（材料加工工程专业论文）半固态铝合金浆料智能制备技术和装置研究.pdf

摘 要 环节 的融 合， 根据现代控制技术的潮流， 在 硬件上 还应该开发基于p c平台 的控 制系统，充分 利用p c软硬 件技术的丰 富资源和强大功能。 4 、 针对以上 观点， 研制了 基于p c平台 、应用了智能 模糊控制技术的 温度 控制系统。 该系 统以p c 机为硬件平台， 应用组态王 作为 开发软件， 在控制上应 用模糊控制技术作为信息的处理和 控制。 经过计算机仿真和实验应用验证， 证明通过模糊智能控制技术的应用，所建立的温度控制系统超调小、精度 高、 动态响应较快和鲁棒性好， 克服了以前 所建立的基于单片机和p i d控 制技术温控系统温度过冲大、动荡时间较长等缺点。 5 、研究了半固态成形 z l 1 0 1 铝合金和 a 3 8 0 铝合金试样在室温下电导率和 其微观组织结构的关系。针对金属半固态成形的特点，考察了半固态成形铝合 金微观组织中的初生固相率、晶粒等效直径和晶粒形状因子三个因素各自对电 导率的影响。结论如下: ( a )铝合金电导率随着其初生固相率的增加而增加; ( b )铝合金电导率随着其微观晶粒等效直径的增加而增加; ( c )铝合金电导率随着其晶粒形状因子的增加也呈增加趋势; 以s n - 1 5 w t . % p b 合金为对象，研究了其在半固态温度区间，不同等温温度 对其微观组织的演变影响以及因此而造成的对其电导率的影响。结论如下: ( a )在半固态温度区间范围内，等温时间一定，随着等温温度的提高，其 固相率降低，其导电率随之降低。 ( b ) 在一定等 温温度下， 半固 态s n - 1 5 w t . % p b 合金的导电 率可以表示为等 温时间的单调递增函数。 因此在其半固态浆 料制 备工艺 中可以 配合 温度控制， 合理地控制其电导率， 进而控制其微观组织结构。 关键词:半固态;智能控制;浆料制备;微观组织;电导率 abs tract a d e v i c e a n d i t s c o n t r o l l 吨 s y s t e m f o r a n e w e ff i c i e n t r h e o c a s t i n g p r o c e s s , t e r m e d l o w s u p e r h e a t p o u r i n g w i t h a s h e a r f i e l d ( l s p s f ) , i s d e v e l o p e d . t h e e ff e c t s o f l s p s f p a r a m e t e r s o n t h e m i c r o s t r u c t u r e o f a l u m i n u m al l o y s s e m i - s o l i d s l u r ry w e re s t u d i e d . t h e a p p l i c a t i o n a n d d e v e l o p i n g t r e n d o f i p m ( i n t e l l i g e n t p r o c e s s i n g o f m a t e r i al s ) i n t h e t e c h n o l o g y o f s e m i - s o l i d p r o c e s s i s i n t r u d u c e d . a c c o r d t o t h e c o n c e p t o f i p m, a t e m p e r a t u r e c o n t r o l l i n g s y s t e m b a s e d o n f u z z y c o n t r o l a n d p c c o n t r o l l i n g t e c h n o l o g y w a s d e v e l o p e d . t h e r e l a t i o n b e t w e e n e l e c t r i c al c o n d u c t i v i ty a n d m i c r o s t r u c t u r e o f s e m i - s o l i d al l o y s w a s i n v e s t i g a t e d . t h e ma i n w o r k a n d r e s u l t s p r e s e n t e d a s f o l l o w s : ( 1 ) i n o r d e r t o i m p r o v e t h e p r e c i s i o n a n d s t a b i l i ty o f l s p s f p r o c e s s , a t e m p e r a t u r e c o n t r o l l i n g s y s t e m b as e d s i n g l e c h i p m i c y o c o a n d p i d t e c h n o l o g y w