（材料加工工程专业论文）大高径比高铝锌基合金铸件挤压铸造成形问题的研究.pdf

沈阿1 t 业大学硕1 ：学位论文 摘要 本文主要研究了大高径比z a 2 7 合余铸件挤压铸造过程的若干基本问题。主要通过 对大高径比柱塞式挤压铸造模具的设计并通过调试不同的工艺参数进行挤压试验，得出 适合大高径比z a 2 7 合金铸件挤压铸造的工艺参数，研究了挤压铸造工艺对大高径比 z a 2 7 台金不同部位铸件力学性能及显微组织的影响。 通过正交试验得出挤压铸造工艺参数对于力学性能指标影响的显著性，适合于大高 径比( h d = 7 ) z a 2 7 合金铸件挤压铸造工艺参数为：比压7 5 0 m p a ，模温1 7 0 。c 2 0 0 ，浇注温度在6 0 0 6 3 0 ，保压时间在4 5 s 左右。挤压铸造可以改善大高径比 z a 2 7 合金铸件不同位置的力学性能差异性，并且使铸件的综合力学性能显著提高。在 适宜的工艺参数条件下，大高径比z a 2 7 合金铸件的各项力学性能可达到：抗拉强度 0 b 4 2 0 m p a ，伸长率65 1 2 ，硬度h b s 1 3 0 。 挤压铸造可以明显改善大高径比z a 2 7 合金铸件的宏观组织，挤压后铸件的组织较 为致密，基本上消除了常压铸造条件下铸件较严重的缩孔、缩松、气孔等缺陷。挤压铸 造还可以明显改善大高径比z a 2 7 合金铸件的显微组织，挤压后铸件的显微组织由原来 粗大的树枝晶变为破碎的花朵状枝晶。挤压铸造使晶间共晶体的形态发生了较大的变 化，在常压下共晶体组织粗大，呈长条状分布于晶界处，而在压力作用下共晶体呈现明 显的细小层片状。在挤压铸造条件下，同一铸件的不同部位组织也存在一定的差异。沿 高度方向由上到下，上部和下部的组织较中部的组织细化，沿直径方向由内到外，外侧 的组织明显比内侧的组织细小。中心部位的组织为细小的等轴晶组织，外侧的组织为细 晶粒层，具有变形组织的特征。 挤压铸造使大高径比z a 2 7 合金铸件的比重偏析有所改善，压力使大高径比铸件成 分分布更加均匀。挤压铸造可以明显改善大高径比z a 2 7 合金铸件的显微偏析。挤压后 的铸件锌、铝和铜的偏析比都有所下降，晶间共晶体中越含量增加，a 枝晶内铜和锌 的含量有所增加。挤压铸造还可以使锌铝合金的凝固过程发生变化，差热分析表明在压 力7 5 0 m p a 以上对应着共晶反应温度缺少一个吸热峰，说明压力可能抑制共晶反应的发 生。 沈阳_ t 业大学硕 ：学位论文 关键词：挤压铸造，大高径比，工艺参数，力学性能，显微组织 沈阳工业大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho nt h ef u n d a m e n t a lp r o b l e mo fz a 2 7a l l o ys q u e e z e c a s t i n g w i t hh i g hr a t i oo fh e i g h tt ot h i c k n e s s a b s t r a c t t h ef u n d a m e n t a lp r o b l e m so fz a 2 7a l l o ys q u e e z ec a s t i n g 、撕廿11 1 i g hr a t i oo fh e i g h tt o t h i c k n e s sw e r es t u d i e di nt h i sp a p e r p r o p e rp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e db yd e s i g n i n gt h ep l u n g e s q u e e z ec a s t i n gd i ea n dc a r r y i n go nt h ee x p e r i m e n tt h r o u g hd e b u g g i n gd i f f e r e n tp a r a m e t e r s t h ei n f l u e n c eo fs q u e e z ec a s t i n go 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 eo fz a 2 7a l l o y w a sa l s oi n v e s t i g a t e d t h ei n f l u e n c es i g n i f i c a n c eo fp a r a m e t e r st od i f f e r e n tm e c h a n i c a l sm a yb eo b t a i n e db y o r t h o g o n a lt e s t t h ep r o p e rp a r a m e t e r so fs q u e e z ec a s t i n gf o rz a 2 7a l l o yw i t hh i g hr a t i oo f h e i g h tt ot h i c k n e s sa l e ：s p e c i f i cp r e s s u r e7 5 0 m p a , m o u l dt e m p e r a t u r e1 7 0 。