（材料加工工程专业论文）铝合金半固态成形件组织性能的研究.pdf

摘要 半固态金属成形技术与传统的固态成形和液态成形相比有显著的优点，因此 被称为2 1 世纪新一代的金属成形制造技术，其中铝合金半固态成形技术是目前科 研工作者研究的热点，而该技术的关键在于制定出一套完善的工艺参数。 本文首先利用差示量热扫描分析法( d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t e r ) 研究了非树枝晶a 3 5 6 铝合金坯料在二次重熔过程中固相分数随其温度变化的变化 关系；随后研究了半固态成形工艺对a 3 5 6 铝合金半固态成形件力学性能的影响， 从而优化其半固态成形工艺；接着又进步研究了t 6 热处理对半固态成形件微观 组织、宏观性能的影响关系，并采用透射电镜从微观角度刺铝合金半固态成形件 热处理强化机制进行了初步探讨。 试验研究表叫：采用d s c 法分析非树枝晶a 3 5 6 铝合金坯料在一一次重熔过程中 固相分数随其温度变化的关系是可行的，并具有操作简单、稳定性较好等特点： 在半固态成形时，对于复杂的模具，采用不低于2 0 0 。c 的模具预热温度，其成形件 会有较好的充型性能和力学性能；而对于简单的板材模具，模具温度可以采用1 5 0 ，其适当的压铸速度大约在1 o 1 5 m s 的范围之内，这时半固态浆料将以层 流的形式充型，这样其成形件可获得较好力学性能；当模具预热温度提高到2 2 0 时，采用油作为润滑剂也可以得到较好的效果。在进行t 6 热处理时，当固溶温 度低于3 8 0 。c 时，半固态成形件的抗拉强度和硬度随着温度的提高而下降；而当温 度大于3 8 0 。c 时，其抗拉强度和硬度将不断上升，这是因为：在固溶处理时，有两 个相反的因素影响着它：回复软化和固溶强化。由于强化相m 9 2 s i 的不断析出， 在随后的时效处理中，时效强化开始发生作用，半固态成形件的抗拉强度和硬度 会有不同程度的提高。在人工时效时，时效温度为1 7 0 。c 有较好的效果，但时效时 间不能太长，否则会发生过时效现象，造成其硬度下降，所以，对于a 3 5 6 铝合金 半固态成形件而言，其热处理强化的最佳工艺为：5 4 0 。c 2 h 固溶+ 1 7 06 c x 8 h 时 效。 关键词：a 3 5 6 铝合金；固相分数；半固态成形工艺；t 6 热处理；力学性能 显微组织； a b s t r a c t s e m i s o l i dm e t a lf o r m i n g ( s s f ) ，w h i c hw a sc a l l e dt h en e wf o r m i n gt e c h n o l o g yo f m a t e r i a l s i nt h e2 1 ”c e n t u r y ，o f f e r ss 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 ld i ec a s t i n ga n df o r g i n g a m o n g t h e m ，t h es s fo fa l u m i n u ma l l o yi st h ef o c u so fs t u d yn o w ，a n di ti si m p o r t a n tt od r a wu pt h e t e c h n i c a lp a r a m e t e r sf o rt h es s fo fa l u m i n u ma l l o y i nt h ep a p e r ，t h es o l i df r a c t i o ni na 3 5 6a l u m i n u ma l l o yb i l l e t sd u r i n gr e m e l t i n ga saf u n c t i o n o ft e m p e r a t u r ew a sf i r s ts t u d i e db yd s c ( d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t e r ) ，t h e nt h ee f f e c t so f t e c h n i c a lp a r a m e t e r so nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h es e m i s o l i dd i ec a s t i n go f a 3 5 6a l u m i n u m a l l o yh a db e e nr e s e a r c h e d ，a n dt h eo p t i m i z e dt e c h n o l o g yw a so b t a i n e d ，a tl a s t ，t h ee f f e c to ft h e t 6h e a tt r e a t m e n