a s d e v e l o p e d . t h e h i g h e r p r e c i s i o n ( a r o u n d 1 l 0 c ) a n d f a c i l i ty o f t h e s y s t e m a re i m p o r ta n t a n d e ff i c i e n t t o t h e l s p s f p r o c e s s . ( 2 ) a s e r i e s o f e x p e r i m e n t u s i n g al u m i n u m al l o y s o f z l 1 0 1 , z l 2 0 1 , a 3 8 0 c a r r i e d o u t t o s t u d i e d t h e e ff e c t s o f t h e l s p s f p a r a m e t e r s o n t h e m i c r o s t r u c t u re o f al u mi n u m s e m i - s o l i d s l u n g . t h e r e s u l t s a r e as f o l l o w s : u n d e r t h e c o n d i t i o n w h i c h o n l y w h e n t h e p o u r i n g t e m p e r a t u re a n d t h e r o t a t i o n s p e e d o f d u c t m a t c h i n g w e l l , i t c a n b e c a r r i e d o u t t h a t t h e l s p s f p r o c e s s h a s h i g h e f f i c i e n c y o f d u c t m a k i n g w i t h h i g h q u a l i ty o f mi c r o s t r u c t u r e . i t s c o n c l u d e d t h a t t h e c h o i c e n e s s c o n d i t i o n o f l s p s f p r o c e s s i s : ( a ) t h e r o t a t i o n s p e e d o f d u c t i s a r o u n d 1 0 0 1 1 o r / m i n ; ( b ) t h e p o u r i n g t e m p e r a t u re i s a r o u n d 3 0 1 1 0 0 c a b o v e l i q u i d u s t e m p e r a t u r e ; ( c ) t h e t e m p e r a t u r e o f s l u r ry c o n t a i n e r i s a r o u n d 5 0 0 1 5 0 0 c . ( 3 ) t h e c o n c e p t i o n , p r i n c i p l e a n d k e y t e c h n o l o g y o f i p m ( i n t e l l i g e n t p r o c e s s i n g o f m a t e r i al s ) a r e i n t r o d u c e d . c o n s id e r i n g t h e s p e c i al ty o f s e m i - s o l i d p r o c e s s , a v i e w p o i n t i s b r o u g h t f o r w a r d i n t h e p a p e r t h a t t h e a p p l i c a t i o n o f i p m o n s e m i - s o l i d t e c h n o l o g y s h o u l d s t a r t w i t h t w o d i re c t i o n s : t e c h n o l o g y o f s i m u l a t i o n a n d f o r e c as t ， t e c h n o l o g y o f p r o c e s s i n t e l l i g e n t c o n t r o l l i n g . t h e m a i n v i e w p o i n t p r e s e n t e d as f o l l o w: ( a ) t h e k e y s to n e o f th e 即 p lic a tio n o f ip m o n s e m i- s o lid p ro c e s s is n e w s e n s o r r e s e a r c h i n g a n d m o d e m c o n t r o l l i n g t e c h n o l o g y a p p l y i n g . 