（载运工具运用工程专业论文）半固态合金熔体流变充型理论研究.pdf

生塞掳噩 中文摘要 摘要：鉴于半固态合金触变成形技术成本高、坯料加热易造成二次夹渣等，而半 固态合金熔体流变成形技术具有流程短、成本低等优点，因此，半固态合金熔体 流变成形技术越来越受到世界同行的重视。半固态合金熔体流变充型理论是半固 态流变成形技术的工艺理论之一，目前，流变充型理论的研究还不系统、不完善， 其完善与否将直接影响到半固态合金流变成形技术的推广和应用。本文对半固态 合金熔体流变充型能力、沿程流动过程中初生相的演变规律、流变充型极限长度、 充满型腔的临界条件等进行了比较系统的研究。 采用实验的方法研究了半固态合金熔体原始组织特征参数对充型能力的影 响，分析了原始组织初生固相率、晶粒尺寸和形状因子对充型能力的影响。通过 回归分析，建立了原始组织特征参数与充型长度的数学表达式。研究了充型压力、 充型速度对充型能力的影响，并分别建立了充型压力、充型速度与充型长度的关 系。 以半固态挤压铸造螺旋线试样为对象，用定量金相的方法研究了充型过程中 半固态合金熔体初生固相率、晶粒尺寸和形状因子的演变规律；揭示了充型压力、 充型速度对沿程流动初生相组织演变的影响；对半固态合金熔体充填螺旋线的流 变充型方式进行了分析，结果表明，其流变方式属于均匀流变。在本实验条件下 充型前半固态合金熔体的原始组织、充型压力和速度不会引起均匀流变向分离流 变转变。 以半固态合金熔体在圆管、矩形管中充型为例，结合半固态合金熔体具有宾 汉体的流变特性，通过理论分析提出了可以定量计算半固态合金熔体流变充型极 限长度的数学模型，并通过半固态挤压铸造实验进行了验证，计算值与实际测量 值相比较，最大相对偏差7 8 。 通过对半固态合金熔体流变充型过程的物理分析，结合半固态合金熔体的流 变特性，根据充型驱动力大于或等于充型阻力和阻流通道内不可流动层厚度小于 阻流截面最小厚度的1 2 这两个充型临界条件，运用不可压缩粘性流体流动理论， 提出了半固态合金熔体充满型腔的临界条件。该条件包括了设备参数、工艺参数、 材料参数和模具参数，通过实验验证，可以用来指导半固态流变成形工艺设计、 设备选型，并能进行缺陷预测和充型过程控制。 关键词：流变成形；充型能力；组织演变；极限长度；充满型腔条件 分类号：t g l 4 6 2 垦s ： b 坦 a b s t r a c t b e c a u s et h ec o s to fs e m i s o l i da l l o yt h i x o f o r m i n gt e c h n o l o g yi sh i g h ，a n dh e a t i n g o fi n g o tc a u s e se a s i l ys e c o n di n c l u s i o n ，b u tt h es e m i s o l i da l l o ym e l tr h e o f o r m i n g t e c h n o l o g yh a ss o m ea d v a n t a g e s ，s u c ha ss h o r tf i l l i n gp r o c e s s ，l o wc o s ta n ds oo n ，s oi t h a sb e c o m em o r ea n dm o r er e s p e c t e di nc o l l e a g u ei nt h ew o r l d w i d e s e m i s o l i da l l o y m e l tr h e o l o g i em o l df i l l i n gt h e o r yi so n eo ft h et e c h n o l o g i ct h e o r i e so ft h es e m i s o l i d a l l o ym e l tr h e o f o r m i n gt e c h n o l o g y n o wt h es e m i s o l i da l l o ym e l tr h e o l o g i cm o l d t i l l i n gt h e o r yh a sn o tb e e nr e s e a r c h e ds y s t e m a t i c a l l ya n dc o m p l e t e l y ，w h i c hw i l ld i r e c t l y a f f e c tt h ep o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o no ft h es e m i s o l i da l l o ym e l tr h e o f o r m i n g t e c h n o l o g y t h er h e o l o g i ct i l l i n ga b i l i t yo fs e m i s o l i da l l o ym e l t ，t h ee v o l v i n gr u l eo f t h eo r i g i n a ls t r u c t u r ep h