（光学工程专业论文）铜石墨的半固态铸造研究.pdf

摘饕y 8 7 9 8 8 1 摘要 铜一石墨复合材料是非常理想的自润滑、导电材料，作为生产 电力机车受电弓滑板的理想材料需求面和需求薰都非常大。但现有 的复合方法存在工艺复杂、能耗大，产品致密度不高，综合机械性 能不够等问题。本文采用电磁一机械复合搅拌技术制备了铜一石墨 半固态浆料，并对其常规铸造组织进行了研究，具体如下： 1 开发了电磁一视械复合搅拌技术，利用电磁一机械复合搅拌手 段制备了组织均匀的铜一石墨半圆态浆料，确定了半固态浆料固相 率与搅拌温度之间的关系。 2 进行了铜一石墨半固态浆料的常规铸造研究，明确了铜一石 墨半固态浆料国相率与石墨颗粒聚集区尺寸之问豹关系，获褥了消 除铜一石墨复合材料石墨颗粒宏观偏析的条件。 因而，半固态铸造方法的引入有效地解决了铜一石墨复合材料 中石墨颗粒的宏观偏耩问题，铜一石墨半固态铸造复合方法将以生 产工艺简单、能耗小、组分分布均匀等优点在实际生产中其有良好 的应用前景。 关键词：电磁一机械复合搅拌：半固态浆料：固相率；石墨颗粒分布 本研究得到国家自然科学基金的资助 a b s 耐 a b s t r a e t c o p p e r _ 蓼a p h i t ec o m p o s i t ei sav e r yi d e a l 、s e l f _ l u b r i c a t i n ga n d c o n d u c t 证gm a t e r i a lf o re l e c t r i cl o c o m 嘶v ep a n t o g r a p hs l i d ep l a t ew h i c h i s 砸d e l y 觚dl a r g e 王yd e m a n d 醛h o w e v e r 舶ec 渊tp c e s s n g m e t l l o d se x i s tm a r i yp r o b l e m ss u c 舡鹪t o om 蛐yp r o c e s s ，h j 曲c n e r g y ， l o w e rd e n s “ya 1 1 d i n t e g r a t e dm e c h 8 i l i c a lp r o p e r t y i nm i s p a p e r ， c o p p e r - g 删t es l u r r yw 酷p r e p a 糟du s 证ge l e c 拯o m a g n e t i c m e c h a n c a l s 瓤n gt e c h n o l o g ya n d i t sc 酗：t 主n gs t m c t u r c 、v a ss t u d i e da sf o n o w s 1 t l l ee l e c 脚楚互赋i c - r n e c h 8 i l i c a l s t i r r 主n gt e c b 王1 0 l o g y w a s d e v e l o p c d 锄dt l l eu n i f o mc 0 0 p 鼢g r a p l l i t es l 啪叫w 鹪p r c p a r e db yt h i s t e c l l n o l o g y t h er e l 8 t i o n 嫩pb e t w e e ns o l i d妇蛀o na n d s t i r r i n g t e r n p c r a t u r ew e r eg o t 2 t h cr e s e a r c ho nc 嬲t i n go fc o o p e r g r 印m t es l u n yw a sc a r r i e do u t t h cr e l a t i o n s h i pb e t 、v o c ns o 埘触c t i o na n ds i z eo fg 娜h i t ew a s d e t e f m i i l e da n dt l ec o n d i t i o nf o r e l i m m a t i n gm a c r o s e g r e g a t i o no f 铲a p l l i t ei nc o p p e r - g 阳p h i t ec o 瑚【p o s i t e 、a sg o t t h u s ， t t l e p r o b l e mo fm a c m s e g r e g a t i o n o f c o p p e r _ g r a p h i t e c o m p o s i t ew a se 程b c 畦v e l ys o l v e du s i n gs e m i - s o l i dc a s t i n gt e c h n o l o g y s e m i s o l 