c 2 0 0 c ，p o u r i n g t e m p e r a t u r e6 0 0 。c 6 3 0 。c ，p r e s s u r eh o l d i n gt i m e4 5 s s q u e e z ec a s t i n gc a l la m e l i o r a t et h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sd i s c r e p a n c eo fd i f f e r e n tp a r t so ft h es a l r l ec a s t i n ga n di m p r o v et h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h ec a s t i n g u n d e rp r o p e rp a r a m e t e r s ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e si n d e x c a r l a t t a i n t h e l e v e l ：t e n s i l es t r e n g t hob 4 2 0 m p a ，e l o g a t i o n65 1 2 ，h a r d n e s s i - i b s 一1 3 0 s q u e e z ec a s t i n gc a na p p a r e n t l ya m e l i o r a t et h e m a c r o s t r u c t u r eo fz a 2 7a l l o y u n d e r p r e s s u r et h em a c m s l r u c t u r ei sc o m p a c t e dw i t h o u ts e r i o u sd e f i c i e n c ys u c ha ss h r i n l 嘴ec a v i t y ， s h r i n k a g ep o r o s i t y ，p o r ea n ds oo n s q u e e z ec a s t i n gc a r la l s oa p p a r e n t l ya m e l i o r a t et h e m i c r o s l r u c t u r eo f z a 2 7a l l o yw i t hh i g hr a t i oo f h e i g h tt ot h i c k n e s s ，t h em i c m s t r u c t u r ec h a n g e s t of l o w e r l i k ed e n d r i t i cf r o mt r e e l i k ec r y s t a la f t e rs q u e e z i n g s q u e e z ec a s t i n ga l s oc h a n g e st h e s h a p eo fi n t e r c r y s t a le u t e c t i c s t h ee u t e c t i c sa p p e a rb i gs t r i ps h a p eu n d e rn o r m a la t m o s p h e r e ， w e l lu n d e rp r e s s u r ea p p e a r ss m a l ll a y e r e ds h a p e u n d e rp r e s s u r et h es t r u c t u r eo f d i f f e r e n tp a r t s o f t h es a m ec a s ts t i l la p p e a r ss o m ed i s c r e p a n c e ，t h em i c r o s t r u e t u r eo f t h eu p p e rp a r ta n dl o w e r p a r ti sf i n e rt h a nt h a to f t h em i d d l ep a r t t h em i c m s t m c t u r eo fo u t b o a r di sf i n e rt h a nt h a to f t h e i n s i d e t h em i c r o s t m e a a _ eo f c e n t e rp a r ti sf i n ee q u i a xc r y s t a l t h em i c r o s t r u c t u r eo f o u t b o a r di s c l o