彻 a c c o r d i n g t o t h e s p e c i a l i ty o f s e m i - s o l i d t e c h n o l o g y , t h e s e n s o r c a n r e fl e c t abs t r act t h e p e r f o r m a n c e o f m i c r o s t r u c t u r e o f s l u n g w i t h n o n - c o n t a c t c h e c k i n g o n t h e ma n u f a c t u r i n g l in e . ( c ) t h e c o n t r o l l i n g s y s t e m b a s e d o n t h e p c c o n t r o l s h o u l d b e d e v e l o p e d f o r s e m i - s o l i d p r o c e s s , w h i c h a p p l y i n g t h e m o d e m i n t e l l i g e n t c o n t r o l l i n g t h e o ry . ( 4 ) a c c o r d i n g t o t h e v i e w p o i n t a b o v e , a i n t e l l i g e n t t e m p e r a t u r e c o n t r o l l i n g s y s t e m u s i n g f u z z y c o n t r o l t h e o ry b a s e d o n p c i s d e v e l o p e d . u s i n g k i n g v i e w 6 . 5 , t h e s y s t e m s o f t w a r e i s d e s i g n e d . t h r o u g h t h e s i m u l a t i o n a n d t h e e x p e r i m e n t , t h e r e s u l t s h o w s t h a t t h e n e w t e m p e r a t u r e c o n t r o l l i n g s y s t e m h a v e h i g h q u a l i t y o f t e m p e r a t u r e c o n t r o l l i n g . t h e p r e c i s i o n ( a r o u n d士 1 0 c ) a n d s t a b i l i t y a r e a l l b e t t e r t h a n t h e s y s t e m b a s e d p i d c o n t r o l l i n g . ( 5 ) t h e r e l a t i o n b e t w e e n e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y a n d m i c r o s t r u c t u r e o f z l 1 0 1 a l l o y a n d a 3 8 0 a l l o y i s s t u d i e d . t h e i m p o rt a n t p a r a m e t e r s o f m i c r o s t r u c t u r e w h i c h a f f e c t t h e e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y i s t h e s o l i d p h a s e r a t i o , e q u i v a l e n t d i a m e t e r , s h a p e f a c t o r . a c o n c l u s i o n i s b r o u g h t o u t a s : ( a ) t h e e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i ty o f a l u m i n u m s h o w i t s e l f a t r e n d o f i n c r e a s i n g a l o n g w i t h t h e s o l i d p h as e r a t i o i n c r e a s i n g . ( b ) t h e e l e c t r ic a l c o n d u c t i v i ty o f a l u m i n u m s h o w i t s e l f a t r e n d o f i n c r e a s i n g a l o n g w i t h