（材料加工工程专业论文）单管强冷制备半固态成形浆料及坯料的工艺研究.pdf

摘要 摘要 半固态成形零件由于组织致密、夹气少、性能优异且属于近终型成形，因 此该技术在许多工业尤其是在汽车工业方面具有广泛的应用前景。同时半固态 成形技术又是- - i - j 跨金属凝固学、传热学、流体力学、材料力学以及物理学等 多学科的先进材料成形技术，因而具有较高的理论研究价值。 本文用自行设计的单管强冷制浆装置制备了半固态a 3 5 6 铝合金浆料，对制 浆工艺进行了研究。试验主要从浇注温度、冷却强度及钢管直径三方面研究了 工艺参数对半固态组织形成和演变的影响。 试验表明：在保证输送管内合金熔体不结皮的情况下，尽量采用低过热度 进行浇注和增加冷却强度，有利于细化晶粒组织，提高有效形核数目。浇注温 度过高或冷却强度太小时，铝合金出口温度就会偏高，不能形成比较好的半固 态组织；但浇注温度过低或冷却强度太大，又可能会堵塞输送管，导致实验失 败。 只有浇注温度、冷却强度和钢管直径能够良好地匹配，使合金的出口温度 低于液相线温度l 6 左右，便可以获得优良的半固态浆料。在本实验装置 中，可以得到理想的半固态浆料的工艺参数为：钢管内径1 0 m m ；浇注温度 在6 6 0 - 6 5 0 之间；冷却水流量为2 0 0 l h 。 关键词：单管强冷：a 3 5 6 铝合金；半固态成形；浇注温度；冷却强度 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 lf o r m i n g ( s s mo rs s f ) h a sa ne x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni nm a n y i n d u s t r i e s ，e s p e c i a l l yi nt h ea u t o m o b i l ei n d u s t r y ，a si t so r g a n i z a t i o no fd e n s e ，l e s s e n t r a p m e n to fg a sa n dh i g hp e r f o r m a n c e ，m e a n w h i l e i t b e l o n g st on e ts h a p e f o r m i n g a n di t sa na d v a n c e dm a t e r i a l - f o r m i n gt e c h n i q u e ， r e l a t e dt om a n yf i e l d s ， s u c ha sh e a t t r a n s f e r ，h y d r o d y n a m i c s ，m a t e r i a l sm e c h a n i c sa n dc o m p u t a t i o n a l m a t h e m a t i c se t c ，t h e ni tk e e p sah i g h e rt h e o r e t i c a lr e s e a r c h i n gv a l u e b yu s eo fs e l f - d e v e l o p e ds t r o n gs i n g l e - - c o l d p u l p i n ge q u i p m e n tw h i c hi st om a k e s e m i s o l i da 3 5 6a l u m i n u ma l l o ys l u r r y ，s t u d yt h ep u l p i n gp r o c e s s t h ee x p e r i m e n t m a i n l ys t u d i e so nt h ei n f l u e n c eo ft h r e ea s p e c t st h o s ea r ep o 嘶n gt e m p e r a t u r e ， c o o l i n gi n t e n s i t ya n dd i a m e t e ro ft h ec o p p e rt o w a r dt h ef o r m a t i o na n de v o l u t i o no f t h es e m i - s o l i da l u m i n u ma l l o ys l u r r y t h ee x p e r i m e n t ss h o w e dt h a t ：i ne n s u r i n gt h ep i p e l i n ea l en o tw i t h i nt h ea l l o y m e l tc r u s tc i r c