（材料物理与化学专业论文）旋转浇注法制备半固态az91d浆料研究.pdf

摘要 摘要 半固态金属加工技术被认为是2 1 世纪最具有发展前途的近净成形技术之 一，其关键环节是半固态浆料的制备。目前半固态镁合金研究较少。本文通过 旋转浇注法制备半固态镁合金浆料，系统研究了工艺参数( 浇注温度、旋转管 转动速度和倾角) 对镁合金半固态组织的影响规律，考察了初生固相的形态演 变过程和球晶组织形成机理。 实验结果表明，浇注温度、旋转管转动速度和倾角对半固态浆料的晶粒形 貌和晶粒尺寸都有非常明显的影响。适当低温浇注的试样组织为细小的球状结 构，而高温浇注的试样，浆料在旋转管中形成的大量晶核被熔化，在离开旋转 管口时未能存活下来，组织形貌表现为粗大的枝晶。旋转管转速和倾角对镁合 金半固态组织也有重要的影响。 浇注温度和旋转管转速通过交互作用影响合金熔体流经旋转管时的温度分 布，进而影响有效形核数目，最终影响初生相的形态和尺寸。只有浇注温度、 旋转管转动速度和倾角达到良好的匹配时，才能显着地提高有效形核数目，进 而获得优质的半固态浆料。 此外，研究还表明，合金熔体中自由晶数目和浆料冷却速度共同决定着初 生固相的尺寸和形态。自由晶数目少、冷却速度高，树枝晶形成的倾向较大； 自由晶数量多、冷却速度低，球晶或近球晶形成趋势大。在旋转浇注工艺中， 低过热浇注、凝固初期的激冷和搅拌混合可有效地激发熔体形核，促进晶粒游 离，提高游离晶的存活率，这是获得良好半固态组织的关键所在。 关键词：镁合金；旋转浇注法；半固态；球晶组织； a b s t r a c t a b s t r a c t s e m i - s o l i dm e t a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi sr e g a r d e da so n eo ft h en e a r - n e ts h a p e f o r m i n gt e c h n o l o g i e sw i t hw i d ea p p l i c a t i o ni nt h e2 1s tc e n t u r y ，a n dt h ep r e p a r a t i o no f s e m i s o l i ds l u r r yi st h ek e yt e c h n i q u e r e s e a r c ho ns e m i s o l i dm a g n e s i u ma l l o y si s s e l d o mt od a t e i nt h i sp a p e r ，t h es e m i s o l i dm a g n e s i u ma l l o ys l u r r yw a sp r e p a r e db y r o t a r yp o u r i n gm e t h o d as e r i e so fe x p e r i m e n t so nm a g n e s i u ma l l o yw e r ec a r r i e do u t t oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ( p o u r i n gt e m p e r a t u r e s ，r o t a t i n g s p e e d sa n di n c l i n a t i o n so ft h eb a r r e l ) o nt h es e m i - s o l i dm i c r o s t r u c t u r e t h ep r i m a r y p h a s ee v o l u t i o nb e h a v i o ra n df o r m a t i o nm e c h a n i s no fn o n - d e n d r i t i cs t r u c t u r e sw e r e i n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tp o u r i n gt e m p e r a t u r e s ，r o t a t i n gs p e e d sa n d i n c l i n a t i o n so ft h eb a r r e la f f e c tt h eg r a i ns t r u c t u r ea n dd i m e n s i o ne v i d e n t l y p r o p e r l o wp o u r i n gt e m p e r a t u r ec a nf a b r i c a t en e a r - r o u dg r a i n s h o w e v e r , h i g h p o u r i n g t e m p e r a t u r em a k et h ec o a r s ed e n d r i t eg r a i n sb e c a u s em a n