s e 曲w i t h t h ef e a t u r eo f d e f o r m i n gs t r u c t u r e s q u e e z ec a s t i n gc a r ln o to n l ya m e l i o r a t eg r a v i t ys e g r e g a t i o nu n i f o r m i n gt h ec h e m i c a l c o n s t i t u t i o no f t h ec a s tb u ta l s ot h em i c r o s e g r e g a t i o no f z a 2 7a l l o yw i t h i 曲r a t i oo f h e i g h tt o - 3 - 沈阳工业大学硕士学位论史 t h i c k n e s s s q u e e z ec a s t i n gc a nd e c r e a s et h es e g r e g a t i o np r o p o r t i o no fz n ，a i ，c u ，a n di n c r e a s e t h ea 1c o n t e n to f i n t e r c r y s t a le u t e c t i ca n dt h ec u ，z nc o n t e n to f a d e n d r i t i c ，s q u e e z ec a s t i n ga l s o b r i n gc h a n g et ot h es o l i d i f y i n gp r o c e s so fz a 2 7a l l o y d i f f e r e n t i a lt h e m l a la n a l y s i ss h o w st h a t a tt h et e m p e r a t u r eo fe u t e c t i cr e a c t i o n ，a ne n d o t h e r m i cp e a kv a n i s h e su n d e rt h ep m s s u r eo f 7 5 0 m p a i ta l s os h o w st h a tp r e s s u r er e s t r a i n st h eo c c u i t e l l c eo f e u t e c t i cr e a c t i o n k e yw o r d s ：s q u e e z ec a s t i n g ，h i g hr a t i oo fh e i g h tt ot h i c k n e s s , p r o c e s s i n gp a r a m e t e r m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，m i c r o s t r u c t u r e 4 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：立塾同期： ! ：! ：! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：立塾导师签名：李聋锟、日期：时、5 t 憾 沈阳丁业大学硕 ：学位论文 1 绪论 1 1 挤压镝啧告 挤压铸造是使浇入铸件型腔的液态金属在较高的机械静压力的作用下成形和凝固并 产生少量的塑性变形，铸锻结合的少切屑或无切屑的一种铸造方法。此工艺也被称为 “液态金属模压”或“液态模锻。 挤压铸造于1 9 3 7 年在前苏联问世，比压铸工艺约晚1 0 0 年，到6 0 年代前苏联已有 1 5 0 家工厂，约2 0 0 多种产品用此工艺生产，我国于1 9 5 7 年开始此工艺研究，至6 0 年 代中期只有少量铝合金用它生产，7 0 年代部分高校和研究所相继丌展此项工艺基础研 究，推动了我国在该工艺领域的较快发展【2 】。近几年，挤压铸造发展迅速并且逐渐商业 化9 l 。美国、英国、加拿大等国家利用挤压铸造生产一些应用件，例如用铝合金生产汽 车轮轴和柴油机的活塞f 1 。 挤压铸造成形技术一种近终形先进成形技术，十分适合于补缩较为困难的宽结晶温 度范围的合会。它的手要特点是使液念合金在高的机械 i 力作用下充型并且凝同。目 前，挤压铸造业的目标是：通过实现真正净形化成形使材料消耗降低到最低限度：生产 高强度的成形件，使零件轻量化 8 1 。 1 1 1 挤压铸造的分类 按冲头对合金液施加压力的方向可分为水平挤压铸造和垂直挤压铸造。水平挤压铸 造类似于压力铸造，但是定量的合金液被水平放置的冲头缓慢地推入型腔，如图1 1 所 示。因此铸件的完整性被大幅度地提高了，同时可以进行随后的热处理。垂直挤压铸造 又可分为两种：直接的挤压铸造和间接的挤压铸造。 直接冲头挤压铸造法适于生产形状简单的对称结构铸件，如活塞、卡钳、主气缸等 1 9 。其工艺特点是：无浇注系统，充型压力直接施加到型腔内的金属熔体上，充型合金 液凝固速度快，所获得的铸件组织致密、晶粒细小。 