a s ea l o n gf i l l i n gp r o c e s s ，t h el i m i tl e n g t ho fr h e o l o g i c a lm o l d f i l l i n go f s e m i s o l i da l l o ym e l ta n d t h ec r i t i c a lc o n d i t i o n so f t h em o u l dc a v i t yt i l l e dw i m t h es e m i s o l i dm e l tw e r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yi nt h i sp a p e r t h ei n f l u e n c eo f t h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so f t h es e m i s o l i da l l o ym e l to r i g i n a l s t r u c t u r eo nt h em o l df i l l i n ga b i l i t yw a ss t u d i e dt h r o u g he x p e r i m e n t a lm e t h o d ；t h e i n f l u e n c eo fs o l i dp h a s ef r a c t i o n ，g r a i ns i z ea n ds h a p ef a c t o ro fo r i g i n a ls t r u c t u r ep h a s e o nt h em o l dt i l l i n ga b i l i t yw a sa n a l y z e d ；t h em a t h e m a t i c a lr e p r e s e n t a t i o nb e t w e e n o r i g i n a l s t r u c t u r ec h a r a c t e rp a r a m e t e r sa n df i l l i n gl e n g t hw a se s t a b l i s h e dt h r o u g h r e g r e s s i o na n a l y s i s i na d d i t i o n ，t h ei n f l u e n c eo f f i l l i n gp r e s s u r ea n df i l l i n gs p e e d o nt h e f i l l i n ga b i l i t yw a ss t u d i e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf i l l i n gl e n g t h a n df i l l i n g p r e s s u r ea n ds p e e dr e s p e c t i v e l yw a s e s t a b l i s h e d u s i n gt h es p i r a ls a m p l eo fs e m i s o l i ds q u e e z ec a s t i n g ，t h ee v o l v i n gr u l eo fs o l i d p h a s ef r a c t i o n , g r a ms i z ea n ds h a p ef a c t o ro ft h es e m i s o l i da l l o ym e l to r i g i n a lp h a s e w a si n v e s t i g a t e db yt h em e t h o do fq u a n t i t a t i v em e t a l l i cp h a s e t h ei n f l u e n c eo ft i l l i n g p r e s s u r ea n ds p e e do nt h eo r i g i n a ls t r u c t u r ee v o l u t i o na l o n gt i l l i n gp r o c e s sw a sf o u n d t h er h e o l o g i c a lt i l l i n gm o d eo ft h es e m i s o l i da l l o ym e l tf i l l i n gt h es p i r a ls a m p l ew a s a n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tr h e o l o g i c a lm o d ew a su n i f o r m ，a n dt h eo r i g i n a l s t r u c t u r eo fs e m i - s o l i da l l o ym e l