t h e e q u i v a l e n t d i a m e t e r i n c r e as i n g . ( c ) t h e e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i ty o f a l u m i n u m s h o w i t s e l f a t r e n d o f i n c r e as i n g a l o n g w i t h t h e s h a p e f a c t o r i n c r e as i n g . u s i n g t h e s n - 1 5 w t . % p b a l l o y , t h e a f f e c t o n t h e e l e c t r ic a l c o n d u c t i v i ty o f d i ff e r e n t t e m p e r a t u r e b e t w e e n t h e s e mi - s o l i d t e m p e r a t u r e r a n g e . a n d d i ff e r e n t t i me o f i s o t h e r m a l h e a t - t r e a t m e n t i s s t u d i e d . t h e c o n c l u s i o n p r e s e n t e d as f o l l o w : ( a ) w h e n t h e i s o t h e r m a l t im e k e e p s i n v a r i a b le , t h e e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i ty o f s n - 1 5 w t .% p b a l l o y s h o w i t s e l f a d e c r e as i n g t r e n d a l o n g w i t h t h e i s o t h e r m al t e m p e r a t u r e i n c r e as i n g b e t w e e n t h e s e m i - s o l i d t e m p e r a t u r e r a n g e . ( b ) wh e n t h e i s o t h e r m al t e m p e r a t u r e k e e p s in v a r ia b l e , t h e e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i ty o f s n - 1 5 w t . % p b a l l o y s h o w i t s e l f a i n c r e as i n g t r e n d a l o n g w i t h t h e i s o t h e r m a l t i m e i n c r e asing a c c o r d i n g t o t h i s c o n c l u s i o n , t h e e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i ty c a n b e u s e d t o c o n t r o l t h e q u a l i ty o f m i c r o s t r u c t u r e o f s e m i - s o l i d s l u r ry . k e y w o r d s : s e m i - s o l i d ; i n t e l l i g e n t c o n t r o l ; s l u rr y m a k i n g ; m i c r o s t r u c t u r e ; e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i ty i v 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 南昌大李 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 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 作 者 签 一严 签 一cll- /z q 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完 全了 解南昌大李 有关 保留、 使用学位论文的规定， 有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的 复印 件和 磁盘，允许论文被查阅 和借阅. 