（材料加工工程专业论文）半固态坯料制备的完备化技术.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 半固态金属加工( 半厨态成形) 技术是近年来金属加工技术研究 的热点，通过该技零形成的零件具有尺寸糖度离、表醚质量高翻蛙麓 好等特点。铝合金半固态成形技术为汽车工业、航空工业所急需，而 制备菲树枝晶的半固态坯料是锅台金半固态成形的关键技术之一。 本文在概述半固态坯料制备方法研究现状舱基蓉爨t - ，提出半固态 坯料制备方法的优化措施，分别采用低温铸造法和电磁搅拌方法制备 亚共黥镐硅合金半固态坯料。对低温铸造和电磁搅拌时菲棱潞缝织秘 形成枧理进行了分析探讨。磷究表明，优化低滥铸造翻电磁搅拌的工 艺参数，戆够利备性能优越憋拳固态坯料。 针对低温铸造方法制取的坯料中存在的缩松缺陷，本文提出采用 吹入氮气处瑾的方法，秘是逶过气泡群懿运动来诱发液体的环漉运 动，从而促进液体的流动，增加金属的补缩能力，从而减少缩松甚至 使其游失。通过数值推导和模拟试验，对凝霹过程中欧入氮气澄除翁 松的机理进行了初步攘讨。 关键嗣：弧共爵锱硅合金；半圆态成形坯料；低溢铸造法；露磁搅拌 法；氮气搅拌 江苏大学硕士学位论文 o p t i m u mf a b r i c a t i o nt e c h n i q u e so fs e m i s o l i df o n n i n gb i l l e t s a 8 s t r a c t s e m i s o l i df o r m i n g ( s s f ) h a sb e c o m et h ef o c u so fs t u d i e so nm e t a lf o r m i n g t e c h n i q u e si nr e c e n ty e a r s t h ec o m p o n e n t so b t a i n e db yu s i n gt h i st e c h n i q u eh a v en o t o n l yh i 曲d i m e n s i o np r e c i s i o na n dg o o ds u r f a c eq u a t i t y ；b u ta l s og o o dp r o p e r t i e s s s f o fa l u m i n u ma l l o y si sn e c e s s a r yi nb o t ha u t o m o b i l ei n d u s t r y a n ds p a c ei n d u s t r ) ：t h e p r o d u c t i o no f1 3 0 1 i d e n d r i t i cs e n t i s o l i db i l l e ti so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e si nt h es s f o fa l u m i n u ma l l o y s ， f o l l o w i n gar e v i e x vo fp r e v i o u sr e s e a r c hw o r k so i lf a b r i c a t i o nt e c h n i q u e so f s e m i s o l i df o r m i n gb i l l e t s ，t h eo p t i m i z a t i o no ft b ef a b r i c a t i o nt e c h n i q u e so fs e m i s o l i d f r a m i n gb i l l e t su s i n gl o wt e m p e r a t u r ec a s t i n ga n de l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ( e m s ) ， r e s p e c t i v e l y , h a sb e e nc a r r i e do u t 。t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s m so fn o d d e n d r i t i c m i c m s t r u c t m ei nb i l l e t so b t a i n e db y u s i n gt h e s et w ot e c l m i q u e sh a v e b e e ns t u d i e d i t i sh l d i c a t e dt h a tt h es e m i - s o l i df o r m i n gb i l l e t sh a v eg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa st h e p r o c e s sp a r a m e t e l , ；h a v eb e e no p t