tb e f o r et i l l i n g ，t i l l i n gp r e s s u r ea n dt i l l i n gs p e e dw i l l n o tb r i n gt h ec o n v e r s i o nf r o mu n i f o r mr h e o l o g yt os e p a r a t er h e o l o g yi nt h ec o n d i t i o no f t h i se x p e r i m e n t t a k i n gs e m i s o l i da l l o ym e l t st i l l i n gi nc i r c l ep i p ea n dr e c t a n g u l a rp i p ea se x a m p l e ， e 峦銮道盘堂蝗堂位迨塞 a n dc o n s i d e r i n ga b o u tr h e o l o g i c a lc h a r a c t e ro fb i n g h a mf l u i do fs e m i s o l i dm e l t ，t h e q u a n t i t a t i v ec a l c u l a t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e lo fs e m i s o l i da l l o yr h e o l o g i c a lf i l l i n g l i m i t i n gl e n g t hw a sp u tf o r w a r dt h r o u g ht h e o r ya n a l y s i s ，w h i c hh a sb e e np r o v e db y s e m i s o l i ds q u e e z ec a s t i n ge x p e r i m e n t c o m p a r i n gc a l c u l a t e dv a l u ea n da c t u a lv a l u e ， t h em o s tr e l a t i v ed e v i a t i o ni sn o tg r e a t e rt h a n7 8 t h r o u g hp h y s i c a la n a l y s i so fs e m i s o l i da l l o yr h e o l o g i c a lf i l l i n gp r o c e s s ， c o n s i d e r i n gr h e o l o g i c a lc h a r a c t e ro fs e m i - s o l i da l l o ym e l t ，a c c o r d i n gt ot h et w of i l l i n g c r i t i c a lc o n d i t i o n st h a tt h ed r i v i n gf o r c eo f m o l df i l l i n gi s g r e a t e rt h a nm o l df i l l i n g r e s i s t a n c ea n dt h et h i c k n e s so fn o n f l o w i n gl a y e ri nt h er e s i s t a n c ef l o wc h a n n e li s t h i n n e rt h a nah a l fo ft h em i n i m u mt h i c k n e s so ft h ec h a n n e ls e c t i o n ，t h ec r i t i c a l c o n d i t i o n so fs e m i s o l i dm e l tm o l df i l l i n gw a so b t a i n e db yt h ef l o wt h e o r ya b o u t i n c o m p r e s s i b l ev i s c o u sf l u i d t h ef i l l i n gc o n d i t i o n si n c l u d i n gd e v i c e ，t e c h n o l o g i c a l ， m a t e r i a la n dd i ep a r a m e t e r sc a nb ea p p l i e dt og u i d i n gt e c h n o l o g i c a ld e s i g no f s e m i s o l i d r h e o f o r m i n g ，d e v i s i n gl e c t o t y p ea n df o r e c a s tf l a wa n dc o n t r o l l i n gt h ep r o c e s so ff i l l i n g b ye