yn u c l e ir e m e l ta n dc a n n o t s u r v i v ea tt h eo u t l e to fb a r r e l r o t a t i n gs p e e d sa n di n c l i n a t i o n so ft h eb a r r e la l s oh a v e i m p o r t a n te f f e c t so nt h es e m i s o l i dm i c r o s t r u c t u r eo fm a g n e s i u ma l l o y t h ed i s t r i b u t i n go fm e l tt e m p e r a t u r ei nt h er o t a t i n gb a r r e li si n f l u e n c e db yt h e i n t e r a c t i o no fp o u r i n gt e m p e r a t u r e ，r o t a t i n gs p e e d sa n di n c l i n a t i o n so ft h eb a r r e l ，t h e n t h ee f f e c t i v en u c l e a t i o nr a t ec h a n g e sc o n s e q u e n t l y ，a n dt h es t r u c t u r ea n dd i m e n s i o no f p r i m a r yp a r t i c l e sc h a n g ef i n a l l y m a t c h e dp o u r i n gt e m p e r a t u r e ，r o t a t i n gs p e e d sa n d i n c l i n a t i o n so ft h eb a r r e lc a ni n c r e a s ee f f e c t i v en u c l e a t i o nr a t ea n do b t a i nh i g hq u a l i t y s e m i s o l i ds l u r r y i na d d i t i o n ，t h er e s e a r c h e ss h o wt h a tt h em o r p h o l o g yo fp r i m a r yp h a s ei s d e t e r m i n e db yb o t ht h en u m b e ro ff r e ec r y s t a l si ns e m i - s o l i ds l u r r ya n dt h ec o o l i n g i n t e n s i t yo fs e m i - s o l i ds l u r r y i n c r e a s i n gt h en u m b e ro ff r e ec r y s t a l sa n dd e c r e a s i n g t h ec o o l i n gi n t e n s i t yo fs e m i - s o l i ds l u r r yc a ne n h a n c et h ef o r m a t i o no fs p h e r i c a l p r i m a r yp h a s e u n d e rr o t a r yp o u r i n gp r o c e s s ，l o ws u p e r h e a tp o u r i n gc o m b i n e d 淅t l l l o c a l i z e dr a p i dc o o l i n ga n dv i g o r o u sm i x i n gd u r i n gt h ei n i t i a ls t a g eo fs o l i d i f i c a t i o n c a ne n h a n c ew a l ln u c l e a t i o n ，c r y s t a ls e p a r a t i o na n dc r y s t a ls u r v i v a l t h i si st h ek e yt o o b t a i nh i 。