腐蚀问题也是困扰其应用的 一个难题。固态锻造、挤压成形的制件力学性能可以满足结构的使用要求，但 是在成形形状复杂的结构件方面有很大困难。因此，寻找一种能成形镁合金结 构件的方法就迫在眉睫了。 半固态金属加工技术的出现使该问题的解决成为可能，该工艺继承了铸锻 工艺的综合优点u 1 - 1 9 。与传统的全液态铸造相比，具有成形温度低( 液固相温 区) 、模具寿命长、制件精度高、组织均匀及其力学性能高等优点；与全固态 锻造相比，半固态金属加工的显著优点是变形抗力低和生产效率高，即可用较 小的力、较低的成本一次成形复杂形状制件，且其力学性能接近于锻件。与压 铸比较，半固态成形工艺对制件的力学性能有很大提高。特别是触变模锻和触 变挤压成形工艺提高更大。另外，有关研究表明，半固态成形件的抗腐蚀性能 较压铸件强很多1 2 0 】。这就能更加有效解决镁合金的抗腐蚀问题。因此，对镁合 金半固态成形工艺的研究意义非常重大，它不仅对镁合金的成形工艺的完善有 很好的益处，而且对镁合金在汽车、航空航天、建筑及电子电器方面的进一步 应用有很大的推动作用。 1 2 镁合金半固态坯的制备 实现半固态触变成形，首先要制备出在半固态下具有触变性的非枝晶组织 坯，这是半固态金属加工技术中的一个关键问题。目前，半固态坯的制备方法 暗尔滨工业太学工学博士学位论文 主要有机械搅拌法、电磁搅拌法、应变诱导熔化激活法和等温处理法等 2 1 - 2 5 】。 1 2 。1 机械搅拌法 机械搅拌法是制各半固态金属坯最早使用的方法。该法设备简单，可以通 过控制搅拌温度、搅拌速度和冷却速度等工艺参数，使初生树枝状晶破碎而成 为颗粒结榭2 6 础j 。机械搅拌装置一般分为间歇式( 图i - l a ) ) 和连续式( 图l 一1 b ) ) 两种类型，间歇式主要用于实验室研究，而连续式可用于实际工艺过程的开发 研究和工业上半固态金属浆料的生产。它们的缺点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问题以及它对半 固态金属浆料的污染问题都会给半固态铸坯带来不利的影响。 加热线圈 上茄、 o 。e o o o o o 龟口善i 戎! 龟口 搅拌器 坩埚 ! r 网态浆料 懿 o o o o o o o 加 辆 台 r 藜 ， i j ：1 i 三1 二。中一 0 窆一三一 j ；- ：j ；： ，。：o 譬 ；三乏 o ： o q o 拌器名 萝。 o o o 潮 a ) f 3 歇式b ) 连续式 图l - l 两种机械搅拌装置示意图2 8 1 f i g 1 1s c h c e m a t i cp l a no f t w om e c h a n i c a ls t i r r i n ge q u i p m e n t s l 2 3 日本长冈( n a g a o k a ) 技术科学大学的小道阳( k o j i m ay o ) 和谦士重晴 ( k a m a d o s h i g e h a r u ) 对a z 9 l d 镁合金在半固态条件下，利用机械搅拌法进 行了一系列研究，取得了一定成果【2 9 3 0 l 。t i s s i e r 等人也采用机械搅拌法研究了 a z 9 l d 镁合金的流变铸造技术，研究表明，初生相的均匀性及圆整度随着搅拌 时间、剪切速率的增加或搅拌温度的降低( 增加固相率) 而增加，但也未见到 应用于工业生产的实践报告。 国内，北京科技大学研究了一种镁合金制坯装置，如图1 2 所示1 4 “。液 第1 章绪论 态的镁合金在熔化炉中被保温，当制备镁合金半固态浆料时可以通过控制杆 将液态镁合金流入内外圆筒的间隙。通过电机带动内筒旋转，外筒保持静止， 这样通过调节内筒的转速就能获得不同的剪切速率。此装置使用冷却元件控 制内外筒间隙内的镁合金温度，使之处于所需的半固态温度。在内筒旋转产 生的剪切力的作用下，初生的枝晶被打碎，从而产生近球状的晶粒。此装置 实质上还是一种机械搅拌设备的衍生物。