直接挤压工艺存在的主要问题是 1o 】：( 1 ) 必须精确定量浇入的液态金属。( 2 ) 要 求铸件向冲头方向单向凝固，以保证压力的有效传递。( 3 ) 控制冲头的插入过程，以 使液态金属以非湍流的方式向上移动，从而避免氧化夹渣等缺陷。( 4 ) 在提高生产率 沈| ； t 业大学硕 ：学位论文 以及制造形状复杂铸件方面存在一定困难。( 5 ) 挤压铸造金属模具通常由高质量的模 具钢制造，而且要求有足够大的壁厚以经受高压。 图i i 水平挤压铸造 酒 一 ，。 t 墨、 a )b ) 图1 2 垂直挤压铸造 a ) 直接垂直挤压铸造b ) 间接垂直挤压铸造 间接冲头挤压铸造法的特点l l l 1 2 】：是充型压力通过浇道传递给充型台会液。在间接 挤压过程中，液态金属是通过浇注系统引入型腔的。挤压设备通常采用较大的压射筒， 压射挤压活塞可以控制液态金属的射入速度。在注射后期，压射活塞通过浇道对型腔中 的金属施加高压。通常，确定压力是否有效传递和合理设计浇注系统，是间接挤压铸造 工艺两个主要的问题【1 3 l 。 沈阿1 工业人学硕上学位论文 与直接冲头挤压铸造法相比，间接冲头挤压铸造法较难在铸件凝固过程中保持较高 压力，不利于生产凝固区间大的合金铸件，铸件的金属成品率也较低。与直接挤压铸件 相比，间接挤压铸件在封闭型腔中成形，十分容易控制铸件尺寸，因此它不需要配置精 确的定量浇注系统，生产柔性较好。另外，与直接挤压相比，间接挤压工艺采用了浇注 系统，因此材料利用率低于直接挤压铸造：挤压铸件内部质量低于直接挤压件而高于压 铸件。 1 1 2 挤压铸造的特点 挤压铸造工艺是一种借鉴于压力铸造和模锻工艺而发展起来的新型会属加工工艺。 它包含了压力铸造和模锻的若干特点，并且有自己的特点，主要特点有1 1 4 2 0 l ： ( 1 ) 使用材料方面，挤压铸造工艺有其简便性、经济性和高效性，与其他铸造方 法相比，合金液的利用率很高，可达9 5 ，可制造接近净形化高质量零件。 ( 2 ) 力学性能显著提高。与传统铸造合金相比，屈服强度提高1 0 1 5 ：伸长 率以及疲劳强度提高5 0 15 0 ；力学性能与变形合金接近。 ( 3 ) 挤压铸造使合金液缓慢充型并在高压下的凝固，可以全部或部分消除铸件内 部的气孔、缩孔和缩松缺陷，使铸件组织密度大大提高。 ( 4 ) 挤压铸造获得的铸件可以进行热处理。 ( 5 ) 在机械压力作用下使液态金属与铸型型壁之间的接触紧密，这不仅使挤压铸 件有较低的表面粗糙度和较高的尺寸精度，而且更为重要的是大大改善了凝固过程中的 传热条件，使凝固速度增大，晶核数目大大增加，微观组织显著细化。 ( 6 ) 挤压铸造过程中，铸件的各个部位通常处于压应力状态，这一特点除了有利 于补缩外，还可防止铸造裂纹( 如热裂) 的产生。换句话说，挤压铸造的工艺适应性很 强，不大受到合金铸造性能好坏的限制，故可用于各类合金( 有色和黑色合金) 的挤压 铸造。 ( 7 ) 挤压铸造般是在挤压机上进行，故而便于实现生产的机械化和自动化，因 此生产率高。 ( 8 ) 挤压铸造不大适合于薄壁复杂铸件的生产。 与压力铸造相比较，除了以液态金属作原料这点相同之外，还有许多不同之处： 沈研1 工业大学硕卜学位论文 ( 1 ) 液态金属注入型腔的方式不同，压力铸造是借助压力，沿着浇注系统在极短 时间内将熔融合金液以高速充满闭合的型腔，而此工艺合金液是通过直接注入模膛内， 其浇注速度是不高的。 ( 2 ) 压力的传递方式不同，压力铸造靠浇注系统传递压力，而挤压铸造工艺的压 力传递通过施压冲头直接施加( 或通过已凝固壳) 在合金液面上，除了在成形过程中已 凝固层塑性变形要消耗一部分能量外，冲头的全部压力都用在使合余液获得等静压，并 在整个凝固过程中保持它，因而合金液始终在压力作用下发生结晶凝固，流动成形。 与模锻相比，除了在压力作用下，在闭合金属模膛内成形这点相同外，也有下而的 不同点： ( 1 ) 模锻时，原始材料与模膛形状不一致的，为了获得与模膛轮廓形状一致的毛 坯，必须在压力下使金属发生镦粗，压挤等强烈的塑性流动，以填充模膛获得一定的毛 坯；而机械压力作用下会属凝固则不具有j ：述特征，因为合模时，合金液在上模块和模 梁的自重作用下，使合金液可以发生流动以填充模膛，神：成形过程巾，也有塑性流动， 但这种塑性流动是有限的，因而此组织不可能是明显的塑性变形组织。 ( 2 ) 对于形状复杂的模锻件，均要采用多模膛模锻才能成形，而对于机械压力下 金属凝固一次便可成形。前者成形时所需要的设备吨位比后者大的多。 合金液的凝固过程中，由于施加了一定的压力，增加了铸件和铸型之间的传热系 数，导致凝固时间的缩短，提高了凝固速度，晶粒得到细化。所以挤压铸造可以成功地 应用于凝固范围宽，粘度高，表面张力大的合金 z i - 2 3 】。施加的压力足以消除气孔并且减 少缩松的产生，同时凝固时合金液与型腔具有很好的物理接触，因此可以生产出具有很 低的公差、几乎不需要车床加工的铸件。 1 1 3 挤压铸造工艺参数 液态金属浇入型腔后，在加压开始之前的一段时间里( 开始加压时间) ，液态金属 在与凹模型壁和芯的接触面上，会生成一层凝固层。