to nt h em 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 e t u r eo ft h es e m i - s o l i dd i ec a s t i n g s h a db e e ns t u d i e dt h er c l a t ix ，es t t e n g t h e n i n gm e c h a n i s mn f t h es e m is o l i dd i ce t a ；t i n g su n d e r t h et 6h e a tt r e a t m e n tw a sd i s c u s s e dt h r o u g ht e ma sw e l l i ti ss h o w nf r o me x p e r i n r e n t a lr e s u l t st h a tt h ed s cc a nb eu s e dt oa n a l y z et h es o l i df r a c t i o ni n t h er e m e l t e da 3 5 6a l u m i n u ma l l o yb i l l e t sa n dp o s s e s s e sa d v a n t a g e so fs i m p l e ro p e r a t i o n a l p r o c e d u r e sw i t hb e t t e ra c c u r a c ya n ds t a b i l i t y t h ep r e h e a t e dt e m p e r a t u r em u s tb eg r e a t e rt h a n 2 0 0 。cf o rt h ec o m p l e xm o u l d w h i l et h et e m p e r a t u r eo f15 0 。cc a nb ea p p l i e di nt h es i m p l ep l a t e m o u l d ，a n dt h es u i t a b l es p e e do fd i ec a s t i n gi sw i t h i nt h er a n g e so f1 0 - 1 5m s ，u n d e rs u c h c o n d i t i o n s ，t h es e m i s o l i dd i ec a s t i n g sh a v el a m i n a rf i l l i n gc h a r a c t e r i s t i ca n db e t t e rm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s w h e nt h ep r e h e a t e dt e m p e r a t u r eo f m o u l di si n c r e a s e dt o2 2 0 。c ，o i ll u b r i c a n tm a ya l s o r e c e i v eb e t t e rr e s u l td u r i n gs s f t h et e n s i l es t r e n g t ha n dh a r d n e s so f t h es e m i - s o l i dd i ec a s t i n g so f a 3 5 6a l u m i n u ma l l o yw i l ld e c r e a s ea b o u tb e f o r e3 8 0 。c ，a n dt h e ni n c r e a s ea f t e rt h i st e m p e r a t u r e ， t h i si sb e c a u s et h e r ea r et w oc o n t r a d i c te f f e c t s ，t h a ti sr e c o v e rs o f t e n i n ga n ds o l u t i o ns t r e n g t h e n i n g d u r i n gs o l u t i o nt r e a t m e n t a g e i n gp l a y sm o r ei m p o r t a n tr o l ei nt h es t r e n g t h e n i n go f s e m i ，s o l i dd i e c a s t i n g sb e c a u s eo fp r e c i p i t a t i o no fs e c o n dp h a s e - - - m 9 2 s i ，a n dt h ea g e i n gt e m p e r a t u r ei n1 7 0 c m a yh a v eb e t t e