它也是借助外物的机械运动产生的 剪切力来打碎初始枝晶，从而获得半固态浆料。 5 】- 氩气2 - 熔化炉3 一制动杆4 一分流管5 一锥齿轮6 一主电机7 - 驱动杆8 传送器9 一垂直调节装置 1 0 - 氩气11 - 内筒1 2 - 外筒1 3 冷却元件1 4 加热元件15 - 传送阀1 6 模具1 7 一制件1 8 加热元件 19 - 喷射套筒2 0 活塞 图1 - 2 旋转筒流变铸造加工示意图4 7 】 f i g 1 2s c h e m a t i cp l a no f r h e o c a s t i n go f r o t a t i o nb a r r e l 【4 7 | 华东科技大学研制了一种镁合金流变成形装备，它是利用双螺旋机构的机 械搅拌装置搅拌处于半固态温区的浆料后直接流变压铸h 8 i 。 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 1 2 2 电磁搅拌法 电磁搅拌法是利用电磁场感应出的电磁力对正在凝固的金属液施以强力搅 拌，促使传统的枝晶组织转变为非枝晶组织的方法f 3 “圳。该装置分为水平式搅 拌和垂直式搅拌，其搅拌装置如图1 - 3 所示。 a ) 垂直式b ) 水平式 图卜3 两种电磁搅拌装置示意图2 8 1 f i g 1 3s c h e m a t i cp l a no f t w oe l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n ge q u i p m e n t s 脚 电磁搅拌法克服了机械搅拌法的若干缺点，如设备笨重、操作困难、生 产效率低等。并且该法属于非接触式搅拌，因此金属液纯净，不卷入气体， 控制方便，产量大，是目前工业应用的主要方法之一。但这种方法的主要缺 点是电能消耗量大，设备结构复杂，成本高，丽且获得直径大于1 5 0 r a m 的 坯很困难p 7 , 3 8 1 。由于加工过程的局限性，通常认为，直径大于1 5 0 n u n ( 6 i n ) 的铸坯不宜采用电磁搅拌法生产。这主要是由于电磁搅拌中存在“肌肤效应” 问题，通常电磁力的大小是从搅拌用坩埚内表面到中心处逐渐减小，太大直径 的坯中间部位可能还存在枝晶组织，造成组织不均匀。 北京科技大学甄子胜等人研制了一种半固态a z 9 1 d 电磁搅拌设备，如图 1 4 所示【3 9 。该装置是采用水平电磁搅拌方式。坩埚内装有液态镁合金，并采用 上盖密封。在坩埚外面设有加热装置，用以保证液态镁合金处于半固态温度。 通过电磁线圈产生的电磁力对处于半固态区间的带有初生相的镁合金进行搅 拌。通过调整电磁线圈中的频率，可以改变电磁力的大小，从而获得不同的剪 切力。该装置采用两根热电偶监控带有初生相的液态镁合金的温度。该装置结 构简单，搅拌过程是完全靠电磁力完成的，属于非接触式搅拌。但是，该装置 是非连续性搅拌模式，每次制备半固态坯需要重新装料。 第l 章绪论 电磁线圈2 一外壳3 耐火砖4 密封盖5 一隔热层6 上盖7 坩埚8 半固态浆料9 - 电阻丝 1 0 - 热电偶 图i - 4a z 9 1 d 镁合金电磁搅拌装置示意图i 叫 f i g i - 4s c h e m a t i cp l a no f e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n go f a z 9 i d m a g n e s i u ma l l o y 州 1 2 3 等温处理法 半固态等温热处理法( s e m i s o l i di s o t h e r m a lh e a t t r e a t m e n t ，简称s s i t ) 4 0 , 4 1 j 。是2 0 世纪9 0 年代中期新发明的一种方法，它省略了半固态非枝晶坯制 备的步骤，而是在半固态成形前的二次加热过程中实现半固态非枝晶化，其工 艺过程简单、成本低廉。