i m i z e d a st h e r ea r em i e r o p o r o s i t i e si nt h eb i l l e t so b t a i n e db yl o wt e m p e r a t u r ec a s t i n g ， n i t r o g e ns t i r r i n gh a sb e e ne m p l o y e di nt h ec u r r e n tr e s e a r c ht oi n d u c et h ec o n v e c t i o n o fl i q u i da l u m i n u ma l l o y t h ei n s t a n t a n e o u si m p a c tp o w e ri sf o r m e dw h e nt h e n i t r o g e nb u b b l e st r a n s g r e s st h es u r f a c eo fl i q u l da l u m i n u ma n db r e a kt h i sp o w e rc a r l d r i v et h ef l o w a g eo fl i q u i da l u m i n u ma n di m p r o v e 狂sf i l l i n ga b i l i t y t h u s ，t h e m i e r o p o m s i t i e sc a n h er e d u c e do re v e ne l i m i n a t e d a c c o r d i n gt om a t hd e d u c t i o na n d e x p e r i m e n t a ls i m u l a t i o n ，t h em e c h a n i s mo ft h ei n f l u e n c eo ft h en i t r o g e ns t i r r i n g d u r i n g t h es o l i d i f i c a t i o no f l i q u i d a l u m i n u ma l l o yo ht h ee l i m i n a t i o no f m i c r o p o r o s i t i e sh a st h e nb e e ns t u d i e d 。 k e yw o r d s ：h y p o e u t e c t i ca 1 一s ia l l o y ，s e m i - s o l i df o r m i n gb i l l e t s ，l o wt e m p e r a t u r e c a s t i n g ，e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ，n i t r o g e ns t i r r i n g 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保馨、使用学位论文的 规定，离意学校保整并囱誉家有关都门或祝捣送交论文熟复舜 件和电子版。允许论文被查阅和借阗。本人授权江苏大学可以 将本学位论文蛉全部内容缡入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫播等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口 “ 本学位论文属于 ，在年我解密后遣用本授权书。 不保密函 学位论文作者签名：球静蠛 弦眵年鑫鬟，鑫 指导教师签名啤刚 硼年善嚣 疆 本人郑重声明：所呈交的学位论文，遐本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：氆稍 强期： 2 妒年6 月f f 目 江苏大学硕士学位论文 第1 章概述 1 1 半固态金属加工技术简介 自1 9 7 1 年美国麻省理工学院的d b s p e n c e r 和m c f l e m i n g s 【l 捌提出半固态 金属成形概念以来，半固态金属加工技术( s e m i s o l i dm e t a lp r o c e s s0 1 s e m i s o l i d m e t a lf o r m i n g ，简称s s m ) 作为种新型材料加工技术得到了国际上的普遍重视， 成为材料学科的研究热点之一，目前已在汽车工业得到一定程度的应用。 在金属的凝固过程中采用某些特殊工艺使枝晶破碎、球化，保留分散的颗粒 状组织，这样的显微组织在固相率达到6 0 仍具有一定的流动性，具有这种特殊 结构的部分凝固金属就称为半固态金属。而采用这种既非完全液态，又非完全固 态的半固态金属加工成形的方法就称为半固态金属加工技术。半固态金属具有触 变性，所谓触变性就是非枝晶半固态金属静置一段时间后，粘度急剧增大，可以 像固态金属一样搬运，当施加剪切力或搅拌时，又像液态金属一样具有良好的流 动性。 