（材料加工工程专业论文）铝合金半固态感应加热组织演变及流变特性的研究.pdf

2 0 0 4 年上海大学硕士学位论文 摘要 自从2 0 世纪7 0 年代初半固态金属成形技术问世以来，经过3 0 多年的研究 和开发，非枝晶铝合金的半固态成形技术已在汽车零件制造业中得到越来越广泛 的应用，其中非枝晶铝合金坯料的加热温度场、组织演变规律以及流变特性等研 究是半固态成形技术的关键工艺。 本文应用改进的a n s y s 软件对非枝晶a 3 5 6 铝合会在各种不同工艺参数下 ( 如加热功率、加热频率、加热毕停留时间以及试样尺寸等) 的感应加热温度场 及其分布进行了模拟，同时应用中频旋转式感应加热设备进行加热温度场的测 试。实验表明：为了获取精度而均匀的温度场，加热功率应在适中的范围内，频 率一般也选择中频范围，即6 4 0 1 0 0 0 h z ；坯料感应加热结束毕适当的停留，对 于进一步均匀坯料的温度场是有益的，但时间不宜过长；坯料应该是规则的且尺 寸与形状最好与线圈大小大致相当。 应用自编的图像分析软件对非枝晶a 3 5 6 铝合金感应加热组织中的初生0 【一 a l 晶粒的长大和球化等演变规律进行了研究。结果表明：在低于共晶温度时， 初生。【相缓慢合并长大，共晶s i 凝聚粗化，并随着保温时间的延长，颗粒进一步 粗化，但粗化速度非常缓慢：在高于共晶温度时，初生相a a 1 晶粒长大较快， 大部分的共晶s i 集聚粗化，且长大速度比较快。当保温温度和保温时间增加时， 晶粒明显长大，但圆整度变化不大，所以当坯料达到预定温度时，保温时间不宜 过长。 应用高温旋转粘度计对非枝晶a 3 5 6 铝合金半固态浆料的流变特性以及组织 进行了研究。结果表明：在连续冷却及恒定搅拌条件下，非枝晶a 3 5 6 铝合会的 表观粘度随着温度的降低先缓慢后迅速增大。而且冷却速率显著影响非枝晶 a 3 5 6 铝合金浆料的表观粘度，降低冷却速率，由于剪切更加完全，为此导致表 观粘度明显下降。显微组织观察表明，降低冷却速率有利于固相颗粒向非枝晶形 态转变，这是导致表观粘度降低的另一方面。 。 关键词i 非枝晶a 3 5 6 铝合金、感应加热、组织演变、流变特性、表观粘度 2 0 0 4 年上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es e m i s o l i df o r m i n g ( s s f ) t e c h n i q u eo f n o n - d e n d r i t ea l u m i n u m a l l o y sh a s b e e nw i d e l ya p p l i e di na u t o m o t i v ei n d u s t r ya f t e rm o r et h a n3 0y e a r s r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n ts i n c et h et e c h n i q u eh a db e e ni n v e n t e da t 1 9 7 0 s i ti sa l l i m p o r t a n tt o s t u d yt h et e m p e r a t u r ee v o l u t i o na n dr h e o l o g y o fb i l l e t si ns s f i nt h i sp a p e r ，t h et e m p e r a t u r ef i e l do fn o n - d e n d r i t ea 35 6a l u m i n u ma l l o yb i l l e t u n d e rd i f f e r e n ti n d u c th e a t i n gc o n d i t i o n s ，s u c ha s ，d i f f e r e n th e a t i n gp o w e r 、d i f f e r e n t f r e q u e n c y 、s o a k i n gt i m e a n dt h es i z eo ft h eb i l l e th a v e b e e ns i m u l a t e db yt h e i m p r o v e da n s y s s o f t w a r e m e a n w h i l et h et e m p e r a t u r ef i e l do fa 3 5 6b i l l e th a sb e e n m e a s u r e di ni n d u c t o ro fr e v o l v i n ga n dm e d i u m f r e q u e n c y t h ef o l l o wc o n c l u s i o n s c a r l b eo b t a i n e df r o mt h ee x p e r i m e n t s t h er e a s