撼c 喊i n go fc o p p e r 群a p 鲢t ew i l lh a v eag o o da p p l i c 她o nf o r t 1 1 ea d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l ep r o c c s s ，l o we n e r g ya 1 1 dh o m o g e n e o u s c o m d o s i t i o n k e yw o r d s ：e l e c 蜘m a g n e t i c m e c h 撕e a ls t 胤n g ；s l u r r y ；s o l i df a c t i o n ； d i s t r i b u t i o no f 伊a p h i t e 第1 章缭述 第1 章综述 1 1 铜一石墨复合材料的简介 铜一石墨复食材料主甏由组分物性差别很大的铜( 铜合金) 与 石墨颗粒等构成，兼有铜强度离、导电性好、嚣热性快和石墨润滑 牲戆葑、耐电弧腐蚀褴强警优点，是嚣鬻理想豹鸯满溪、罨电材料， 尤其是在自润滑与导电功能同时需要的情况下，不可替代。 铡一石墨复合糖料以其良好静譬魄、导热、耐磨、摭邀弧侵馊 性能、商强度戳及良好的经济性而被广泛应用予集成电路的引线稽 架、各种电焊电檄、电器工程开关的触头、发动机的集电环、电枢、 转子、魄力援车受毫弓溪叛、戬及冶袅工犍中熬蔫炉最翻、连铸缝 晶器、氯枪喷头等要求高的导电导热环境中。 。2 镳一石墨复合耩料酌制备方法 由予铜合金和石墨这鼹种材辩的物性差别很大，前者密度 8 8 1 0 3 k 窖矗n 3 远大于焉砻寮度2 2 l o 强咖，丽蓠考熔点8 8 0 1 0 9 0 远低于后者熔点3 7 0 0 ，并且在铜一石攫复合材料中，石墨 与钢嚣缀分闼互不耀溶、不发生化学爱应，所以在索规铸逡过程中 总是产生石墨颗敉上浮并裰含金液上都产生聚集现象，即使进行强 烈的搅拌，也很濉制备出石器颗粒均匀分布的锕一石墨复合材料。 耄予键一孬援复套砉孝糕在蔷爨求领蠛审豹黢嫒条 粤懑来越严 酷，对组织和性能的要求越来越苛刻，所以黼性能的铜一石墨复 合材料的制各也不断升级。几十年米，世界各国对铜一石墨复合 耪精熬翻备透露了大量瀚鞣究，开发了多释幸亍之寿彀翡捌备菝本。 目前，能够制备出石墨颗粒均匀分布的铜石疆复合材料的方法 主要有粉末冶余法l l l 和液棚浸渍法1 2 j 。 北京交通大学硕士专业学位论文 1 2 1 粉末冶金法 粉术冶金制各的技术思想是：首先进行铜( 铜合金) 等基体粉 末的制备以及与石墨等润滑成分的均匀混合，然后进行模压成形， 最后进行加压或常压下高温烧结，形成铜一石墨复合材料】。其中 石墨粉末表面可以是未经处理的，也可以是经过镀金属处理的圆。 粉末冶金法的工艺流程见图1 1 所示： 图1 1 传统粉末冶金工艺流程 1 2 1 1 粉末制备 制粉方法很多，主要归纳为物理法和物理一化学法两大类。物 理法只改变原料的聚集状态，如机械粉碎法、雾化法等。物理一化 学法制粉主要是利用物质间化学反应制备金属粉末，所制备的粉末 粒度小、活性大，如还原法、电解法等。 常用的铜粉的制备方法主要有以下几种： f 1 1 还原法 还原法是用还原剂，在一定条件下将金属氧化物或金属盐类等 进行还原而制取金属或合金粉末的方法。还原反应向生成金属方向 进行的热力学条件是还原剂氧化反应的生成自由能变化小于金属 氧化反应的生成自由能变化。制取铜粉所用的还原剂主要为固体碳 和还原气体( 氢气、分解氨、转化天然气、各种煤气等) 。气体还 原法制取的金属粉末比固体碳还原法制取的粉末要纯，因此得到了 广泛的应用。 ( 2 ) 雾化法 雾化是指利用高压流体或其他特殊的方法将熔融金属粉碎成 细小的液滴，从而得到粉末的过程。雾化法可以用来制取多种会属 北京交通大学硕士专业学位论文 粉末，也可以制取各种预合金粉末。从理论上讲，任何能形成液体 的材料都可以进行雾化。从能量消耗来说，雾化法是一种简便且经 济的粉末生产方法。从生产规模来看，雾佬法是仅次于还原法的第 二大粉末生产方法。 雾化的方法有水雾化、离心雾化、真空雾化、辊筒雾化、超声 雾化、电磁离心雾化、振动电极雾化等多种方法。总的来说雾化制 粉有如下优点： a 容易制得所需成分的、纯度高和组织均匀的、且工艺性能好 的优质金属粉末： b 粉末颗粒形状、大小和粒度分布等均可在一定范围内调整； c 可以使用廉价原料( 废金属等) ，且工艺流程短，设备简单， 因而总体成本也低。 ( 3 ) 电解法 电解法时电解金属盐的水溶液使金属离子在阴极上沉积或进行 熔融盐电解而获得金属粉末在一定条件下，粉末可以在电解槽的阴 极上沉积出来。水溶液电解制取铜粉末的示意图如图1 2 。当直流 电通入电解质溶液后，便产生正负离子的迁移。在阳极，发生氧化 反应，金属失去电子变成离子而进入溶液；在阴极，发生还原反应， 金属离子放电而析出金属。