本 人授权南昌大李可以 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 作 者 签 名 (手 写 )二塑少 导 师 签 名 (手 写 ).4 w 签 字 日 期 ioll 年 ” ,( t a9 签 字 日 期 1 - 尸 年 a 1j 日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 通讯地址 : 电话 邮编 第一章 绪论 第一章绪论 1 .1 引言 半固 态加工技术( s s m) 是2 0 世纪7 0 年代美国麻省理工 学院m . c .f l e m i n g s 教 授领 导的 研究组发明的一种金属成形技术 1 - 3 1 。 它不同 于传 统的 使用固 态金属 ( 锻造)和液态金属 ( 铸造)来生产零件的常规技术，而是采用搅拌法制备出 具 有球状显微组织的半固 态金属流变浆料， 使用这种浆料 进行金属零件的制备。 由于具有球状组织的固液混合浆料具有良好的流动性，在较低压力下，即可采 用常规成形技术低成本地制备形状复杂而具有高性能的零件。金属半固态加工 技术成 为近年来发展 迅速的 一种新型凝固组织控制技术与零 件近净成形制造技 术，是学科交叉和融合的结晶。 1 . 1 . 1 半固态技术的 概念和特点 金属材料从固态向液态或从液态向固态的转换过程中，均要经历半固态阶 段， 在这 阶段中 合金内 既存在固 相又 存在流 体液相。 在金属的 凝固 过程中 ， 进行 剧烈 搅拌， 使普通铸造易于形成的 树枝晶网 络骨架消失而 保留 分散的颗粒状组织 形态。 这样的 显微组织在固液两 相区具 有很 好的 流动性， 得到一种液态金属 母液 中 均匀的 悬浮着一定固相组分的固液 混合浆料 ( 固相组分甚至可高 达 6 0 % ) ， 即 流变浆料。 这种半固态金属浆 料具有很 好的 流动性， 易于 通过普通加工方法 制成 产品。 采用这种将金属或合金在固相线和液相线温度区间进行加工成近终形产品 的加工成形方法， 就称为半固 态金属成形技术 ( s e m i - s o l i d m e t a l f o r m i n g o r s e m i - s o l i d me t a l p r o c e s s ，简称 s s m ) 。与传统的全液态金属成形工艺相比，半 固 态 加 工 技 术 概 括 起 来 有如 下 特点 5 .6 1. ( 1 ) 用途广泛. 流 变铸造可以 直接成形 ， 也可用于压铸、 挤压铸造、 模 锻成 形和金属型、砂型铸造。另外，还能精炼金属，制造复合材料等; ( 2 ) 铸造过程中 不需变质处理即可获得 均匀细晶组 织; ( 3 ) 凝固收 缩少， 可实现 近净成形 加工， 并 可通过 热处理获 得优越的 机 械性能; ( 4 ) 加工温度低， 使成形装置的热负荷 减轻， 使模具 寿命延长; ( 5 )半固态金属粘度高，充型平稳不喷溅、无湍流;冷却凝固时间短，可大 第 一章绪论 幅提高生产率; ( 6 ) 节约原 材料和能源， 降低生产成本。 因 此， 半固 态加工技术被认为是 2 1 世 纪最具发展前途的 近净成 形技术和新 材料制备技术之一。 1 . 1 . 2 半固态金属加工的主要工艺过程 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。研究和生产证 明，适用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。 其中铝合 金、 镁合金因 其密度低，在交通运输、航空航天工业 上有特别的应用意义，同时，他们熔点低，在工业生产易于实现。因此半固态 金属加工技术 在铝合金、 镁合金方面，已 得到一定的 应用。 半固态加工的主要成形手段有 压铸和锻造，此外也有人试验用挤压和轧制 等方法。如图 1 . 1 所示，半固态加 工工艺 路线主要有两条s i m :一条是将半固 态 浆料制备成坯料， 根据产品尺寸下料，再重新加热到半固态温度成形， 通常被 称作触变成形 ( t h i x o f o r m i n g ) ;另一条是将通过不同 制浆工艺 获得的半固 态浆 料在保持其半固态 温度的 条件下直接成形， 通常被 称为 流变铸造( r h e o - c a s t i n g ) o 触 铸缸 臀越芝 / _ r 恒 o xa n 门瞬狱竿 连 续制 备 半固 态桨 杆 6m r ym nm m rl lo . . 一 1掣 定量 分 割 锭坯， 新 加 热至 半 固 恋送 至 压射 室 引引工j.能 一1=尸r.备 曰川川明刃.1制 图1 . 1 半 固态成形一 l 艺流程图 f i g l . l t h e fl o w c h a rt o f s e m i s o l i d f o n n in g t e c h n i c s 对触变 成形，由于半固态坯料便于输送， 易于实现自 动化，因此在工业中 较早得到了 广泛应用。对于流变铸造，由 于将半固 态浆料直接成形，省去了 坯 料的二次加热过程，因而工艺过程简单、节约能源、 降低成本， 具有高 效、节 能 流程短的 特点， 近年来发展很快， 并逐渐成为半固 态加工技术中的 一个研 究热点。 第一章 绪论 1 .2 半固态制浆技术的研究现状 无论流变铸造还是触变铸造，都包含半固态制浆及半固态成形两部分。