u m s t a n c e s ，a sf a ra sp o s s i b l et oc a s tu s i n gl o ws u p e r h e a ta n di m p r o v e t h ec o o l i n gi n t e n s i t yh a sav e r yp r o n o u n c e de f f e c tf o ri n c r e a s et h en u m b e ro fe f f e c t i v e n u c l e a t i o n w h e nt h ep o u r i n gt e m p e r a t u r ei st o oh i g ho rt h ec o o l i n gi n t e n s i t yi st o o s m a l l ，e v e nt h et e m p e r a t u r eo fe x p o r t e da l u m i n u mi st o oh i g h ，t h o s ec a nn o tf o r m ab e t t e rs e m i s o l i do r g a n i z a t i o n ；w h e nt h ep o u r i n gt e m p e r a t u r ei st o ol o wo rt h e c o o l i n gi n t e n s i t yi st o ol a r g e ，t h es t e e lp i p em a y b eb l o c k e d ，t h a tl e a d st ot h ef a i l u r e o ft h ee x p e r i m e n t s s ol o n ga sp o u t i n gt e m p e r a t u r e ，c o o l i n gi n t e n s i t ya n dd i a m e t e ro ft h es t e e lp i p e c a nh em a t c h e dw e l l ，t h et e m p e r a t u r eo fe x p o a e da l u m i n u mi sl o w e rt h a nl i q u i d u s t e m p e r a t u r ea b o u t1 6 ，t h a tc a nf o r mag o o ds e m i - s o l i do r g a n i z a t i o n i nt h i s e x p e r i m e n t a lf a c i l i t y ，w ec o u l dg e ti d e a ls e m i s o l i ds l u r r yp r o c e s sp a r a m e t e r s ：q t h e s t e e lp i p ed i a m e t e ri sa b o u t10m m ；p o u r i n gt e m p e r a t u r es h o u l db ec o n t r o l l e d d u r i n g6 6 0 。c 6 5 0 。c ；c o o l i n gw a t e rf l o wi sa b o u t2 0 0 l h k e yw o r d s ：s t r o n gc o o l i n gw i t hs i n g l e - t u b e ；a 3 5 6a l u m i n u ma l l o y ；s e m i s o l i d f o r m i n g ；p o u r i n gt e m p e r a t u r e ；c o o l i n gi n t e n s i t y 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) ：熊莉梗签字日期：砷年z 月乃日 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学有关保留、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。本人授权南昌大学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) 学位论文作者签名：麓乓耘报导师签名：抑玺弓鸣 签字日期：妒y 年i 狷冯日签字日期：年 月日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 半固态成形技术概况 半固态金属成形技术是上个世纪七十年代开始出现的一种新型的金属成形 加工的方法，研究的历史只有短短不过三十多年的时间。