这两个过程是电解的基本过程。 f e f e 3 + + 2 e f e i + + 2 e f e c 廿 + 2 e c u 电液 图1 2 水溶液电解铜示意图 电解法制取粉末主要采用水溶液电解和熔盐电解。在铜粉的制 裁寒交逶麦学臻专建孥髓论文 鞭过程中一般采用水溶液电解。从水溶激电解所得的粉米特性来 糟，电解法是提纯的过程，因而所得的粉末较纯；另外，电解粉末 形状般为树枝状，服制性较好；此外镰解法还可以控制粉米粒度， 滋弼可鞋生产超缨粉本。 在戆理一稼学滚纛产豹耪寒数耋孛，魄鳃法生产懿魏零仅次于 邂原法生产的粉束。般说来，电解法擞产的粉末成本较高，电解 粉末具有吸引力的原因是它的纯度高。 l + 2 。l 。2 混粉 混粉是将两种或两种以上的不f 翮或分的粉末混合均匀的过程。 程将铜粉与石墨粉末混合前，首先对铜粉避行退火处理。用还原法、 机械研磨法、电解法、雾化法制得的铜粉一般都要经退火处珊使氧 纯物还原，降低碳和蒸他杂质的含量，提麓粉寒於纯度。嘲辩，还 貔溃夔耪寒戆燕工疆馥，稳定粉末熬簇体缀捧。舅努，经道懑火嚣 的铜粉压制性得到敬蒋，压坯弹犍看效确斑减少。退火滠度根据金 属粉末的种类而不同，一般退火温度可按tm = ( o 5 0 6 ) t 蝽选择。 材时，为了进一步撮商粉末的化学纯度，退火温度也可超过此值。 遐火一般用还原性气缀，有时也可用惰性气氛或真空。要求消除杂 蒺鞍氧 毫秘，帮进一步提巍羚末诧学纯度糖，要采用还原性气氛 氯、 分解氨、耱住天然气藏煤气) 或者寞空邋火。为了游豫耱寒翡嬲工硬 化藏者使细粉钝化防止自燃时，可以采髑惰性气体作为退火。 退火后铜粉与石墨粉的混合有两种熬本方法：机械法和化学法， 蕤中广泛应用的是机械法。机械法混料又有干混和湿混两种。制备 镧一石墨复合材料时一般采薄湿混，用忍酵作为液体介质，它不与 镧羧或石墨羚发生纯学爱应，萎漠焘低荔撵发。 常用的混料机从辨形看有v 垂i 混合器、双锥混合器、旋转立方 混合器等( 如图1 3 ) 。其中v 型混合嚣鼹应用较为广泛的一种混料 机。它由两个圆筒述接成“v ”型制成的。两个圆筒可以是等长的或 芥等长的。主要由三部分组成：v 型容器、排出部和搅拌棒。v 型 涎糕撬绕农平辘旋转瓣，粉末体在v 型篱内产生势、台运渤。这耪 辛 北京交通大学硕士专业学位论文 运动缀缓慢，但对于混合籽的混台裾港充分，同时矜末颗粒的形状 或密度变化极小。与v 型混料机相比，双锥混合器混合时更柔和。 混合嚣雩，粉采料在容器内逶行援羽的夔叠运行，最终获褥豹灌舍缘 匀性良好。当混料机绕水平轴旋转时，粉末料进出锥膨区域时连续 产生分、会滚动运动。羞装糕弱f 枣积) 戳下，霹整念部楗辩在混 料机姆转一周就能翻转一次。这种遮动可将粉末粉料进行充分混 会，瑟不会或缀少会嫒颗粒豹大小或影状发生变诬。 ，且盼一$ $ v 堑漏料机 双雀泯辩机 旋! 专立方 随辩机 l 。2 1 。3 成澎 鹜l 。3 鬻凳精寒澹辩橇的井形承纛嚣 域彤裁燕将裁各鹣耪寒剿袋一定形状秘只专熬垂坯，著嫠之其 有一定的密魔和强度。在成形前，粉求混合料中常常硬添加一些能 改善威影过稷豹穆矮，露滤瓣赛l 积残澎剂。添嬲润滑裁的基躲是为 了降低成形时粉末颗粒之间以及粉末与模壁和模冲间的摩擦，改善 压坯密度分布，减少摸具蘑损，消除摸具魂表蘧的划伤，并蠢铡于 降低脱模压力。而使用成形剂的酲的蹙为了攥高压坯强度、防止粉 末混合料离析以及消除压坯内的物理缺陷。 常用的添加物质脊石蟮、合成橡胶、樟腻、塑籽、硬腊酸发硬 脂酸盐等。加入的方式可以怒于粉加入、液体加入以及将其溶于水 或畜梳溶魏中褥燕入。这类豫矮在魏结跨基本雏挥发干净，颡褥对 制品的性能影响甚微。 簸澎方法一般毒鹫逶模鹾法黧模压法。謦逶攫疆法是将金疆 粉末或混合粉末装在压模内，通过压机加压成形。这种传统的成形 方法至今在羚寒冶金靛生产巾占据主导地位。# 模嚣戏形主要专等 j b 京交通大学硕士专业学位论文 静压成形、逶续成形、注鸯| 成形等多种方法。 在制备铜一石墨复合材料的压坯时，一般采用模难成形。以铜 粉和石墨颥救楚漂瓣，蔽在锎裁模爨串，繁耱垂力辍砖模鬟渺头燕 压使模腔内粉末收辅，成为具有一定形状和强度的坯件。由于粉术 数辩表嚣呈不蕊裂蕊凿凸不挚扶，农终力终攘下，羚寒颗粒之闽疰l 于位移和变形可以相互楔住和勾住，从而形成粉末颗粒之间的机械 磺会，这是艨坯具裔强度的主要原爨之一。羚寒颗粒形状越复杂， 表面越粗糙，则粉末颗粒之问彼此啮合得越紧密，压坯的强度越高。 常用的成形设备有机械忒压枫和液压式艇机。 机械式藤机是斑稍最广泛的一类，这类愿机包括单冲头和转盘 式两种。常用机械式压机有曲轮驱动式压机和偏心驱动式或曲轴驱 动式压梳等多秭，其压苇l 力般低予筠k n 。凸轮匿穰愚稀焉凸 轮和与之配套的杠杆装置把旋转运动转换为往复逡动，其压制速 度、疆镧动佟及压裁辩润都遁遘改变螽轮静大小帮形状囊控铡。这 种愿机的压制力通常不高于8 9 0 k n 。在枫械式压机中，应用最广的 是蘸辘驱动式莲掇。