与普通的加工方法相比，半固态金属加工具有许多优点【3 - n ：( 1 ) 应用范围 广泛，理论上凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工。( 2 ) s s m 充形平稳， 无湍流和喷溅，加工温度低，凝固收缩率小，因而铸件尺寸精度高。s s m 成形件 尺寸与成品零件几乎相同，大大地减少了机械加工量，从而节约资源，提高生产 率。( 3 ) 半固态合金己释放了部分结晶潜热，因而减轻了对成形装置尤其是模具 的热冲击，使其寿命大幅度提高。( 4 ) s s m 成形件表面平整光滑，铸件内部组织 致密，内部气孔、偏析等缺陷少，晶粒细小，力学性能提高，可接近或达到形变 材料的力学性能。( 5 ) 应用半固态加工工艺可改善制备复合材料时出现的非金属 增强体的飘浮、偏析以及与金属基体不润湿的技术难题。( 6 ) 与固态金属模锻相 比，s s m 的流动应力显著降低，模锻成形速度更高，而且可以形成十分复杂的零 件。( 7 ) 节约能源。半固态加工与普通铝合金铸造相比，节能3 5 左右。 半固态成形也有其局限性，可以归纳为：( 1 ) 需要准备特殊的原材料，原材 江苏大学硕士学位论文 料的成本相对较高。( 2 ) 需要特殊的成形设备，造价较高。( 3 ) 需要培训高技能 操作人员。 半固态成形是一个大的概念，它是针对固、液共存的半熔化或半凝固金属进 行成形加工的工艺方法的总称。其工艺过程见图卜l 。目前，半固态成形方法大 致可以分为半固态轧制、半固态挤压、半固态锻造和半固态压铸( 包括流变铸造 和触变成形) 等几种主要工艺类型嘲。在实际工业生产中，主要采用触变成形这 种工艺。 半田态金属纠备半田态戍形 图1 - 1 半固态金属加工的工艺过程 f i g 1 1 s c h e m a t i c so fs e m i - s o l i dm e t a lp r o c e s s 图卜2 半固态成形与其它成形方法的关系 f i g 1 - 2 r e l a t i o n sb e t w e e nt h es e m i s o l i dm e t a lp r o c e s sa n do t h e rf o r m i n g p r o c e s s e s - 2 江苏大学硕士学位论文 半固态成形方法与其他成形方法的关系见图1 - 2 。可以看出，半固态成形与 其它成形方法有着密切的联系，各种加工方法之间相互交叉，半固态成形也是在 借鉴别的相关成形方法的基础上发展起来的。 1 2 半固态金属坯料制备方法研究现状 半固态金属坯料的制备是触变成形的基础，也是半固态金属加工技术中的一 个关键问题。常用的制备方法有以下几种； 1 2 1 机械搅拌法【”1 t 】 机械搅拌是最早使用的方法，其设备构造简单，它通过控制搅拌温度、搅拌 速度和冷却速度等工艺参数，使初生树枝晶破碎而成为颗粒结构。机械搅拌装置 一般分为连续式和间歇式两种类型，如图1 - 3 所示。采用搅拌法可以获得很高的 剪切速度，有利于形成细小的球形微观组织结构，但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对半固态铸坯带来不利的影响。 ( a 闾歇式机械搅拌( b ) 连堆式机械搅拌 图卜3 机械搅拌法示意图 f i g 1 - 3 s c h e m a t i c so f m e c h a n i c a ls t i r r i n g 江苏大学硕士学位论文 1 2 2 电磁搅拌法眦1 3 】 电磁搅拌是利用旋转电磁场在金属液中产生感应电流，金属液在洛伦磁力的 作用下产生运动，从而达到对金属液搅拌的目的，使凝固后的组织由传统的枝晶 向非枝晶转变。如图卜4 所示，一般由感应线圈与铸型的轴线方向平行和垂直两 种，通过控制搅拌功率、冷却速度、金属液温度和浇注速度来取得较好的电磁搅 拌效果。电磁搅拌法具有不污染合金、便于自动控制等优点，但它难以制备高固 相分数的浆料，另外，由于金属的集肤效应，交变磁场在金属中随着透入深度的 增加会逐渐衰退，因此铸锭直径不宜过大，用此方法生产的半固态铝合金铸锭最 大直径为1 5 0 m m ，更大的直径就难以生产。 惑由 i ( ) 垂直式 i ( b ) 水平式 图1 - 4电磁搅拌法示意图 f i g 1 4 s c h e m a t i c so f e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g 1 2 3 应变诱发激活法( s l m a ) “_ ”1 先将合金原材料进行足够冷变形，然后加热到半固态。在加热过程中，先发 生再结晶，然后部分熔化，使初生相转变成颗粒状，形成半固态坯料。如图1 - 5 示意的该方法的工艺过程。该方法已经成功的应用于不锈钢、铜合金等较高熔点 合金，但由于增加了预变形工序，使生产成本提高，与电磁搅拌相比较，它仅仅 适用于生产小直径坯料，而且只适用于塑性材料。 江苏大学硕士学住论文 图1 - 5s i m a 工艺示意图 f 逗1 - 5 s c h e m a t i c so f s t r a i n - i n d u c e dm e l ta c t i v a t i o np r o c e s s 1 2 4 紊流效应法“町 在金属液通过特制的多流装置时，使金属液的流动产生紊流效应，打碎形成 的枝晶，因此获得具有流变特性的金属浆料。