美国麻省理工学院( m i t ) 的m c f l e m i n g s i 】教授等人是最早对其进行应用和研究的。 一九七十年麻省理工学院的博士研究生d b s p e n c e r 在做高温撕裂的力学 特性实验的过程中发现，在高于液相线温度激烈扰动和搅拌金属液并且同时缓 慢地冷却合金液后，测得这时的切应力很小。在与不激烈扰动和搅拌金属液时 的切应力相比较发现，此时的切应力小得多。通过显微镜观察发现此时凝固的 合金微观组织初生相大部分呈球形状和颗粒状【2 1 。m c f l e m i n g s 教授等学者认识 到金属凝固的这一现象对工业生产很有帮助，很快就开始对这个具有初生固相 呈球形状或颗粒状的半固态合金组织形成机制、半固态合金熔体的力学行为及 半固态合金组织的成形特点等问题进行了广泛深入的研究，该技术就是后来被 称作为s s m t 3 1 的半固态金属成形加工的技术。 经国内外学术界和企业界的学者研究发现，在合金液凝固过程中，采用以 下任何一种机械方式：强烈扰动和搅拌、加入晶粒使其细化、实现快速的冷却 凝固，都能改变合金组织中的晶粒组织形态和大小，能得到液态成份中含有一 定的固相成份即固液混合物，该混合物的固相分数即使达到6 5 ，在外加切应 力很小的情况下仍然具有良好的流动性，采用这种既非完全液态又非完全固态 的特殊合金材料来成形加工的工艺，称为半固态金属成形加工的技术【4 j 。 1 1 1 半固态成形技术的工艺特点 半固态金属( 合金) 内部是固液共存混合物。该混合物固相率低的时侯，固 相颗粒是均匀悬浮在金属液相成分中；而该混合物在固相率高的情况下，液相 成分只限于金属液相的晶界部位。半固态成形金属的力学特点突出表现在以下 第1 章绪论 几大方耐 】： ( 1 ) 由于固相和液相共同存在，因此溶质中各部分的浓度是不一样的，并且 会不断地发生变化。在固相和液相两者之间，熔化过程和凝固过程是同时出现 并且不断地变化的，微观组织的热扩散也是非常的活跃。 ( 2 ) f q 予液相成分是夹在晶粒问或固相粒子之间的，晶粒间或固相粒子间结 合力与固态金属相比要小很多。因此，半固态金属的变形抗力小，在较小作用 力下就能变形，很容易实现加工；半固态金属在固相率低于1 5 时，有勃性流 体特性存在，就是在特别小的作用力下也能半固态金属发生机械变形；对于那 些含有陶瓷颗粒、纤维等的材料，如果固态时是很难加工的，但在半固态状态 下加工则容易得多，并且切削的力量不需要很大。 ( 3 ) 由于固相粒子间几乎无结合力，在某些部位很容易实现分开，但由于半 固态金属中还有液相组织，因此分开的地方又很容易连接在块。由于液相成 分是不断地变化的，因此不仅不同半固态金属之问很容易结合在一起，而且半 固态金属在与其他固态金属材料结合时也变得相当的简单。只要固相率低到极 限值( 约7 0 ) 以下时，浆料中就能很容易地加入粉末、纤维等异种材料，异种材 料通过搅拌很容易与浆料达到混匀。 ( 4 ) 在外力作用力，可能会发生液相成分与固相成分同时流动的情况。在固 相率一般或加工速度特别低的情况下，不管外加作用力如何，通常都是存在固 相成分比液相成分流动要慢，或固相成分流动的倾向少现象。在固相率很高或 很低和加工速度特别大的情况下则固相成分与液相成分流动速度差别不大。 半固态金属这些良好的工艺特点使得它与普通的加工方法相比有很多独特 的突出优点【1 1 2 】： 第一、与液态的金属成形相比较，半固态金属成形材料的粘度要高得多，在 充填铸型的过程中，充型显得比较平稳。因此，半固态金属成形有卷入到金属 液中的气体很少和材料不容易发生氧化变形等很多优点，有成形材料的微观组 织在整个零件中分布均匀，基本不受材料厚度的影响，表面质量好，内部结构 致密，内部缩松类缺陷少等优点。 2 第1 章绪论 第二、与普通锻造的相比较，半固态金属成形材料容易发生流动、容易发生 机械变形，较小的切削力就能实现加工，因此，即使是要加工很复杂的零件也 可以做到快速的加工；对半固态金属成形材料的合理使用可以节约能源、节约 材料、显著降低成本；材料在半固态时变形抗力较低，可以用较小的切割力对 较大型零件进行加工，因此，加工的机械设备可以做到简单化、轻巧化，这样 就可以减少投资，降低损耗。 第三、半固态金属材料为固液混合物，液相和固相共同存在，金属凝固要 释放的热量少，收缩的比例小，可实现零件近终型成形加工；成形使需要的金 属材料的温度低，可以大大延长模具的使用寿命，零件的成形效率得到加快， 加工速度也得到大大提高；半固态金属浆料有很高的粘性，固相率低时，在生 产加工过程中可以将一些粉末、纤维等异种材料通过搅拌加入到半固态金属液 中，这样就可以生产出复合型的合金材料，为新材料的开发研究提供了一条全 新的成形方法。 半固态成形有很多的优点，但同样也存在很多明显的缺点【1 3 1 。 工艺参数控制严格，不利于实现工业生产。固相率变化对半固态成形加 工影响很大，因此要严格控制材料的固相率。