x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n k e y w o r d s ：r h e o f o r m i n g ；m o l df i l l i n ga b i l i t y ；m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o n ；l i m i t i n g l e n g t h ；c o n d i t i o n so f c a v i t yf i l l c l a s s n o ：t g l 4 6 2 致谢 本论文的工作是在我的导师邢书明教授的悉心指导下完成的，邢书明教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 邢书明老师对我的关心和指导。 邢书明教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向邢书明老师表示衷心的谢意。 翟洪祥教授、徐宇工教授、贾力教授、何庆复教授、李强教授和张鹏教授对 于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，张励忠副教授、实验员邢文斌师傅、李增民 教授在实验方案确定、实验设备的设计及调试和实验整个过程中给予了大力协助， 刘文、张密兰、张海英、李迅、李海开、胡远猛、张琳、王英杰、曹风江等同学 对我论文中的实验、金相分析等研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的 感激之情。 向河北科技大学的毛磊院长、张立忠书记、李立新副教授、史玉芳副教授、 刘瑞玲教授在本人攻读博士学位期间给予的工作上的支持致以深深的谢意。感谢 河北科技大学金相实验室的周岩副教授在论文用金相照片制作方面付出的辛勤劳 动。 另外也感谢我的父母、岳父岳母、爱人和女儿及其他的亲人，他们的理解和 支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 。1 半固态成形技术简介 1 绪论 1 1 1 半固态成形技术的产生、特征及发展 1 9 7 1 年，美国麻省理工学院的d b s p e n c e r 等采用自制的内壁刻有沟槽的双桶 黏度计，研究半固态s n - 1 5 p b 合金高温撕裂的力学特性时，发现合金在凝固过程 中对其进行强烈搅拌，使枝晶破碎呈球形，可得到一种液态金属母液中均匀悬浮 一定固相的固液混合物，这种固液混合物的固相率即使达到6 0 仍然具有良好的 流动性，可以用普通成形方法加工成形【l 】。m c f l e m i n g s 等对具有球形初生相的半 固态合金组织形成机制、半固态合金的力学行为及成形特点进行了系统的研究， 创立了半固态成形理论和技术【l 捌。 所谓半固态成形技术( s s f ：s e m i s o l i df o r m i n g ) ，是将含有非枝晶固相的固液 混合物在凝固温度范围内加工成形的一种材料成形技术。邢书明教授将半固态成 形技术的特征概括为【3 】：( 1 ) 加工成形的合金状态是固液混合物，而不是纯液体或 纯固体；( 2 ) 加工温度范围在合金的固相线温度和液相线温度之间；( 3 ) 合金中 的固相是非枝晶形态，而不是常见的树枝晶：( 4 ) 成形过程中可以有外力作用( 如 半固态压铸) ，也可以只有重力作用( 如半固态连铸) 。 半固态成形技术的上述特征使其有许多独特的优点降1 卅：( 1 ) 半固态合金成形 过程中，不易发生喷溅，减轻了合金的氧化和卷气，提高了铸件的致密性。可生 产传统压铸不能加工的耐压零件，如主刹车缸、染料轨、空气调节压气机气缸等； ( 2 ) 半固态成形技术的近净形( n e a r n c ts h a p e ) n 造能力可以减少许多切削加工和 磨肖加工；( 3 ) 可生产高强度零件，如发动机架、转向节、合金轮、拉杆、控制 臂和座舱安全带固定架等；( 4 ) 可生产过共晶合金的耐磨零件，如压缩机活塞、 制动鼓和变速排档杆；( 5 ) 半固态合金的黏度较高，可以方便地加入增强材料( 颗 粒或纤维) ，为复合材料的廉价生产开辟了一条新途径。半固态成形技术的主要缺 点是工艺过程控制要求严格，设备的自动化程度和可靠性要求较高，在技术人员 缺乏或管理水平较低的企业应用有一定困难。此外，半固态成形产品的绝对成本 较高，用来生产传统成形方法成形的一般零件表现不出优势。 由于半固态成形技术具有独特的技术经济优势和广阔的应用前景，这一技术 已取得了巨大的进展。从二十世纪九十年代开始，半固态成形技术己步入了实用 j e 立交道j 人堂擅堂位途窑 化研究阶段，研究工作更加活跃。1 9 9 3 年瑞士的b u h l e r 公司1 1 l 】率先生产出第一台 适用于铝合金半固态压铸的s c 压铸机，并用该设备生产了汽车主制动缸等铸件。 美国的e k a p r a n s 1 2 1 等人利用应变诱发熔体激活法制成了高精度、高表面质量的 m 2 工具钢齿轮铸件。