液态金属浇注量越少、合金铸型导 热性越好、浇注温度和铸型温度越低、开始加压时间越长，则最初的凝固层越厚，这对 随后的挤压成形乃至最终的铸件质量都将产生重要的影响1 2 4 1 。随着压力下凝固过程的进 行，铸件凝固层厚度与强度不断增加，其内部包含的合金液不断减少；当厚度和强度增 沈m 丁业大学硕士学位论文 至一定数值后，压头被铸件侧面的一凝固层所支撑，从而无法通过合金液将压力从侧向 传递到已凝固层上。这样铸件侧面的已凝固层则因只受到纵向压缩力的作用而弯曲。 根据上述过程，可将挤压铸造的主要工艺参数归纳为： ( 1 ) 浇注温度( t p ) 浇注温度直接影响着挤压开始时自由凝固层的厚度和挤压凝固过程中液态会属总热 量的散失，进而还影响着凝固时问，凝固速度和铸件补缩等问题但5 1 。在其他条件相同的 前提下，如果浇注温度过高，则溶液与模具间热差大，热传输量大，使溶液凝固速度变 慢，因而凝固后试件晶粒较粗大，且挤压时易引起合金液的匕溅。另外，浇铸温度太 高，浪费能源，增加模具损耗，并可能使液态金属吸气氧化严重，直接影响制件质量。 若浇注温度过低，则可能由于已凝固层过厚，则在挤压时，压力主要由硬壳承担，试样 中心部位补缩不足，易形成缩松。由此可见，选择合适的浇注温度是实施挤压过程的荤 要前提。 ( 2 ) 铸型预热温度( t 0 ) 与铸型工作温度( t 0 1 ) 铸型预热温度和铸型工作温度对挤压过程最直接的影响是加压前自由凝固层的厚 度，其次是铸件的凝固时间。一般而言，铸型预热后可除去模具内腔吸附的水分和气 体，并使脱模剂覆盖于型壁上，同时调节溶液的凝固速度2 6 1 。铸型预热温度低时，溶液 和铸型接触的部分很快凝固，在压头压下时外层硬壳会承担大部分的压力，挤压铸造完 成后试样心部仍有缩松、气孑l 等缺陷存在。铸型预热温度过高会使试样凝固后晶粒较粗 大，并且在挤压过程中溶液易飞溅。一般在实际生产过程中，铸型工作温度与铸型预热 温度之间有：t o l = t o + 5 0 。c 的关系 2 6 1 。 ( 3 ) 比压( p b ) 比压是指接触面上的平均压力1 2 刀。比压是挤压铸造工艺的关键参数。比压与铸件的 机械性能存在直接的关系，只有在足够的比压作用下才能保证铸件最后凝固部位得到充 分有效的压缩力，获得组织致密的铸件。较高的比压还有助于减小或消除铸型界面的气 隙，改善散热条件，提高凝固速度，细化组织，进而提高性能。对于每一种铸件都有一 个临界压力【勰 ，低于临界压力，就无法获得优质铸件。比压值的选择还存在一个经济效 益问题，要根据制件使用性能的要求，选择一个合适的比压值。 沈| f 兀t _ 业大学硕士学位论文 ( 4 ) 丌始加压时间( t 。) 开始加压时间是指合会浇入型腔至丌始加压的时间间隔。根据研究，在合金液处于 开始出现少量固相，亦即在合金液处于零流动时才开始加压，可获得最佳的效果。在合 金液冷却到液相线温度以下才开始加压，可最大限度地减薄会属自由结壳的厚度。开始 加压时间过长，会致使会属自由结壳厚度增大，增加金属变形抗压能力，降低加压效 果。 ( 5 ) 加压速度( v ) 加压速度指冲头接触合会液后的运动速度。速度过高会引起合会液飞溅，产生爆 缝，同时会使液态金属形成旋涡而吸入气体。相反，加压速度过低，因自由结壳太厚， 使加压效果不好。 ( 6 ) 保压时间( th ) 保压时间是指开始加压到金属完全凝固的时间【2 9 1 。保压时间主要取决于铸件的壁厚 和形状复杂程度t 2 6 - 2 8 1 。它对铸件凝固组织的形成和补缩特性产佳重要的影响，足一项重 要的工艺参数。保压时间过短，则铸件中心部分凝固时难以得到良好的补缩，可能产生 缩孔、缩松等缺陷，保压时间过长，虽可提高铸件的密度，但对铸件的机械性能提高不 大，却使铸件出型困难，影响模具的使用寿命，降低劳动生产率。 ( 7 ) 高径比( 册) 高径比( 或高厚比) ，指铸件高度与其直径( 或厚度) 之比值p 们。高径比与有效压 力p c 厅有密切关系。高径比过高，则可能导致施加于铸件上的有效压力过低，导致挤压 效果不佳。因此，在确定挤压力时，必须考虑到铸件的高径比。 ( 8 ) 铸型涂料 为了防止铸件粘焊铸型，使铸件能顺利地从型腔中取出，以提高铸件表面光洁度， 提高铸型的寿命，减缓液态金属在加压前的结壳速度，以利于液态金属压力下充型和补 缩。 1 1 4 机械压力作用下金属与合金凝固的物理冶金过程 机械压力作用下金属与合金的凝固是一种高压下使合金液凝固成形的过程，它具有 两种重要的特征：压力使金属内部的组织得到改善。压力使半凝固状态金属成形性得到 沈阳t 业人学硕i ：学位论文 改善。其中主要原因是，高压下使金属的热力学状态发生变化。罗守靖等人假设了其三 种热力学模型0 2 1 ： ( 1 ) 热压缩型：机械压力作用下金属凝固时，施加于半凝固状态的金属上的压力 急剧的使金属压缩形成高压现象，相当于热力学上的绝热压缩，推导其温度与压力的关 系为： 玑筹卯 ， 日 式中： 卜压力；卜- 温度；阡一摩尔焓；肛琳积。 ( 2 ) 等温压缩型：假设温度为恒定的，等温压缩下高压自由能的变化： a g ( t ，p ) = a g ( t ，p = 1 ) + 1 a v d p ( 1 2 ) 式中：g 当凝固温度为7 k 时，凝固前后摩尔自由能差； y 会属凝固前后摩尔体积差。 