为了得到合格的组织，冷却温度、 冷却速度等工艺参数要控制在很小的波动范围内，这样对实现自动化生产很不 利。 对金属的合金成分要求严格，适合于半固态成形生产的合金需要随温度 变化，半固态的固相率变化不大的合金。为了更好地控制半固态材料加工与加 工过程，我们需要监控半固态合金的固相率，因此，随温度变化，半固态材料 的固相率需要变化缓慢才行。 触变成形流程较长。虽然触变成形比传统的固态成形技术先进，流程大 大缩短，但是与全液态直接成形相比，其工艺流程则还是长得多。 对设备的要求严格。半固态成形加工中有一个相当关键的中间环节就是 二次重熔和加热处理，而加热速度快是材料二次加热过程中最关键的环节，加 热速度快才能达到最佳效果，这样就对加工设备的要求严格。此外，在制备高 3 第1 章绪论 固相率的半固态成形材料时，需改用机械搅拌外的其他方法。 1 1 2 半固态成形技术的分类 半固态成形技术一般按工艺过程可分的两大类，一类为流变成形，还一类 为触变成形【1 4 】。半固态成形技术是在金属液从液态向固态的转变过程中，通过 外力搅拌或扰动金属液、加入特殊材料使晶粒组织细化、改变金属液组织中的 热平衡状态等办法，从而改变金属液组织的转变凝过程，最终获得有类球状或 蔷薇状的合格半固态成形组织。如果用获得的半固态浆料直接来成形加工就是 流变成形；获得半固态浆料后，如将其进一步凝固成坯料，再根据需要将坯料 切分到一定尺寸，把切分好的坯料重新加热到所需温度再进行成形加工，那就 是触变成形，如图1 1 所示。 - _ _ - _ _ - - - - - - _ - - - - - _ _ 一 l触变成形 i 图1 1 金属半固态成形工艺技术路线图 半固态金属成形工艺生产出的制品与普通加工方法生产出的制品相比质量 要更好，这主要是因为半固态金属成形材料比液态金属成形材料的粘度更高， 成形时所需的温度不高。以压铸为例，半固态金属成形工艺是以“较粘的固态 组织”充填型腔，而液态金属成形工艺则呈“飞溅浪花状 充填型腔。因而， 半固态金属成形工艺卷入到金属组织液内部气体少和杂质废料少，产品质量更 4 第1 章绪论 好。由于半固态金属凝固收缩比全液态金属明显减少，使零件完整性得以改善， 尺寸近终型化。铝合金半固态成形件和普通成形件的性能比较，可以发现在机 械强度、组织致密等性能方面，半固态成形件具有相当明显大的优势。 经过三十多年的发展，半固态成形技术经历了：先简单的流变成形铸造再 到触变成形锻造再回到先进的复合流变成形加工的不断更新的发展过程【1 5 16 1 。 半固态金属流变铸造是最早开始实行研究的半固态流变成形工艺。然而， 由于以前运输、保存技术不发达，即使是简单的流变铸造也发展特别不是很快， 一直没有出现过合适的半固态成形流铸技术。与半固态浆料的输送相比，半固 态坯料作为固态，运输方便、加热简单且便于实现机械化操作，因此，触变成 形是最早出现的半固态成熟技术，如应用于连续成形的挤压锻造和压力铸造、 应用于镁合金的密封注射成形等。 随着触变成形加工的不断发展，它的一些其主要致命缺陷也逐渐暴露了出 来【1 刀： 第一，材料损耗大。用于触变成形加工的坯料需要有材料切割和重熔加热 两部分，这样就会有材料损失；成形过程中会浪费很多材料，并且浪费的材料 不能马上进行回收，必须返回到原始加工厂家车间进行重熔，这样就无形中增 加了材料消耗。 第二，生产成本高。触变成形最主要使用的方法是电磁搅拌法，而传统的 电磁搅拌一般功率都很大、效率又不高、消耗的能量也高。因此，触变成形用 设备投资比较大，获得半固态所需的坯料的成本大大增加。 第三，成分不均匀。在利用电磁加热半固态金属材料过程中，成分会存在 一些不规则偏差，半固态组织中晶核形状和晶核分布不均匀。此外，电磁感应 加热半固态坯料的因为功率很大，所以材料表面烧损严重。 显然触变成形比流变成形生产成本高，因此触变成形作为一种半固态加工 技术发展前途不大。半固态金属流变成形技术具有材料损耗低、废品率少等特 点，因此，合理使用流变成形技术更能节约资源、提高加工速度、降低生产成 本【1 8 】，对半固态金属流变成形的研究更有发展前景。 5 第1 章绪论 1 1 3 半固态成形发展现状1 1 2 l 从二十世纪七十年代开始，世界上许多围家对半固态成形技术相继投入了 很多资金，开展了大量研究工作，有较多的研究成果已经开始应用于进行工业 化生产。半固态成形理论研究主要围绕与工艺如何实现和试样组织性能如何测 定等有关方面进行的。 半固态加工技术半固态起源于美国，发展很快，处于全球领先地位。一九 七八年a l u m a x 公司发明的m h d 技术是最早用于生产的半固态加工技术，当时 只能生产一些如圆锭类简单铸件。到一九九七年，a l u m a x 公司的半固态铝合金 零件己成功应用于汽车、轮船、医疗器械等诸多领域，生产能力也大大提高。 