o n a b l ei n d u c th e a t i n gc o n d i t i o ni st h e m o d e r a t eh e a t i n gp o w e r , m e d i u mf r e q u e n c y ( 6 4 0 h z - 1 0 0 0 h z ) ，a p p r o p r i a t es o a k i n g t i m ew h i c hi sb e n e f i c i a lt ot h eu n i f o r m i t yo ft e m p e r a t u r ef i e l d ，t h es i z ea n ds h a p eo f b i l l e ti ss a m ea st h a to f t h ec o i l s t h e c o a r s e n i n ga n ds p h e r e c i z i n go f t h ep r i m a r y - a ig r a i n o f n o n d e n d r i t ea 3 5 6 a l u m i n u m a l l o y sd u r i n g t h ei n d u c t i o nh e a t i n gh a v eb e e nr e s e a r c h e db ys e l f - d e v e l o p e d i m a g ea n a l y s i s s o f t w a r e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e p r i m a r ya a 1p h a s eg r a d u a l l y e v o l v e si n t os p h e r o i d a ls h a p ed u r i n gs o a k i n gu n d e re u t e c t i ct e m p e r a t u r e ，e u t e c t i cs i c o a r s e n s ，t h el o n g e rt h es o a k i n gt i m e ，t h eb i g g e rt h es i z eo fs ig r a i n b u tt h es p e e do f c o a r s e n i n gi sv e r ys l o w h o w e v e r , t h ep r i m a r yq a ip h a s eg r o wu pq u i c k l yd u r i n g s o a k i n ga b o u te u t e c t i ct e m p e r a t u r e ，a n dm o s to fs ig r a i nc o a r s e n t h eh i g h e rt h e s o a k i n gt e m p e r a t u r e a n dt h el o n g e rt h es o a k i n gt i m e ，t h eb i g g e rt h es i z eo f ( z a ip h a s e b u tt h ed e g r e eo f s p h e r o i d i e i t yh a d n oc h a n g es ow h e nt h ep r e a r r a n g e dt e m p e r a t u r e o ft h eb i l l e tw a sr e a c h e d ，t h es o a k i n gt i m es h o u l dn o tb et o ol o n g t h em i c r o s t r u c t u r ea n dr h e o l o g i c a lb e h a v i o ro f t h es e m i - s o l i ds t a t ea 3 5 6s l u r r y i nc o n t i n u o u s l yc o o l i n ga n ds t i r r i n gp r o c e s sw e r es t u d i e dw i t hac o u e t t ev i s c o m e t e r t h er e s u l t ss h o wt h a t ，t h ea p p a r e n tv i s c o s i t yo ft h es e m i s o l i da 35 6a l u m i n u ma l l o y s l o w l yi n c r e a s e sf i r s t ，t h e ni n c r e a s e ss h a r p l ya st e m p e r a t u r ed e c r e a s i n g ，a n d i th a sa d e p e n d e n c eo n t h