国内甘肃工业大学的李元东等人研究了等温热处理温 度和保温时间等工艺参数对a z 9 1 d 镁合金半固态组织演变和成形性的影响，通 过实验获得了a z 9 1 d 镁合金成形所需的最佳工艺条件。李元东等还研究了未变 质处理和变质处理的a z 9 1 d 镁合金在半固态等温热处理过程中的组织演变，并 对其组织演变机理进行了探讨 4 2 , 4 3 。东南大学朱鸣芳等人将添加微量元素z r 的 z a l 2 常规铸锭重新加热至固液两相区进行半固态等温处理，获得非枝晶球化组 织。该法适用于各种高、低熔点的非枝晶组织合金的制备。影响该法处理效果 的主要因素有添加微量元素的种类、加入量、半固态等温加热温度和保温时间 等。 1 2 4 应变诱导熔化激活( s i m a ) 法 应变诱导熔化激活法( s t r a i ni n d u c e d - - m e l ta c t i v a t i o n ，简称s i m a ) 是将合金 原材料进行足够的预变形破碎铸态组织，然后再加热到固相线和液相线之间的 某一温度，即半固态。在加热过程中，合金首先发生再结晶形成亚晶粒和亚晶 哈尔滨工业太学工学博士学位论文 界，随后晶界处低熔点物质熔化，导致近球形固相被低熔点液相包围，获得具 有触变性的半固态坯，其过程如图l 一5 所示。s i m a 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金具有独特的优越性。该方法少 了一个熔体处理步骤，但多了一道预变形工序。该工艺具有简单、不污染坯， 且不需要特殊的设备就能获得均匀的非枝晶组织的优点。该方法已经成功应用 于不锈钢、铜合金、铝合金及其锌合金等。其缺点是坯的最大尺寸受加热前的 变形能力限制。在镁合金应用方面，甘肃工业大学郝远i 4 副和哈尔滨理工大学吉 泽生等 4 4 1 对s i m a 法对a z 9 1 d 镁合金非枝晶组织细化作了一些研究。由于镁具 有六方晶格结构，在室温下变形只有 o o o i 产生滑移，滑移系只有三个，而a l 的滑移系有1 2 个。所以镁台金的塑性变形能力很差。通常使材料产生应变诱导 的方法有镦粗变形、挤压 4 5 - 4 8 】。但是，镁台金塑性变形能力差，镦粗变形很难 实施，而且变形量非常小。热挤压工艺中要获得大变形，坯截面尺寸必须改变 很大，所需设备吨位很大，这使得制备半固态坯成本增大。所以要使得s 1 m a 法在制备镁合金半固态坯方面发挥更大的作用，必须寻找一种能使镁合金材料 获得大变形且坯截面尺寸改变不大的变形方法。 液相线温度 固相线温度 再结晶温度 常温 图1 - 5s i m a 法制各v - n 态坯示意图4 9 i f i g1 5s c h e m a t i cp l a no fs e m i s o l i db i l l e t sp r e p a r e db ys i m a l 4 9 1 3 等径道角挤压技术( e c a e ) 2 0 世纪8 0 年代初，s e g a l 等在研究钢的变形织构和微观组织时，为了获得 第l 章绪论 纯剪切应变而开发的等径道角挤压( e q u a lc h a n n e la n g u l a re x t r u s i o n ，简称 e c a e ) 技术，并利用该技术不改变材料截面尺寸的特点，对材料进行多次挤压 从而获得特殊的变形织构【5 0 1 。进入2 0 世纪9 0 年代，v a l i e v 发现利用该技术可 以使材料产生大变形从而细化多晶材料的晶粒，获得亚微米级或纳米级超细晶 结构材料【5 ”。自此，e c a e 技术受到材料科学界和工业界的广泛关注，世界各 国竞相对这种技术展开研究1 5 2 - 5 8 1 。e c a e 过程如图1 - 6 所示。被挤压坯在挤压冲 头的挤压下经过一个由两个截面尺寸相等的挤压通道，在两通道交角处发生强 烈的剪切作用。被挤压坯在经过多道次挤压后获得了较大的剪切变形量，晶粒 尺寸得到细化。 