从二十世纪八十年代以来，在欧洲很多发达国家在对半固态成形加工方面 进行了大量的研究工作。意大利在一九七五就开发了半固态成形技术，如s t a m p a l 公司当时就能用半固态成形技术生产齿轮箱和摇臂件等零件；m a g n e t im a r e u i 公司能用半固态成形生产铝合金细小零件，日产达到七千多件。到八十年代后 期，瑞士的b u b l e r 、德国的e f u 、法国的p s a 、瑞士的a l u s i s s e 、意大利的f i a t 等发达公司已经能合理利用半固态成形技术进行生产。 日本的半固态成形技术开始于二十世纪八十年代后期，最早是由基础技术 研究、促进重工业发展等多家公司组建的s p e e ds t a rw h e e l 股份公司开始研究。 随后，该公司对半固态加工技术进行了系统的研究，同时加强与欧美著名大学 和公司之间的交流。目前，日本的s p e e d s t a r w h e e l 公司已经能成功利用半固态 金属加工技术连续生产铝合金轮毂类小零件。 半固态金属加工技术在我国起步较晚，始于二十世纪七十年代中后期。从 八十年代后期开始，我们国家在半固态成形技术的相关领域的进行了较多的理 论基础研究，先后有不少高校和科研单位开展了半固态金属加工技术方面的研 究，取得了较大的成绩和一大批研究成果，使半固态成形在我们国家t q k 化应 用道路上迈出了坚实的一步，受到工业界高度关注。与国外相比，国内在半固 态成形理论方面的研究水平与国外相近，差距主要表现在工业应用上。 6 第1 章绪论 1 2 半固态金属浆料或坯料的主要制备技术 半固态成形的核心问题是如何获得具有均匀细小、近球形的固相组织，即 适用于进行半固态成形的半固态金属材料。因此，如何获得这种特殊组织，即 如何制备浆料或坯料是半固态成形技术的基础和关键。制备半固态成形坯料的 方法有很多，目前普遍采用的方法有：机械搅拌法、电磁搅拌法、变形诱变激 活法、超声振动法和近液相线浇注法等。对这些制备技术的研究将有利于开发 新的半固态成形制备技术。 1 2 1 机械搅拌法 机械搅拌法【2 3 2 q 是最古老、最传统的一种半固态金属材料加工方法，该技 术装置如图1 2 所示。机械搅拌法原理是在金属液的凝固过程中依靠外力强烈扰 动与搅拌，初生树枝晶在机械力作用下发生剪切而断裂破碎形成类球状或颗粒 状组织。 3 图1 2 机械搅拌制浆小意图 1 搅拌叶片2 浆液3 搅拌槽 机械搅拌法的最大优点是研究时间早，技术成熟，容易实现机械化操作， 搅拌强弱等工艺参数相对容易控制，但存在生产的效率不高，对搅拌器材料的 强度要求高、半固态金属液的稳定性要求高等不足。对于高固相率半固态金属、 或容易氧化及吸气的金属、或需用较快冷却的合金用机械搅拌法不能制备。机 械搅拌法非常适合实验室的研究工作，是目前实验室应用最多的一种半固态金 7 第1 章绪论 属材料加工方法，但它无法满足工业自动化生产的要求。 此外，在搅拌加工过程中，在搅拌腔内部存在有些搅拌不到的地方，导致 浆料组织不均匀；因要用机械力搅拌，搅拌棒的寿命不长；搅拌棒要与金属液 直接接触，存在搅拌棒腐蚀和搅拌棒对金属液组织的污染等问题。 1 2 2 电磁搅拌法 电磁搅拌制备方法【2 7 2 9 1 是金属液在从液态向固态的转变过程，利用电磁感 应产生感应电流，在外加磁场的作用下，促进合金液强烈地搅动，使树枝晶组 织转化成为类球状或颗粒状组织，即利用电磁感应力将析出的树枝晶组织破碎。 电磁搅拌法是一种不需要接触金属液的方法，该技术装置如图1 3 所示。 在目前的半固态金属成形加工方法中，利用电磁感应加工的方法被认为是 制备半固态合金组织中最理想、最有前途、最成功的一种方法，因此电磁搅拌 法是半固态成形加工工j i k 应用中最重要的半固态成形加工方法。 图1 3 电磁搅拌法制浆示意图 1 连续供给合金2 感应线圈3 液态合金4 冷却区 4 电磁搅拌法是利用电磁感应力使金属液产生扰动，从而减少金属液中发达 8 第l 章绪论 的树枝晶，增加类球状或颗粒状组织，最终提高零件的强度，改善材料的质量。 其实质是借助感应力的作州使金属液中产生感应电流，带有感应电流的金属 液在磁场中会受到洛仑兹力的作用，产生剧烈的扰动，从而改善金属液固化过 程中的流动、传热和迁移，达到改善零件的强度，改善材料的质量的目的。 影响电磁搅拌效果的因素有很多：如搅拌功率的大小、冷却速度的快慢、 金属液温度的高低、浇注速度的大小等。在生产过程中要根据材料不同、零件 大小采用不同的工艺参数。 电磁搅拌制备半固态浆料的方法从搅拌时金属液的流动方式柬分可分为水 平式和垂直式两种。水平式是感应线圈平行于铸型的轴线方向垂直式是感应 线圈与铸型的轴线方向垂直，如图1 4 所示。 秭瞬 图1 4 两种小蚓电碰搅拌方式示意幽 1 2 3 变形诱变激活法 变形诱变激活法【3 目简称s i m a ，是首先利用连续铸造的方法生产出金属 锭坯料，再将其进行热挤压变形，变形量大约为2 0 其目的是使金属组织中 产在变形能量，再将材料切割到所需的大小，最后将其加热到液相线温度。