ec o o l i n gr a t e d e c r e a s i n g t h ec o o l i n gr a t ew i l ll e a dt ol o w i n go ft h e 2 0 0 4 年上海大学硕士学位论文 a p p a r e n tv i s c o s i t y t h ea n a l y s i so f m i c r o s t r u c t u r eo ft h es e m i s o l i ds t a t ea 3 5 6a l l o y s h o w st h a ts h a p eo fa a 1p h a s eb e c a m em o r eg l o b u l a ru n d e rl o w e rc o o l i n gr a t e k e yw o r d ：n o n d e n d r i t ea 3 5 6a l u m i n u ma l l o y s ，i n d u c t i o nh e a t i n g ，m i c r o s t r u c t u r e e v o l u t i o n ，t h e o l o g i c a lb e h a v i o r , a p p a r e n tv i s c o s i t y l 量 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有j 汉保留论文及送交论文复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 一衄：蛸吼 畔3 、j 口 2 0 0 4 年上海大学硕士学位论文 1 1 汽车工业中的铝 第一章前言 汽车是人类文明进步的产物，是人类工作、生活的最主要的交通工具之一。 汽车重量对燃料经济性起着决定性的作用。如图1 1 所示”1 ，车重每降低l o o k g ， 油耗可减少0 7 h l o o k m ，汽车工业为了减少汽油消耗，一般的途径是：提高发 动机效率( 从设计着手) ，减少行驶阻力，改善传动机构效率及减轻汽车自重等， 而最有效的是减轻汽车自重。为了减轻汽车自重，一是改进设计结构，二是选用 轻量化材料“1 。而铝合金是最佳的汽车轻量化用材，因此，以提高总体燃料经济 性和保护人类生存环境为目的的汽车轻量化运动，促进了铝合会件在汽车上的应 用。”。从7 0 年代石油危机以来，单车用铝量在逐年增加。资料表明，1 9 9 2 年日 本的中小型轿车单车用铝量增加至车重的6 以上，如图1 2 所示，这基本上 可以反映出工业国家的汽车用铝情况”。 随着汽车铝化程度提高，要求开发不同用途的新合金和不同规格品种的新铝 材，半固态金属成形技术可满足现代汽车制造业对有色合金铸件高致密度、高强 度、高可靠性、高生产率和低成本等综合要求，因而倍受汽车制造厂商以及零部 件配套生产厂商的重视【6 川l 。 2 0 0 4 年上海大学硕士学位论文 6 0 5 0 4 0 2 j o l o 水 咖| 赔 旺 * 瓣 l235 车重4 5 3 6 l o g 图1 1 车重和燃料经济性之间的关系 1 9 7 7 1 奠m 1 9 t , 1l 弼辱l g 睁1 9 赡 年份 幽1 2日本中小型汽车用铝量历年来的变化情况 1 2 半固态成形的概述 2 0 世纪7 0 年代初，美国麻省理工学院的m f 1 e m i n g s 和d s p e n c e r 等 1 2 1 研究 人员在自制的高温粘度仪中测试s n 1 5 p b 合金高温粘度时，发现固- 液相区间 的合金经过连续搅拌后呈现出低的表观粘度，此时在结晶过程中形成的树枝晶被 非树枝的粒状晶所代替。这种浆料很容易变形，只要加很小的力就可以充填复杂 的型腔，从而丌发出一种新的金属成形方法一一半固态金属成形( s e m i s o l i d 1：意n叫。咖端亲篓 6 5 4 3 2 j o 2 0 0 4 年上海大学硕十学位论文 m e t a lf o r m i n g ) ，简称s s m ( 或s s f ) 。 1 3 半固态成形技术的优点 目前，半固态令属成形技术在工业生产中主要用于生产近终彤( n e a rn e t s h a p e ) 的铝镁合金零件。这些零件的主要键槽和定位结构均可直接成形，具有 与机械加工零件相近的公差”“。半固态成形工艺不但可以生产少、无切削的零 件，而且还具有很高的生产率，使其成为具有巨大应用潜力的新一代成形技术。 与普通的加工方法相比，半固态成形技术具有以下优点m j ： 1 ) s s m 的铸件的凝固收缩减少，铸件尺寸可以与成品零件相等，极大的减少了 机械加工量，甚至可以得到无加工余量铸件。 2 ) s s m 消除了常规铸件中的柱状晶和粗大晶，组织细小致密，不存在宏观偏析， 成形时不易裹气，铸件性能优异且可以进行随后的热处理强化。 3 ) s s m 大大地减少了成形模具的热冲击，其原因为：( a ) 半固态金属进入成形 模具的方式与全液态成形截然不同，半固态金属充型平稳、无湍流、无喷溅： ( b ) 与液态成形相比，s s m 浇注温度降低了几十度，充型时半固态金属有 近5 0 的熔化潜热散失掉。 