g hq u a l i t ys e m i s o l i dm i c r o s t r u c t u r e k e yw o r d s ：m a g n e s i u ma l l o y ；r o t a r yp o u r i n gm e t h o d ；s e m i s o l i d ；s p h e r i c a l m i c r o s t r u c t u r e i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：王- ；a - 签字日期：硼年，月l 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌去堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部f - a 机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论支作者签名：王- 参 导师签名：扔删岔 签字日期：刎年胆月日 签字日期：7 舻参月歹日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 镁合金概述 二十世纪初，高强度镁合金m g a l 9 z n l 即a z 9 1 合金的诞生，镁作为结构性 合金材料的应用出现历史性的飞跃。从那时起，镁合金开始在汽车、飞机上应 用，到3 0 年代末至4 0 年代初发展极为迅速。但在此之后，由于铝工业的快速 发展，镁和铝之间的价格差异的增大，镁合金的耐蚀性能低等原因，镁合金的 应用急剧降温【l 叫。到了2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初，随着国际性能源危机的出 现和环境污染的日益突出，镁合金再次受到人们的重视。特别是人们发现通过 控制f e 、n i 、c u 等杂质元素的含量及f e 与m n 的比例，能显着提高镁合金的 耐腐蚀性能、抑制镁合金被腐蚀的速度；开发了多种有效的表面处理方法，提 高表面防腐性能，对其表面进行装饰处理【5 吲；并且发明了s f 6 气体保护技术熔 炼镁合金，有效的防止镁合金熔体的氧化、燃烧及夹杂物的产生。镁合金从8 0 年代起获得了长足的发展【9 - l l 】。 进入2 0 世纪9 0 年代，中国及俄罗斯等独联体国家镁原料的生产得到了迅 速的发展。国际市场上镁价格一直呈现稳中下跌的趋势，镁与铝的价格相比进 一步接近，使镁合金生产的成本大幅度下降。镁合金技术的发展和镁合金成本 的下降，使得全球镁合金应用量以每年1 5 - - - 2 0 的速度增长，据国际镁协会预 测到2 0 0 9 年镁合金铸件的产量将达到约4 0 万吨，2 1 世纪将是镁合金应用和发 展的世纪1 1 2 07 l 。 镁合金密度小，比强度、比刚度和比弹性高，且具有阻尼性能好、切削加 工性好、导热性好、尺寸稳定、成本低、无污染、易回收等优点【1 8 】，符合对材 料的轻量化和绿色化的要求，镁合金已经取代许多锌、铝、铸铁和钢等材料， 广泛应用于航空航天、汽车、计算机、通讯等行业，特别是汽车行业对镁合金 零件的需求量激增，使镁合金的应用表现出强劲的发展势头。镁合金的应用和 发展是当今材料研究和应用开发的一个重要方向【1 9 。2 3 】。 我国的镁矿物资源非常丰富，菱镁矿、白云石、水氯镁石和光卤石等矿物 大量存在。现已探明：菱镁矿总量3 1 4 5 亿吨，白云石资源储存量在4 0 亿吨以 上，青海湖蕴藏的水氯化镁达3 2 亿吨。2 0 0 3 年原镁产量达3 5 万吨，已成为世 第一章绪论 界上第一大镁生产国，镁产量约占全球镁产量的2 3 ，在国际镁市场上扮演着越 来越重要的角色【2 4 矧。 我国汽车工业已步入快速发展时期，存在着一个巨大的镁合金产品应用市 场。目前我国自主生产的镁合金零件较少，而生产的原镁大多以低附加值的原 材料形式出口销售。研究镁合金铸造成形技术，发展我国镁合金零件的生产是 我国当前重要的课题之一【2 6 2 蚋。 1 2 半固态成形技术概述 1 9 7 1 年美国麻省理工学院的博士研究生d b s p e n c e r 在研究s n p b l 5 合金 高温热裂过程中，偶然从高于s n p b l 5 合金液相线温度开始旋转粘度计外桶( 实 验装置为内壁刻有沟槽的双桶粘度计) 。与过去试验结果相比，此时的切应力下 降了约三个数量级，并且发现s n p b l 5 合金的初生固相都呈球状。d b s p e n c e r 的实验现象引起导师m c f l e m i n g s 教授的高度重视，在其领导下，投入了大量 的人力和物力，进行了广泛研究，创立了金属半固态成形的概念、理论和技术 【2 9 3 0 1 。 1 2 1 概念与分类 所谓的半固态成形( s e m i s o l i df o r m i n go f m e t a l s ) 或半固态加工( s e m i s o l i d p r o c e s s i n go f m e t a l s ) ，是将含有非枝晶固相的固液混合物在凝固温度范围内加工 成形的一种材料成形技术。按照这个定义，半固态成形或半固态加工技术具有 三个特征，一是被加工的材料状态是固液混合物，而不是纯液体或纯固体；二 是加工温度范围在合金固相线温度和液相线温度之间；三是材料中的固相是非 枝晶形态，而不是常见的树枝晶。 目前，合金半固态成形的工艺方案主要分流变成形和触变成形两大类，如 图1 1 所示。 蔼变铸磕工艺滤程 o - 。一。一 一正调( r o - 。