rp r e s c r i p t i o nr e s u l t ，b u ta g e i n gt i m es h o u l dn o tb el o n g ，o t h e r w i s eo v e r a g e i n g p h e n o m e n o nw i l lt a k ep l a c e ，a n di tc a nm a k ei t sh a r d n e s sd e c l i n i n g ，s ot h eo p t i m a lt e c h n o l o g yo f h e a tt r e a t m e n ts t r e n g t h e n i n gf o rt h es e m i s o l i dd i ec a s t i n g so fa 3 5 6a l u m i n u ma l l o yi s ：s o l u t i o n t r e a t e di n5 4 0 cf o r2h o u r sa n da g e di n17 0 * ( 2 f o r8h o u r s k e yw o r d ：a 3 5 6a l u m i n u ma l l o y ；s e m i - s o l i df o r m i n g ；t 6h e a tt r e a t m e n t ；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 上海大学硕士论文半圆态成形件组织性能的研究 第一章前言 1 。l 开展本课题的意义与目的：、 汽车工业是我国国民经济的支柱产业，因此汽车工业的每一次科技进步， 都会带来显著的经济和社会效益。降低能耗、减少环境污染及节约有限资源是当 前面临的一个十分重要而紧迫的问题。汽车轻量化是提高汽车燃油经济性、节约 能耗的重要措施和必然趋势，因此，汽车轻量化在实际应用中有著巨大的意义。 随着汽车工业的不断发展，无论从经济上、还是性能上，它对汽车用材的要求越 来越高。由于铝合金有减重、节能和更好的回收再生性，因此从汽车制造、汽车 运营、废旧汽车回收等方面考虑，铝合金汽车月材都会带来巨大的经济效盏和社 会效益。目前，铝合金在汽车中的使用量也在呈逐年上升趋势”。1 ，所以不断开 发铝合金材料大量应用于汽车工业，是当今汽车制造业的一大趋势，铝合金台勺成 形技术的研究也理所当然的成为学术界研究的热点“1 1 。 自2 0 世纪7 0 年代半固态金属加工技术问世以来，半固态铝合金加工技术 一直是近年来金属加工技术研究的热点，世界上越来越多的国家与地区都致力于 半固态金属的研究。因为半固态戏彤技术有一系列突出的优点：半固态金属成形 技术具有高效、优质、节能和近终成形等优点，可以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、高生产率等综合要求，因此倍受汽车制 造厂商以及零部件配套生产厂商的重视噜3 。目前半固态成形技术已逐步应蜀于各 工业领域中，尤其在汽车领域应用较为广泛。但由于半固态加工技术只有大约 3 0 年的发展历史，因此它在许多领域：半固态坯料的铡备中搅拌 艺的优化： 半固态坯料在二次重熔过程中组织结构的演变规律与机理；半固态加工的成形工 艺对成形件性能的影响关系；以及半固态金属成形过程中的仿真与控制和半固态 成形件的热处理研究等，与其它发展得较成熟的成形工艺相比，无论从理论上还 是在实践上，尚存在差距，都有待于进一步的提高；同时作为- - f 新兴的技术领 域，该技术有着巨大的发展空问。鉴于我国在理论研究、工业应用等方面仍处于 起步阶段，从而需要进行全面、系统的研究和开发，本研究课题即为其中的一部 分。 爨1 页共8 0 页 上海大学硕士论文 半固态成形件组织性能的研究 1 2 半固态成形技术的发展概况： 铝及其合金是有色金属中用途较f 。的轻金属之一。它具有密度小、重量轻、 比强度高、导电与导热性好且具有较好的耐蚀性。随着近代机械制造工业如航空、 航海、汽车工业的发展，石油和原子能及空间技术等新型2 e 、j k 的崛起，铝合金的 使用在目益增加，因而在国民经济中占有重要的地位”。 金属半固态加工技术始于1 9 世纪7 0 年代美国麻省理工学院的学者们在研 究合金铸造热撕裂问题时的偶然发现 1 0 1 。自该技术被开发以来，已经历了3 0 余 年的研究和发展，并已召开了七次有关半固态成形技术的国际会议，发达国家已 经进入生产实用阶段，因此铝合金半固态加工技术是一项很有发展潜力的新技 术，也一直是近年来金属加工技术研究的热点1 。现已在工业发达国家汽车零 件制造业r l 得剑越米越j 、泛的应川”1 57 , j l 其是自1 9 9 2 匀荚隋ia l u m a x 公司希 断的麻省理工学院有关半固态金属成形技术专利保护期到期以来，半固态金属成 形技术在国外得到飞速发展。