在机械压力作用下会属凝固时，由于硬壳的存在，封闭在硬壳巾待凝固的合金液所 受到的等静压是变化的，制件与模具界面热阻随着硬壳的增厚而上升，因而，温度也不 是固定的，故自由能应是温度和压力的函数。 ( 3 ) 混合压缩型： d r d p ( 面o g ) 丁( 三) 一( 面o g ) r ( j ) 旧m h 争叫 ( 1 3 ) 比较以上三种压缩模型发现( 1 1 ) 式和( 1 2 ) 式很相似，由( 1 1 ) 式，金属和合 金凝固时日= f 脚一h a ) = l m 0 ( l m 为结晶潜热) ，对于凝固时体收缩的金属和合 金，则有d 厂p 0 ，增加压力使金属和合金凝固点升高。对于凝固时体膨胀的金属和 合金增加压力使凝固点降低，由( 1 _ 2 ) 式的等温压缩，即仅考虑压力对体积改变的影 响，对于凝固时体收缩的合金，压力使体积减小，有利于自由能降低并使金属逐渐凝 沈阳工业夫学硕i 学位论文 固，过渡到固态；反之，对于凝固时体膨胀的合会，由于加压，不利于凝固，而延缓了 从液态向固态合金的转变。 1 1 5 机械压力作用下金属与合金凝固的力学过程 塑性变形在机械压力作用下金属和合会凝固过程中占有重要的地位，从某种意义 讲，塑性变形这一力学过程，又和凝固成形这一物理化学过程交织在一起，研究起来十 分复杂，尤其是存在固一液区问的凝固过程，为此我们对凝固体作近似假设p ，认为它 是一个多变的连续的组合体，即已凝固的封闭外壳层，f 在凝固的固一液区和液相区， 三位一体组成一个连续分布的不均匀的组合体，称为硬层区，固一液区和液相区，其力 学性质是有很大差异的。从物质流变观点如发f 3 “，可近似认为，已凝固的外壳为塑性 体，f 在凝固的固液区为脆性体( 即脆性温度区间) ，液相区为粘性体( 存在大量结 晶晶核) 。这就构成了由塑性体脆性体粘性体组合的连续组合体，这个连续组合体 将发生由表及里的力学行为，外壳产生塑性变形，固一液区产生热裂，液相区在等静压 作用下挤入微小裂纹中，且塑性变形本身随结晶凝固的进行而扩大，液相区则逐渐缩 小，以致某一时刻，液相区完全转变为固一液区，此时组合体就转变为由已凝固区和固 液区组合的塑性体脆性体组合体，只要凝固区的塑性变形顺利进行，脆性体在压应力 作用下，完全可以克服由于体收缩带来的拉应力，使脆性体破坏的力学条件得到消除， 最后转变为单一的塑性体，凝固就此结束。 通常当合金液浇入型腔，接着合模后，由于上模表面的激冷作用，同样使得冲头端 面附近的合金液也很快形成一硬层，此时合金液被封闭硬层所包围，为了便于研究，简 化成两种力学模型，并假设硬层厚度及其性能均匀分布，硬层各处温度一致。 第一种模型，在合金液凝固过程中，结晶凝固是以完全的硬壳方式进行，没有明显 的固液区存在，如图1 1 3 所示，最外层是硬壳区，包围着液相区，结晶凝固前沿直接与 合金液相接触。 第二种模型，在合金液凝固过程中，存在明显的固液区，如图1 4 所示，最外层 l 是硬壳区，接着2 是固液区，中心3 是液相区。固液区又可划分为液固分区和 固一液分区。液一固分区，靠近液相区，其特点为液态金属存在可以游离的固相区； 固液分区，靠近硬壳层，起特点为固相区相互凝结，残存的合金液被固相团所分割。 沈阳t 业人学硕i j 学位论义 图1 3 第一种模型图1 4 第一种模型 1 1 6 动态凝固过程 动态凝固过程是指熔体受到某种物理性干扰，使正在长大的树枝状晶熔断，脱离和 游弋于熔体中的现象。在机械压力作用下金属和合会的动态凝固过程包括： ( 1 ) 浇注( 上注) 时机械冲刷： ( 2 ) 合金液内由于密度差引起的自然对流； ( 3 ) 异形冲头压制下反向的合金液流动： ( 4 ) 硬壳层塑性变形时的补缩性枝晶间金属塑性流动； ( 5 ) 选择结晶产生的低熔点物质的流动；这些流动阻止了树枝状晶体的粗化，细 化了枝晶组织l 。 因此机械压力作用下合金液的凝固很多都属于动态成核：可能由于浇注的动量所激 励，使液态金属发生流动，对凝固前沿进行机械冲刷，使未结牢的晶块重新溶解，崩离 并卷入合会液内，成为结晶核心。合模后，液态金属在流动中成形，这种流动方向，在 异形冲头加压下，一般取与施压方向相反的方向，在狭窄的通道里，凝固前沿发生强烈 的冲刷作用，使未结牢的晶粒大批大批地脱离凝固前沿，进入液态金属中，成为结晶核 心。施压后，已凝固的外壳层产生塑性变形，发生强烈的补缩金属流动，同样造成凝固 前沿晶体破碎，生成新的核心。 1 1 7 压力对凝固与结晶过程的影响 基于对前人的实验研究工作可以肯定，与常压下相比，合金在较高压力下凝固会表 现出一系列不同之处，可能出现的变化主要是： 沈w 丁业大学硕士学位论文 ( 1 ) 压力对合金状态图中的特征点有影响： ( 2 )压力增大使结晶过程中材料己凝固部分的密度提高； ( 3 ) 压力对形核过程产生影响； ( 4 )压力对过冷度产生影响； ( 5 )压力对晶核生长过程产生影响； ( 6 )压力对凝固过程中的溶质再分配产生影响： ( 7 )压力对合会液中气体固溶与析出过程产生影响： ( 8 )压力对凝固过程中的补缩产生重要影响。 