蓬1 4 燕该疆掇熬示意烫。它遴过连轷憋主轴 的旋转运动转换成聪机压头的往复动作。一般在连杆或压机艇头中 装鸯调节枫稳，以便改变压头对主喜糖戏压枫搬架的蕊度位置，从恧 调控压头的激终压制成形位置，可用这种调节机构来控翩制黼压坯 的商度。 液压式聪视只有单、摔头式一种类鳖，专潮的液愿驱动的粉末成 形联机的压制能力已高达4 4 5 0 0 ：n ，单标准的工业缴产用压机的压 裁髓力舞4 4 5 l l l 0 0 k n 。稀辊械式疆辊褶魄，滚疆式莲飘瓷匿裁 方向可压制较长的制品压坯。行程较长的液压机的造价也比同样行 程瓣糗攘式疆穰低。魏辕式攫凝靛最大装羚深度缝炎18 艇强，嚣滚 压式压机一般为3 8 0 m m 。 虽然裁聪剩残形测晶压蟋豹戆力嚣砉，傻曩极城式压枧还是液 压式压机并没有明鼹差异。用这两类压机都能生产出质量相同的任 何铡晶的压坯。都可鼹于单向压制、浮动阴摸、双向压制、多模板 和浮动模与拉下式缀合模其等几种形式。然而，下谣的一些因素可 能会影晌对压机的选择： 6 l 塞交逶大学疆主专渡学整论文 n ) 生产速度机械式压机的生产速率为液压戏压机的1 5 5 倍；机皴式压机运转一年后生产速度无变化，可是液压式压机运转 一年嚣壶予滋泵蘑臻等溅毽生产速度终减小2 0 。 ( 2 ) 聪坯高度尺寸精度机械式压机在控制装粉的深度和聪坯 高度的尺寸均优于液压式压机。 ( 3 ) 设餐运转费用液珏式压枧圜耗电量与耗油量大，故运转 费震较大。台液嚣式嚣梳静基连袋麓率为一台等效穰禳式垂撬静 1 5 2 倍。 ( 4 ) 设铸价格一台液压式压机的价格一般悬台等效机械式 基瓤蛰揍瓣l 忿3 掰。 f 5 ) 梳械过载保护液压式压静毛的辘械过载保护能力婷于机械 式压机。 ( 6 ) 压机的动作机械式压机在下死点附近工作距离很短，也 藏是髹蘑麓辩阗摄短，嚣憩，不宣使髑莲绾牲与袋影毪差夔耱寒嚣 料；液压式压机在下死点附近工作距离较长，即使楚原料粉末的压 缩性与成形性差一些也不会使成形的腿坯产生裂纹。 图1 4 曲轴驱动式压机的示意图 7 北京交通大学硕士专业学位论文 1 2 1 4 烧结 1 2 1 4 1 烧结基本原理 压坯或松装粉末体的强度和密度都是很低的，为了提高压坯或 松装粉末体的强度和密度，需要在适当的条件下进行热处理，从而 使粉末颗粒相互结合起来，改善其性能，这种热处理就叫烧结。因 此，烧结可以定义为：在低于主要成分熔点的某一温度下，为了提 高粉末或压坯强度的热处理。 烧结是粉末冶金生产过程中必不可少的最基本工序之一，对粉 末冶金材料和制品的性能有着决定性的影响。烧结的结果是粉末颗 粒之间发生粘结，烧结体的强度增加，致密度提高。 在烧结过程中，压坯要经历一系列的物理化学变化。开始是水 分或有机物的蒸发或挥发，吸附气体的排除，应力的消除，粉末颗 粒表面氧化物的还原；随之是颗粒间发生原子扩散，粘性流动和塑 性流动，颗粒间的接触面增大，发生再结晶，晶粒长大等。出现液 相时，还可能有固相的溶解和重结晶。这些过程彼此间并无明显的 界限，而是穿插进行，互相重叠，互相影响，使整个烧结过程变得 很复杂。 1 2 1 4 2 烧结热力学 烧结是粉末特有的现象，烧结过程有自动发生的趋势，特别是 微细的粉末，只要没有被氧化，那么即使在室温条件下长时间的保 存，也都会有粘结或者结块的倾向。粉末的这种自发的变化，从热 力学的观点来看，是因为粉末体比同一物质的块状材料具有多余的 能量，所以它的稳定性较差。从热力学的观点来看，粉末烧结是系 统自由能减小的过程。 烧结前，存在于粉末或粉末坯内的过剩的自由能包括表面能和 北京交通大学硕士专业学位论文 晶格畸变能，前者指同气氛接触的颗粒和孔隙的表面自由能；后者 指颗粒内由于存在过剩空位、位错内应力所造成的能量增高。表面 能比晶格畸变能小，但是，对烧结过程，特别是早期阶段，作用较 大的是表面能。铜一石墨早期烧结的条件是【4 】： ，铜一石墨 6 5 的半固态金属浆料。 2 2 1 2 连续辘械搅拌法 连续撬藏援搀法纛是最翠丽予澍餐半辫态金属浆粒蕊方法之 一，其携择工艺原理摇圈2 ，2 瞬零p 引。遨萃孛方法是美国麻雀理工学 院f l e r n j n 窖s 等人发明的。该装露结构较复杂，造价较高。搅拌室上 方的大金属熔池可以防止卷入气体，又可保证连续供给金属液。 利用连续机械搅拌方法，可以掇供半固态金属浆料，也可以在 连续搅拌器的出口安放一个结晶糕茅h 牵引机构来生产半圆态会属 坯料，如图2 3 。 北京交遴大学硬士专业学位论文 圈2 i # 连续规城携舞潮备半澍态金骚浆辩示意图 嬲2 ，2 建续枫城搅拌示意燃 蕊2 3 半嗣态浆瓣裁器装萋结晶器上部嚣簧魏热，防正结螽器 中已霄的半固态金属浆料国艏续流人的半固态企属浆料结合不良， 结晶器的下部强制冷却，使半固态浆料进一步凝固成坯料；装置中 设有搬动器，以提高连铸道程的稳定性和坯料的表面质量。受到结 北京交通大学硕士专业学位论文 晶器材质( 多为石墨) 的限制，该方法大都用来制备低熔点的半固 态金属浆料。