尽 管这两种半固态成形技术在工艺上有所不同，但都要求用于成形的半固态金属 浆 料 具 有 均 匀、 细 小 、 等 轴 的 非 枝 晶 组 织 (9 11101 在凝固过程初期，通过控制形核和长大过程，即将 合金保持在液相线温度 附 近能 产生大量晶核，同时限 制晶 核生长，能获得半固态组织。在此理论基础 上， 近年来兴起了 一些制备半固 态金属浆料的新工艺和新技术。由 于这些 新工 艺 和新 技术具有生产成本低、 能耗低、生 产效率高、设备简单、操作方便、 可 以 生产尺寸较大的半固态坯料等优点， 逐渐引起国内外学者的关注，将有可能 成 为 今 后 半固 态 加 工 技 术 应 用 的 主 要 方 法 11 11112 1 1 .2 .1 s e m i- s o li d r h e o c a s t in g ( s s r ) 工艺 2 0 0 0 年， 美国 麻省理工学院的m e r t o n c . f l e m i n g s 和r a u l a . m a r t i n e z - a y e r s 等1 1 3 提出了s s r流变成形工艺，工艺流 程如图1 . 2 所示。 首先将低过热度的合 金液 ( 以a 3 5 6 合金为 例， 过热度仅为7 c) 浇注到 制备增祸中， 利用搅拌器对 柑祸中 的合金 液进行短时弱机械搅拌，使合金熔体冷却到液相线以下 ( 低于液 相线 2 c ) ; 然后移走搅拌器，待柑祸中的 半固 态合金液静态冷却到预定的温度 或固相分数后，将其倾入压铸机压室，进行流变压铸。 mi t 最近的实 验研究认为， 影响 形成非枝晶 半固 态 浆料的 重要因 素是 合金的 快速冷却和热传导。在一定的搅拌速度下，能获得半固态组织，进一步提高搅拌 速度 对产生球形晶粒 没有太大影响，当 搅 拌时 间为2 秒时 就能产生非 枝晶 半固态 浆料。当合金温度低于液相线温度时， 搅拌对最终的微观组织没有太大影响，只 是利 用搅拌消除过 热， 引起合金 形核固 化， 而容器壁和 浇注热传导 ( 对流) 起很 大作用。基于这一点，mi t改进的流变铸造是在快速热释放的同时进行搅拌. ” ， ， 队川 s tep 2 自鳖颤 ) s r e p 1s te pzs t e p 3t i m e ( a ) 图 1 . 2 s s r工艺的工艺过程 f i g . 1 . 2 s c h e m a t ic i l l u s t r a t io n s s r p r o c e s s 第一章 绪论 1 .2 .5 不同液体混合法 不同液体混合法的原理是将两种或三种不同的亚共晶成分的熔融合金混合， 待混合的两 种或三种熔体均保持在液相线温度以上， 没有晶 核或者晶 核很少12 1 1 混合是在绝热的容器中 进行，或者在一 个通向绝热容器的静止混合槽中进行. 混合得到的 新合金温度在液相线上下，含有大量的晶核， 进一步热处理可以形 成具有细小 球状组织的 半固态浆料， 其工艺 过程如图1 .6 所示。 该工艺的技术关键是对两种熔体的化学成分、热容量、 流动强度等参数进 行有效的控制。美国开发了专门的 试验设备， 对铝合金、 含硼合金进行了 试验 研究，取得了良 好的效果。其主要优点是可以连续生产，而且浆料制备速度快。 成形 .认协 图1 6 两种不同 液体混合法的工艺 过程 f i g l .6 s c h e m a t i c i l l u s t r a t i o n o f m i x i n g w i t h t w o d i ff e re n t l i q u id s 1 . 2 . 近液相线铸造法 近液相线铸造法2 t 1 是东北大学与澳大利亚墨尔本大学合作开发的 一种新型 制浆技术. 该法主要是使金属熔体在液相线温度附 近保温一段时间并形核 ， 然后 浇铸成具有细小球形组织的适合半固态成形的铸坯。这种制浆技术由于浇注温 度低， 而且避免了 搅拌， 无需特殊设备， 工艺简单， 具有其它制浆技术所不具备的 优 势， 因 而有着良 好的 应用前景， 同时该 技术也拓展了半固态成形技术的 应用领域。 目 前， 已 在实验室中 成功制备出7 0 7 5 . 2 1 6 8 和a 3 5 6 等铝合金和a z 9 1 d . z k 6 0 和m g - l i 等合金的半固态坯料. 虽然无搅拌的近液相线铸造技术制备半固态浆料取得了一定的进展，但人 们对金属溶液在液相线温度附近保温过程中的形核、长大规律还没有进行系统 研究，而金属液相线温度附近保温过程中形核、长大的 情况对于能否制得优良 的半固态浆料十分重要。 此外，还有较早研究的机械搅拌工艺、电磁搅拌工艺、应变诱导熔体激活 第一章 绪论 法、 超 声 处 理 法、 化 学 晶 粒 细 化 法等 制 浆 工艺 2 u . 其中 ， 电 磁 搅拌 工艺 、 应 变 诱导熔体激活法己 经在实际生产中有了一定的应用，其他方法大多数还处在试 验室研究阶段。 1 .3 半固态成形工艺 一般说来，半固态加工方法可分为半固态轧制、半固态挤压、半固态锻造、 半 固 态压铸 ( 包 括 流 变铸造和 触 变铸造) 等几 种工艺 类型 2 3 -2 7 1 ( 1 )半固态锻造 半固态锻造是将材料加热到半固态，在锻模中进行压缩变形，以获得所需 形状与性能的制品的加工方法。