园 组织中存在变形能量，在加热过程中晶粒组织首先会发生回复和再结晶，再就 是局部熔化，晟后剩下的固相晶粒组织会均匀分布到液相组织中，从而得到合 格的半固态金属组织。 s i m a 法的优点是：制备的金属零件比较纯净、生产效率高，但工序步骤多， 第1 章绪论 生产的零件尺寸小。s i m a 法是作为目前自动化生产半固态金属零件的一种重要 方法，它可用于制备一些难加工的高强度合金和高熔点合金，但不能用于大型 零件的生产。 1 2 4 超声振动法 超声振动方法【3 3 3 5 1 是制备半固态金属浆料或坯料的另一种方法，该该技术 装置如图1 5 所示。 图1 5 超声振动法制浆装置 1 绝热材料2 支撑架3 超声发生器4 超声报头5 铁模6 热电偶 超声振动方法有很多优点：( 1 ) 超声振动法方法简单，不仅可以进行半固 态金属流变成形的生产，也可以用于半固态金属触变成形的生产。( 2 ) 目前， 只能用超声振动法制备固相率特别高的半固态组织，因为不管金属液组织凝固 到何种程度，超声振动都不会受到影响。( 3 ) 利用超声振动法不仅能制得合格 的半固态组织，而且还可将半固态金属组织中气体清除，将半固态金属组织中 的杂质废物净化，改善金属液的成分。( 4 ) 超声振动法工艺参数简单，便于操 作，加工成本较低。 1 0 第1 章绪论 超声振动方法是一种很有前途的半固态金属成形方法。目前，这种方法应 用还不广泛，主要原因是较难控制超声振动的衰减，超声波达不到较大金属组 织的深度部位。 1 2 5 近液相线浇注法 近液相线浇注法【3 8 】的原理是将合金熔体冷却至稍高于液相线温度，控制 金属液的冷却速度，当金属液的温度达到半固态成形的温度产生晶体组织后， 再进行浇注，获得合格均匀的半固态组织。近液相线浇注法主要要注意的是金 属液温度不能太高，不需太多搅拌，粗大的树枝晶组织便可以细化。 近液相线浇注法的优点是要获得合格的半固态金属组织成形的温度不高， 金属液内部温度分布均匀，这样有利于节约资源、节约材料，对材料合理使用 及保护环境都有帮助。同时，因为浇注温度低，生产过程中对设备损害也小， 对金属材料要求不高，工艺流程相对而言也就简单等。近液相线浇注法很有发 展前景，但在半固态金属成形过程中，浇注温度、冷却速度等参数很难控制， 将它与其它的半固态金属成形方法结合，组成一种新的制浆技术，可能是我们 今后发展的方向。 1 2 6 其它半固态浆、坯料的制备方法 此外还有喷射沉积法、紊流效应法、粉末冶金法、单辊旋转方法、金属熔 体混合法、冷却斜槽法掣3 州】。 喷射沉积概念是英国s w a n s e a 大学a r e s i n g e r 提出的，他和他的同事们在 2 0 世纪7 0 年代初研究成功该技术，后来，s i n g e r 的研究生们创立了o s p r a ym e t a l s 公司，并在1 9 7 4 年取得了o s p r a yp r o c e s s 的专利。 紊流效应方法原理是使用一个特殊的冷却装置，当高于液相线温度的金属 液流经这个特殊的冷却装置时，要实现金属熔体一边不断地从液态向固态转变， 同时一边不断地进行强烈的紊流，这样就能获得初生相呈类球状或蔷薇状的合 格半固态金属组织，其装置如图1 6 所示。 第1 章绪论 图1 6 紊流效应制浆装置 1 金属液2 耐火材料3 半固态浆料 单辊旋转方法是机械搅拌方法的一种特殊形式，图1 7 为该技术装置示意 图。其工艺原理是：首先，通过激冷作用使静止的弧状结晶壁上产生初生晶粒 组织，再利用一个机械旋转的辊轮把结晶壁上形成的初生晶粒组织刮下来，接 着捣碎，并与剩余的液体一起混合，从而获得合格的半固态流变成形浆料。 图1 7 单辊旋转制浆装置示意图 1 浆料出口2 辊缝3 冷却板调节机构4 弧形冷却板5 滑动水口 6 金属液7 中间包8 辊轮9 辊轮清理器1 0 半固态浆料 1 2 第1 章绪论 冷却斜槽法是近期从日本兴起的一种新型制坯工艺，该制浆装置如图1 8 所 示。该方法是使金属熔体在流经个冷却斜坡时由于冷却斜坡的激冷作用使金 属液中产生大数量的初生晶核组织。在一定的工艺条件下，这些初生晶核组织 会细化成类球状和蔷薇状，从而获得理想的半固态金属浆料。 l 图1 8 倾斜冷却板制备半固态浆料装置 1 金属液2 熔炼坩锅3 倾斜冷却板4 冷却水进口 5 冷却水出口6 半同态浆料7 中间包 1 3 本课题的研究目的和意义0 4 7 l 在当前的低炭经济时代，节约资源、节约材料、材料合理循环利用及保护 环境等因素是发展经济必须首先解决的关键问题。因此，现在生产的机械产品 都在向轻巧化方向发展，以便减轻对环境的污染和降低燃油的消耗。为了降低 重量而同时不减弱机械产品的内在质量，我们需要使用半固态金属成形技术来 进行产品的加工。