许多汽车零件毛坯已开始用铝、镁合金进行半固态 触变成形 1 6 1 , 其己进入商业化生产的有电磁搅拌、s i m a 、o s p r e y 等技术：半固 态合金坯料的成形工艺除现采用的半固态锻造、半固态挤压、半固态压铸和半固 态注射成形外，还在不断开发新型的半固态成形工艺，如半固态压锻复合法等。 目前国外已着手工业化生产 1 7 1 并且它们的规模正在逐步扩大 1 8 - 2 0 1 0 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，是面向未来的汽车零件 制造技术中最有应用潜力的成形技术。 我国学者在7 0 年代后期也开始半固态金属流变性、流变成形和流变复合 材料的研究，制备半固态合金坯料的方法也已从初期的机械搅拌法发展为目前的 电磁搅拌法【2 ”。从2 0 世纪8 0 年代开始，我国也开始在半固态金属流变学理论 及铸造工艺方面开展实验研究让2 。2 33 0 国内在此领域的研究主要围绕着半固态合 金流变学、半固态合金微观组织等方面展开 2 4 1o 而目前我国对半固态金属成形 技术的研究与开发还处于实验室阶段，有关在汽车制造业的工业应用报道很少。 目前，国内外在此领域研究的热点主要是：非树枝晶台金的制各技术、半 固态金属的流变学基础理论、半固态金属的成型工艺、设备和工业应用等方面。 少数发达国家已开始在汽车、军事、航天等领域运用这一新兴技术 2 52 , 第2 页共8 0 页 上海大学硕士论文 半固态成形件组织性能的研究 1 2 1 国外的发展情况 由于半固态成型技术所具有的优势和发展潜力，其出现不久即引起了世界各 国的关心和重视，并积极进行这方面的研究，不仅在理论上，取得了迅速发展， 在推进其实际化方面也做出了努力。目前，国外半固态技术现已进入工业应用阶 段，欧美国家用半固态成型技术生产的零件已经进入市场，日本也初步具备了商 业化生产的能力”，美国在此技术的开发研究和工业应用等方面处于全球领先 地位。半固态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；另外，这项技术也被越来越多地用于制造航空、兵 器、仪表等工业的主要构件 2 6 - 3 0 。 美国a l u m a x 公司于1 9 9 4 年建立了第一个用半固态成形生产汽车零件的工 j ，衙年词生j “：2 4 0 0 万个零部什，1 9 9 6 印还在阿肯色洲筹建了第二个j 1 7 圈态技 术专业工厂，目前该公司能生产质量从l o g 到l o k g 、直径为5 0 0 r a m 的零件，该 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空调箱， 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，已生产了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金产品，其 产品主要着眼于汽车工业市场。 瑞士b u h le r 公司用最大压力为1 8 0 0 0 k n 压铸机生产出了铝台金汽车悬挂件， 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孔，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 1 8 ? 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 n m i 、宽9 0 r a m ) 。日本的h i t a c h i 金属公司可 第3 页共8 0 页 上海大学硕士论文半固态成形件组织性能的研究 用6 3 0 0 k n 立式压铸机进行a 1 7 s i 一0 3 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 3 13 0 1 2 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，特别是在生产应 用方面几乎是空白 3 2 3 4 ，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“非 枝品半幽态a 3 5 6 合金的l i = l 磁搅拌及触! 变成形的研究，：f 【：京利技大学进行了 “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各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0 6 0 m m 中1 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。上海大学以博士生导师许珞萍 教授为学科带头人的科研队伍，在市教委和上汽基金会等支持下，经过两年的艰 苦攻关，至今已能用电磁搅拌生产出尺寸为中4 0 r a m 中2 0 0 m m 的非树枝状铝合 金，同时也在非树枝状铝合金制备及成形方面积累了大量科研数据和现场操作经 验，为后续半圆态触变成形的研究提供了有力的保证。 