从实验结果看，连续机械搅拌的生产效率仍然不高， 实验室的最大产量为2 2 7 k g m i i l ，所以此方法只适合于实验室的研 究工作需要。 图2 3 连续机械搅拌制备半陶态金属浆料示意图 机械搅拌制备半固态金属浆料或坯料是目前实验室应用最广泛 的方法，这是因为机械搅拌装置操作方便、剪切速率易于控制，非 常适合实验室的研究工作。所以，在实验室条件下，研究工作者利 用机械搅拌方法曾经制备过几乎所有的适合半固态成形的合金系列 的半固态浆料或坯料，如铝合金、铜合金、镁合金、锌合金、钢铁 等。 由于机械搅拌方法存在生产效率低、搅拌室和搅拌棒的寿命 短、搅拌棒、搅拌室易污染半固态金属浆料和机械搅拌制备的半固 态合金浆料的保存比较麻烦( 需要对保存坩埚或储存室进行预先加 热和保温，这在实际应用中很不方便) 等缺点，所以机械搅拌方法 只适合于实验室的研究工作，无法制各高质量的半固态金属浆料或 北京交通大学硕士专业学位论文 坯料，也无法满足商业生产的需要。 2 2 2 变形诱变激活法 变形诱变激活方法的工艺原理如图2 4 所示1 3 ，其工艺要点是： 利用传统连铸方法预先连续铸造出晶粒细小的金属坯料，将该金属 坯料在回复再结晶的温度范围内进行大变形量的热态挤压，通过变 形破碎铸态组织，然后再对热态挤压变形过的坯料加以少量的冷变 形，在坯料的组织中储存部分变形能量，最后按需要将经过变形的 金属坯料切成一定大小，迅速将其加热到固液两相区并适当保温， 即可获得具有触变性的球状半固态坯料。对初生a a 1 为发达的树 枝晶的a 3 5 7 铝合金连铸棒坯的铸态组织，经变形诱变激活后，初 生一a 1 已经变为球状晶粒，初生a a l 均匀分布在液相中口”。 銎加热 魏客交逶大学疆士专延学位论文 2 2 3 超声振动法 超声振动割备半闲态金属浆搴萼静基本琢理蚓：秘蘑超声穰械振 动波扰动金属的凝固过程，细化金属晶粒，获褥球状初晶的半固态 金属浆料；超声机械搬动波作用予愈属熔体的方法般有两种；一 是摄动嚣整接馋曩予愈演熔薅，二懋缀动器先终耀在薅型上。遽过 铸型爵作用在金属熔体上，觅圈2 5 。 交 攀鞔挎热耩辍 图2 ，5 超声振动实验浆簧示意图 船 超声振动嗣备半灏态金属浆料鹣工艺参数为：羰动频率l o l o o k h z ，但最好选在1 8 4 5 k h z 的范丽内；振动器的振幅5 1 0 0 岬，但最好选在2 0 6 0 岬的范围内；超声振动可以连续施加 给金属熔体，也可以脉冲方式麓加绘金属熔体，振动脉冲施加的时 淹长度0 擞s 2 0 s ，毽蹶磐选在o + l l s 熬范强痰，黥淬振动瓣阉与 非脉冲振动时间之比o 1 1 p ”。 实骏证明，对a 1 s i 7 m g 合金液施加超声振霉。，不仅可以获得 球状晶靛，还可戳使a l s i 7 h 起合金麴晶粒直径碱小到3 0 0 蹦友右， 若秀丽融翔入遥当静麓b 缨往裁，a l s i 7 m g 合鑫鲶磊粒直径爵殴藏 小到1 5 0 “m 左右；如粜不对a 1 s i 7 m g 合金液施加超声振动，其晶 粒直径般为7 0 0 一1 0 0 0 岬，即使加入适当的髓b 细化剂，其晶粒 北京交遇大学硕士专业学位论文 直径仍然为3 一3 5 0 娜p “。 趟声振动方法的优点：方法简单，易于实施，成本低：超声振 动可以唐施加在金属熔体上，直至金属熔体完全凝固，而机械搅 拌和电磁搅拌时，金属熔体的圆相分数不能大于6 5 ；超声振动不 仅细化金援磊粒和获褥球状秘晶，还可以瀵除熔体中静气体，减少 金疆熔侮肉戆氧证耨夹杂，浚誊薅俸熬均每毪。麓声叛动方法夔铰 点：在龛耩熔体中，超声搬劝波的衰减厉害，麓声波不易到达较深 或较远的区域。目前，这种方法仍然处于研究撵索之中，尚未进入 实际商舭应用。 2 。2 4 单装旋转法 单辊旋转方法是一种制备半固态金属浆料的机械搅拌方法的 变种，熟工艺原理是【3 8 】；利用一个机械旋转的辊轮把静止的弧状纳 晶壁土缴长的初晶不断碾下、破碎，并与剩余的液体一起混合，形 成滚变金糯浆料。 擎糍旋转法箕装饕舞爨2 。6 耩示，主要蹙建| 个藤转轮窝一块 弧形冷却板组成，旋转轮和鞭形冷却板之闯形成定大小的缝隙。 当金属液注入这个缝隙厢，龛属液就在缝隙中析出枝晶，析出的枝 晶被迅速转动的旋转轮切碎，切碎后的固相均匀地分布在液相中形 成半固淼浆料被带出缝隙。 经过实验，发瑷该工艺鸯鲣下毯焘：设备缝橡麓单，其设诗、 制造、遮转及搡作篦较容荔 辍轮表霭周絮健鹣按舷金属熔体，葵 温度升离有限，辊轮对高漱强度要求不高，因此，辊轮的选材简单； 辊轮和静止弧形结晶壁的冷却容易实现；辊轮和静止弧形结晶壁的 表面温度及两者之间的缝隙宽度、辊轮的转速均可实现独立控制， 易于遮剃掰要求的工艺条传。 