4 ) s s m 在成形过程中不直接处理液态金属，便于实现高度自动化，改善了劳动 条件，生产趋于更安全。 5 ) s s m 凝固时间短，缩短了生产周期，从而有益于提高生产率。 6 ) s s m 在制备非枝晶半固态金属浆料的过程中，很容易向高粘度的浆料中加入 短晶须、短纤维以及颞粒等增强材料，从而实现非连续会属基复合材利的制 各。 7 ) 与固态金属模锻相比，s s m 的流动应力显著降低，因而s s m 模锻成形速度 高，可以成形十分复杂的零件。 f 由于金属半固态成形具有上述的一系列等突出优点，因此该技术受到啊内 外学者的广泛关注，并投入大量的人力与物力进行基础研究和产业化研究。1 9 9 0 年至今己连续召开了七次半固态专题国际会议。经过3 0 余年的研究发展，现已 经航空、电子、机械等工业，尤其是在汽车工业中得到越来越广泛的应用肾2 ”， 2 0 0 4 年上海大学硕士学位论文 发达国家已经逐步进入工业实用阶段，我国也在该领域进行较广泛的基础研究与 产业化的前期2 7 啦! 。由此可见它必将成为2 1 世纪金属加工技术的重要发展方向 之一，是面向未来汽车，航天、航空等零件制造技术中最具有应用潜力的成形技 术之一。 1 4 半固态金属成形的主要工艺过程 半固态金属成形工艺依照金属锭坯的制备状态分为流变成形和触变成形。 r l 1 见图1 4 所示”“。流变成形是指在液态金属的凝固过程中，当金属温度处于在 相图中的固相与液相之间时，由机械或其他方式搅拌而生成近球状非树枝金属浆 ( s l u r r y ) ，继而直接将这种半固态金属浆在高压下加工成产品。但由于直接获得 的半固态金属浆液的保存和输送不方便，工艺参数较难控制，因而投入实际庸用 较少：触变成形是指将己经制各好的具有近球状非树枝组织的金属锭坯切成片或 规定长度的料，感应加热至半固态糊( m u s h y ) ，将料放入压室或锻造模内加压 成形。由于半固态金属锭坯的加热和输送方便，并易于实现自动化操作，因此半 固态金属触变成形是当今半固态生产的主要工艺方法”1 ；具体见图i 一3 所示。 流变成形 触变成形 、9 ， 、a 1 、。- - 一 夕 时间 图1 3 流变成形与触变成形的比较 a ) 获得半固态绸织b ) 成形 2 0 0 4 年上海大学硕士学位论文 燮誉二二器啼姜。超 川_ ! l 、煅掀艺瓤苎，! ! 璺：、。、一： 幽1 41 | = ：固态成形的：1 j 艺路线及示意图 1 5 非树枝晶坯料的制备技术 半固态金属成形技术的发展主要是在非枝晶半固态金属坯料的制备技术、坯 料的半固态重熔技术、成形技术以及基础理论的研究等方面瞰3 ”。所峭扯扣寸枝 晶金属坯料的制各就是采用一定手段使凝固坯料中的固相以等轴颗粒状分布于 液体中。目前，普遍采用的方法是凝固过程中对熔体施加强烈的搅拌作用，使树 枝状晶体破碎为颗粒状。 非枝晶金属坯料的制各方法有吲：机械搅拌法、电磁搅拌法f e m c ) 13 9 - 4 0 1 、 电磁脉冲加载法、超声振动搅拌法( u v s ) 【4 2 、外力作用下合金液沿弯曲通道 强追流动法、应用诱发熔化激活法( s i m a ) 4 4 1 及喷射沉淀法( o s p r a y ) 4 5 1 等。 1 ) 机械搅拌法 机械搅拌法通常可分为不连续搅拌法( b a t hm e t h o d ) 和连续搅拌法 ( c o n t i n u o u sm e t h o d ) 。机械搅拌法设备简单，容易控制工艺参数，从而可方便 地用于研究金属的搅拌规律和s s m 的流变特性：但由于搅拌器与会属熔体直接 接触，因而搅拌器的寿命低而且容易污染。所以机械搅拌法只适合于实验室的研 究工作，无法满足工业生产的需求。 2 ) 电磁搅拌法 电磁搅拌法是利用电磁感应力的作用将生长的树枝晶破碲成颗粒状，属于 2 0 0 4 年上海大学硕士学位论文 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6 工 业应用的主要方法之。这种方法也适用熔点较高的合金。目前，在工业生j “。 】 占主导地位的电磁搅拌技术称为m h d ( m a g n e t oh y d r o d y n a m i c ) ，用于生产连续 铸锭，其中铝合金锭的直径达3 8 1 5 2 m m 。电磁搅拌法的主要缺点是：( 1 ) 由 j ：感应电磁力从熔池边界到半固态浆料中心呈衰减的趋势，因此这种方法不适合 制各大尺j 。的半固态金属锭料；( 2 ) 交变磁场，电能消耗大；( 3 ) 能源供给、定 子等装置体积大而且成本高：( 4 ) 熔融金属四周有凝固外壳形成时，搅拌效果大 大减弱。 3 ) 应变诱导熔化激活法 应变诱导激活法( s t a i n i n d u c e dm e l t a c t i v a t i o n ，简称s i m a ) 首先铸造出 品粒细小的常规铸锭，再使之进行大的挤压变形，然后加热到固液两相区以得到 s s m 原料。