1 勃苦髓疰定量纤氍诧埯重新栩照垒军冉杏适至压射童 图1 1 合金半固态成形工艺流程示意图 2 兔粤 健 一 翻i蚴一 彤l成盔蝴豳 触 ， 第一章绪论 流变成形：在金属凝固过程中，通过施加搅拌或扰动、或改变金属的热状 态、或加入晶粒细化剂等手段，改变合金熔体的凝固行为，获得一种液态金属 母液中均匀地悬浮一定球状初生固相的固一液混合物( 半固态浆料) ，并利用此 浆料直接成形加工。 触变成形：获得半固态浆料后，将其进一步凝固成坯料( 通常采用连铸工 艺) ，根据需要将坯料切分，把切分的坯料重新加热至固一液两相区形成半固态 坯料，利用这种半固态坯料进行加工成形。 触变成型在工业界中已得到了成功应用，目前国外已经形成了一定商业生 产规模。但随着触变成形技术的推广和应用，其主要缺陷也逐渐暴露出来：浆 料制备成本高，设备投资大、坯料的成分和微观结构的不均匀性、浆料制各过 程控制难度大等等。近年来，学术乔和商业界都普遍关注流变成形技术，该工 艺具有低能耗、工艺流程短、设备简单等特点，容易被中小型生产企业所接受， 被认为具有较好的工业应用前景。 1 2 2 半固态成形技术的特点及应用领域 金属材料在液态、半固态和固态三个阶段表现出不同的物理特性，利用这 些特性，产生了液态加工、塑性加工和半固态加工等多种金属热加工方法。 液态加工利用液态金属的良好流动性，以完成成形过程中的充填、补缩直 至凝固结束。 塑性加工利用固态金属在高温状态下的良好塑性流动性，在外力作用下完 成模堂的充填过程。 半固态加工是利用固液共存的非枝晶半固态浆料( 坯料) 具有的特性进行 成形的方法。2 0 0 0 年f l e m i n g s 阐述了半固态成形技术的特点【3 1 】，根据半固态浆 料( 坯料) 的金属学和力学特点现归纳为表1 1 。 3 第一章绪论 表1 1 半固态成形特性及潜在价值 特性潜在价值和应用 ( 1 ) 减少凝固潜热，高速零件成形和高速连铸，高熔点合金 成形，降低铸型的热蚀 液固混合共存 ( 2 ) 减少凝固收缩，减少缩孔、低偏析，细化晶粒，可进行 后续热处理，提高性能 ( 1 ) 变形抗力非常小，可以成形复杂零件，提高零件成形速 流动应力比 度，缩短加： 周期，提高材料利h j 率，降低成本 固态金属低( 2 ) 实现连续形状的高速成形( 连铸、连轧、挤压等) ( 3 ) 开发新成形工艺 ( 1 ) 充型平稳，减少气体卷入，减少氧化，改善加工性能； 黏度比液态金属高且( 2 ) 减少粘模倾向，可进行更高速的零件成形，改善表面光 容易控制洁度，易实现自动化； ( 3 ) 开发新成形工艺 易混入异种材料 制备复合材料及成形 可进行液同分离材料提纯 由表1 1 可知，半固态成形技术综合了液态加工和塑性加工的优点，即加工 温度比液态低，变形抗力比固态小，特别地，该技术采用了非枝晶半固态浆料 作为成形原料，打破了传统枝晶凝固模式，因此该技术有如下优点【3 2 , 3 3 】： ( 1 ) 提高成形零件的密实性，可进行热处理； ( 2 ) 提高零件的机械性能； ( 3 ) 可以一次大变形量加工成形形状复杂且精度和性能质量要求较高的零 件； ( 4 ) 压铸薄壁零件； ( 5 ) 压铸传统压铸工艺无法生产的压铸材料，如锻造铝合金、高熔点合金 在盘 守； ( 6 ) 提高成形速度，提高生产效率。 在过去的三十多年里，已经研究了各种合金半固态成形的可行性。最初， 由于军方对高性能钢压铸件的需求，主要集中在高熔点合金的研究，特别是钢。 2 0 世纪9 0 年代以来，由于汽车减重、电子信息产品和消费类电子消费品迎合环 保要求，半固态成形技术主要集中在镁、铝合金方面，其重点主要放在成形工 4 第一章绪论 艺的开发上，主要应用在汽车、电子信息、航空航天等领域，最成功的是汽车 行业。 目前，半固态成形技术已经作为一种科学上合理、商业上可用的技术为精 确成形、高性能、节能和环保等问题的综合良好解决提供了一条新技术途径， 在科技和商业的进一步发展中显示出巨大的应用潜力，被誉为2 1 世纪最具发展 前途的材料成形加工方法之一。目前出现的半固态加工方法有：半固态锻造( 半 固态模锻) 、半固态挤压、半固态轧制、半固态压铸等。 1 2 3 半固态浆料制备与直接成形 半固态金属的流变成形是最早进行研究的半固态金属成形工艺，它将制备 出的半固态合金浆料直接送往压铸机的压射室，进行流变压铸。然而，早期通 过强烈机械搅拌获得的半固态合金浆料的保存和输送很不方便，因而半固态合 金流变成形技术的进展很缓慢，一直没有出现成熟的技术。与此同时，工艺流 程较长的触变铸造却获得了较大规模的应用，并占据工业应用的主导地位。但 是，经过多年的生产实践和深入研究发现，采用触变铸造技术尚存在三大工艺 问题： ( 1 ) 生产成本高，电磁搅拌功率大，效率低，能耗高，制备半固态坯料时 额外高出约4 0 的费用；重熔加热能耗高，坯料表面氧化严重，流失金属约占 坯料重量的5 1 2 ：锯屑、重熔加热期间的流汤、浇注系统和废品废料不能马上 回收，必须返回坯料制各车间或坯料供应商的生产厂，增加生产成本。 ( 2 ) 坯料的液相成分不能过高，否则成形复杂零件时遇到困难，坯料的搬 运难以实现。 ( 3 ) 生产过程中控制任务重，除了对半固态浆料和坯料质量严格控制外， 还需要对重熔加热过程进行严格控制。 