挤压冲头 被挤压坯料 挤压凹模 图1 - 6 等径道角挤压( e c a e ) 示意图 f i g 1 - 6s c h e m a t i cp l a no f e c a e 目前，等径道角挤压技术已经在纯铝及铝合金、铜合金、镁合金、低碳钢 以及金属间化合物等材料的晶粒细化上得到研究。研究表明：利用e c a e 技术 可以获得良好的晶粒细化效果，大大改善结构材料的力学性能。特别是v a l i e v p 叫 利用e c a e 技术加工1 4 2 0 铝合金，随后在高应变速率和3 5 0 以下采用超塑性 成形加工出了内燃机活塞，大大提高了零件的力学性能和生产效率，具有重要 的现实意义。随着e c a e 技术晶粒细化机理、微观结构和性能的关系以及工艺 参数优化等研究的深入进行，e c a e 技术将展现广阔的研究潜力和应用前景。 研究者已经对在等径道角挤压过程中的显微组织和力学性能的变化进行了 大量的研究。1 w a h a s h i 等 6 0 l 采用透射电镜研究了随着挤压应变的增加显微组织 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 的演变特征，并得到3 点结论：1 ) 纯铝经过单次挤压后，晶粒尺寸可从约1 0 m m 细化到微米范围( 约4 微米) ；2 ) 挤压早期阶段的显微组织包括平行的亚晶带， 这些亚晶带在随后的挤压过程中逐渐演变成一系列被大角度晶界分隔的晶粒； 3 ) 在每次挤压后旋转1 8 0 0 将导致亚晶界更快形成大角度界面。随后，g h o l i n i a 等蟑7 j 采用高倍电子背散射分析了在a 1 m g 合金和a 1 m n 合金材料中变形路径对 变形材料结构演化的影响。g h o l i n i a 等认为：借助e c a e 技术获得亚微米材料 最有效的变形路径是保持恒定常数的应变路径，即坯经过一次挤压后不旋转角 度直接进入下一次挤压过程；每挤压后将坯旋转9 0 0 进入下一挤压道次将导致大 角度晶界的形成速度减慢，材料的细化效果不好；每次挤压后将坯旋转1 8 0 。进 入下一挤压道次，晶粒细化效果比不旋转的时候低，比旋转9 0 0 的时候高。 j r b o w e n 等【57 1 通过对纯铝等经道角挤压技术的研究发现：两个等界面挤压通 道的夹角、坯与模具之间的摩擦情况对挤压过程有很强的影响。s l ，s e m i a t i n 等【6 i j 利用e c a e 技术对7 - t i a l 进行了晶粒细化研究。研究发现：借劲e c a e 技 术能够使7 - t i a i 晶粒细化到1 2 p m ，y - t i a i 晶粒细化的原因是在e c a e 过程中 发了强烈的动态再结晶。中南大学刘咏1 6 2 1 等研究了纯铝在e c a e 中显微组织的 演变。研究发现：等径道角挤压工艺对纯铝微观组织产生较大的细化作用。纯 铝材料经过等径道角挤压，晶粒尺寸被细化到亚微米尺寸范围。挤压路线对材 料显微组织演变有较大影响。其中，每挤压后将坯旋转9 0 。进入下一挤压道次， 晶粒细化效果最好。 1 4 半固态金属成形技术 半固态金属加工技术自2 0 世纪7 0 年代m i t 的f l e m i n g s 提出以来，其工业 应用已取得了很大进展。近年来，半固态金属加工技术已经在制造业中发挥重 要的作用。世界上有许多国家都已开始了半固态金属加工技术的研究和开发应 用，目前，美国、意大利、瑞士、法国、日本等国家处于领先地位，并己进入 工业应用阶段【6 3 6 矶。 在美国，a l u m a x 公司的e n g i n e e r e dm e t a lp r o c e s s 分部率先将此技术转化为 生产力。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，并建 成了世界上第一条高度自动化的生产线，用于生产汽车零部件。