如图卜6 所示。 图卜6紊流效应法示意 f i g i 6 s c h e m a t i c so f d i s o r d e r l yf l o w f o r m i n gp r o c e s s 图1 - 7o s p r e y 喷射成形法示意图 r i g 1 7 s c h e m a t i c so f o s p r e ys p r a y f o r m i n gp r o c e s s 职靛辑 1 2 5 喷射成形法【们 将金属熔化成液态金属后，雾化为熔滴颗粒，在喷射气体作用下部分凝固的 江苏大学硕士学位论文 微滴直接沉积在收集基板上。当每个熔滴的冲击能够产生足够的剪切力打碎熔滴 内部形成的枝晶时，凝固后便形成颗粒状组织，经加热局部熔化时，也可得到具 有球形颗粒固相的半固态金属浆料。该方法成本较高，只适用于制备特殊要求的 大尺寸坯料。如图卜7 所示的是o s p r e y 喷射成形法。 1 2 ，6 低温铸造法【1 8 】 其主要工艺过程如下：将金属完全熔化后，进行精炼、变质、除气、除渣后， 让金属液自然冷却到液相线附近，也就是说控制金属液的过热度在o c 左右，然 后进行浇注，并在铸型下方进行强制快速冷却。该方法工艺简单，生产设备简单， 但工艺过程中温度难于准确控制。 1 2 ，7 剪切一冷却一滚动法n 卵 剪切一冷却一滚动法又称s c r ( s h e a r i n g - c o o l i n g r o l l i n g ) 法。这种方法通 过一个旋转的轧辊来提供较大的剪切力( 如图1 - 8 所示) ，通过轧辊和靴座可以 控制冷却速度，对合金可提供较大的冷却速度。s c r 法可以制备出固相分数较高 的半固态金属。 图l 一8s c r 法工作原理示意图 f i g 1 8 s c h e m a t i c so f s c rf o r m i n gp r o c e s s 图1 - 9 超声波处理法原理示意图 f i g 1 - 9 s c h e m a t i c so f u l t r a s o n i cd i s p o s a l p r o c e s s 江苏大学硕士学位论文 1 2 8 其他工艺【伽 制备半固态金属的方法还有：超声波处理法( 如图1 - 9 所示) 、化学晶粒细 化法、形变热处理法、等温处理法、粉末冶金法等。 1 3 半固态金属成形过程的数值模拟 数值模拟不仅可以模拟金属加工过程的流场、温度场、应力场和显微组织的 变化，还可以预测金属加工过程中所产生的缺陷，例如铸造过程的缩松、缩孔和 热裂等缺陷的志生、位置与程度 2 0 。2 5 。这对加工过程的工艺设计具有一定的指 导作用。 1 3 1 半固态金属成形过程数值模拟的基本方法 半固态金属流是一种非牛顿流体，应力和剪切之间不是直接线性关系，若要 完全了解这种现象，必须考虑采用两相流理论。但在目前，对这种两相流的了解尚 不深入。因此，人们采用一种从实验特征，获取的表象模型来精确描绘半固态金属 的成形现象1 2 6 1 。数值模拟的基本方法有；有限差分法、有限元法和边晃元法。有 限差分法是以离散数学为基础的，实质是把所研究的物体从时间和空间位置上分 割成许多小块，对于这些小单元用差分方程式近似的代替微分方程式，设定初始 条件和边界条件，逐个计算各单元温度的一种方法。有限元法是将求解区域划分 为有限个单元，通过构造函数，把问题转化为变分问题，即求泛函极值问题，经 过离散化得到计算格式而求解。有限元法节点配置方式的任意性大，对于形状复 杂的形体，可以使边界节点完全落在边界区域上，使得边界点给出较好的逼近。 边界元法是把定义域的边界划分成一系列单元，用满足控制方程的函数来逼近边 界条件，由于边界元法是以边界为着眼点，所以对一些有限边界无限区域的问题 求解显得特别有效。 1 3 2 数值模拟的研究现状 d a n t z i g 等【2 7 】提出了一个用于模拟电磁搅拌作用下半固态金属半连续流变 铸造过程的三维数学模型，采用有限元法进行了流变铸造的电磁场、流场和热传 导的模拟，三维速度场和流场的模拟。 江苏大学硕士学位论文 g o b s o n 等【2 2 9 j 开发出一套用于模拟有限长度铸锭感应加热过程的多功能软 件s c e d d y ，可对感应二次加热过程中半固态材料内部温度变化进行可靠的 模拟，为制定工艺参数提供可靠的保证。特别是对高熔点材料进行感应加热时， 由于辐射散热加强，圆锭径向温度梯度增大，会导致固相体积分数和随后触变流 动性能严重不均等一系列问题。 z a v a l i a n g o s 等【3 0 】采用有限元法( a b a q u s ) 对半固态材料的流变行为进行了 模拟。建立了半固态材料流变模型；利用多孔材料的伪塑性模型确定固相和液相 的流变行为，导出固相和液相的连续性方程。 k a p r a n o s 等口”采用触变模型、常粘度模型和非牛顿流体模型，在f l o w 3 d 软 件平台上对a 3 各7 铝合金的快速压缩变形压力变化进行了模拟，并与实测压力一 时间曲线进行比较。 