性价比是决定半固态成形技术应用的关键因素，近年来，半固态合金浆料 直接成形技术的研究越来越受到重视( 具有流程短、材料损失少、节能低耗， 易被中小型企业接受) ，成为降低生产成本的主攻方向。就目前发展趋势讲，一 种可以推广应用的理想的半固态成形工艺应具备以下三个特征： ( 1 ) 浆料制备工艺应高效、优质和低成本。 ( 2 ) 浆料制备工艺能够与原有成形工艺和设备衔接，即尽可能少的改动原 有成形设备( 如压铸机、轧机、挤压机等) 的结构，实现半固态浆料直接成形。 5 第一章绪论 ( 3 ) 整个成形流程能够实现有效、精确的工艺控制。 1 3 合金半固态浆料制备及直接成形研究现状 半固态成形技术的优越性完全依赖于浆料( 坯料) 所具有的特殊组织结构， 即细小球状固态颗粒均匀悬浮于液态基体中而形成的固液共存的半固态组织。 在半固态成形技术发展的不同阶段，研究者们开发了很多半固态材料制备技术。 我们知道，蔷薇状晶和细小等轴晶在液固共存条件下保温可发生明显的球 化。因此，在触变成形中，即使坯料的组织不甚理想，可以通过重熔加热阶段 来改善，所以触变成形对坯料的质量要求较低，常见的浆料制备方法有电磁搅 拌、机械搅拌、超声振动、s c r 、液相线铸造、喷射沉积、粉末冶金、化学晶粒 细化、s i m a 方法等。但在流变成形中，半固态浆料的质量( 固相的形态、尺寸、 多少和分布，固相间的体积粘合度) 只能在制备阶段控制，如果半固态浆料的 质量达不到要求，就会出现充型不完整、液相偏析等缺陷。所以半固态浆料直 接成形的关键技术之一是如何快速获得与触变成形中重熔加热后相近的半固态 组织【3 4 1 。下面着重阐述半固态浆料直接成形及相应的浆料制备技术的研究现 状。 1 3 1 机械搅拌式流变射铸工艺 传统的机械搅拌式流变铸造【3 5 】中，半固态浆料的保存比较麻烦，需要对保 存坩埚或储存室进行预热和保温，半固态浆料的输送也不方便，要么输送容器 为一次性消耗品，在流变铸造时被压碎并混入浆料中而难以分离，要么半固态 浆料容易粘附在输送坩埚的内壁上，需要不断清理坩埚，无法准确保证流变铸 造所需的浆料体积，使流变铸造很难顺利进行。因此，传统的机械搅拌式流变 铸造一直无法进入实际应用。 在研究开发触变射铸技术的同时，美国康乃尔大学提出了单螺旋流变射铸 技术【3 6 】，这种技术集半固态浆料的制备、输送、成形等过程于一体，较好地解 决了半固态浆料在状态保持及输送等方面存在的困难。1 9 9 7 年，台湾新竹工业 技术研究院改进了立式流变射铸机，制造了1 0 0 0 k n 卧式流变射铸原型机，并进 行了镁合金和锌合金的流变射铸工艺试验【了7 1 。 在单螺旋机械搅拌流变射铸的研究开发过程中，英国b r u n e l 大学的f a n 和 b e v i s 于1 9 9 9 年提出了双螺旋流变成形工艺【3 8 , 3 9 1 。成形设备主要包括液态合金 6 第一章绪论 供料机构、双螺旋机械搅拌机构、压射机构和中央控制机构。供料机构可以向 双螺旋机械搅拌机构提供温度合适和数量合适的液态合金，在取螺旋搅拌机构 中设置了许多加热和冷却通道，可以精确地控制合金浆料的温度，当输送阀打 开时，半固态合金浆料进入成型设备。其工作原理是利用双螺旋的旋转使金属 液呈“8 ”字型运动，产生剧烈的紊流，增加剪切率来达到细化晶粒、均匀成份 的目的。 图12 为r h o e - c a s t i n g 流变压铸设备简图，包括高压压铸机、双螺旋搅拌制 浆机构和浆料蓄积器。其中浆料蓄积器用于蓄积浆料，实现压铸4 k g 以l 零件。 图13 为l m 2 4 合金流变压铸成型件的微观组织。 闰12 流变压铸啦备简崩 缀黼 震籀险黼 黧懑 ：蘧 圈13l m 2 4 台金流变压铸成型件的微观组织 2 0 0 2 年北京科技大学康永林等利用金属液流经旋转的斜锥形内外桶间的缝 隙形成剧烈剪切应力场作用的原理，开发了锥桶式半固态流变成形装置，用于 铝合会和镁合金等进行半固态浆料制备及直接流变成形【4 “。该装置主要由送料 机构、剪切机构、射压机构、温度摔制装置和气体保护系统构成，如图14 所示。 第一章绪论 圈1 4 锥桶式半固态流变成形装置简图 将舍金熔化到一定过热的液体，通过提升塞棒使低过热熔体通过导流管进 入剪切机构，由于内桶的高速旋转，合金液在内外桶的缝隙问收到剧烈的机械 剪切作用，通过温度控制装置的调节使台金液迅速达到预先设定温度，从而达 到具有理想固相分数的半固态浆料。通过调节外桶底部的单向阀将定量的半固 态浆料送入挤压缸，再通过挤压杆的挤压作用将其压入模具型腔并快速加压 成形。剪切时间、剪切速度、半固卷浆料温度、成形压力和保温时间等重要参 数将根据成形件性能要求进行调整。整个过程在一个完全封闭的环境中进行。 对于易燃合金采用惰性气体和阻燃技术相结合实现安全熔化和加工。 经过对s n - 1 5 p b 合金、m g 一3 0 z n 合金及a z 9 1 镬合金的半固态流变成形实验 表明，利用该装置制各的成形件内部化学成分均匀，微观组织细小均匀。图15 为这= 种合金的微观组织。该工艺具有结构简单紧凑、剪切速率高且调整灵活 的特点。 