该法的金属纯净、产量较大，也是当前工业生产中采用的主要技术 之一一。但是，s i m a 法要增加一道预变形工序，而且仅能生产小型零件。 4 ) 剪切冷却辊法 作为机械搅拌的特例，剪切冷却辊技术可以在高冷却速度条件下制备高回 i 且率的半固态金属浆料。对于常规机械或电磁搅拌技术，在固相率很高时，山j 浆料粘度激增，将会导致流动性下降以致于连续排除困难。剪切冷却辊装置的回 转辊可以将高固相率的半固态金属浆料强制排出，而且辊子转速与浆料排出速度 成正比：在水冷辊的冷却作用下，可获得微细结构的半固态金属。 5 ) 喷射沉积法 先把熔化的金属液雾化，然后在喷射气体作用下部分凝固的微滴直接沉 积在收集基板上。但每个熔滴的冲击能够产生足够的剪切力打碲熔滴内部形成的 枝晶时，凝固后便成为颗粒状组织，经加热到局部熔化时，可得到具有球形颗粒 的半固念坯料。 1 6 非树枝晶半固态金属合金坯料的二次加热及数值模拟 为获得压铸时具有良好触变性能的半固态浆料，应将非树枝晶合金坯料二次 加热到固液两相区，使坯料原始组织中的初生固相颗粒成为游离态，并控制液相 体积分数在4 0 6 0 范围内，以使坯料具有良好的触变性。非树枝晶坯料常 2 0 0 4 年上海火学硕十学位论文 t m 。匀汉枷热l 法址感j 、i 肌热，这主要是由于感应加热具有以下的优点： 11 加热速度快，这就可以大大地提高加热装胃的生产率，并耳可以将它和乐铸、锻 造、轧制及其他成形设锯连成不问断的牛产线。 1 1 加热坏料氰化少，成形件内部无氧化夹杂及疏松，外观光洁，性能提高，从而可 f 筝r i 柏l 进j ；u 鹩i 谇汁；! 能17 岂过a 2 。 ：敞加热的金j 出和i u 源没t i i l l _ 接的联系，这就为加热装代的哎汁妯i 造创造j 业为 方便的条件。 l 一加热规范稳定，这姚俅了金槭f i j j l 热和善什成j | 三过“m ；j j 化的i ，j 能- m 简化了自动 线嗣i 流水线n 0 小j 纵纵。 j ) 加热适应范围大，【! | j 刈。】：符种断形：佚以及k 宽比值1 _ 1 i 州的毛坯，部能均匀加热。 6 )加热场所沾净、i | 1 【l jl l i 没啊炙热和娴扶，改善了劳动条件。 近几年来，数价模拟技术褂j j | j 迅速役眨，l 二心川到罔l t 绛济的符个领域。半 态j 一肌：技术旧成功f 蜒川l ) c 决j ：刈锭h i u 聪搅拌铸造、；j i 枷热刺 j 续j i 、力 卜i m 。一| ，惫利奉1 触! 变成彤等过稚的仃效控捌。采川计竹机横拟投术州究流7 坚铺j 童、 ，：加热和触变成彤过稚，对工艺的优化、制州门纰纵f i ：能挎：削仃i l 唆的作川。 。q 态自! 变成j | = ；时般采川f 巳触蟮 电加热坯料以醺新扶i j “j 定川棚分 数和触，叟性能的非树枝晶半直| 态组织。而采用计算机模拟二次加热过程中的湍度 场分如既n j 以优化上艺参数，义口儿、节约大量的人力、物力。因此材料研究l 作 者进行了大昔的计算机模拟研究i 作： h i r t 等4 6 峰。用修m o 癸力；办样球斛感应l u 磁场，剪瞧剑铸锭农1 f | f | o 辄射羽 流换热行为，采用有限等分法计算网梓坯感戍加热过稗中的温度场和液相体积分 数，计算结果和实验条件下的加热和熔化行为相吻合。 g l b s o n 等【4 74 8 1 开发出一套模拟自限长度铸锭感应加热过柙的多功能软件一 - - s c e d d y ，可对感应一次加热过程中半同态材料内部温度变化进行可靠的模 拟，乃制定l i 岂参数抛供l ：“：f | j 保证。特! l j 】j 足、r 商熔j 7 i 材：| i ：| 进ij ：媾j 、i 加热时，由 。轨1q jf 段磐i l l 啦n ，队l e t t 阳d f 变梯j 盐增人，会旨j 致4 体干i ：分数和惟“k i 划17 楚；缸二巩 能+ 1 i 小均匀等系刈叫腿。这可通过降低合金表辄( 川系数l 啦亿胍映m 洲 州卅人i u 流频率等j 二j ：解决。 z a v a l i a n g s l 4 9 】采川f j 限刈、i q , - 4 态材料| 0 流变行为进行j ，锁拟。建jr 、t d 冬 2 0 0 4 年上海大学硕士学位论文 材料的流变模型；利用多孔材料的伪塑性模型确定同相和液相的流变行为，导出 固相和液相的连续性方程，并模拟了s n 一1 5 p b 干金模：时的变形玎山吼殷销合 余不同摩擦条件和变形速率下压缩时的液相分数变化等。 t i m s 等p 叫在a n s y s l m 半台卜模拟1 r 铝合会二次加热、锭坯夹持利胝铸过样， 训了j f i 铸件绝热条仆r 液牛偏析i m i 1 分数变化舰律。所开发的s - w o l f 软采】划、m 。忿r p l ：挑鳞过利中的应力、应变、嗍i i 液牛“i 6 耵阳嗽 瞍进仃模拟强。 这建”， ：a n s y s 7 m 、i7 f ? r f 门接il 软t h ij f o i fr _ j j 、汛l f 里及。r 1 j l f - - j f 睁：队条 件下的半固态材料成形工艺进行优化设计。 