意大利的w e b e r 铸造厂【”】试制了汽车喷油系统中的“油道”： 日本的k k u r o k i 和韩国的c g k a n g 等分别制造了汽车高强度铝气缸座卅和汽车 悬架；德国的b a b e h r e n s 等制造了“s e c o n d a r ya i rf l a n g e ”钢件【1 6 】，美国的 j a b u c k l e y 等生产出了制动器卡钳【1 7 】，b w e n d i n g e r 和h l u e c h i n g e r 采用触变成 形的方法生产了a 3 5 6 合金支架和支座【1 8 】。完全可以说半固态成形技术已进人实用 化研究阶段。 1 1 2 半固态合金制备技术 ( 1 ) 搅拌制备技术 搅拌制备技术包括机械搅拌法和电磁搅拌法。机械搅拌法是依据强化对流思 想提出的最典型和最早应用的一种半固态合金制备方法 3 a , 1 9 - 2 1 。电磁搅拌法是靠 电磁力对凝固体系进行剧烈搅拌，所以从根本上避免了搅拌棒损耗的问题。目前， 用电磁搅拌法制备的合金种类有，a 3 5 6 、a 3 5 7 等铝合金【2 2 洲、铸钢 2 5 - 2 7 】、不锈钢 ( 3 0 4 、3 1 6 、4 4 0 c ) 2 a 2 s 、弹簧钢( 6 0 s i 2 m n ) 【2 9 , 3 0 1 、高速钢( m 7 、m 4 、m 2 ) 【3 4 】、 高碳工具钢 3 1 1 、白口铸铁3 2 j 3 1 、高铬铸铁等【3 4 】。 ( 2 ) 非搅拌制备技术 非搅拌制备技术有循环等温法【3 5 州、应变诱发熔体激活法( s i m a 法) 【3 7 】、喷 射沉积法【3 8 删、超声波振动法【加】、机械剪断+ 急速冷却法( s c r 法) 【4 ”、粉末冶金法 1 4 2 1 、低过热度浇注法【4 3 硎、冷却斜槽( 或斜管) 法h 8 巧3 1 。目前工业化生产多采用 电磁搅拌法。由于冷却斜槽法流程短、工序少和低成本的优势，近年发展很快【4 8 彤】。 1 1 3 半固态成形技术 ( 1 ) 触变成形 半固态合金触变成形主要有触变压铸、触变锻造、触变轧制等。下面简要介 绍触变压铸和触变锻造。 触变压铸是在液态压铸的基础上发展起来的一种新工艺。这种新工艺可获得 致密和可进行热处理强化的压铸件。触变压铸工艺主要包含三个工艺流程：半固 态合金原始坯料的制备、原始坯料的二次加热和半固态坯料的触变压铸成形【4 7 】。 目前，触变压铸成形工艺参数与触变压铸件质量之间的定量关系仍不明确，需要 2 不断地加以丰富，才能更好地指导半固态合金触变压铸的生产。 触变锻造是在一般固态金属锻造基础上发展起来的一种新型成形工艺 4 , 7 , 5 4 , 5 5 。在较低的压力下，触变锻造可以成形非常复杂的锻件。与触变压铸相类 似，触变锻造工艺也包含三个主要工艺流程：半固态合金原始坯料的制备、原始 坯料的二次加热和半固态坯料的触变锻造成形。 近年来，为了解决传统电磁搅拌功率大、效率低，触变成形二次感应加热半 固态坯料能耗高、坯料表面氧化严重等问题和进一步降低生产成本，半固态合金 熔体流变成形越来越受到重视，而且正作为一种主攻方向进行研究。由于半固态 合金流变成形具有能耗低、工艺流程简单、设备简单和投资小等特点，容易被中 小企业所接受，因此，半固态合金流变成形技术被学术界和商业界认为是具有较 好应用前景的成形工艺【4 ，7 ，1 0 1 。 ( 2 ) 流变成形 流变成形是将制备的半固态合金熔体直接转移到成形设备进行成形的工艺方 法。目前，半固态合金流变成形方法有：流变压铸成形、流变射铸成形f 5 6 】、压室 式制备合金熔体成形【5 7 】、单螺旋、双螺旋机械搅拌式流变成形【5 8 5 9 1 、低过热度倾 斜板浇注式流变成形f 叫、低过热度浇注和弱机械搅拌式流变成形【6 、低过热度浇 注和弱电磁搅拌式流变成形、流变轧制及半固态挤压铸造等。 其中低过热度倾斜板浇注式流变成形是由日本u b e 公司于1 9 9 6 年发明的非 机械或非电磁搅拌的流变成形技术，也称为n e wr h e o c a s t i n g ，简称n r c ，如图1 1 所示。由于该技术能耗低、工艺流程及设备简单和投资小等特点，近年来得到了 学术界的关注。 一嗍 撼抖班 黯s 蠲 图1 - 1 低过热度倾斜板浇注式流变成形 f i 9 1 1s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f r h e o m o l d i n gw i t h l o w e ro v e r h e a t i n gt e m p e r a t u r eo nt h ei n c l i n e dp l a t e 1 熔化坩埚2 合金液3 倾斜板4 收集坩埚5 压射室6 压铸型7 铸件 e 塞銮垣厶堂蝗堂位迨塞 半固态挤压铸造是集半固态成形与挤压铸造为一体，利用半固态合金熔体的 流变性能进行充型并在压力作用下凝固成形的一种材料加工技术 6 2 , 6 3 】。其生产过 程包括半固态合金熔体制备、充型、挤压、脱模及后处理等5 个工序。可以用来 生产各种近净形零件，产品外观光洁、组织致密、无收缩缺陷 6 2 】。半固态挤压工 艺过程如图1 - 2 所示。 