圈1 5s n - 15 p b 台金、m g - 3 0 z n 台金及a z g l 镁合金半陶态组织结构 8 第一章绪论 1 3 2 压室内制浆式流变成形工艺 为了避免半固态合金浆料的存储和输送，日本h i t a c h i 金属有限公司的 s h i b a t a 等于1 9 9 5 年前后提出压铸机压室内电磁搅拌制备半固态浆料，然后直接 压射成形的技术方案【4 l 】，如图1 6 所示，开创了非接触式制备浆料流变铸造的 先例。图中所用的压射室具有特殊结构，以减少压射室产生的感应电流，强化 电磁搅拌效果。 外器 崖 _ 良 亿盯 图1 6 压射室电磁搅拌制浆及流变成形示意图 2 0 0 2 年，北京科技大学毛卫民等提出两段式电磁搅拌制浆流变成型形工艺 1 4 2 j 。其核心思想是：将低过热度的合金液浇注到承接容器中，对合金液施加短 时弱电磁搅拌，初步得到球状初晶半固态浆料，经过进一步控冷，使浆料冷却 至特定温度，初生晶形态获得进一步改善，最后将承接容器中的半固态浆料倾 入压铸机压室，进行流变压铸。该制浆工艺的特点是将低过度浇注和电磁搅拌 相结合，改变传统电磁搅拌高能耗的缺点，降低了生产成本。 相对于机械搅拌式流变成形而言，电磁搅拌式流变成形的最大优势在于非 接触性，从而保证了浆料质量，并且电磁搅拌易于调整。但电磁搅拌总体效率 低、能耗高，仍然容易引起合金液的飞溅和氧化。为此，s h i b a t a 等提出一种新 技术方案【4 3 】：压射室与图1 6 类似，将0 6 0 m m x l 2 0 m m 的压室预热到不同温度 ( 2 5 7 0 0 ) ，再浇入不同温度( 6 2 5 6 6 0 ) 的a 1 s i 7 m 9 0 3 铝合金熔体，当合 金熔体心部温度冷却到6 0 0 时，将半固态浆料压入型腔。试验表明，浇注温度 较低时，如不超过6 3 0 ，a 1 s i 7 m 9 0 3 铝合金熔体心部的初生固相呈球状；在同 一浇注温度下，压射室预热温度过高，浆料心部初生固相形态变差，适宜的压 射室温度不应超过3 7 0 。之后，h i t a c h i 金属有限公司对压射室制浆流变成形工 艺作了进步改进，用电磁泵和热管将熔化炉中的铝合金液直接送入压铸机压 9 第一章绪论 射室，避免与空气接触，再通过氩气保护，进一步减少浆料中的氧化夹杂物； 压射室外增加了感应线圈，用以均匀半固态浆料的温度场。从1 9 9 9 年开始，该 技术已经由于汽车零件生产。改进的压射室制浆流变成形工艺充分利用了低过 热度浇注理念，具有工艺简单、流程短的特点，但压铸机压室内浆料制备的效 率低下，难于实现连续性生产，降低整体压铸生产效率，浆料的热冲击会降低 压射室寿命，压射室的机构改造过于复杂，增加成本。 1 3 3 超声振动方法制备半固态金属浆料 超声振动方法制备半固态金属浆料的基本原理m 】为：利用超声机械振动波 扰动金属的凝固过程，细化金属晶粒，获得球状初晶的半固态金属浆料。超声 机械振动波作用于金属熔体的方法一般有两种：一是振动器直接作用于金属熔 体，二是振动先作用在铸型上，通过铸型再作用在金属熔体上。超声振动方法 不仅可以制备半固态浆料，也可以连铸半固态坯料，其优点为：方法简单，易 于实施，成本低；超声振动可以一直加在合金熔体上；超声振动不仅可以细化 晶粒，还可以消除熔体中的气体，减少金属熔体内的氧化夹渣物，改善熔体的 均匀性。其缺点是：在金属熔体中，超声振动波衰减严重，不易达到较深或较 远的区域。目前该方法仍然处于研究探索中，尚未进入实际商业应用。 1 3 4 液相线铸造( l i q u i d u sc a s t i n g ) 制浆工艺 液相线铸造法是由我国东北大学和澳大利亚墨尔本大学联合研发的半固态 浆料制备技术【4 5 1 。该方法主要思想是：采用控制浇注温度，即将合金熔液在其 液相线温度附近( 液相线温度以上3 5o c ) 经适当保温后( 获得具有均匀温度场) 浇注，通过控制冷却速度和冷却强度获得细小、非树枝状的微观组织。经过二 次加热后可以获得适用于触变成形的触变结构。 毛卫民等也研究了低过热度浇注对a i s i 7 m g 合金线为组织的影响，并探讨 了浇注高度对显微组织的影响【4 6 1 。试验结果表明，浇注温度和浇注高度对 a i s i 7 m g 合金的凝固组织都有较大的影响，当浇注温度接近液相线温度时， a i s i 7 m g 合金的初生固相呈现球状或粒状( 最佳浇注温度为6 1 5 ) ；在较高的 浇注高度下，可以适当地提高浇注温度( 如6 3 0 ) ，a i s i 7 m g 合金浆料也可以 获得优良的球形初生固相。 液相线铸造一般不采用任何搅拌，具有设备简单、工艺简化的特点，但液 1 0 第一章绪论 相线铸造对温度控制的精度和均匀性要求非常高，在实际操作中有较大困难， 特别是大尺寸坯料微观组织的均匀性方面。 1 3 5n e wr h e o c a s t i n g ( n r c t m ) 流变成形工艺 1 9 9 6 年，日本u b e 公司提出c o o l i n gs l o p e ( 倾斜板浇注式) 制备铝合金和 镁合金半固态坯料的新工艺，并在欧洲申请了专利【4 7 1 。倾斜板一般是由合金钢 或石墨制成，其内部通水冷却，表面喷涂一层氮化硼( b n ) ，以防止半固态金属 粘附在冷却斜板表面上。