t i m e s 掣3 2 1 在a n s y s t m 平台上模拟了铝合金二次加热、锭坯夹持和压铸过程， 研究了压铸件绝热条件下固液相偏析时固相分数变化规律。 数值模拟技术应用于分析半固态金属成形工艺过程，对于了解和分析加工工 艺过程，控制和优化工艺参数，为流变铸造、二次加热和零部件的近净触变成形 可起到有效的指导作用。目前对半固态材料二次加热和半熔化过程的模拟已经从 一维发展到三维，已经出现象s c e d d y 这样较成熟的商业软件，可以较成功地仿 真加热和熔化过程。对触变成形或注射成形的应力场模拟与变形预测，尽管大多 采用商业有限元或有限差分软件进行模拟计算，并且在一定程度上可以描述半固 态材料在剪切应力作用下的流变行为，但由于半固态合金的触变性能的特殊性， 某些研究结果尚不能完全解释变形过程中的一些现象，如时间对粘度的影响等。 今后的发展方向是考虑粘度随时间的变化关系、模具内的热交换与凝固过程等复 杂现象等。 1 4 应用现状及其发展前景 半固态金属加工技术适用于有较宽液固共存区的合金体系。研究和生产表 明，适合于半固态加工的金属有：铝合金、镁合金、锌合金、镍合金、铜合金以 及钢铁合金，其中铝、镁合金已用于生产。 江苏大学硕士学位论文 图1 - 1 0 半固态加工成形的涡型轮 f i g 1 1 0w h o r l e d w h e e l f o r m e d b y s s m 图1 - 1 1 半固态加工成形汽车发动机支架 f i g 1 1 1b r a c k e to f a u t o m o b i l ee n g i n ef o r m e db y 图1 - 1 2 半固态流变铸造成型的铝合金汽车零件 f i g i - 1 2 a l u m i n i u ma l l o yp a r t sf o ra u t o m o b i l ef o r m e db yr h e o c a s t i n g - 9 江苏大学硕士学位论文 目前半固态金属加工应用最成功和最广泛的是在铝合金的制备中，主要应用 在汽车零件制造方面，另外，在军事、航空、电子等方面也进行了产品开发，主 要是铝镁合金的半固态压铸、模锻及注射成形。瑞士b u h l e r 公司生产汽车悬挂 件、转向齿轮和自行车零件。美国a l u m a x 公司可生产质量从1 0 9 到l o k g ，直径 为5 0 0 m m 的零件，主要提供汽车空调箱体、火箭支架底座、刹车、悬挂件等。 t h i x o m a x 公司生产圆片离合器、油泵箱、齿轮箱等镁合金汽车零件。日本的s p e e d s t a rw h e e l 公司生产重5 k g 的铝合金轮毂。其它国家如德国、意大利、英国、 法国水平也较高。图1 - 1 0 所示为采用半固态加工成形的汽车空调的主要零 件涡型轮。图卜1 1 为半固态加工成形的汽车发动机支架。图1 - 1 2 所示为半 固态流变铸造成型的铝合金汽车零件。 我国学者在半固态金属成形领域也作了很多研究工作。国家“8 6 3 ”计划和 国家自然科学基金都有项目重点扶持半固态金属研究工作。国家“8 6 3 ”计划在 半固态成形技术方面重点支持了两个项目：北京有色金属研究总院承担的“有色 金属半固态加工技术的研究与开发”和北京科技大学与北京冶炼厂联合承担的 “轿车制动泵体用半固态铝合金和成形技术”。这两个项目对铝合金半固态成形 的锭料制备、二次加热和成形方面的基础理论、工艺、设备等进行了较为深入的 研究，取得了很大进展，现正与厂方合作进行产品的试生产。对于镁合金，国家 九五科技攻关项目也给予了支持，如北京有色金属研究总院承担的“镁合金材料 在汽车上的应用”子项目，有望通过努力攻关，使镁合金触变成形件应用于轿车 工业。北京科技大学、哈尔滨工业大学、东南大学、北京有色金属研究总院等单 位从事半固态金属加工技术的科研工作，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进步。 半固态金属加工制品具有一定的强度、无缺陷以及尺寸精度高等优点，对于 现有制品的制造，在需要大量机加工、修复及废品率为主要成本因素的情况下， 采用半固态加工技术有可能大幅度的降低成本，尤其在特殊制品领域成本显著降 低，故其发展前景广阔。半固态金属加工技术的发展将远远超出目前工业应用所 局限的范围，尽管半固态金属加工技术在经济和技术方面还有一定的局限性，但 随着汽车、通讯、航空航天等行业的蓬勃发展，半固态金属加工技术在2 1 世纪 将具有相当重要的地位。 江苏大学硕士学位论文 1 5 亚共晶铝硅合金研究与应用现状 亚共晶a l - s i 合金是应用最广泛的铝合金，在汽车、航空航天工业上用于制 造形状复杂的承载零部件尤其是汽车工业，它是铝铸件的最大市场。图卜1 3 为法国汽车单车铝铸件用量的变化情况，基本上可反映世界汽车使用铝铸件的一 般情况【站】。当前平均每辆美国汽车用铝8 1 6 4 8 k g ，其中大部分( 质量) 零件是优 质的半固态铸件。 铝铸件在汽车上的用量正在逐年增加，应用范围也在不断扩大。一般来讲， 铝铸件在汽车上的应用可分为三个方面；壳体件，如离合器壳、变速箱壳等； 发动机部件；其它非发动机部件。