国内在半固态坯料制备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、中南工业大学、北京有色研 究总院、北京市机电研究院、北京冶炼厂等。上海大学5 q 9 1 在该领域开展了 较多的研究工作，1 9 9 9 年1 2 月8 日，上海市教育委员会在上海大学召开了“非 树枝晶铝合金材料研究”项目鉴定会，并且高度评价了课题组所取得的结果。 鉴于我国在此领域的现状，为适应世界汽车用材向铝合金化发展的趋势， 有必要在铝合金半固态成形技术方面进行深入研究，开发出铝合金半固态成形工 第4 页共8 0 页 上海大学硕士论文半固态成形件组织性能的研究 艺，以应用于汽车零件的生产上，加速国产化进程，使我国在此领域的研究有所 突破。 1 3 半固态加工技术的特点： 所谓半固态金属加工技术即在金属凝固过程中，进行剧烈搅拌，将凝固过程 中形成的枝晶打碎或完全抑制枝晶的生长，随后直接进行流变铸造或制备半固态 坯锭后，根据产品尺寸下料，再重新加热到半固态温度，然后进行成形加工。这 样得到的产品具有一次相为球形颗粒的组织结构，具有良好的流动性。多年来， 铝合金的非树枝晶半固态成形技术已经取得了重大突破，在多数发达国家已成功 地应用于许多汽车零件的制造，因为半固态技术( s e m i s o l i dm e t a lp r o c e s so r s e m i s o l i dm e t a lf o r m i n g ) - 与普通的加工方法相比有一系列的特点与优点 4 0 - 4 3 1 )成形温度低，既节约了能源、又可以提高模具的寿命； 2 )成形件表面平整光滑； 3 )铸件内部组织致密、缺陷少、晶粒细小； 4 )力学性能好； 5 )半固态材料具有良好的触变性及流动性、并属于近终成形 e a r - n e t - s h a p e ) 。 6 ) 与固态金属模锻相比，s s m 的流动应力显著降低，因此s s m 模锻 成形速度更高，而且可以成形十分复杂的零件。 7 )应用半固态加工工艺可改善制各复合材料中非金属材料的漂浮、偏 析以及与金属基体不润湿的技术难题，这为复合材料的制备与成形 提供了有利的条件。 s s m 适用于有液固共存区的合金体系。研究和生产证明，适用于半固态加 工的金属有：镁合金、铝合金、锌合金、镍合金、铜台金以及钢铁合金等，其中 铝镁合金已用于工业生产。半固态加工技术有可能使黑色金属实现压铸，很多国 家正致力于这方面的研究。 1 4 半固态加工技术的主要工艺： 图卜1 是二元系共晶合金状态图的一部分。化学组成为a 的合金在液相线 温度t 。以下，在固相线温度ts 以上的温度区域里，固液相共存，即处于半固 态。在这个范围中的温度t 下，合金为保持平衡状态，由成分为a7 的固相和成 第5 页共8 0 页 上海大学硕士论文 半固态成形件组织性能的研究 分为a ，的液相以b ：a 之比共存，这就是合金的半固态区h ”。 同 温 度 t 低 r 渡相区 3 a ” r 固耗i + 蔽相 、t s 共晶点 固相区 纯金属 台金 小合盒元素的比例 大 图卜1 典型的二元系共晶合金相图 对于大多数常用金属和合金，在通常的凝固条件下由于成分过冷，多以树 枝状结晶，因此普通凝固条件下得不到具有特殊组织结构的半固态金属。树枝晶 阻碍金属液流动和枝晶间的相对运动，即使在固一液共存状态下也不具有前述半 固态金属的特性。因此，半固态成形从坯料制备开始就和一般的成形工艺相比， 有着其独特的工艺过程。 在半固态成形的商业应用中，半固态金属加工的工艺主要有两种，见图 】2 ： 第6 页若8 0 页 上海大学硕士论文 半固态成形件组织性能的研究 图1 2 半固态金属加工的工艺过程 从上图可见，半固态加工技术主要有两种工艺：一种是将经搅拌获得的半 固态金属浆料在保持其半固态温度的条件下直接进行半固态加工，即流变成形 ( r h e o f o r m i n g ) ：另一种是将半固态浆料冷却凝固成坯料后，根据产品尺寸下料， 再重新加热到半固态温度，然后进行成形加工，即触变成形( t h i x o f o r m i n g ) ， 尤其是后一种成形工艺在目前的生产条件下占主导地位【1 1 , 4 5 1 o 铝合金的半固态9 h i 技术主要有三道工序4 6 ：半固态坯料的制各、二 次重熔和触变成形。坯料的制备主要是为了获得非树枝晶( 如图1 3 ) 的原始组 织，其制备的主要方法有m ：机械搅拌法 4 8 1 、电磁搅拌法( e m c ) 4 9 - 5 0 1 、电磁脉 冲加载法5 ”、超声振动搅拌法( u v s ) 【”】、外力作用下合金液沿弯曲通道强迫流动 第7 页共8 0 页 上海大学硕士论文 半固态成形件组织性能的研究 法【5 3 】、应用诱发熔化激活法( s i m a ) 酬及喷射沉淀法( o s p r a y ) 【5 5 等。