其原理为：将略高于液相线温度的熔融金属倒在冷却 板上，由于倾斜板的冷却作用，在板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板壁上脱落并翻转，以达到搅拌效果。通过倾 斜板的金属浆料落入结晶器，控制结晶器温度，获得均匀的温度场或固相分数， 即缓慢冷却，冷却到一定的半固态温度后保温，达到要求的固相体积分数，随 后可进行触变成形，或将结晶器中的半固态浆料送入压铸机或挤压机的射室、 锻造机的锻模中进行流变成形。在浆料的运输中，结晶器可以盖上低导热的上 盖，可以放在圆盘或带式传送机上，圆盘或带式传送机布有均热装置，借此调 整浆料的温度场。制浆阶段主要有三个工艺参数，即浇注条件、倾斜板长度和 倾斜角度。 自2 0 0 0 年，日本o s a k ai n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y 将双轮牵引式和带轮牵引式 薄板轧机和倾斜板相结合，以低过热度浇注方式制备铝合金半固态浆料，从而 实现铝合金薄板坯的高速轧制【4 引，工艺原理如图1 7 所示。双轮牵引式轧机适 用于糊状凝固的铝合金薄板坯连轧，而带轮牵引式轧机适用于逐层凝固的铝合 金薄板坯连轧。利用双轮牵引式半固态铝合金薄板连轧机可显着提高轧制速度， 如6 0 0 6 0 5 的半固态a 3 5 6 铝合金奖料的轧制速度可达到9 0 m m i n ，薄板厚度 为2 2 5 m m 将板坯二次轧制到0 5 m m ，经t 6 热处理，薄板的抗拉强度达到 2 7 0 m p a ，伸长率达到1 8 ；经过退火处理，a 3 5 6 合金薄板弯曲1 8 0 度，表面不 会产生裂纹，韧性得到改善。 m e l t 哪 一三二舢 图1 7 双轮牵引式和带轮牵引式薄板轧机和倾斜板相结合的工艺原理图 第章绪论 倾斜板浇注式流变铸造f 艺具有设备简单、流程短和低成本等特点，但温 度控制难度大。于是u b e 公司对其冷却方式和后续处理进行了改进，开发出一 种新工艺，即n e wr h e o c a s t i n gm r c t m ) p r o c e s s 流变成形工艺m ”。首先将低过 热台金液浇入到具有特殊结构的不锈钢结晶器，在浇注过程中激发台金熔体形 核，通过控制冷却强度促使初生固相呈近球形生k ，调整浆料温度，获得一定 固相分数的半固态浆料，并利用感应加热使浆料温度场均匀化利用肌肤效应 使浆料和结晶器内壁分离将结晶器反转，使半圆态浆料滑入压筒，直接进行 压力成形，如图l8 所示。目前应经利用该工艺成功制备了铸造铝合会 a i s i 70 m g 、锻造铝合金a i m g s i l0 和a z 9 1 镁合会的半固态浆料。 p o ur t n gc o o l i n 9a d j u s t m e n t i n v r s i o n c a s t i n g pr o d u c t 、啐罱。i 置b 惑啐固。翎 幽18n r c 梳变成形原理示意目 n r c t m 技术可明显缩短金倒半崮奄成形的工艺流程，实现浆料直接成形， 实现原地回收，降低生产成本。u b e 公司已经推出h v s c p l 型流变压铸样机 s o l ，如图1 9 所示并已经在意大利s t a m p a l 等公司投入使用，己成功生产的 汽车零件有发动机支架( 材料a 3 5 7 ，性能要求：近成形、高延展性，高强度， 可进行”热处理) 、上控制臂( 材料a 3 5 6 ，性能要求：近成形，高抗冲击性能， 可进行t 6 热处理) 、悬臂( 材料a 3 5 7 ，要求：近成形、高延展性) 和发动机泵 体( 材料a 3 5 6 ，要求：高密实性、高疲劳寿命) ，其中n r c t m 生产的发动机 泵体的疲劳寿命是高压铸造工艺生产的3 8 0 锅台金发动机泵体的3 倍。 = ! ：；。筝簿蓊 ：二_ 坤 卜一 + n 二 一 寿j 谤鼍旗、$ 二鳍l ：c j挎t刮j眭 黜谢“。= = = 兰勰：嚣一“ 凹l9h v s c - p l 型n r c 流变压铸样机 第章绪论 1 3 6s e m i - s o l i dr h e o c a s t i n g ( s s r 川l 工艺 2 0 0 0 年，美国麻省理工学院的m a r t i n e z 和f l e m i n g s 等提出了s s r l m 流变 成形工艺5 “，工艺流程如图11 0 所示。首先将低过热度的台金液( 以a 3 5 6 合 金为例，过热度仅为7 c ) 浇注到制备坩埚中，利用搅拌器对坩埚中的台金液进 行短时弱机械搅拌，使合余熔体冷却到液相线以下( 低于液相线2 ) ：然后移 走搅拌器，待坩埚中的半固态台金液静态冷却到预定的温度或固相分数后，将 其倾八压铸机压室，进行流变压铸。 圈11 0s s r l ”流变成形工艺流程 m i t 的研究表明口“，制备非枝晶半固态浆料的关键因素是：在舍会凝固初 期( 冷却经过液相线附近很窄的温度区自j ) ，形成快速冷却和较强对流的复合作 用，快速散去台金熔体的过热。