剩翅这些爨点，弱零攀蠢戤u 穗i 等已经裂羯攀疆蓰转法隶l 鍪避 a 2 0 1 7 、a 5 0 5 6 和a d c l 2 镶台金( 日本牌号) 的半圈态浆辩，还制餐 过f c 2 0 和f c 3 0 灰口铸铁殿f c d 4 0 ( 日本牌号) 球攫铸铁的半固态浆 料【3 9 1 。鼹然单辊旋转法具有这些优势，且利用该方法已经制备出移 北京交通大学硕士专北学位论文 释金属的半固态浆料，但该方法豹半嗣态浆辩的制备过程较难控 澍，稳定性较差，所瑷嗣翦氆憋巍磷究歹 发输段。 图2 6 单辊旋转法示意图 2 2 5 粉末冶金方法 粉束冶金方法制备半圆态金属坯料的一般工艺路线是【4 岍j j ：首 先制备金属耪寒，然焉进雩亍不溺葶申炎愈满耪泰静混合，秀进行粉末 疆或影，势凌预藏形坯辩耋耨麓熬黛澎弱态速，送行适当镶澄，帮 霹获褥半霾态金震坯辩。 采用粉末冶金方法隶备半固态众籁燧辩辩，蓠先要秘震金属雾 化方法制备细小的金属粉末。常用的众属雾亿技术一般都是利用离 心力、机械力或高速流体冲击力等外力的作用，使金属熔体分散成 尺寸很小的雾状熔漓，并使雾状熔滴在与流体或冷模接触中迅速冷 却凝固【4 “3 1 。 北京交通大学硕士专业学位论文 常用的金属粉末的制各方法是二流雾化法。该方法是借助高压 水流或高速气流的冲击来破碎金属液流，包括气雾化和水雾化两种 方法。 在气体雾化中，雾化过程可以用图2 7 来说明。气雾化法主要 利用围绕着熔融金属液流的膨胀气体在熔化金属表面引起的扰动， 使流出喷嘴的溶液形成锥形。在锥形的顶部，膨胀气体使金属液流 形成薄的液片。由于高的表面积与容积之比，薄液片是不稳定的。 若液体的过热是足够的，可防止薄液片避早的凝固，并能继续随剪 切力而成条带，最终成为球形籁粒。 盒履鞭漉 图2 7 气雾化时金属粉末的形成 水雾化是制取金属或合金粉末最常用的工艺技术。图2 8 是水 雾化装置示意图。水能以单方向、多方向或环形的方式喷射。高压 水流赢接喷射在金属液流上，强制其粉碎并加速凝固。因此所得粉 末的形状比起气雾化来呈不规则形状。且粉末的表面较粗糙并含有 一些氧化物。由于散热快，所以一般要求过热度要超过熔融金属熔 点较多，以便控制粉末的形状。在水雾化法中，包括制取合金粉末 在内，其化学偏析是非常有限的。 水雾化中，雾化的粉末粒度d 主要与水速v 有关： 北京交通大学硕士专业学位论文 d ：羔二( 2 1 ) v s i n 口 式中、c 与材料和雾化装置结构有关的常数 口金属液流与水流之间的夹角； v 水的流速。 由上式可见，水的流速愈大，所得粉末愈细。 源 图2 8 水雾化装置示意图 粉末冶金方法可以制备晶粒非常细小的半固态金属坯料，这种 状态的坯料适合半固态重熔加热和触变成形。但粉末冶金法工艺复 杂、制备费用昂贵，一般只用于高温金属半固态浆料的制备。该工 艺尚未得到大规模的实际应用。 2 2 6 晶粒细化及半固态重熔法 晶粒细化及半固态重熔方法的技术思路是【4 4 4 8 】：首先利用化学 晶粒细化剂制备晶粒细小的金属坯料，再将该坯料重新加热至金属 固液两相区的温度范围内进行适当时间的保温处理，便可获得非枝 晶的流变组织。目前，这种方法在某些合金中的研究取得了一定程 度的进展。 朱鸣芳等利用该方法在z a l 2 合金( 含a l 为1 1 5 ) 中加入 i 豪交逶大学颈专渔学往论文 z r 后，得到晶粒细化的凝固组织，经过半固态重熔厝得到初生阑相 均匀的半固态浆料删。b a u g 等人将a l b 2 以淹当的方式加入 受a l s i 7 纛钕会金模铸葵瓣窝连铸坯辩巾，褥至l 了较缨豹秘生鑫羧， 经半固态等溢重熔加热爝，得到了球状初生位一a l 半固态组织1 4 ”。 n o l l 等人煅近的工作遥液明：在利闱化学晶粒细化剂a 1t i 5 8 1 、 a l t i 璺l 、a l 嚣c o 2 、a l 瓢处理a 1 s i 7 m g 合金时，应该加入厦爨分 数是0 。2 0 。4 静氧纽，荻减，l 、菇粒豹平均只寸帮提高褪生程 一a l 的形状因子，这种结果有利于坯料半固态重熔加热时初生u a 1 的圆整化，也有利于触变成形【4 ”。 虽然该方法在菜些念金中数研究毅褥了一定程度的进震，德出 于该方法的关键是选择遁当的晶粒缨纯裁，丽从鬻前的研究避麟 看，合适的晶粒细化剂极其有限，所以这种方法尚未进入实际应用， 仍然有许多基础工作需骤开展。 2 2 7 喷射沉积法 喷射沉积概念是英图s w a n s e a 大学的a r e s 妇g e 辛格) 鼗授提出瓣，建窝谴豹阕攀饲在2 0 豢纪7 0 年代初将该技术疆究成 功。后来，s i n g e r 的研究生们创立了0 s 辨毽ym e t a l s 公司，并在1 9 7 4 年取得了0 s p r a yp r o c e s s 的专利【4 9 】。喷射沉积是利用惰性气体将液 态金属雾化，这些极纲，l 、兹金震燔漓舞这飞荦亍，在尚来宠全凝阚之 前被喷射至激冷沉积纂馥上，俊速凝圈成一定婚凡俺形状，箕工作 原理示意圈见图2 9 。为了控制沉积胺的显微结构和降低孔隙腱， 必须正确控制喷射沉积的工艺参数。