li l l i l 二二二l i一一l 图1 - 2 半固态挤压铸造工艺流程 f i g l - 2p r o c e s sf l o ws e m is o l i ds q u e e z ec a s t i n g 1 1 4 半固态成形技术的国内外应用现状 半固态成形技术起源于美国并最早在美国得到应用 2 , 3 , 6 4 6 5 】，而且至今美国在 半固态成形技术领域仍处于全球的领先水平，同时该技术在欧洲各国和亚洲等也 得到了很大发展和应用。 1 1 4 1 半固态成形应用的金属材料 ( 1 ) 铝合金材料：a 3 5 6 、a 3 5 7 、c 3 5 5 【6 “8 】；6 0 6 1 、6 0 6 2 、6 0 6 3 、6 1 0 6 、6 0 8 2 1 6 9 - 7 1 1 ： 2 6 1 8 7 1 】t x 4 2 1 、t x 6 3 9 、t x 6 5 0 、t x 5 4 0 7 2 】：2 0 2 4 、2 2 1 9 、2 6 1 8 1 7 3 ：7 0 2 1 、7 0 7 5 1 7 3 1 等。 ( 2 ) 镁合金材料：a z 9 1 d 、a z 9 1 、a z 9 1 b 7 4 - 7 6 1 ：a m 5 0 a 、a m 5 0 b 、a m 7 0 t t l ： a z 6 1 、a z 8 0 t 7 7 】等。 ( 3 ) 钢铁材料：2 0 6 ( c 7 0 s 6 ) 1 7 8 】；m 2 ( h s 6 5 2 ) i t s ；3 0 4 、3 1 6 、4 4 0 c 2 , 4 , 7 9 , 8 0 ； 6 0 s i 2 m n l 4 1 0 2 】：c 8 0 8 1 】；高碳钢【8 2 】：白口铸铁1 3 , 4 5 1 、灰口铸铁、球墨铸铁删、 高铬铸铁 4 , 7 1 、f c 2 0 7 垮。 1 1 4 2 半固态成形技术在汽车工业中的应用 半固态成形技术应用最多、最成功的领域是汽车行业，在美国、意大利、 英国、德国、法国、瑞士和日本等国，已建立了多个铝合金半固态加工成形件 生产厂，日产量从几千件到几万件以上。 美国的a l u m a x 公司分别建成了两个半固态铝合金零件生产厂，生产汽车铝合 金制动泵体，其机械加工量只占铸件质量的1 3 ，而金属型铸造件的加工量则为 铸件的4 0 ，而且半固态成形比金属型成形泵体的质量减少约1 3 。1 9 9 7 年，这 两个工厂半固态铝合金成形零件年生产能力达5 0 0 0 万个【3 8 4 。该公司1 9 9 4 年建成 了汽车零部件半固态锻造厂，1 9 9 5 年就生产出了5 0 0 万个汽车零部件，合格率几 乎达到1 0 0 。美国麻省理工学院的实验室已生产了a i s l 3 0 4 和4 4 0 c 不锈钢， 4 i s l 4 3 1 0 和m 2 工具钢的半固态压铸件2 5 0 0 多件。目前，美国半固态成形汽车零件 以每年1 0 0 万件的速度在增长p “。 意大利s t a m p a l 公司用a 3 5 6 铝合金生产了a v a t i m e 轿车上的3 种半固态成形 零件删；奥地利的s a g t h i x a l l o y 分公司用a 1 s i 7 m 9 0 6 铝合金生产了a u d i a 2 轿车上的后门枢【8 7 1 ；法国a l u m i n i u mp e c h i n e y 公司用a 3 5 7 铝合金流变成形生产 了菲亚特汽车发动机托架1 7 】；美国f o r m c a s t 公司采用半固态流变成形技术生产 铝合金薄壁件f 8 8 】；瑞士b u h l e rd r u c k g u s sa g 公司采用触变压铸方法成形了 a i s i 7 m g ( a 3 5 6 3 5 7 ) 铝合金齿轮箱件、刹车件及车轮【89 1 。日本用半固态压铸成 形技术生产了铝合金汽车空调器零件f 9 0 】。 1 1 4 3 半固态成形技术在其他工业中的应用 半固态成形技术除在汽车工业广泛应用外，在其他领域的应用也越来越广， 如体育器械、医疗器械等。 日本采用镁合金材料，利用半固态触变成形技术生产了大量电子通讯设备上 的薄壁件【7 j ：如东芝、松下、n e c 笔记本电脑筐体；富士、v j c t o r 数位相机筐体； s o n y 、松下数位式录影机筐体等。台湾工业研究院采用镁合金半固态流变成形 手机壳体1 9 1 】：美国t i x o m a t 公司采用t h i x o m o l d i n g 技术生产了自动镁合金座椅 架、复印机齿轮和排气扇【9 2 1 。除镁合金外，铝合金在汽车工业以外的其他技术 领域也有广泛的应用【9 3 1 ，如触变压铸a a 6 0 8 2 、a a 7 0 7 5 铝合金盘类、壳体和支架 类零件m ，半固态成形铝合金自行车部件【9 5 】，半固态流变压铸铝合金a c a c h 成 形件嗍等。 最近，一些强度、硬度较高，塑性较差和较难成形的钢铁材料等高熔点金属 材料的半固态成形得到了越来越多的重视，一些钢铁材料的半固态成形零件不断 出现，如触变成形的c 7 0 s 6 钢连杆【7 8 】，触变锻造高碳钢c 8 0 成形的盘形件和万向 轴节件8 1 1 ，钢铁材料( h s 6 5 2 和x 5 c r n i l 8 1 0 ) 之间的半固态连接【矧，半固态触变 压铸成形球墨铸铁连杆螂，触变铸造成形铜合金电机鼠笼式转子 9 9 1 等。 