塔* 人多数t i l l 。宄打采川商j l k y l 限止歧柏限蕾分软什进 儆拟汁辫，并且在一 j 己剃瞍l ：i t r 以狮述、m 。4 忿利科花剪心，j 作川卜的流变行为，但由于半固念合金 的触! 变r k 能的4 ，殊陀，禁n t ? t i j i + 究结果尚1 i 能j e 个解释变形过程小的j 脱缘，如 时间对粘度的影响等。 1 7 半固态金属成形技术的工业应用和研究情况 1 。7 1 国外的发展情况 由十半川态成犁技术所其有的优势和发展潜力，其m 姚小久即引起了世界各 创的关心和重视，并积极进行这方 f 的研究，小仅存理论卜取得r 迅速发展，在 丰f i 进其产、i p 化方向也做m 了努力。目前，圈外半1 古1 态技术现已进入q i , l k 府用阶段， 欧美旧家用半l + i 态成犁技术牛产的零件已绎进入市场，r 本也初步其各了商、1 k 化 生产的能力“，炎订：此技术的j l ：发埘究和1 、训lj 等， i 处j 个球锄先jf , z 。 半固念加工技术最广泛的应用主要集中在汽车工业，用以进行汽车零件的近终形 制造以及使其轻量化；j 外，这项妓术也傲越来越多地川川。l j j 也航夺、l j 器、仪 表等工业的主要构件一一。 美国a l u m a x 公id 二1 9 9 4 l 建j 7 铺个川、i j 态成彤7 i - j 、汽乍譬r 卜i 门l2 厂，每年可生产2 4 0 0 j 个岑部什，1 9 9 6j f ：还( i i l ；, q nn 洲筹建丁三j ? 个、i i 态技 术i 。j ，亥公f l _ j 能牛j “：质j l 从1 0 9 到1 0 k g 、直径为5 0 0 m m 的零件，该 2 0 0 4 年上海大学硕士学位论文 公司在1 9 9 5 年生产出了3 5 0 多万件汽车零件，其中一个厂主要生产汽车卒调箱， 已为美国的汽车公司提供了2 5 万多件汽车空调箱体，另一个厂的主要产品为火 箭架底座，己生产了2 0 0 多万件，该公司还为国外提供刹车、发动机燃料输送系 统以及悬挂件等，已有几百万个零部件交付使用，并每年以多生产百万件的速度 增加。此外，美国还有数家公司正准备采用半固态成形技术生产铝合会产品，其 产品主要着眼于汽车工业市场。 瑞士b u h l e r 公司用最大压力为1 8 0 0 0 k n 压铸机生产出了铝合金汽车悬挂 件，自行车零件和汽车转向齿轮等，并已进行系列化生产，供应世界各地的用户。 意大利w e b e r 铸造厂针对s s m 压铸技术减少加工余量和代替原来费用很 高的工艺或材料的两个目的，选择了汽车喷油系统中的“油道”和其他铝合金零 件作为试制产品。这些零件质量要求很高，并且要求耐腐蚀，其形状尺寸加工难 度大。采用s s m 压铸工艺后，利用一根直径为0 8 m m 、长为3 2 m m ( 锥度为0 0 4 ) 的钢芯，就很方便地加工出油道7 l ，比原来的生产费用减低5 0 。a l f ar o m e o 公司为g t v 和s p i d e r 高性能赛车开发了铝合金的多臂悬挂件，而该零件的质量 只有187 k g 。 德国的e f ug m b h 公司用半固态压铸的方法制造了铝合金汽车主连杆，具 有叉筋的厚臂件( 臂厚2 5 m m 、长5 0 0 r a m 、宽9 0 r a m ) 。日本的h i t a c h i 金属公 司可用6 3 0 0 k n 立式压铸机进行a 1 7 s i 一03 m g 合金半固态压铸技术来制造汽 车零部件的生产，铸件质量达4 9 k g 。 17 2 国内的发展情况 目前，国外半固态成形技术研究和应用进行得十分活跃，从9 0 年代初开始， 半固态成形技术在国内也引起了有关人士的关注，一些大学和研究所在半固态的 理论方面进行了初步的研究，但和国外先进水平相比尚有差距，特别是竹 1 - 产麻 用方面几乎是空白 6 0 - + 6 2 ，因此，加强国内半固态成形技术的研究，特别是相关 的应用研究是十分必要的。 在理论研究方面，中南工业大学进行了“多层喷射沉积6 0 6 6 铝合金半固态 挤压”的研究，北京科技大学、北京冶炼厂、北京市机电研究院联合进行了“” 枝晶半固态a 3 5 6 合金的电磁搅拌及触变成形”的研究，北京科技大学进行了 9 2 0 0 4 年上海火学硕士学位论文 “a 1 s i 7 m g 非枝晶合金半固态重熔加热试的组织演变”的研究，除此之外，哈尔 滨工业大学、清华大学也进行了一些相关的研究。 在应用方面，北京有色研究总院自行设计建成了半固态材料制备试验线，设 计能力达l o o t a ，对半固态金属铸锭制备生产工艺及凝固组织控制进行了较深 的研究目前已开发出中6 0 m m 中l l o m m 的a 3 5 7 、z l l 0 8 铝合金等，形成了一定 的生产和新产品开发能力，并与东风汽车公司合作完成了a 3 5 7 、z l l 0 8 两种铝合 金的半固态铸造，成功地挤压出汽车空压机连杆。