使台金熔体各处均处于形核和凝固中，形成一 定量的初生晶核后，搅拌就失去了作用即可停止搅拌，在此后的静态控冷过 程中初生晶就会转变成球状晶粒；而合金熔体温度低于液相线再进行搅拌，对 最终的半固态组织影响甚微。 s s r t m 工艺制各的半固态浆料的初生品粒中夹裹韵液相很少，这会提高浆 料在成形时的流动性，便于成形复杂零件。从整个工艺流程看新m r r 制各方 式简单、便于过程控制随后的流变成形工艺流程短，生产成本低，应用前景 很光明。该工艺曾在2 0 0 1 年北美压铸会议上讨论，并于2 0 0 2 年转让给i d r a c a s t i n g m a c h i n e s 公司。在m i t 研究成果基础e ，l d r a 公司开发了半固态浆料制 各设备s s r t ms t a t i o n ，该设备能够方便地与现有成形设备相结合。目前，已经 利用s s r t ms t a t i o n 成功低固相率压铸了3 8 0 铝合金，与传统高压铸造相比，气 孔牢得到降低，硬度相当，生产周期缩短约5 0 。 一 蚕一圜一圜一 第一章绪论 1 3 7c o n t i r u o q $ r h e o c o n v e r s i o np r o c e s s ( c r p ) 制浆工艺 2 0 0 2 年美国m i p 的a c r c 研究中心开发出c r p 浆料制各工艺p ”，该工艺 将具有特定过热度的两种台金液相同( 或不同) 温度下的两种成分相同( 或不 同) 的合金在一个特定结构的混合容器内混合，混合后的合金熔体凝固时就可 以制备出较理想的半固态浆料。图11 1 为a c r c 开发的试验装置，包括浆斟蓄 积器、独立的温控系统、可加热的熔体通道和混合容器。其中温控系统用于控 制两种浇注合金的温度，熔体通道将合金液由熔化炉输送到混合容器。混合容 器是该工艺的核心构件，具有特殊结构，主要作用是增强熔体凝固初期的散热 和紊流程度，激投合金熔体形核。该工艺主要有三个参数，即合金熔体混合前 的温度、混合时的传热速度及混合强度、浆料蓄积器温度。 文献 5 2 】表明，6 2 2 和6 2 4 的a 3 5 6 铝合金混合后的铸态组织为典型的非 枝晶形态，这种组织状态的的试样经过5 8 0 的重熔加热，初生周相完全呈球状， 几乎投有夹裹液相。a c r c 研究中心已经利用c r p 工艺成功制各了铸造铝台金、 锻造铝合金及铝铜合金，图1 1 2 为a 2 0 6 铝合金半固态浆料的微观形态p ”。 c r p 工艺目前正处于制备浆科研究阶段发展前景光明，但仍有许多问题需要 加咀解决，才有可能进入实际应用。 斟i 1 lc r p 浆料制各装置 戳 1 4 镁合金半固态成形技术的工业应用现状 目前研究和应用半固态成形技术最多的国家有美国、瑞士、意大利、英国、 法国、日本等。与铝合金半固态成形技术相比镁合金的半固态成形技术发展 较晚，目前成熟的技术只有触变成形技术。t h i x o m o l d i n g 设备主要分布在美国、 加拿大、日本、中国台湾、新加坡、马来西亚、德国、瑞典、中国大陆等地口”。 半固态触变注射成形技术促进了镁合金在汽车、电子仪器、消费类电子产品、 第章绪埝 手动工具、训算机、摄像机、投影仪、复印机、自行年等行业的应用，并取代 了部分塑料产品的市场。 1 9 9 5 年，美国的t h i x o m a t 公司的子公司l l n d b e 瑁公司利用触变成形 工艺为一些汽车公司生产了5 0 余万件的半固态镁台金铸件，如圆片离合器、 油泵箱、齿轮箱等镁合金汽车零件等。日本的一些公司利用触变成形工艺制造 咎动通讯手机外壳、数码相机外壳和微型便携式计算机外壳等。除此之外，美 国的a l u m a x 金属公司、威斯康辛触变成形发展中心，以及瑞士的b u h l e r 公司、 意太利的w e b e r 公司都已在进行规模化的半固态镁合会零部件的生产。最近西 方又在积极研制大型汽车零件，如汽车仪表板、车门、轿车座椅支架等。德l i 也推出了一个称为m a d i c a 的多学科交叉的项目，其中镁合金半固态触变铸造 就是其一，该项目涉及5 0 多家合作伙伴，产品对象为大型、薄壁、近终形箱体 和汽车车身零件。在亚洲。同本是从事半固态镁台金研究较早的国家之，其 中j s w 公司可以提供t h i x o m o l d e r 设备f 5 5 , 5 6 i 。 图ll3 所示是采用t h i x o m o l d i n g 技术成形的镁合会薄壁电器件【5 7 】。 图11 4 是美国t i a i x o m a t 公司采用t h i x o m o l d i n g 技术生产的镁合金汽车座 椅后背架、复印机齿轮和扇叶和集成电路芯片散热片。散热片的厚度只有 o3 5 m m ，散热片的间距也仅有02 5 m m l 5 ”。 图11 5 是台湾工业研究院开发研制的镁合金半固态流变成形的手机壳体 5 9 1 。 图l1 6 是a z 91 镁舍金半固态成形件1 删。 例l1 3 采用t h i x o m o l d i n g 技术成形的镁台金薄世电器什 第一章绪论 ( 曲( m( c ) 酗11 4 i 刮态触变注射成形的镁台金零件 ( 曲汽车座椅