我国对半固态成形技术也在迸行积极的研究和推广应用，特别是进入二十世 纪九十年代后，有实力的大专院校和研究院都开展了不同程度的研究，如清华大 学、东南大学、北京科技大学、北京有色金属研究总院、西北工业大学、北京交 通大学、中国科学院金属材料所、河北科技大学、东北大学等。目前，在基础理 论方面的研究水平与国外差别不大。如北京有色总院采用电磁搅拌技术制备了半 固态a 3 5 7 合金，在形状因素和晶粒度等指标上与法国p e c h i n e y 公司生产的半固态 合金相近，己成功地用半固态成形技术制成了涡轮连杆和水泵盖等三种汽车零件， 并通过了x 射线的探伤检测。1 9 9 6 年河北科技大学开展了黑色金属半固态连铸技 术研究，经国家教育部组织专家鉴定，达到了国际先进水平，填补了我国黑色金 5 j e 基童垣厶堂嘘堂垃论塞 属半固态连铸技术的空白i 伽】。北京科技大学开展了黑色金属半固态轧制成形技术 的研究，并己经取得了重大进展1 0 1 】。北京交通大学在黑色金属半固态成形技术的 开发、半固态成形工艺准则研究、半固态连铸、半固态压铸等方面也进行了研究， 取得了一些科研成果【1 0 2 。0 5 1 。但目前我国在半固态成形技术工业化生产方面和国外 差距还很大。 1 1 5 在载运工具制造业的应用前景 随着汽车的轻量化，铁路向高速、重载方向不断发展，载运工具制造业也迎 来了前所未有的挑战和机遇，许多零件需要更新换代，在降低成本的同时，要求 减轻质量和提高可靠性。 众所周知，铝和镁是目前可供大量工业应用的最轻的结构材料，因此扩大轻 合金应用比例的主要趋势是以铝合金或镁合金代替钢铁材料。实现以铝、镁代钢、 铁的主要问题是如何提高铝、镁合金零件的综合性能，已经证明，半固态成形技 术是提高金属材料能的有效途径之一。例如，汽车用拨叉通常是碳钢精密铸造而 成，改用半固态压铸铝合金后性能完全满足要求，质量减轻6 0 以上。又如，汽 车用转向节用半固态铝合金代替锻钢同样取得了满意的效果【1 0 6 】。所以，半固态成 形技术在载运工具制造业中的一个重要应用就是促进以铝、镁代钢、铁。事实上， 在机车车辆行业，目前以镁代钢的实例还很少，而以铝代钢的实例很多，主要包 括机车车体、转向架、车内设备和其他结构件【1 0 7 l 。但是这些铝合金零部件目前主 要采用固态挤压型材制成，受焊接及塑性成形工艺的限制，制造复杂形状零件有 一定困难。如果能用半固态成形技术进行成形，则以铝代钢的范围可以大大扩大。 载运工具零件异常失效的一个重要原因就是零件内部存在缺陷，特别是缩松、 气孔和内部微裂纹。这些缺陷不仅减小了材料的有效承载面积，更重要的是这些 缺陷本身就是裂纹源。所以，提高零件可靠性的根本途径就是减少零件内部缺陷。 传统的铸造技术很难完全消除内部缺陷，所以铸造产品可靠性较低。传统的锻造 技术虽然可以得到致密零件，但是对材料的塑性加工工艺性能要求较高，对材料 的适用性不强。半固态成形技术既克服了锻造对材料适应性差的缺点，又克服了 铸造产品内部缺陷多的不足，可以用来进行各种合金材料的高致密成形。因此， 半固态成形技术在提高载运工具零件可靠性方面具有广阔的应用前景。特别是曲 轴、连杆、活塞、活塞环、凸轮轴、气阀、轴承和齿轮等机车车辆运动部件采用 半固态成形具有突出的优判1 删。 载运工具零件的近净成形是降低成本的一个重要途径。例如，s s 7 型电力机车 用叶轮有3 0 个叶片，叶片间距很小，普通铸造难度很大。王晶f l0 8 】提出了改进工艺， 6 采用抽块模具，加设4 个冒口补缩，可以使成品率提高到9 0 以上，但工艺出品率 不高。如果改用半固态成形，不仅可以提高工艺出品率，而且工件尺寸精度可以 大大提高。 东风型机车万向轴十字销头为2 0 c 小恤t i 钢，运行中发生严重断裂。为解决这 一问题，要求心部硬度大于3 5 h r c ，强度以大于1 1 0 0 m p a ，c r o ，大于1 0 0 0 m p a 。尽 管目前通过调整热处理工艺可以达到这一要求i l 吲，但是，成本较高。如果采用半 固态加工技术成形，其性能水平还可以提高。 1 2 合金熔体充型能力的研究现状 1 2 1 合金熔体充型能力的评价方法 合金熔体的充型能力直接关系到零件是否能完整成形以及所得产品表面光洁 度的高低，所以一直是材料成形领域关注的基本问题【肌”3 1 。 合金熔体包括全液态合金熔体和半固态合金熔体。对于全液态合金熔体的充 型能力( m o l d f i l l i n g a b i l i t y ) 在国标g b 5 6 1 1 - - 8 5 中定义为：考虑铸型及工艺因素 影响的熔体流动性，即熔体充满铸型型腔，获得形状完整，轮廓清晰铸件的能力。 如果对于合金熔体，上述定义应修正为考虑铸型及工艺因素影响的熔体流变性。 截止到目前还没有一种通用的方法来定量评价合金熔体在压力作用下的流变 充型能力，只能根据具体的条件定性表述合金熔体流变充型能力的好坏。随着半 固态成形技术的出现，合金熔体已经不仅仅是指液态，而且包括固液共存的半固 态。对于液态合金熔体，通常用砂型铸造螺旋线试样来定量评价其流动性。由于 其所用铸型是砂型，无法承受较大的充型压力，所以，无法用于半固态合金熔体 流变充型能力的评价。 