1 9 8 5 年，a l u m a x 公司将有关触变成形的专利技术向欧洲转让，生产v o l v o 、b m w 和a u d i 等小 轿车的铝合金零件。从1 9 8 8 年到1 9 9 8 年，a l u m a x 公司为b e n d i x 牌小轿车生 产了2 0 0 万件铝合金主汽缸，为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 。1 9 9 2 年，a l u m a x 公司与s u p e r i o r 工业公司合资新 建了一家工厂，采用半固态触变成形工艺生产大尺寸汽车零件。1 9 9 7 年其生产 第1 章绪论 能力达到2 3 0 吨年，零件可达2 5 0 万件年【6 “”j 。 在欧洲，意大利是最早将半固态金属加工技术商业化的国家之一。意大利 的s t a m p a l 公司是一家从事铝合金触变成形的欧洲厂商，能生产真径为9 0 m m 至1 1 0 m m 、长度可达4 0 0 0 m m 的圆锭坯。它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、齿轮箱盖和摇臂等零件1 2 ”。瑞士的b u h l e r 公司于】9 9 3 年初设计制造了第一台s c 卧式半固态压铸机，其典型产品是汽车主制动缸。另 外，瑞士的a l u s u i s s e 公司和几个欧洲汽车制造商合作开发生产汽车零件，1 9 9 7 年1 9 9 8 年开始全面投产，产品主要是汽车悬挂系统，如控制臂和操纵转向节 1 7 1 “j 。法国p e c h i n e y 公司是主要生产坯的厂商，目前能生产直径为7 6 2 m m 、 1 2 7 m m 、1 5 2 4 m m 的a 3 5 6 和a 3 5 7 系列铝合金棒料。英国s h e f f i e l d 大学的 k a p r a n o s 等在1 0 0 0 k n 压力机上进行半固态模锻成形，成功地制出尺寸精度极 高的a 3 5 7 铝合金锻件和m 2 工具钢齿轮等零件【7 3 1 。德国从1 9 9 6 年开始，由德 国研究协会资助，在亚琛工业大学加紧进行全面系统的基础研究和工业开发v 。 日本于8 0 年代后期成立了一家由1 8 个成员组成的r h e o t e c h 公司，其成员 包括三菱重工、神户制钢、川崎制铁、古河电器等1 4 家钢铁企业和4 家有色金 属公司。该公司对半固态金属加工技术进行系统的研究，同时加强与欧美著名 大学和公司联系。1 9 8 8 年3 月至1 9 9 4 年6 月期间共投资3 0 亿日元进行研究开 发，并正向工业应用转化”“。 我国从2 0 世纪8 0 年代后期开始，先后有不少高校和科研机构开展了这 方面的研究，譬如，北京有色金属研究总院、北京科技大学、清华大学、哈 尔滨工业大学、东南大学、东北大学等单位从事半固态金属加工技术的研究 工作，并且自行设计了不同类型的实验设备，在半固态金属加工技术的基础 理论研究中，取得了可喜的进展，目前正进一步进行工业实验“。 自从半固态金属加工技术提出以来，国内外研究者们对半固态坯非枝晶 组织的形成机理及高固相体分率下半固态金属所特有的触变性和流变性开 展了卓有成效的研究，为获得合理的半固态触变成形工艺参数提供依据。 1 4 1 高固相体分率下半周态金属的特点 高固相体分率下半固态金属最显著的特点是其具有触变性，即静止时象固 体，剪切时象流体，这种触变性是半固态金属触变成形的基础。实际上，获得 触变成形所必须的流变性的大小取决于所施加的剪切速率，而剪切速率又与剪 切力及其所施加的时间密不可分，图1 7 为j o l y 等人1 7 7 j 测得的s n 1 5 w t p b 合 金在f = o 4 时的剪切应力一剪切速率回线。由图可知，上升时间t 。越长，回线 所包围的面积就越小，晶粒聚集团被破坏的也就越严重，相应的剪切应力就越 小；反之，所需的剪切应力就越大。此外，静置时间0 越长，回线所包围的面 积就越大，此时破坏晶粒聚集团所需的剪切应力也就越大。