所以，半固态金属成形技术的应用前景非常光明。 目前，我们国家的经济正处在飞速发展的时期，汽车类产品、电子信息类 产品都是我们的主要产业，对我们国家的经济发展起着至关重要的影响。为了 提高我们的汽车类产品、电子信息类产品的生产质量，提高我们的机械产品的 1 3 第1 章绪论 竞争力，必须加快半固态金属成形技术在我们的汽车类产品、电子信息类产品 等方面的工业应用，利用半固态金属成形技术进行高质量的机械化生产。 应用金属半固态成形来加工产品对于节约资源、节约材料、材料合理循环 利用很有必要，因此，金属半固态成形称为“2 1 世纪新型金属加工技术”。然而 这种被称作“2 1 世纪新型金属加工技术”的金属半固态成形技术在国外虽已应 用于各行各业，能进行机械化生产，但在我们国家机械化产品方面的应用则几 乎为零，因而十分需要从理论基础、成形加工控制技术及工艺装备等方面开展 系统的研究开发工作，以促进这一新技术的理论完善、技术成熟以及实际应用 水平的提高和应用领域的扩大。 半固态成形技术在我国机械自动化生产方面严重受到阻碍，影响半固态成 形技术自动化生产的主要原因有： ( 1 ) 用半固态成形技术要获得合格的浆料或坯料的制备工艺技术太过复 杂，成形加工及成形工艺参数很难控制。 ( 2 ) 传统的制浆方法制备半固态成形浆料或坯料时，生产效率较低，因此 制作的成本较高。 ( 3 ) 传统的成形技术一般只能生产尺寸较小的零件，对生产的坯料尺寸要 求相当严格等。 针对这种情况，本文自行设计了一套制浆装置即单管强冷制浆装置并对制 浆工艺进行了研究。用这种制备方法可做到浆料或坯料的制作成本低、对生产 的零件坯料没有大小的要求、工艺过程相对简单很多，并能实现连续的工业化 生产等。因此，对单管强冷制浆技术进行研究具有很重要的意义，有重要的使 用价值。 1 4 本文研究的主要内容 本文应用自主开发的半固态制浆装置对铝合金a 3 5 6 的半固态成形浆料进 行研究，研究内容的主要有： ( 1 ) 研究半固态成形过程中工艺参数对合金组织形成的影响。主要研究浇 1 4 第1 章绪论 注温度、钢管的直径、循环水的冷却强度等工艺参数对合金组织形成的影响。 ( 2 ) 研究金属液在从液态向固态转变的过程中，半固态浆料初生组织如何 转化成类球状或蔷薇状颗粒组织的演变机理，分析了类球状或蔷薇状颗粒组织 的形成条件。 ( 3 ) 研究了各工艺参数相互作用对合金熔体出口温度的影响。合金熔体的 出口温度是获得合格的半固态浆料组织的关键，对出口温度的研究对指导理论 实验和工业生产，节约生产成本都有很重要的意义。 1 5 第2 章理论分析与计算 第2 章理论分析与计算 半固态金属成形技术是一门跨金属凝固学、传热学、流体学以及物理学等 多种学科的先进金属成形技术，有较高的理论研究价值。本章主要从合金传统 凝固的基本原理、合金半固态组织形成机理及传热过程等三方面进行理论分析 研究。 2 1 合金传统凝固的基本原理1 4 蝴j 传统凝固过程即金属液从液态向固态的转变过程中，晶粒组织会不断的发 展变化。晶粒组织一般要经历晶体组织晶核形成和晶粒组织不断长大等过程， 在此过程中还会出现溶质成分不断的变化、金属液温度低于凝固温度和成分在 金属液中各处不均匀等现象。合金的最终组织与晶体组织晶核形成和晶粒组织 不断长大等过程密切相关。 2 1 1 形核的热力学条件 在传统金属凝固过程中，一般合金的温度要降低到液相线温度死以下时， 才会开始发生，此时系统的自由能表达式为： a g - - , - 岱一= ( 胁一觑) 一丁( & 一) = 丁一丁心 ( 2 1 ) 式中：函一合金固相的自由能； 一合金液相的自由能； 爿s 合金固相的热焓； i l l 一合金液相的热焓； & 一合金固相的熵； 一合金液相的熵。 当t = t m 时，合金组织的凝固过程处于热平衡状态，合金组织中液相与固 相成份之间的自由能差g 为零，下式成立： 丛= 幽= 一a h m ( 2 2 ) 7 k 将( 2 - 2 ) 代入( 2 一1 ) 得： 1 6 第2 章理论分析与计算 a g = a h m - a t ( 2 - - 3 ) 上两式中：勘一合金的熔化熵。 幽一合金的熔化热焓： 一合金的熔点温度。 因为结晶时 0 时，则有g t c 后，晶核在自发地不断长大过程中，晶核的长大速度将会随着系统自 1 9 第2 章理论分析与计算 由能的变化而不断降低。晶核从长大方面可分：连续长大和侧面长大两大类。 1 ) 连续长大，也叫正常长大，其界面结构为非小晶面的粗糙界面，对于接 纳从液相中沉积来的原子来说各处都是等效的，从液相中扩散来的原子很容易 与晶体连续起来，由于这种缘故，其晶体长大远比光滑界面容易，只要沉积原 子的供应不成问题，其长大可以连续不断地进行，因此称之为“连续长大”。 2 ) 侧面长大，其界面结构为小晶面的光滑界面，对于这种界面结构，因为 单个原子与晶面的结合力较弱，它很容易跑走，因此这类界面的长大，只有依 靠在界面上出现台阶，然后从液相中扩散来的原子沉积在台阶的边缘，依靠台 阶向其侧面扩展而进行长大，因此称之为“侧面长大”。 