上海大学”1 以博士生导师 许珞萍教授和邵光杰教授为学科带头人的科研队伍，在原国家经贸委、市科委、 市教委和上汽基金会等支持下，经过多年的艰苦攻关，至今已能用电磁搅拌生产 出尺寸为中4 0 m m 中2 0 0 r i o n 的非树枝状铝合金，同时半固态成形方面积也累了大 量科研数据和现场操作经验，为后续半固态技术的应用研究提供了有力的保证。 国内在半固态坯料制各及成形技术方面开展研究工作的单位主要有：清华大 学、北京科技大学、哈尔滨工业大学、东南大学、中南_ 1 ：业大学、北京有色研究 总院、北京市机电研究院、北京冶炼厂等。 1 8 半固态金属成形的研究开发方向 至今为止，国内外关于半固态金属加工技术的研究主要针刘半固念会属的浆 料制备技术和基础理论研究，以及工业应用等方面。 为了深入开展半固态金属加工技术的研究，并促使该项技术向产业化、商品 化转化，目前半固态金属加工技术在以下几个方面是值得探讨和研究的”。1 ： 1 ) $ s m 的流变特性与微观结构和加工过程有关。这需要精确认识和描述s s m 浆 料的结构和特性，以对浆料进行设计，使其与成形过程相适应。 2 ) 为了使半固态成形件的微观组织进一步细化，要求更有效地控制s s m 中固相 组分的原始颗粒尺寸和数量。 3 ) 在半固态加工过程中，材料自由表面可能会产生裂纹。有待于对s s m 的微观 结构、温度场以及其自由表面的应力状态进行深入研究。 4 ) 需要对s s m 的组织形成以及浆料特性进行定量描述。 5 ) 由于s s m 二次加热后，半固态合金具有固相存在，合金具有低的潜热，因此 2 0 0 4 年上海大学硕士学位论文 浆料凝固速度较大。这使得s s m 成形得模具设计和表面处理方式与铸锻工艺 有所不同。需要对此进行深入研究。 6 ) 着重分析半固态浆料中非树枝状组织的形成规律，进一步研究半固态金属加 工技术的微观原理，尤其是符合实际成形过程的动态组织性能研究。 7 ) 研究半固态金属加工过程中的计算机应用和自动化控制，确保工艺可靠性， 并进行半固态金属加工技术的数值模拟研究，为优化成形工艺提供依据。 8 ) 开发连续制备铝镁合金及其他合金系列的半固态金属铸坯的自动化生产及制 备余属基复合材料的生产工艺。 目前，世界各国都有许多大学和公司的研究机构都在从事半固态金属加工技 术的研究工作，并取得了很多有益的经验，从而为这项技术的发展奠定了基础。 1 。9 开展本课题的意义与目的 半固态金属成形技术是一种融合了铸造和锻造工艺的混合制造方法，被称为 二十一世纪新兴的金属制造关键技术之一，也是我国当前优先发展的高技术产业 化重点之一。自从2 0 世纪7 0 年代半固态金属成形技术问世以来，半固态金属成 形技术一直是金属加工技术研究的热点，世界各国都致力于半固态金属成形技术 的研究。因为半固态金属成形技术与其它制造技术相比有显著的优点：近终形的 成形工艺，成形温度低，既节约能源，又可提高模具的寿命；成形件表面平整光 滑；铸件内部组织致密、缺陷少、晶粒细小：力学性能好，因此普遍应用于各工 业领域中，尤其是汽车领域应用最为广泛。尽管如此，但由于半固态金属成形技 术属于跨学科( 成形力学、热力学、流体力学及计算数学等) 新兴领域，至今仍 存在不少问题需待解决，例如半固态坯料的制备中搅拌工艺的优化；半固态坯料 在二次加热重熔过程中温度场的精确控制以及组织结构的演变规律机理；半固态 加工的成形工艺的成形件性能的影响关系；半固态金属成形过程中的仿真与控制 等。同时鉴于我国在此领域的研究及应用水平仍处在起步阶段，远落后于发达国 家，为适应我国汽车向轻量化的发展趋势，因此，有必要通过本课题对半固态会 属成形技术作进一步探讨。 2 0 0 4 年上海大学硕士学位论文 1 1 0 本课题的主要研究内容： 本课题将主要研究以下内容： 感应加热温度场的计算机模拟及其感应加热工艺( 加热功率、加热频率、保温 时间等) 的优化研究； 非树枝晶铝合金坯料感应加热过程组织演变规律的研究： a ) 非树枝晶铝合金感应加热共晶组织演化规律的研究； b ) 非树枝晶铝合金感应加热初生q - - a l 长大规律的研究： c ) n a l 形状因子演化规律的研究； 非树枝晶铝合金坯料流变特性的研究： 2 0 0 4 年上海大学硕十学位论文 2 1 概述 第二章感应加热温度场的计算机模拟 计算机技术在近3 0 年内对包括材料科学在内的机械制造的发展与变革产生 了巨大的推动作用。以现代先进制造技术a m t ( a d v a n c e dm a n u f a c t u r jn g t e c h n o l o g y ) 及信息高速公路( i n f o r m a t i o nh i g h w a y ) 为代表的技术革命已在 机械制造业发生了翻天覆地的变化。 在材料科学领域，计算机的应用领域也同趋广泛，如铸造，焊接的汁算机辅 助分析，计算机检测、专家系统、信息处理系统、工艺安装设计的计算机应用等 等。在这些方面引入计算机技术，促进了材料加工生产过程管理的规范化、标准 化，大大提高了生产效率和生产品质，缩短了生产周期，降低了成本，增加了产 品在市场中的竞争力。 在半固态坯料触变成形之前，先要对坯料进行半固态感应加热，其足为了 获得不同工艺所需要的固相体积分数，其二是使剧烈搅拌获得的局部细小枝晶 碎片逐渐长大，并转化为球状结构。