缸体是最大的发动机部件，一般用铸铁铸 造。采用铝合金代替铸铁可使缸体重量减轻3 0 以上。目前，铝合金发动机缸体 的应用正在逐渐得到推广。通常，用来铸造缸体的铝合金均为高硅的过共晶铝硅 合金，如3 9 0 合金。这类合金有很好的耐磨性及耐热性，但3 9 0 等高硅铝合金有 许多缺点，如铸造性能不好，机械加工性能也不如亚共晶铝硅合金和铸铁，因此， 目前各汽车公司都在研究使用低硅或中硅的亚共晶铝硅合金铸造汽缸体。 里 i 摹酊 萎 茫硝 ： 3 0 1 9 7 21 9 7 5i 鲐ol 鳃51 9 9 0 年份 图1 - 1 3 历年汽车单车平均铝铸件用量变化情况 f i g 1 1 3 v a r i a t i o no f t h ea v e r a g ed o s a g eo f a l u m i n i u mc a s t i n g s p e ra u t o m o b i l ei np a s ty e a r s 为提高各自在未来汽车市场上的竞争力，适应社会和政府立法的新要求，目 前世界各主要汽车制造商均在纷纷开发各自的全铝汽车口6 1 。随着全铝汽车的开发 江苏大学硕士学位论文 和进入市场，铝合金铸件在汽车上的应用将进一步扩大。一些更积极的预测表明， 至2 0 0 5 年汽车工业铝铸件的用量将从目前的6 8 k g c a r 上升到11 6 k g c a r 。生产 效率和质量进一步提高，而成本进一步降低，这将进一步促进铸铝件在汽车上的 应用【3 7 l 。 1 6 本课题研究的目的和任务 分析已有研究取得的成果，在取得成绩的同时，仍然存在着问题，其中比较 突出的就是缩松问题。缩松的产生是由于用于制备坯料的合金结晶区间较宽，而 且金属液在低温下浇注，大量先析出的枝晶形成网络状结构把液体分开，此时的 金属液粘度较大，流动性较差，液态金属补充到枝权缝隙的能力降低，从而在凝 固后期形成许多细小的缩孔。由于这些缩松的存在，使得铸件受到外力作用时， 受力的有效载荷面积减少，从而使铸件的强度、伸长率等力学性能都会受到影响。 因此本课题研究目的是进一步完备半固态坯料制备技术并争取在机理研究方面 有所突破，主要研究以下内容： 1 6 1 坯料的制备及其完备化 分析已有的近十种制备方法，本文用低温铸造法和电磁搅拌法来制备坯料并 且使该技术完备化。在研究低温铸造法制备铝合金半固态坯料的时候，结合气体 搅拌技术，考察不同浇注温度和不同的气体搅拌时间对显微组织的影响，找到合 适的工艺参数，使制得的半固态坯料达到最佳。同时探讨了非枝晶组织的形成机 理和气体搅拌作用于凝固过程的机理。在电磁搅拌制备法中，研究了不同通电频 率和电流大小组合的情况下，对显微组织的影响，并由此得到最佳的工艺参数， 初步探讨了电磁搅拌的作用机理。 1 6 2 坯料缩松缺陷的解决措施以及原理探讨 前期工作所制得的坯料中具有缩松缺陷，其主要是由于金属液在低温时，粘 度增加，流动性变差，补缩能力明显变差。要解决这个问题，可以采用加压的办 法，但在实际生产中连续铸造生产半固态坯料，结晶器中难以实施这项措施。在 实验中，采用吹入氮气，在气泡的整个运动过程中，气泡群的运动诱发了液体的 江苏大学硕士学位论文 流动，增加了金属液的补缩能力凝固过程是一个受多种因素控制的复杂气、液 二相系统的运动过程。在凝固界面不断推进时候，使其界面前沿始终无法形成强 大的网络状结构，从而就不会获得形成缩松的条件。 通过模具设计，保证金属液定向凝固，然后吹入氮气搅拌，直至金属液凝固。、 考虑到低温浇注时，金属液的冷却速度比较快，因而在实验中采用较高温度浇注 以延长气体搅拌的作用时间。分析试样不同截面的显微组织和断口形貌，进行总 结归纳，探讨吹气搅拌对金属液的作用原理。 江苏大学硕士学位论文 第2 章低温铸造法制备亚共晶铝硅合金半固态成形坯料 低温铸造法是将合金熔体冷却至液相线温度保温一定时间后，进行浇注，获 得具有半固态触变组织的坯料，它是一种工艺简单可靠、不需要特殊设备、成本 低廉的半固态坯料制备方法。 在本章中，根据现有条件，结合前期试验并参考他人已做的工作，研究了采 用低温铸造法来制备亚共晶铝硅合金半固态坯料。 2 1 实验设备和原材料 熔炼加热设备：s g 2 5 1 0 1 2 0 0 坩埚电阻炉熔化合金。 温度测量控制设备：镍铬一镍硅热电偶( 温度偏差1 ) 。 金相分析设备：普通金相抛光机，删6 卧式显微镜，显微数码相机。 试剂：0 5 w t l t f 水溶液。 铸型设备如图2 - 1 所示，其材料为碳钢。 ； ； ； 4 ； 图2 - 1 碳钢铸型示意图 f i g 2 1 s c h e m a t i c so f t h ec a r b o ns t e e lm o u l d 实验采用的材料为含硅7 w t 的铝硅亚共晶合金，杂质含量小于0 1 。由铝 硅二元合金相图( 图2 2 ) 可知，亚共晶合金a 卜7 w t s i 的液相线和固相线分 江苏大学硕士学位论文 别为6 1 5 和5 7 7 2 ，2 实验工艺 图2 - 2铝硅二元合金相图 f i g 2 - 2 a i s ib i n a r yp h a s ed l a g r a r a 在电阻炉中用石墨坩埚熔炼含硅7 w t 的铝硅亚共晶合金2 k g ，具体过程是 先将合金加热到7 5 0 并保温2 0 分钟左右，使原始合金中的组织能够充分熔化， 然后用精炼剂精炼后静置5 分钟，将坩埚从电阻炉中取出，并将气通入坩埚底 部对金属液进行缓慢搅拌。