2 2 合金的半固态组织形成机理 金属液在从液态向固态的凝固过程中，类球形状或蔷薇状晶核组织是如何 生成的是半固态成形技术乃至整个凝固理论学的一个相当基础的理论问题，它 决定着在何种条件下采用何种工艺才能获得合格的半固态金属成形组织。对类 球形状或蔷薇状晶核组织是如何生成的研究对指导开发新的半固态成形工艺具 有重要的影响。 2 2 1 树枝晶破碎机理1 5 1 - - s 3 1 在半固态金属成形的发展研究过程中，机械搅拌是如何使半固态组织发生 变化的研究是研究最早和最多的。金属液在从液态向固态的转变过程中，如果 对其施加外力使其强烈扰动，树枝晶状初生晶粒组织最后会变化为类球形状或 蔷薇状颗粒组织。关于这种树枝状晶粒组织是如何变化成半固态金属成形所需 组织的原理是一个最需要了解的基础理论知识。只要能很好的解决这一点，就 能制备出合格的半固态金属成形浆料或坯料的。 对树枝状晶粒组织如何变化成半固态组织所需组织的这个问题的研究焦点 主要集中在树枝状晶粒如何发生破碎，如何出现更多的初生晶粒组织。但由于 半固态合金组织形成过程难于用肉眼看到，因此研究困难。目前，有关树枝状 晶粒破碎机理的基础理论很多，但说法不一，还没有达成共识。归纳起来主要 有以下几种。 2 0 第2 章理论分析与计算 ( 1 ) 枝晶臂机械折断机制。 枝晶臂机械折断理论认为金属液在从液态向固态的转变过程中析出的晶粒 并不是简单的树枝状晶粒组织，而是存在有较多缺陷成份的不稳定晶粒组织。 在外力的作用下，这些树枝状晶粒组织会在其根部发生断裂现象。最开始出现 的树枝状组织是无错位和无切口缺陷成份的较小晶粒组织，很难依靠自身力量 使其断裂。随着这些无缺陷成份的树枝状组织的长大，或在较大外力的作用下， 这些树枝状晶粒组织会在根部发生折断。在机械扰动作用力下，树枝状晶粒组 织之间会出现剧烈的摩擦、碰撞等现象，这样树枝状晶粒组织的尖角部位就会 钝化磨圆。 ( 2 ) 枝晶臂塑性弯曲和晶界浸润熔断机制。 随着半固态金属成形技术的研究发展，a v o g e l 等人发现，金属凝固过程中 会出现树枝晶弯曲与浸润熔断现象。他们认为树枝晶臂在外部作用力会发生弯 曲，有较多缺陷成份的初生晶粒组织中会产生位错，出现塑性变形的情况。，当 有较多缺陷的晶粒组织间变形位错超过2 0 0 的角度时，树枝晶臂与就会主体部分 快速分离，如图2 3 所示。 - 、o 广- 、 厂 一、 广- 、，、广 - abcd 图2 3 枝晶臂塑性弯曲和晶界浸润熔断过程 ( 3 ) 枝晶臂根部熔断机制。 枝晶臂根部熔断机制则认为金属液在从液态向固态的转变过程中，含缺陷 成份的树枝状初生晶粒组织会从其根部断裂，金属液的流动会改变树枝状晶粒 在生长过程中的溶质扩散并使根部熔断的树枝状晶粒游离开主干部位，熔断的 树枝状晶粒在其它地方会变成一个全新的晶粒。随着后续的金属液的不断变化， 2 l 第2 章理论分析与计算 初生树枝状晶粒会转变成类球状和蔷薇状组织。而在类球状和蔷薇状组织出现 之后，外加的作用既可能促进类球状和蔷薇状晶粒的形成，也可能抑制类球状 和蔷薇状晶粒的形成，这主要看剪切力的大小和冷却速度的快慢。只有在较高 的剪切速率和较低的冷却速速条件下，树枝状晶粒才会逐渐变化成类球状和蔷 薇状晶粒组织，形成过程如图2 4 所示。 夺一 aee 图2 4 枝晶臂根部熔断过程 以上观点差别很大，但有一个共同点，它们都认为金属液组织中最先有树 枝晶组织，是外力作用使树枝状晶粒组织转变成类球状或蔷薇状非枝晶组织的。 近年来，很多学者们开始研究发现，只要工艺参数控制得当，在较强外力 作用可直接从半固态金属液组织中形成类球状或蔷薇状非枝晶组织，而不需要 先存在有树枝晶组织再转变形成非枝晶组织。 2 2 2 树枝晶抑制生长机制i s 4 巧9 1 近些年，越来越多的研究者发现，半固态金属液在从液态向固态的转变的 最初阶段，如果能使金属液发生强烈对流或产生较多初级晶粒组织，在一定条 件下，金属液组织会转变生长成蔷薇状或类球状的颗粒组织。 在a v o g e l 等得出在金属凝固过程中会出现树枝晶弯曲与浸润熔断现象之 后，d o h e y r t 进一步指出类球状或蔷薇状非枝晶组织并不是弯曲与浸润熔断后产 生的，它很有可能是因最初出现的无缺陷的较小晶粒组织有很多而重叠在一起， 最后导致晶粒组织各个方向生长都受控制，长大速度一致而形成的。 在d o h e y r t 之后，j p i u i n g 建立了二次枝晶臂的受力模型，利用外力作用于 模型上进行实验发现，即使是很大的作用力也难于使枝晶臂发生弯曲，因此， 树枝晶弯曲与浸润熔断的现象不可能发生。 第2 章理论分析与计算 a m m u l l i s 等研究了非稳态流场对非树枝晶生长过程的影响，建立了一种自 由边界模型实验，模