其中最具有 工业应用潜力的当数e m c 和s i m a 法；二次重熔 5 6 主要目的在于获得满足不同 工艺所需的较好的固液比，并使原始组织变的更加圆整，提高坯料的流动性6 ”， 其加热工艺的要求较高：加热速度快、氧化物少、加热温度准确以及温度分布均 匀等，因此半固态坯料的二次重熔一般都应用先进的感应加热设备才能满足要 求；半固态成形工艺常采用半固态压铸、半固态挤压、半固态模锻和半固态压射 成形等 5 7 】。 b 图1 3 半固态铝合金的原始组织( a ) 与成形后的组织( b ) 第8 页共8 0 页 上海大学硕士论文 半固态成形件组织性能的研究 1 5 半固态铝合金的热处理工艺： 根据合金化的一般规律，形成无限固溶体或有限固溶体型台金时，不仅能获 得高的强度，而且还能获得优良的塑性与良好的压力加工性能。一般铝的台金化 都形成有限固溶体，如a l c u ，a 1 一m g ，a 1 一z n ，a 1 - s i ，a i - m n 等二元合金均形成有限 固溶体，并且都有较大的极限溶解度，能起较大的固溶强化效果。由于铝没有同 素异构转变，故铝合金的热处理强化方法与钢不同，铝合金的热处理强化主要有 两道工序：固溶和时效。由于合金元素在铝基体中有较大固溶度且随温度的降低 而急剧减小的特点，故铝合金经加热到某一温度保温后在水中淬火，可以得到过 饱和的铝基固溶体。这种过饱和铝基固溶体放置在室温或某一温度时，则细小的 第二强化相会不断地从过饱和的基体中弥散析出。相应地，其强度和硬度也随时 效h , j 川的延艮而增高，从而起到强化作用m 】。同溶温度般为其其品温度以m 0 某个温度：温度越高则可以使共晶相、第二相以及少量合金元素能尽量多的熔于 初生相中去，增大其过饱和度；但同时要防止过烧、晶粒长大等不利因素；保温 一段时间后，为了防止淬裂，一般在5 0 。c 8 0 的水中进行淬火；然后根据需 要，进行自然时效或人工时效【9 。 经半固态成形后的零件可以直接应用于工业中去；也可以经过热处理来进一 步提高零件的机械性能。对铝合金来说，热处理往往局限于为增强可沉淀硬化的 锻造和铸造铝合金的强度与硬度”1 ，因此固溶时效处理是铝合金热处理强化常用 的方法。a 3 5 6 铝合金半固态成形件典型的热处理工艺过程见下图卜4 ： = 彳雨丽i 囹 图1 4 半固态铝合金成形件的热处理工艺流程图 第9 页共8 0 页 叩 叩 叩 叩 曲 叫 o p 倒赠 上海大学硕士论文 半固态成形件组织性能的研究 目前，x p n i u 等 5 8 1 人对铝合金a 3 5 6 分别采用金属模铸造( p m ) 与半固 态触变成形( s s m ) ，并随后进行t 6 热处理，得出：经过t 6 热处理的s s m 试样 的性能明显高于其铸态，同时也高于经t 6 热处理的p m 态的下的性能；b b i e r i 等人认为 5 9 】：通过t 6 热处理能取得较高的延展率，因为通过热处理，固溶的共 晶组织将以二次相从固溶的a 相中析出，随着共晶组织的不断析出，强度、延展 率将大大提高；m s t u c k y 等人 6 0 】从固溶处理后的保温时间、冷却速度来研究了 热处理对半固态成形件性能的影响；k s u k u m a r a n 等【6 i 】人认为：t 6 热处理能最 大程度提高经触变锻造的成形件的拉伸性能；r f i n k 6 2 】经过大量的实验，提出了 半固态成形件的热处理的优化工艺。谢水生等人以a 3 5 6 为例，对经过不同工艺、 不同热处理所得零件的力学性能见表l 一1 ： 表1 1 不同加工方法所获得a 3 5 6 铝合金的力学性能t e 较 加工方法热处理状态屈服应力抗拉强度伸长率硬度 ( g p a )( m p a ) ( )( i - i b ) s s m铸造1 1 02 2 01 46 0 s s mt 413 02 5 0 2 07 0 铸造合金s s mt 51 8 02 5 55 1 08 0 a 3 5 6 s s mt 62 4 03 2 01 21 0 2 ( a i t s i o3 m g ) s s m t 7 2 6 03 1 091 0 0 p mt 61 8 62 6 258 0 p mt 5 l1 3 81 8 62 c f dt 62 8 03 4 09 注：c f d 为闭模铸造：p m 为金属模铸造；s s m 为半固态加工 由此可见：半固态铝合金成形件经过热处理后，其性能的各个方面的指标都 得到太幅度的提高。尤其经触变成形的成形件，与其他成形方式相比，其热处理态 的性能会更高。 第l0 页共8 0 页 上海大学硕士论文 半圆态成形件组织性能的研究 1 6 本课题的主要研究内容： 本课题将围绕铝合金半固态成形件原始态及其热处理态下的组织、性能等 展开较系统的研究，从而优化半固态成形的工艺及其参数。其主要内容包括以下 几点： 由于二次重熔对随后的半固态成形有重要影响，因此本文首先研究了半固态 铝合金坯料在二次重熔过程中固液比随坯料温度变化的关系。 半固态成形工艺对其成形件性能的影响关系，从而优化成形工艺及参数。 通过对半固态成形件进行t 6 热处理，来分析热处理对a 3 5 6 铝合金半固态成 7 r ；, f , i 组织和性能的影响关系，并初步探讨了t 6 热处理时的强化机制。 