因此，触变成形时 应根据实际情况施加足够大的剪切应力，使半固态金属能象流体一样流动以充 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 满复杂形状的模腔。值得说明的是半固态金属的流动方式与压力铸造中金属液 的流动方式完全不同，后者的流动是以紊流方式进行的，而前者的流动是以层 流方式进行的，因而可以避免卷入气体1 7 8 。进入模腔的半固态金属坯只有部分 低熔点的基体部分被熔化，而初生相微粒并没有熔化。在触变成形过程中以及 成形后，初生相微粒不会经历加热后的凝固过程，即凝固过程仅仅只局限在初 生相微粒之间5 - 3 0 1 a m 厚的一薄层被熔化的基体上，这样就阻止了诸如性能不 均匀、缩孔和宏观气体凝聚现象的发生 7 9 1 。 瞄 r 埘 矗 蒜 剪切逮辜，s 一1 a ) 上升时间t 。的影响b ) 静置时间的影响 图1 7 l s l n , 态s n 5 w t p b 合金的剪切应力一剪切速率回线0 7 6 1 f i g 1 7s h e a rs t r e s s s s h e a rr a t e l o o p f o rs n - 1 5 p ba l l o y i ns e m i s o l i ds t a t e 1 4 2 半固态金属触变成形的影响因素 影响半固态金属触变成形件质量的因素很多，包括成形温度、压力、应变 速率、应变量、表观粘度、初生相颗粒的形态、固液比等 9 0 l 。由于半固态金属 在成形过程中的流动行为主要受成形工艺参数的影响，而且整个控制过程具有 高度的动态性和很强的非线性，所以整个成形系统( 包括送料系统) 要有很高 的自动化程度，要有精确调整工艺参数的能力。例如，根据坯尺寸、温度的不 同，以及零件复杂程度的不同，触变成形过程应该在确定的应变速率和变形力 下进行。目前，已有的触变成形系统还不能完全满足这种要求。尽管国外已有 厂家将半固态成形技术应用于工业化生产，但广泛将触变成形技术应用在大规 模商业化生产中，还需要进一步研究开发新的成形设备和生产系统。 1 4 3 半固态金属触变成形 由于半固态金属坯的加热、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是当今半固态成形的主要工艺方法。成形设备 主要有压铸机和压力机，并配有机器人，用来搬运坯和抓取毛坯。 1 4 3 1 触变压铸触变压铸 9 1 - 8 4 1 是将半固态坯加热到所需的固相体分率后放 第1 章绪论 入压射室内，用活塞通过喷嘴高速压入模具内填充凝固得到制件的方法。在这 种情况下，充型前坯的固相体分率比流变铸造略高一些。半固态金属在静止状 态时有较大的粘性，能保持固态形状，此时若施加剪切力，其粘度大大降低， 流动性恢复。触变压铸就有效地利用了半固态金属所特有的触变性进行成形的， 其工艺流程图如图1 8 所示。 a ) n 一 一 一 c)d)e 1 a ) 一连续制备半固态浆料b ) - 制备半固态坯c ) 定量分割锭坯 d ) 功口热至半固态e ) 一送至压射室f ) 一成形过程g ) 一成品 图1 - 8 触变压铸工艺流程图【2 8 l f i g 1 8f l o w c h a r to f t h i x o c a s t i n gt e c h n o l o g y 【2 8 1 在普通压铸工艺中，当液态金属射出时，空气易卷进制件中形成气泡。而 在半固态压铸时，通过控制半固态金属的粘度和固相体分率，可以抑制气泡的 产生。因此可以加工普通压铸工艺难以成形的制件，并可以经热处理提高制件 性能，从而有可能应用到重要零件上，并可以制造出锻造难以成形的复杂形状 制件。触变压铸最显著的特点是变形坯在压铸前呈半固态，射出时产生的剪切 力又可以使坯具有充型所需要的良好流动性，易于实现自动化操作，乃是当前 获得广泛应用的工艺方法之一。 1 4 3 2 触变锻造根据成形设备不同