主要工艺过程如下：同一温度开始吹气不同温度浇 注( 如表2 - 1 所示) ；不同温度开始吹气同一温度浇注( 如表2 2 所示) 。在气 体搅拌的同时将吹气棒沿坩埚壁作圆周形搅拌，使得整个熔体的温度场均匀。 表2 - 1 同一温度开始吹气不同温度浇注 试样编号 2 - 12 - 22 - 3 开始吹气时的熔体温度 7 3 0 7 3 0 7 3 0 结束吹气时的熔体温度 6 8 0 6 4 0 6 0 0 金相组织图图2 - 3 a图2 - 3 b 图2 - 3 e 江苏失学硕士学位论文 表2 - 2 幂同温度开始吹气同一温度浇滚 试梯编号 2 一毒2 - 52 - 6 开始吹入时的熔体温度 7 0 0 6 5 0 6 2 0 结束吹气时的熔体温度 6 0 0 6 0 0 6 0 0 金魏组织鹜毽2 - 5 a图2 - 5 b毽2 - 5 c 浇注时，透过鼯游型进行羚部承冷热恢冷却速率。爨灏柱形试捧上不周位置 截取愈穗试样，缀汀磨撤蠢，试样采用0 5 w t 静承溶液赡蚀，在涮6 瓣式显檄 镜上观察显微组级并拍摄金相照片。 2 。3 实验结果 2 。3 秘一湛寝秀攮敬气事嚣温囊浇注 阔2 - 3 a ) 、b ) 、c ) 为合众液温度分别为6 8 0 、6 4 0 和6 0 0 c 时浇注的试 棒距底部l c m 处的显微组织。从图中可以看出，在6 8 0 e 时浇注的试棒中，典型 戆嚣徽缝织兔錾犬蠡冬窈生耱棱爨( 鑫亮攘) 耪器阕共鑫薅( 灰色帮分 ；雀6 4 0 时浇注的试棒中，鼹微组织则为树枝晶、颗粒状初生晶与晶问共晶体；丽在6 0 0 1 3 时浇淀的试棒中，则主要是颗鞔状初生晶与晶问共晶体，而且颗粒状初嫩晶的形 袄援：鞍纛整，分泰像毙较均匀。 b 6 4 0 浇注 江苏大学硕士学位论文 c ) 6 0 0 c 浇注 图2 - 3 不同试棒距底部l c m 处的中心显微组织 f i g 2 - 3m i c r o s t r u c t u r eo f t h es p e c i m e n s o b t a i n e df r o mt h ec y l i n d e rc e n t e ri c ma b o v et h eb o t t o m o f t h ea s - c a s ts p e c i m e n sp o u r e da ta ) 6 8 0 ，”6 4 0 ( 2 ，a n dc ) 6 0 0 c ，r e s p e c t i v e l y 图2 - 46 0 0 c 浇注试棒距项部2 c m 处中心显微组织 f i g 2 - 4m i c r o s t r u c t u r eo f t h es p e c i m e no b t a i n e df r o mt h ec y l i n d e rc e n t e r2 e mb e l o w t h et o po f t h e a s - c a s ts p e c i m e np o u r e da t6 0 0 c a ) 6 8 0 浇注 - 1 7 b )6 4 0 浇注 江苏大学硕士学位论文 c ) 6 0 0 浇注 图2 - 5 不同试棒的上端面形貌 f i g 2 - 5m o r p h o l o g i e so f t h et o pp a r t so f t h ea s - c a s ts p e c i m e n s p o u r e da ta ) 6 8 0 ( 2 ，b ) 6 4 0 ( 2 ，a n dc ) 6 0 0 c 图2 - 4 为合金液温度为6 0 0 c 时浇注的试棒距顶部2 c m 处的显微组织。从中 可以看出，组织仍然为基本上均匀分布的颗粒状初生晶和晶间共晶体。因此可以 认为，在6 0 0 c 时浇注所获得试棒的显微组织是一种满足半固态成形要求的组织 形态。 图2 - 5 a ) 、b ) 、c ) 分别为6 8 0 c 、6 4 0 、6 0 0 c 时进行浇注所得试棒的上端 面形貌。从该图可以看出，6 0 0 ( 2 时浇注的试棒上端面的缩凹比较浅缓。金相分 析表明，试棒上端面的缩凹部分存在细小的孔隙，不适合作为半固态成形坯料， 该段长度约为l c m 。同时，对试棒不同部位的组织分析表明，对于6 0 0 c 时浇注 的试棒来说，试棒不同部位的金相组织比较均匀，均为颗粒状初晶组织和晶间共 晶体，因而可以认为，试验所制得的试棒除去上端面的缩凹部分即可作为半固态 成形坯料使用。 2 3 2 不同温度开始吹气周一温度浇注 图2 - 6 a ) 、c ) 、e ) 为开始吹气温度分别为7 0 0 c 、6 5 0 和6 2 0 时，在6 0 0 c 浇注所获得试棒底部l c m 处中心的显微组织。图2 - 6 b ) 、d ) 、f ) 为开始吹气温 度分别为7 0 0 c 、6 5 0 c 和6 2 0 c 时，在6 0 0 。