第1 1 页共8 0 页 上海大学硕士论文 半固态成形件组织性能的研究 第二章半固态铝合金二次重熔中固相分数的研究 2 1 概述 铝合金半固态加工技术主要有三道工序：半固态坯料的制备，二次重熔和 触变成形。其中二次重熔主要目的在于得到满足不同工艺所需的固液比、均匀浓 度场以及球状组织；从而为触变成形创造有利条件。二次重熔过程中，当坯料温 度达到两相区时，随着坯料温度的不断升高和保温时间的不断延长，坯料中低熔 点的共晶组织以及部分初生a - - a i 开始熔化成液态，使坯料具有一定粘性，这 种坯料具有比固态更好的流动性，易成形较复杂的零部件；成形时流动又比液态 j 卜稳，凶此司以获得更佳的力学l i f j e 。如果坯制加热温度过低，则坯剌的流动性 差，不利于后续的成形；而加热温度过高，则会发生液体流失现象，并且坯料的 强度不够而倒塌，以致于机械手不能快速、顺利地把它夹持到成彤模具上去，可 见二次重熔过程在整个半固态加工技术中占有重要的地位。影响二次重熔中固液 比( 即加热温度) 以及温度场的因素很多，主要有坯料成分、坯料形状尺寸、坯 料保温时间、加热速度以及加热频率等。 目前，研究半固态金属在二次重熔过程中固相分数随温度变化的规律的方 法有：相图计算法；硬度检测法；电( 磁) 阻法；金相法以及d s c 法。本章利用 差示量热扫描分析法( d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t e r ) 来研究了半固态 铝合金a 3 5 6 在二次重熔过程中固相分数随温度变化的规律，并与相图计算法及 金相法的测量结果进行了比较。 2 2试验过程 2 2 i 试验材料： 试验所采用的材料为电磁搅拌法制得铝合金a 3 5 6 非树枝晶坯料，并把坯 料加工成咖6 0 r a m x t 2 0 m m 的圆棒。差示量热扫描分析实验所用样品是从上述圆棒 状坯料的不同部位钻取并混合的合金粉末，其成分见表2 1 。 第】2 页共s 0 页 上海大学硕士论文半固态成形件组织性能的研究 2 2 2 实验设备及实验参数： 差示量热扫描分析实验应用1 0 2 0 系列一7 d s c 热分析系统。粉末样品重量 约为5 m g ，采用纯铝参比，把样品放入坩埚中加热，加热速率分别为5 m i n 与 2 0 。c m i n 。采用功率补偿的方法来测量样品的d s c 曲线。最后，把结果数据传入 计算机中，并用软件e x c e l 做成个小数据库，采用自编的v b 程序来处理所得 的结果数据。该应用程序的界面如图2 一1 图2 - i 半固态坯料二次重熔中固相分数分析应用程序界而图 2 2 3 原理： i 差示量热扫描分析法是在程序控制温度下直接测量输入到试样与参比物 的功率差与温度关系的一种技术“”。与差热扫描法( d t a ) 相比，它能直接测出 在固液两相转变过程中熔化热的大小，并且可以达到更高的温度( 1 7 0 0 。c ) 1 。 在实验中，把合金从1 0 0 固态的温度( 室温) 加热到合金完全熔解以上的某个 温度，仪器同时自动记录下整个过程中熔化热随温度的变化曲线以及相对应的数 据。典型的d s c 曲线如图2 2 所示。 第1 3 页共8 0 页 上海大学硕士论文 半固态成形件组织性能的研究 。 彝； 竣4 0 0 0 4 0 04 5 05 0 05 5 06 0 06 s o 温度 图2 - 2a 3 5 6 的i ) s c 曲线 从图中可见：存在两个峰，分别代表a 3 5 6 试样在二次重熔过程中初生相n 与共晶相b 由固态转变为液相的熔化热随温度的变化情况。由于加热速率一定， 所以相的熔化量可以通过系统所吸收的熔化热来求得，据斯派尔公式“： q = k 丰a ( 1 ) 式中：q ：表示相变吸收( 放出) 的热： a ：表示相应d s c 曲线上峰的面积； k ：表示常数。 根据公式( 1 ) ，在某一温度下所熔化的质量分数可以由下式得出。 f l = ah t h( 2 ) 式中：f l 表示样品中液相的含量： h 表示试样完全熔化所吸收的熔化热； h 。表示从开始熔解到t 温度样品所吸收的熔 化热： i i 相图计算法 相图计算法，也称作计算热力学，主要是利用化学热力学原理和相图中各 相的基本关系，计算出物质系的平衡性质。本章中采用的相图计算法则主要根 据a 3 5 6 的主要成分：a 1 、s i 以及m g ，采用现成的分析软件t h e r m o - - - c a l c 计算 第1 4 页共8 0 页 上海大学硕士论文 半固态成形件组织性能的研究 出不同温度下坯料的固相分数。 图像仪法 图像法是利用金相组织相衬度的差异，在分析过程中设定一定的灰度门槛 值来区分不同的相组织，并运用统计分析软件进行统计，最后得出各相的含量百 分比的一种技术。把经过某个温度加热、保温过的样品快速淬火，然后把该样品 做成金相试样，通过分析软件q w i n 对随机选定某一区域进行固相统计，得出这 一区域的固相分数。在样品的1 0 处部位重复以上实验，最后对固相分数求平均 值，得到该试样在此温度处理下的固相分数。