半固态锻造可以加工变形抗力较大的高固相率 半固态材料，并可以加工形状复杂的制品。此外，半固态锻造还可以加工一些 难成形的超合金。目前，利用半固态锻造已 进行了各种铝合金、 铜合金、铸铁、 高碳钢、高速钢的锻造加工试验，进行了部分机械零件的加工研究。 ( 2 )半固态挤压 半固态挤压是将加热到半固态的材料放入模腔，挤压出所需形状和性能的 制品。半固态挤压研究最多的是铝合金与 铜合金的棒、 线、 管及异型材的加工。 由于加工制品的性能好，容易操作，应用前景广阔，是难加工材料、粒子强化 复合材料、纤维强化复合材料加工不可或缺的加工技术. ( 3 )半固态轧制 具有球状晶的合金加热到半固态时，仅有保持固体形状不被破坏的强度， 变形抗力很低，便于成形。加工对象主 要是板材。 ( 4 )半固态压铸 又分为两种工艺，分别为流变铸造与触变铸造。 流变铸造是合金在凝固过 程中施加搅拌等方法，对具有球状晶的半固态合金进行压铸加工。触变铸造是 将经凝固搅拌后的具有球状晶的半固态合金材料进行重新加热到半固态， 然后 进行加工的方法。与 普通压铸工艺相比，半固态压铸可抑制气泡的产生， 产品 性能高，可加工形状复杂的制品。 根据加工温度范围 进行划分，在液相线以上的加工方法称为铸造类加工， 固相线以 下的加工称为 锻造类加工。 按加工温度排列，可得到图1 . 7 的排布图， 可见半固态加工在金属成形加工方法中占 有重要的 地位。 在半固态加工技术出 第一章 绪论 现之前， 成形温度或者在液相 线以上 或者在固相线以 下。因此，半固 态加工填 补了 不能在固、 液相间 进行加 工的空白。半固态加工是在别的加工方法基础上 发展起来的。 例如， 半固 态挤压和半固态轧制是在金属压力加工中的热挤和热 轧工艺基础上产生的。 液相线温度 固相线温度 再结晶温度 室温 图 1 . 7 半固态加工在金属成形加工中的位置 f i g 1 . 7 t h e p l a c e o f s e m i- s o l i d p r o c e s s a m o n g m e ta l s h a p i n g 1 .4 半固态金属加工技术国内外发展状况 几十年来， 半固态金属加工技术的工业应用已取得很大进展。 世界上有许多 国家 都已 开始了 半固态金属加工 技术的 研究和应用开 发。目 前，美国、 意大利、 瑞士、 法国、 英国、日 本等国家处 于领先地位， 并已 进入工业应用 阶段。 半 固 态 加工 技 术 源 于 美国 ， a lu m a x e n g in e e r e d m e ta l p r o c e s s 公 司( a e m p ) 率 先将此技术转化为生产力【2 1 . 1 9 7 8 年，该公司使 用电 磁搅拌技术生产出供触 变成形的圆 锭，随后建 成了世界上第一条高 度自 动化的 触变成形生 产线， 用于 生 产铝合 金汽车零件， 并且拥有相关专 利6 0 余项。 1 9 8 8 年开始， a e m p 公司为 b e n d i x 牌小轿车生产了2 5 0 万件 铝合 金主制 动缸， 为f o r d 汽车公 司生产了1 5 0 0 万件铝合金压缩机活塞， 其成品 率几乎为1 0 0 % . 1 9 9 2 年a e m p 公司 与s u p e r i o r 工业公司 合资 在美国阿 肯色州兴建了 一个工厂， 把触变成形技术 应用于 汽车零 件生产上。 在 欧 洲， 意 大 利 是 半 固 态技 术 商 业 化 应 用 最 早 的国 家 之 一 2 9(30 1 . s ta tn p a l 公 第一 章 绪论 司是 一个从事 铝合金 触变成形的欧洲厂商， 能够生产直径为 9 0 - 1 1 0 m m ，长度 可 达4 0 0 0 n u n 的锭坯。 它采用该技术为f o r d 汽车公司生 产z e t a 发 动机油料注射 挡板， 生产率为1 6 0 件 / 小时， 还生产齿轮 箱盖和摇臂等零件。 瑞士a l u s u i s s e 公 司和几 个欧洲 汽车制 造商 合作开发生产汽车 零件，1 9 9 7 - 1 9 9 8 年开 始全面投产， 产品主 要是 汽车悬挂系统，比 如控制臂和操作转向节等，并已成为其中两个汽 车制 造厂的供应 商。 另外， b u h l e r 公 司于1 9 9 3 年初设计制造的 第一台适用于半 固态 金属压铸的s c卧 式压铸机， 该 设备 配有压射实时液压 控制系统及新型的型 腔传感系统来检测和确保工艺的稳定性，典型产品是汽车主制动缸。法国 p e c h i n e y公 司是主要生产坯料的厂商。英国 s h e ff i e l d大 学的 p .k a p r a n o s 等在 l o o k n 锻 压机上进行半固 态锻压成形，该 设备能对压头速度和 锁形 时间进行计 算机控 制， 并 成功地试制出尺寸 精度 极高的a 3 5 6 铝合金 锻件 和m 2 工具钢齿轮 等零件。 此外， 澳大利亚墨尔本大 学机械工程 系加世纪9 0 年代开始 对半固 态加工技 术进行研究，已经取得了一定的进展。 