由此可见，压力对金属或合金凝固过程的各个环节都产生重要的影响，这些影响的 结果是使材料的组织和性能发生变化。 1 2 锌铝合金的概述 1 2 1 锌铝合金发展概况 上世纪初，人们发现锌及其合余具有熔点低，铸造性能好等优点，并在工业中开始 逐渐应用这种合金1 3 4 1 。早在2 0 世纪4 0 年代，德国就成功地用锌铝合金代替铜合会做轴 承口5 1 。1 9 5 9 1 9 6 2 年，国际铝锌合金组织z l r o 研究出名为z l r o 的铸造锌合金。然 后又研究出z a 8 、z a l 2 和z a 2 7 合金。7 0 年代末加拿大n o r a n d a 矿山研究中心又成功 地研究出适合于金属型铸造的z a 8 合金。至此产生了铸造合金系y l j t 3 6 3 ”。为了适应生 产的需要，研究人员对z a 合金做了大量的研究工作。特别是近几年，国内外的学者对 z a 合金都产生了极大的兴趣，因此，z a 合金的发展是较快的。从目前的文献介绍来 看，z a 合金的应用将主要集中于定期更换的耐磨件及易损件或其它合金的应用一些服 役期限较短的零件。随着z a 合金的不断深入发展，其应用范围、生产规模将迅速扩 大，2 l 世纪将成为z a 合金的全盛时期。 1 2 2 提高锌铝合金性能的方法 ( 1 ) 锌铝合金的凝固范围宽，补缩困难。若采用加大冷却速度和设置冒口来促进 顺序凝固以获得致密铸件是难以奏效的口8 1 。除非加大温度梯度，在有利于补缩的温度条 件下，设置合适的冒口，才能获得较好的补缩效果；并且芯子和铸型要使用导热性不同 的造型材料制造。 沈阳t 业人学硕十学位论文 ( 2 ) 浇注温度和浇注速度对形成有利的温度梯度有很大的影响，对于锌铝合会在 低温，慢速浇注下是有利的。 ( 3 ) 铸型材料对铸件的致密性影响很大，采用导热性好的铸型材料，对加强补缩 有一定效果。 ( 4 ) 采用挤压铸造工艺生产的铸件尺寸精度高，细化和改善组织，减轻枝晶偏 析，使塑性提高。机械性能好，且易于实现操作机械化，自动化。它综合了金属型铸造 和锻造工艺的优点。使之一次形成致密且无气孔的工件。8 0 年代以来国内已丌始用这 种新的生产工艺来生产各种会属基复合材料，铝合金及锌铝合金铸件。无疑，挤压铸造 为锌合会的广泛应用，丌辟了新的途径。 ( 5 ) 在锌铝合金熔体中加诸如硼，钛，钻或稀土元素等可增加结晶核心，晶粒得 到细化，性能也随之提高，有试验表明：锌铝合会中添加适量硼，钛，伸长率可由原柬 的6 提高至1 5 以上。晶粒细化剂的种类，加入量，添加方式，：i ：艺稳定性等均对其 效果产生影响。 ( 6 ) 用热处理方法来提高合金的机械性能历来为人所注重，有人将z a 2 7 熔炼成 试样，在3 6 5 固熔处理2 小时，然后空冷或水冷。结果发现，它与铸态相比，空冷试 样抗拉强度增大很多，断裂韧性比铸态平均减小1 3 ，还有实验指出z a 2 7 合金的最佳 强化处理规范为3 5 5 3 8 0 c 1 5 2 5 h 空冷，经此热处理，其抗拉强度可达6 6 7 m p a ， 还可能提高其室温，抗蠕变能力1 3 9 1 。 1 2 3 锌铝合金的应用概况及研究趋势 到目前为此，锌铝合金已成功用于挖土机抓斗滑轮，中小轧钢机轴瓦，水炉烘干机 轴瓦，制砖机轴瓦，纺织机械轴瓦，测量器蜗轮，汽车外壳压型模具，轧钢机万向联轴 节滑块以及冲载模具，拉延成型模具等。可以相信，随着锌基合金的潜在市场逐渐被开 发，锌基合金的应用前景将十分广阔1 4 0 】。 目前国内外锌铝合金的研究趋势有：在不同条件下研究锌铝合金的凝固过程和组 织；在合金基本成份的基础上，进行合金化，并和工艺相结合，进一步提高合金的性 能；研究利用喷射沉积方法制陶瓷颗粒或石墨颗粒锌铝合金复合材料，改善合金的高温 性能和摩擦磨损性能；研究合金的超塑性等。 沈阳工业大学硕：卜学位论史 1 3 锌铝合金挤压铸造研究的现状 锌铝合金是一种广泛应用的工程材料，但伸长率低，脆性以及自然老化使机械性能 过低，甚至造成自然溃散失效等缺点，因而限制了它的使用范围。机械压力作用下金属 与合金的凝固工艺给锌铝合金的应用带来新的活力，因为此工艺使液态余属在压力下结 晶，因而可以细化晶粒。均化组织和消除内部缺陷，有利于力学性能的进一步改善。 锌铝合金在通常的铸造条件下，由于当温度降到液相线以下时凝固收缩后，减小了 合金液和模具之间的物理接触从而导致了凝固过程中传热系数减小和冷却速度的降低， 最终形成粗大的枝晶，增大了枝晶间距，在枝晶间形成了缺陷【4 ”。机械压力的作用弥补 了这些缺陷，但是很少有人对其进行深入的讨论。很多研究表明挤压铸造可以获得比重 力铸造更细的微观组织f 4 2 1 ，这些结论一般都归因于与传热系数相关的高的冷却速度。但 是微观组织形状一般都很复杂，对其进行温度控制和测量是很困难的，因此还没建立起 相关精确的传热机制。m g a l l e m e a u l t 等人利用热电偶装置、光学显微镜及图像分析研 究了压力、熔化温度等工艺参数对铝铜合会凝固和冷却行为及其相应的宏观和微观组织 的影响。