对不同温度下处理的样品，重复上 面阐述的分析过程，最后得出坯料在不同温度下的固液比，即固相分数。 2 3 试验结果与讨论： 在d s c 法中，为了简化熔化热的计算，可以在d s c 曲线上确定一条基线， 把熔化所吸收的热与开始熔化前由于升温吸收的热区分开。此基线的起点即试样 开始熔化点，而终点则为完全熔化点。基线确定如图2 3 ： 互 薅； 蛙4 温度 图2 - 3a 3 5 6 的d s c 曲线基线以及面积峰( 阴影部分) 用v b 语言编写一段求d s c 曲线中的h ，( t 之前的阴影面积) 与h ( 阴影部分面积) 的程序( 程序代码见附录1 ) ，便可以简便的求出任一温度下的 f l ，从而求出固相分数： 第j 5 页共8 0 页 上海大学硕士论文 半固态成形件组织性能的研究 f s = 卜f l 2 3 1d s c 法的分析结果的再现性： 用d s c 法对同一样品，采用周一加热速率进行两次分析，所得结果见图2 - 4 翌 籁 套 晤 温度 b ) a ： 加热速度为2 0 r a i n b ： 加热速度为5 r a i n 图2 - 4相同试样，相同加热速度条件下的重复性曲线 从图中可知：对同一样品，采用较大加热速度加热，分析所得结果偏差较 第1 6 页共8 0 页 sj鼎墓 e 海大学硕士论文半固态成形件组织性能的研究 大，所得结果的再现性不好，而采用较低加热速度则再现性较好。因此在用d s c 法进行研究问题时，采用较低的加热速度可以获得较稳定的结果。 2 3 2 加热速度对d s c 分析结果的影响 采用不同的加热速率对同一样品进行实验，经过计算得到固相分数与温度的 曲线见图2 5 ： 5 7 06 5 5 06 6 1 06 2 0 温度 圈2 5 不同加热速度对实验结果的影响 g ：加热速度为5 。c m i nf ：加热速度为2 0 c r a i n 从图中可见：不同的加热速率对d s c 法最终得到的结果有影响，在同一温 度下，采用高的加热速度所得固相分数比低速率时要略高；同时样品加热到同一 个目标温度，低速率比高速率需要更长的加热时间，因而在某一温度采用低速率 加热可以熔化更多的固相，即造成固相分数减少。 2 3 。3i ) s c 法与相图计算法进行比较： 用d s c 法，以较低加热速度( 5 。c r a i n ) 进行加热。把其所得结果与采用相 图计算法所得结果均表示在图2 - 6 中： 第】7 页共8 0 页 昱鞴求罂回 上海大学硕士论文半固态成形件组织性能的研究 固 相 分 数 f s 温度 图2 6 不同方法所得的如 b ：表示相图计算法的结果 t 的曲线圈 c ：表示d s c 法的结果 由上图可见：这两种方法中的固相分数都随温度的升高而降低，并存在一个 i 临界温度，即共晶温度，当加热温度高于共晶温度，固相分数开始不断地降低。 另外从圈还可见，两种方法的分析结果存在偏差，这是因为在确定d s c 曲线的基 线时，由于很难在曲线中找出系统熔化热有突然上升的趋势点，造成起点的选择 存在偏差；同时，在相图计算法中，软件t h e r m o - - c a l c 只根据三种主要的元素 进行计算得出结果，而忽略了其它元素的影响，所以也会引起偏差。但从图中可 知：这两种方法分析所得结果的最大偏差只为5 。因此，这两种方法分析所得 的结果还是吻合得较好，说明d s c 法在半固态坯料二次重熔过程中固相分数的测 定是可行的，并且具有分析简单等优点。 2 3 4d s c 法与金相法的比较： 采用电阻加热炉，以5 。c m i n 的加热速度升温，到温后保温5 分钟，然后 快速淬火，最后用图象仪对固相分数进行分析。其所得结果与d s c 法所得结果比 较见表2 2 ： 第】8 页共8 0 页 上海大学硕士论文半固态成形件组织性能的研究 表2 2 不同方法下的固相分数 方法d s c 法金相法 温度( ) 5 8 00 4 4 4 1 00 6 6 3 0 5 8 50 4 0 9 9 0 5 9 00 3 7 2 8 00 5 9 5 5 5 9 50 3 2 8 5 0 6 0 0 0 2 7 5 6 00 5 9 5 0 6 0 5o 2 1 4 1 0 6 1 00 1 4 5 4 0 6 1 40 0 8 3 6 0 从上表可知：采用同样的加热工艺( 升温速率大致相同) ，但金相法所得结 果大大高于d s c 法。由于本实验所用的电阻加热炉保温性能较好，可以排除由于 加热温度不稳定而造成的误差，因此该误差造成主要是由于在共晶温度以上保温 后的淬火过程中，无论以多大的淬火速度，坯料中已熔化的初始一a 1 相液体由 于在冷却时又会转化为以二次枝晶臂存在的。l a l 相( 即为固相) ，从而造成图 象仪法所得的固相分数值偏高。所以，在用金相法对二次重熔过程中固相分数进 行研究时，不仅要采取必要的校正操作，而且，金相法只能局限于有限的温度点 的测定，而d s c 法可用同一个实验得到任意温度下的结果。因此金相法不仅操作 复杂，而且误差较大。其在二次重熔过程中固相分数进行分析研究时难以与d s c 法相媲美。 第1 9 页共8 0 页