日本于2 0 世纪 8 0 年代后期成立了一家由十八个成员组成的r h e o t e c h 公司， 随后对半固态金属加工技术进行了系统研究，同时加强与欧美著名大学和公司 的联系。其成员公司包括:三菱重工、神户制钢、川崎制铁、古河电器等四十 家钢铁 企业和四家有色金 属公司。 在 1 9 8 8 年3 月 至 1 9 9 4 年6 月 期间 共投资3 0 亿日元进行研究开发，并准备向工业应用转化。 我国 的半固 态加 工技术起步较晚， 开始于2 0 世纪8 0 年代 后期， 先 后有不少 高 校和科研机构开展了这方面的研究，如东南大学、 北京有色金属研究总院、 东北大学、北京科技大学、 清华大学等单位从事半固 态金属加工技术的科研工 作，取得了可喜的进步。其中东南大学的朱鸣芳等人对 z n - a l合金的半固态加 工成形性，半固态等 温处理时对触变组织的影响作了 大量的 工作。 中南 大学对 喷射沉积 / 半固态积压 进行了 研究。东 北大学与澳大利亚墨尔本大学合作 采用液 相线铸造法以 变形铝合金2 6 1 8 和 7 0 7 5 为例， 对半固 态浆液的制备、半固 态成 形 性、 热处理制度及成品机 械性能作了 系统的研究工作。 北京有色金属研究总 院 在国家 “ 8 6 3 ” 计 划支持下自 行设计建立了 一条半固 态材料制备试验线，设 计能 力1 0 0 吨 / 年，于1 9 9 8 年 1 0 月实 现了a 3 5 7 铝合金半固态半 连续流变铸造。相 关 的 研 究 工 作 仍 在 继 续 2 q 第一章 绪论 1 .5 半固态金属加工技术的发展前景和趋势 利用半固 态金属加工 方法能 够制备 形状复 杂的 零部件， 像汽 车用刹车制动缸 体和铝合金轮毅、空调设备部件、转向 与传动系 统零件、活塞、机器的手臂以 及航空航天上使 用的电子器件的联接部件等。 这种半固态锻造铸件包括许多键 销和定 位装置， 他们的公差精度接近于机械加工精度。因此，节省原材料与较 高 的生产率等特点使得 半固 态金属加工成为 一种经济实惠的加工方法。 铝合金半固 态成形 件与 普通铸件相比 ，具有组织细小、内 部疏松小、尺寸 精度高、 表面 质量高和 性能高等特点，同 时因减少或无切削加 工，从而降低了 零件的 制造成本。比 如， 汽车 制动缸体通常用铸铁铸造，而汽车轻量化趋向 于 轻金属模铸工艺， 在应用于半固态加工技术后，与 前面两种工艺 相比，不但提 高了生产自动化程度，而且易于实现近净性制造。 对于采用半固 态金属加工工艺，虽然生产铸锭成本有所提高， 但是由于材 料的消耗量比原有工艺大大减低，并且减少了机加量，因而可以弥补成本的提 高。另外，半固态生产效率的大幅度提高也足以补偿设备费用的增加。因此， 半固态加工技术不仅在机加工和提高产品性能方面具有优越性，在经济性方面 也具有相当的市场竞争力。 为了 把半固 态金属加工技术推向 产业化，目 前半固 态加工技术还需对以 下 几 个 方 面 深 入 研 究 10 13 3 1 卜 ( 1 )分析半固态浆料非枝晶组织的形成规律，进一步研究半固态金属变形 时的微 观机理， 尤其是符合实际生产状况的动态组织性能的 研究。 ( 2 )进一步细化半固态合金加工件的微观组织，有效控制半固态原始浆料 中的固相组分的尺寸和数量。 ( 3 )半固态加工的模具设计和表面处理工艺。 ( 4 ) 研究半固 态金属加工过程中的计算 机应用和自 动化过程控制，并进 行 半固态加 工技术的 数值模拟研究，为优化成形 工艺提 供依 据。 ( 5 ) 开发连续植被半固 态金属浆料铸坯自 动化生产线和半固态成形自 动 化 生 产线。制浆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 结 构， 实 现半 固 态 浆 料 直 接 成 形 【1o p 3 ( 6 ) 适于半固 态加工的新型高强、高韧、耐 热合金的设计与 开发。 1 . 6 l s p s f 制桨工艺装置及流程 半固态浆料的制备技术虽然很多，但是目前应用于工业生产的仅局限于电 第一章 绪论 磁搅拌 技术和 应变诱导熔体活 化技 术。其中电磁 搅拌技术占主导地位。除此 之 外的其 它方法 均处于实验室 研究阶 段，尚未投入工业生产。但电 磁搅拌技术 漏 磁比较 严重， 效率低下，电能消耗 量大，设备结构复杂，因而成本较高:应 变 诱导熔体活化 技术需要增加一 道预 变形工艺，提高了 生产成本，而且仅能生产 小零件，使半固态成形技术的应用受到限制。 所以 尽管半 固态加 工技术有 许多 优点，但 它也存在一 些不足。因 此，为了 使 得半固 态成形 技术更 加具有竞争力， 半固态 加工技术的 发展趋 势是: 进一 步简化 加 工工艺流 程: 进一步降 低加工 成本;拓宽半固 态加工 技术的 应用范围。开 发经 济、 快捷、 优质、 高效的半固 态智能 制浆技术 和装置应该 成为下一 步的研究 重点。 剪 切低温浇注式半固态浆料工 艺 ( l s p s f工艺) 是 我们课题组近年研究发 展起来的一种 新型 金属半固态浆料制备工艺，在前期大量的试验证明该工艺装 置对初生相形 核、生长具有较好的控制作用，并通过转管对流动熔体的搅拌作 用，有明 显的 碎晶效果。l s p s f工艺 是将过热的