m a s a v a s 通过研究挤压铸造对z n 2 7 a 1 ，a 1 2 0 s i 等七种凝固范围宽的合金 的密度、布氏硬度、抗拉强度和伸长率的影响，认为此类合金很适合挤压铸造，因为挤 压后机械性能有了很大的提高，经退火热处理后具有更高的强度h 引。 针对z a 2 7 合金在常规铸造下易出现缩松，偏析等缺陷的特点，有人试验分析了挤 压工艺参数与z a 2 7 合金性能之间的关系，并且还研究了合金元素 缸对冲头式挤压铸 造z a 4 3 合金铸态及热处理后组织和性能的影响1 4 4 1 ，得出适量的m n 显著提高合金常温 强度和高温力学性能，但降低塑性；适宜的热处理使富锰相和富铜相分解在基体内以二 次相弥散析出，进一步强化挤压铸造z a 4 3 合金。通过对挤压铸造z a 2 7 合金的锰硅化 研究【4 ”，获得了具有一定塑性的高强度耐磨锌铝合金。 白1 9 8 2 年以来，哈尔滨工业大学就开始对锌基合金液态模锻工艺进行了研究并成 功地将其用于模具制造。用它制作冲材模以实现无间隙冲裁( 凹模为钢模) 时，冲口质 量高，无毛刺，空隙距离可大大缩短；用于成形模时，模腔尺寸稳定，表面光洁，克服 了铸模工艺的不足。 沈m t 业人学硕f 学位论文 虽然对于机械压力作用下锌铝合金的凝固已有了很多研究，但迄今为止，对于此工 艺技术的基础理论研究je 较少，涉及的问题还有很多。 1 4 本课题研究的目的和意义 由于锌铝合金具有结晶温度范围宽，锌铝密度差异大等特点，在通常铸造条件下易 出现缩松偏析等缺陷，导致力学性能降低，从而限制其应用。挤压铸造成形可以显著的 改善其显微组织，提高，力学性能，十分适合补缩较为困难的宽结晶温度范围的锌铝合 金的液态成型。液态合镑在商的机械压力作用下成型时具有如下重要特征：压力导致合 金的热物理参数发生变化，进而使合会状态图改变；压力导致凝固条件发生变化，进而 使合金组织形态得到改淳；施加于凝固态合会上的压力导致在铸件内部固液两相区的局 部产生高压现象，使凝同范围的合会的流动，补缩和成型条件得到改变等m 。因此， 压力下成形使铸件内部脚外观质量都有很大的提高。目前，锌铝合金挤压铸造技术已有 很大的发展，确定并且优化了相关的工艺参数，深入分析了柱塞式和冲头式轴对称铸件 内部压力及压力梯度的分布规律，建立了挤压力，临界比压与铸件密度之间的关系等。 但这些工作都限制在高径l l d , 于3 0 的铸件上。所以为了进一步搞清机械压力f 锌铝合 会的凝固特性，本课题将研究挤压力与大高径比锌铝合金铸件( m 3 5 ) 显微组织，临 界比压，铸件密度，压力梯度与溶质偏析等问题间的内在规律，以及压力作用下液固 两相区的凝固行为特点等。其目的在于全面提高挤压铸造锌铝合金铸件的质量，较大幅 度地拓展挤压铸造成形技术的适用范围，使其适合于各种几何尺寸的铸件。由此可见， 这些基本问题的解决对于制造低能耗无缺陷高质量的锌铝合金铸件，发展近终形挤压铸 造先进成形技术具有重要的科学意义和明显的应用价值。 1 5 本课题的主要研究内容 本课题主要从以下方面开展研究工作： ( 1 ) 大高径比柱塞式挤压铸造模具的设计及调试。 ( 2 ) 确定挤压铸造的工艺参数，如：浇注温度、模具温度、比压、保压时间、高 径比等进行挤压试验。通过正交试验得出各工艺参数对铸件力学性能影响的显著性，再 通过实验得到适合大高径比铸件的工艺参数。 ( 3 ) 分析挤压铸造工艺对大高径比z a 2 7 铸件力学性能的影响，及同一铸件不同 沈阳丁业大学硕士学位论文 部位的差异。利用金相分析、扫描电镜等手段分析研究了大高径比挤压铸造铸件在不同 工艺参数条件下显微的组织、生成相及相分布。 ( 4 ) 研究压力对大高径比挤压铸造铸件凝固特性的影响规律。 沈阳丁业大学硕f 学位论立 2 实验材料、设备及实验过程 2 1 实验材料 试验用的材料为z a 2 7 合金。原料是0 号锌，0 0 号铝，合金元素铜以中间合金方式 加入，镁以纯镁方式加入。所配制的合金化学成分为( w t ) ：2 7 a 1 、1 6 c u 、 o 0 2 m g ，其余为锌。 试验用的精炼剂是六氯乙烷，六氯乙烷的用量和合会的成份有关，特别是镁的含 量。因为精炼时镁将与六氯乙烷的分解产物发生反应，所以合会元素镁被烧损，同时也 消耗了一部分六氯乙烷，所以配料时镁和六氯乙烷都要增加。 所用的变质剂为氟硼酸钾和氟钛酸钾( 二者的质量比为l ：4 ) 。变质剂和精炼剂的 加入量分别为合余总量的0 2 。 2 2 实验仪器及设备 熔炼设备为3 6 k w 坩埚电阻炉，挤压设备为y h 6 1 5 0 0 g 型金属挤压机( 如图2 1 所示) 其中挤压机主要工作参数为：公称力5 0 0 0 k n ，顶出力1 0 0 0 k n ，滑块行程 9 0 0 m m ，空程滑块速度 1 5 0 m m s ，压制滑块速度5 1 6 m m s ，顶出速度7 0 m m s 。本 实验所用的测温计为电脑化精密数字测温仪，型号为m t c l 0 0 。规格：( p 1 6 m m ， l 4 0 0 m m ，该温度计的测温范围在2 0 0 2 0 0 0 。c ，全量程内误差3 。另外配有k ，j 两种热电偶。 性能测试设备为w e 3 6 0 0 d 型屏幕显示万能实验机和h b 3 0 0 布氏硬度计，组织观察