喷射沉积的工缓参数主要包括 凌菇流积瓣念震滚夔莲熬度、金疆液戆滚率、雾健气薅兹基力黧熔 滴的飞行躐离等1 4 酗”。 喷射沉积制备半固淼金属或合金坯料的工艺过程是：首先利用 o s p f a y 工蕊将金属液雾化、喷射沉积霉h 基扳上，螽4 戏组织菲常绷小 静捧获蠢态述瓣，然鑫将该簿获霆态糕辩重耨热热歪会演懿霾滚嚣 相区，这种半固态坯料就可以进行触变成形。 具有一定凝固区间的皿共晶合龛，经过喷射沉积，形成的组织 l 寨交遴大学颈专监学经论文 特征竞全不冠予该台金豹豢簸凝瀑组织，囔爨沉积坯瓣孛戆裙生翊 形态一般为等轴晶或粒状晶，这种组织与金属躐合金的搅拌流变组 织菲鬻粳织，毽喷射滚积矮辩串黪裙生搽足寸受夸，鞫越囔麓浣援 坯料完全可以进行半固态触变成形。有学者【跏5 2 j 用该方法对c u 珥 蠲压避幸亍了磷究，鬣褥了缀缓将征完全不同予c u 4 z f 静常窥凝 固组织，得到喷射沉积坯料中的初生相形态一般为等轴晶绒粒状 箍，冀组织与鑫属或台金的搅拌流变缀织非常褶戗，僚喷射沉积坯 料中的初生相尺寸更小，因此喷射沉积坯料完全可以避行半固态触 变成形。还有学者利用喷射沉积技术制褥晶粒尺寸1 9 3 6 1 啪的 m 2 高速钢和龉粒尺寸4 0 8 u m 的s t e l l i t e 高温会金，游成功半固态 触变成形了零件毛坯，如齿轮等择w 。 图2 9 喷射沉积原理示意网 l ，援歌寰；2 基叛；3 囔鼓粒子涟；4 气体雾豫器；5 台金滚；8 坩埚；7 雾化气体；8 沉积体；9 运动机构；1 0 排气及取料室 从现有的研究结果看，喷射沉积工芑制备的半固态坯料质量很 北京交通大学硕士专业学位论文 好，也便于半固态重熔加热和触变成形，但坯料的制备价格比较昂 贵，只适合制备高级或难熔合金坯料和成形高级零件毛坯，尚不能 大规模应用。 2 2 8 低过热度浇注法 低过热度浇注方法是通过控制合金浇注温度和凝固冷却速度来 制备半固态金属浆料或坯料，该方法一般不采用任何搅拌，所以制 备工艺简单。目前，这方面的研究已经引起广泛关注，可望取得较 大的进展1 5 4 。6 5 1 。 由于低过热度浇注方法制备半固态浆料的工艺简单，因此，从 该方法问世以来就受到了广大科研工作者的关注，取得了许多成 果。p a i l 等人研究发现1 5 ，当浇注温度为6 1 5 6 3 0 时，初生a a 1 以球状形态存在，但6 3 0 浇注试样的初生d a l 形态不太圆整：当 浇注温度超过6 3 0 时，初生0 【a 1 以枝晶形态存在，而且浇注温度 越高，初生a a 1 枝晶越发达。因此，当a l s i 7 m g 浇注温度接近合 会的液相线温度时，可以获得球状半固态组织。r 本的h i t a c h i 金 属有限公司在接近液相线温度时浇注a 1 s i 合会，得到了与搅拌方 法制备的半固态浆料的晶粒大小相当半固态浆料f 5 5 】。t a u s i n g 、刘月 等人研究发现弘6 2 1 ，变形铝合金筠1 8 和变形铝合金7 0 7 5 在在其液 相线温度下浇注，均可以获得球状的半固态组织。毛卫民等人也研 究了低过热度浇注对a i s i 7 m g 合金显微组织的影响，并探讨了浇注 温度和浇注高度对凝固组织的髫响1 6 3 。6 ”。浇注温度和浇注高度对 a 1 s i 7 m g 合金的凝固组织都有较大的影响，当浇注温度接近液相线 温度时，a l s i 7 m g 合金中的初生o 【一a 1 呈现球状或粒状；在较高的 浇注高度下，可以适当提高合金的浇注温度( 如6 3 0 ) ，a l s i 7 m g 合会坯料也可以获得优良的球状半固态组织。 由于低过热度浇注方法通过控制合金浇注温度和凝固冷却速度 来制备半固态金属浆料或坯料，该方法一般不采用任何搅拌，制备 工艺简单，降低了生产成本，所以该技术已经在一些公司投入生产， 如奥地利的l k r 公司，意大利的s t a m p a l 公司等。但目前仍有许多基 北索突遮大学硬专韭学熊论文 本闽藤需要研究解决，如低过熟度浇注的连铸技术尚需深入研究， 如毛坯的焊接、废品及浇淀系统的回收和龛酾价格评估系统的技术 开发镎。 2 。2 。9 豢滚效应方法 紊流效应方法也称为被动搅拌法，这种方法追使过燕金属液邋 过一个特制的冷却装置，该装置中设有许多避回曲折的通道，娥潜 是装满耐火材料小球的钢筲。当该金属熔体通过这个特制的冷却漱 置时，金属熔体一边不断蛾凝固，一边不断嫩受到激烈剪切作用域 处予激烈豹紊滚之孛，搜凝霾羲窭戆袭生弱鞠黧球狻，半霾态食金 溶体凝肖较低的糖度，帮良童接成形，连可敬捌簧成半固态坯料， 如圈2 1 0 所示m 冉”。为了使金属熔体顺和避j 过特制的冷却装置，需 要使用疆缩气体或电磁聚米驱动金属熔体的流动。但目前这种方法 仍然处在研究之中。 图2 ，l o 素流效应制各半固态金属坯料示意圈 2 。2 。