c 浇注所获得试棒距顶部3 c m 处中心 的显微组织。从图中可以看出，在开始吹气温度为7 0 0 c 时的试棒中，其显微组 江苏大学硕士学位论文 图2 - 6 不同试棒显微组织 f i g 2 - 6m i c r o s t r u c t u r eo f t h ea s - c a s ts p e c i m e n s g a s - s t i r r e da ta ) b ) 7 0 0 c ，c ) d ) 6 5 0 c 。a n de ) o6 2 0 ( 2 1 9 江苏大学硕士学位论文 织为颗粒状初生晶与晶间共晶体，而且颗粒状初生晶的形状比较规整，分布也比 较均匀，试棒顶部组织的圆整度略差于中下部组织；在开始吹气温度为6 5 0 c 时 的试棒中，其显微组织为颗粒状组织，颗粒大小要比7 0 0 小，但其圆整度要比 7 0 0 时的差一些，部分颗粒在接触点“焊合”在一起形成初生相微粒簇；而在 开始吹气温度为6 2 0 时的试棒中，则主要是颗粒状组织，并有少量的初生树枝 晶，颗粒大小不均匀。 2 。4 分析与讨论 2 4 1 形核 经典形核理论有均质形核和异质形核。均质形核是指一种成分的液体在绝对 纯净，即无任何杂质，也不与容器壁接触的情况下，仅依靠一定的过冷度，由液 体本身结构起伏产生的晶胚直接成核的过程。显然，均质形核仅仅是热力学推导 的理想状况。在实际液态合金中，存在比纯净液态金属剧烈得多的结构起伏和能 量起伏，因为各组分物质原子的电负性不同，一些同类或异类原子聚集成团的几 率大大增加。另外，容器的器壁、熔体中的高熔点成分相也可能作为异质形核的 基底。 本实验中低温铸造法结晶晶核的来源主要有两部分：一是熔体在液相线温度 或比液相线温度略高的温度下保温一定时间后，各处的温度基本均匀一致的准固 相原子团在熔体中形成。在浇注时，熔体迅速过冷，其过冷度可达到1 - 5 c 。在 此过冷皮下，根据s t e f a n e s c u b 町等人提出来的瞬态形核理论，大量的准固相原 子团因与非均匀形核核心有较好的润湿作用，可迅速地发展为游离晶核。二是铸 型型壁和液面附近出现的少量晶核脱落。其中由于熔体过冷而导致大量游离晶核 的形成是低温铸造法晶核形成的主要来源。 2 4 。2 晶粒长大 根据d u s t i n k u r z 3 9 等人提出来的模型，晶粒首先呈稳态生长，长大至临界 半径后再发生枝晶生长。这样可以把低温铸造法晶粒的生长过程分为三个阶段： 江苏大学硕士学位论文 一是球形长大，二是枝晶长大，三是在枝晶接触后的枝晶熟化。晶粒在相互接触 之前是完全呈球形长大，还是先以球形长大然后再以枝晶长大，取决于形核数目 和冷却速率( 如图2 7 所示) 。 o 夺0 图2 - 7 晶粒长大过程示意图 f i g 2 - 7 s c h e m a t i c so f g r a i ng r o w t h 浇注后，温度均匀的熔体在小的过冷度下，大量的原子团簇发展成为晶核， 然后晶粒开始长大。在凝固的初期，合金熔体中液相较多，温度较高，游离的晶 粒作不规则的热运动和自旋运动。晶粒周围的液体溶质浓度大致相等。液体中原 子沿各个方向向晶粒添加的机会相等，因此，晶粒先以球形长大。 随着晶粒的继续长大和液相扩散能力的降低，对于平衡分配系数k 小于1 的 合金元素在初始凝固的固相中溶解度较小，容易在界面前沿产生溶质富集，从凝 固过程中排出的溶质原子，将聚集在界面前沿的富集边界层中。对于生长中半径 为r 的球形晶粒周围的扩散场，假定没有切向扩散产生，结合通量条件，求得固 液界面r = r 时的浓度梯度为： ( 吼= 与竽= f c o ( 2 - 1 ) r v ( 1 一j i ) 式中d 为液相扩散系；k 为平衡分配系数；r 为球形晶粒的半径；c o 为溶质原 始浓度；c 为界面在液相中的浓度；v 为固一液界面的推进速率。 对于低温铸造，熔体在浇注过程中迅速过冷，凝固过程中，固液界面中的温 度梯度g 在微观球形晶粒附近是极小的，成分过冷是晶体凝固结晶动力的主要 来源，记成分过冷为： 中= m g c g( 2 2 ) 江苏大学硕士学位论文 式中m 为合金液相线的斜率。 ， i 工 i l 、 7 一一d ； 加 c l m o 删b _ 晰咱l l j 袖 图2 - 8 球形晶粒界面前沿微观扰动。晶芽” f i g 2 - 8d i s t u r b i n g e m b r y o i nf r o n to f as p h e r i c a lg r a i n 对于球形晶粒的液固界面在凝固过程中发生一个扰动，容易产生一个“晶 芽”，局部浓度梯度也会变得更陡，局部液相线温度梯度将会增加，成分过冷区 仍然存在，必然产生枝晶。 假定在球形晶粒固液界面上产生的纯数学扰动具有无限小的的振幅，不影响 热扩散或溶质扩散场。被扰动的球形晶粒的微观界面可以用一简单的正弦函数1 来描述，如图2 - 8 所示。 数学扰动方程为： ，= e s i n ( w y ) ( 2 3 ) 式中8 为振幅；w 为波数。 界面温度可以根据局部平衡的假设推导出来h o l ： r = t f m c n r ( 2 4 ) 式中乃为熔点温度；，为g