该方法具有很多优点，如加热速度快，加热 效率高氧化少及作业环境好等。然而坯料感应加热温度及其分布是否精确和均 匀将直接关系到触变成形的成败，因此，必须对铝台金的感应加热特性进行研 究，以便更好地控制半固态坯料二次加热时的组织形态和固相率，推进其在半 固态触变成形中的应用。由于金属半固态感应加热过程的复杂性，至今在感应加 热温度场模拟方面还存在不少问题，如模拟参数难于精确确定( 材料参数以及 随温度变化规律多而杂) 、材料感应涡流精确计算困难、模拟精度不高等，剀 此需要进行深入研究。 2 2 感应加热原理 2 21 感应加热的基础 通有交流电的线圈会产生交变磁场，磁场强度( h ，单位：a m ) 为 2 0 0 4 年上海大学硕士学位论文 h ：= 。4 n 。m l ( i ：线圈电流强度( a ) ；l ：线圈长度 当工件在通有交变电流感应圈中时 为： ( 2 1 ) ( m ) ；n ：线圈匝数) 在交变磁场作用下所产生感应电动势 s = 一竽= 一妒。2 衫c o s ( 2 矽)( 2 2 ) ( e 一感应电动势的瞬时值，巾一感应圈内交变电流所产生的总磁通，与交 变电流强度及工件导磁率有关) 因为工件本身犹如一个闭合回路，故在感应电势作用下将产生感应电流，通 常称为涡流( i ，单位：安培) ，此涡流在工件里产生热量，即焦耳热，其值为： q = ，2 月，= c 詈，2r ，= l ! 旦三i ；掣r r ( ：一，) ( q 一产生的热量，e 一感应电动势，卜加热时间，卜频率，巾。一最大磁通， z 一涡流回路阻抗r 一涡流回路电阻，x 。一涡流回路感抗) 涡流在加热工件中的分布由表面至中心呈指数规律衰减，这种电流分 布不均匀的现象，即为集肤效应。随频率升高电流集肤效应更加显著，相应 的电流透入深度可用下式表示： 嘎1 万j vp h x ，1 0 9 ：= s o ，s 岳 ( 万一电流分布的透入深度，c m ；p 一金属的电阻率 相利导磁率；f 一电流频率，h z ) ( 2 4 ) q c m ；，一金属的 从( 2 4 ) 式可见，电流透入深度( 占) 随着工件材料电阻率的增加而增 加，随工件材料的导磁率及电流频率的增加而减小，因此感应加热对，由于集肽 效应，坯料表面快速升温，而中心部分则需要靠热传导作用来升温。由此得出， 为了获得均匀的感应加热温度场，频率应越小越好。 铝在不同条件下的电流透入深度值如表2 一l ： 2 0 0 4 年上海大学硕士学位论文 表2 一l 铝的电流透入深度 条件 电流透入深度1 c m 频率f h z5 05 0 01 0 0 03 0 0 0 室温10 7o3 70 2 601 4 铝4 5 0 20 106 4 0 4 502 6 7 5 0 ( 熔化)30 71 1 7o 8 304 8 加热时的温度分布：当感应加热圆柱体时，由于集肤效应，只有表面会快速升温， 而心部则需要靠热传导作用来传输热量，因此升温速度慢，这可能造成工件心部还没 有达到预定温度而表层温度出现过热现象。表面温度与心部的温度差可由下式计算： r ：坐刍里兰( 2 5 ) k c 式中d 一工件直径；k 。一工件的热导率；k r 一与d 2 8 年np n p 。有关的修正系数。 当d 2 8 8 时，k l 值几乎与d 2 8 无关，而只与p 。p 。有关，且随p 。忆的增大而增大。 当d 2 8 8 时，k 【值几乎与d 2 5 无关，而只与p 。p 。有关，目随p n 心的增大 而增大。当d 2 5 8 时，k c 值随d 2 6 下降而迅速减小：p 。一功率密度；p 。= p 。一p ，： p r _ 一工件的散热损失。 从上式可知，为了减d x a t ，应尽量选小的d 2 5 值和小的k 。值。 工件感应加热同时会受到电磁搅拌力( f ) 的作用，其大小为： f ；型f 丝丫 z d l o l j 由上式可见，频率( f ) 增加，搅拌力下降，从该角度考虑，则需要高频率。 综合考虑上述对频率要求相互矛盾的几种情况，应该选用中频作为感应加热 2 0 0 4 年上海大学硕士学位论文 的频率，这样既兼顾到加热速度、搅拌力，同时又兼顾到坯料温度的均匀性。 出表2 7 及图2 一1 0 可见，随着频率的升高，试样的加热速度加快，这是 因为当频率提高时，吸收的功率增加，加热速度快。从提高加热速度考虑，频率 越高越好；但随着频率的升高，试样的温差也在加大，从降低温差看，频率越小 越好。根据温差在6 度范围内及加热速度综合考虑，频率最好选择中频 ( 6 4 0 1 0 0 0 h z ) 。 2 4 5 试样形状的影响 为了反映铝合金试样形状对感应加热温度及其分布的影响，我们对规则和 不规则的两种形状的试样在不同的频率下进行计算机感应加热模拟。两种形状试 样及其模拟温度取值简化如图2 1 l 。固定快速加热的电流密度为3 0 1 0 6 a m ! ， 慢速加热的电流密度为2 0 1 0 6 a m 2 ，且使试样体积相等。对其温度及温差进行了 记录，模拟得到的坯料温度场与频率如表2 8 ，中心温度、温差与频率的关系 如图2 一1 2 。 ( c m ) y 6 8 ，5