张海英【1 0 3 l 从流变充型的角度，用大范围变化充型压力挤压铸造固定截面螺旋 线试样的长度来定量表征合金熔体的流变充型能力。使用模具为金属材料制作的 螺旋线试样模具、成形方法为间接挤压铸造成形。该评价方法既适用于液态合金 熔体，也适用于半固态合金熔体，实现了两者的统一，具有一定的通用性和普遍 性。 1 2 2 液态合金熔体充型能力 对纯液态合金熔体而言，影响其充型能力的内在因素是其本身的流动性。在 对液态合金熔体充型能力的研究中，美国f l e m i n g s 提出了宽窄结晶温度范围合金 7 j e 峦变道厶堂壤堂僮诠塞 的停止流动机理，指出窄结晶温度范围合金之所以停止流动是由于壁面生长的柱 状晶互相搭接封死通道，充型长度取决于柱状晶搭接前时间内流速的大小，一旦 通道封死，有效压力增加( 不足以冲掉凝固层) 也不能导致再流动【4 】。 王春生等4 1 以较宽结晶温度范围的a i - - s i 合金f 1 1 5 1 为例，认为液态合金熔体 在充型过程中可分为四个阶段，如图1 - 3 所示。 图l - 3 液态合金熔体停止流动机理示意图 f i g l - 3s k e t c hm a po f s t o pf l o wm e c h a n i c sf o rl i q u i ds t a t ea l l o ym e l t i 区纯液态，图( 4 ) 区充型前端型壁上凝固结壳，图( b ) 区未被熔化而保留的 部分固相区区凝固层增厚减小了有效管道尺寸 假设：( 1 ) 合金熔体流动过程中，铸型与液态熔体接触表面的温度为常数； ( 2 ) 合金熔体在充型过程中平均流速为常数；( 3 ) 合金熔体在充型过程中各物 性值不随温度变化；( 4 ) 在液相线以上合金熔体被认为是牛顿体，而在固液两相 区，熔体的屈服应力随温度线性变化。在以上条件下具有一定结晶温度范围合金 熔体充型能力的理论计算模型为f l l 4 】： r = 降j ( 才。咖忙他吲+ l ，l n 穗 ( 1 - - ) 式中口=f 为有效压力，矽 为凝固速度，v 为合金熔体充型过程中的平均速度，足单位温度变化引起屈服应 力的变化，正为液相线温度，兀为铸型温度，r + 为原管道尺寸，乃为浇注温度， 为熔体与铸型的换热系数，p 为充型管道的周长，尸为充型管道的截面积，口为 合金熔体的导温系数( 又称热扩散率，a = 州印) ，旯为固液相平均导热系数，a 为固液混合物的导温系数。 王春生还提出了假定枝晶脱落系数r = 0 的宽结晶温度范围合金熔体充型能力 的理论计算模型4 】： _ l 赢与卜m 糟 z ， 以上两个模型中涉及的量很多，除了模型中很多参数难以直接测得外，式中p 和f 分别为充型管道的截面积和周长，乒为有效压力，即芦是施加到型腔上的充 型压力，而沿程阻力损失在模型中却没有给予表示，不能直接对充型能力作定性 的判断，只能说明各因素对熔体充型能力的影响。 张海英根据充型驱动力不小于液态合金熔体充型时的摩擦阻力与局部阻力之 和的充型条件，运用不可压缩粘性流体流变理论对液态合金熔体的充型能力进行 了理论评价，得到了一种评价液态合金熔体充型能力的理论模型m 】： 当液态合金熔体在压室、浇道和型腔等各个单元内的流动都是层流流动时， 充型极限长度为： 三。：生型型0 - 3 )“ 3 1 3 6 c , p u v 式中p 为充型驱动力，一为压室的截面积，v 为压头的压下速度即熔体在压 室内的平均流速，p 为熔体密度，u 为熔体运动粘度系数，k 为修正系数，c 1 、c 2 是与模具尺寸有关的常数。 当液态合金熔体在压室、浇道和型腔等各个单元内的流动都是紊流流动时， 充型极限长度为： 眦= p 一4 9 k c , , o a 2 矿2 p v 2 0 6 3 2 40 6 3 2 4 a 0 6 3 2 a 。 a d r e ”2 。a 2 d o r e o “”。4 2 d r e l ”2 ( 卜4 ) 式中4 为螺旋线型腔截面积，以为浇道截面积，p 。为浇道直径，d 为压室直 径，d 为螺旋线型腔直径，r e 、r e 。、r e 。分别为熔体在压室、浇道和型腔中流动 的雷诺数，其余参数意义同上。 该模型的理论计算结果和实验结果的最大偏差为1 5 。产生这些偏差的原因 是多方面的。虽然误差较大，但把实验数据看作真值，这个偏差在实际工程上还 是可以接受的。 影响充型能力因素除合金熔体本身的流动性外，工艺参数的影响也不容忽视， 研究表明，浇注温度和充型压力越大，充型速度越小，铝合金液态熔体的充型能 力越好。充型压力对液态铝合金熔体充型能力的影响作用最大，充型速度和浇注 温度次之，充型压力和充型速度两者的交互作用对其充型能力的影响要小得多。 并固定模具预热温度、浇注温度、充型速度，只改变充型压力值，研究了单因素 9 e 立童垣厶堂遵堂盈迨毫 充型压力对液态铝合金熔体充型能力的影响规律，充型压力介于4 0 1 0 0 m p a 的实 验条件下，充型压力与液态铝合金熔体充型能力的关系可看作线性增函数关系 1 0 3 。 1 2 3 半固态合金熔体充型能力 邢书吲1 1 3 通过研究发现，坯料加热温度、模具温度、坯料保温时间对半固态 合金充型能力有显著影响，半固态合金的充型能力取决于坯料的临界切应力