1 0 金属熔体混台法 众属熔体混合方法摄最近才提出的种制备方法，该方法将 北京交通大学硕士专业学位论文 定温度下的两种相同或不同种类的合余熔体相互混合，当混合后的 含金熔体凝固时就可以制各出等轴晶或非枝晶的半固态合金浆料 或坯料。这种坯料经过半固态重熔加热，初生固相形状很圆整，其 中夹裹的液相很少，具有良好的触变性【6 8 6 9 】。有学者将6 2 2 的 a 3 5 6 铝合金和6 2 4 的a 3 5 6 ( 含有质景分数为0 叭6 的b ) 铝合 金相互混合后，得到初生一a l 呈典型的非枝晶形态的铸念组织， 这种组织形态的试样经过5 8 0 和1 0 面n 的重熔加热后，初生a a 1 完全呈球状，几乎没有夹裹液相。 在金属熔体混合方法制备半固态合金浆料或坯料时，主要有三 个影响因素，即合金熔体混合前的温度、混合时的传热速度和混合 时的紊流程度。合金熔体混合前的温度一般不能太高，以保证合金 熔体混合时，能够大量形核，否则，金属熔体混合制备工艺将会失 败。在金属熔体混合时，金属熔体能快速向外界传热，否则，无法 大量形核，晶粒的尺寸将会很大，初生固相的形态也较差。在金属 熔体混合时，要产生足够的熔体对流，否则，坯料的组织形态不理 想。 很显然，这种制备方法具有很大的灵活性和低成本性以及较高 的生产效率，应用前景广阔。目前，这种制备方法的研究已经取得 了一定的进展，但仍有许多基本问题需要加以解决，才有可能进入 实际应用。 2 2 1 1 电磁搅拌法 电磁搅拌法的实质是用尽可能小的能耗提供使金属熔体局部、 整体温度场及浓度场宏观趋于均匀、微观趋于紊流的旋转力场，借 以优化凝固组织。在目前所发明的半固态金属浆料或坯料的制备方 法中，电磁搅拌制备方法是最成功的一种方法，因此，电磁搅拌制 备的半固态金属坯料在实际半固态金属成形应用中占据了主导地 位。根据产生电磁场方法的不同，可以将现有的电磁搅拌技术分为： 交流感应旋转电磁场搅拌，交流感应行波电磁场搅拌，永久磁铁旋 转法搅拌，交流无芯感应器法等多种方法。目前应用较为广泛的电 耗索交逶大学蘸士专簸学佼论文 磁搅拌技术有交流感应旋转电磁场搅拌技术和永久磁铁旋转法搅拌 技术。下聪就电磁搅拌铡餐半露态金瘸浆料或坯料鹣技术方法髂篱 萃静努辑帮奔绍。 2 ，2 1 1 1 交流感应旋转电磁场搅| 拳 交流感应旋转电磁场搅拌是指利用单相、双榻、或三相线圈绕 组通以交流电流，由交流电流产生的感应旋转电磁场进行的搅拌。 这静龟磁揽搀毒嚣令特杰；一是采趱燮滚电滚感瘦磁场，二是磁场 为旋转磁场。 2 2 1 l + l 。l 旋转磁场的产生 以带裔铁芯的三相绕组线圈和三相交流电为例，分析旋转磁场 产生的原瑷。假定圆桶形的铁芯上开有六个孔槽，槽孔中分稚肖间 隔互茭i 2 扩爨三鞠对称绕缝线霾u lu 2 、v l v 2 、w l ，麴图2 。l l 所示。假寇将这三相绕缀线圈按星形接法联结，并将三檑绕组线黼 的三个接线头分别与三相正弦交流电源相接，绕缎线圈中就通入三 相对称电浚1 7u j ： 图2 1 i 三相对称绕缎的空间分布 屯= l 。s i n 搿 t = i 。s i n ( 脚r 一1 2 0 。) ( 2 2 ) 冬= i 。咖( 耐+ 挖o 。) 北京交通大学硕士专业学位论文 式( 2 2 ) 中的0 、t 、t 分别为u lu 2 、v l v 2 、w 1w 2 相绕 组线圈中的瞬时电流，i 。为交流电源电流的幅值，国为交流电的角 频率，f 为时间。 此时，圆桶形的铁芯和绕组线圈的内空腔中形成了一个旋转磁 场，其周期与三相电流周期相同。旋转磁场的旋转方向，由三相交 流电通入绕组线圈的相序决定。如果将图2 1 l 中的绕组线圈端子的 任意两根导线对调位置或者改变三相电源端子的相序，则旋转磁场 将按反向旋转。旋转磁场每分钟的转速与旋转磁场极数的关系： n o2 6 0 p( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中，为交流电的频率，p 为旋转磁场的极数，由绕 组线圈的空间安排决定。 2 2 1 1 1 2 旋转磁场中金属熔体的受力 由电磁感应理论可知，当导体在磁场中运动并切割磁力线时， 导体中将产生感应电动势，如果该导体构成回路，在该回路中便产 生感应电流，如图2 1 2 所示【7 1 l 。 b v 图2 1 2 切割磁力线的运动导线会产生感应电流 当金属熔体位于电磁搅拌器的旋转磁场中时，可以将合金熔体 假想为无数个薄壁同心圆柱管，每个薄壁圆柱管又可分为无数个导 北京交通大学硕士专业学位论文 体条，这些导体条平行于搅拌器的轴线，如图2 1 3 所示。 这些无数的导体条垂直于合成旋转磁场的磁感应强度b ，当合 成旋转磁场扫过该金属熔体时。在该会属熔体中便会产生相应的感 应电动势，又由于合金熔体本身就构成了回路，合金熔体中便产生 了感应电流，该感应电流又受到旋转磁场的作用力，即洛伦兹力的 驱动，合金熔体就跟着旋转磁场一起旋转，产生了电磁搅拌的运动 效果，如图2 1 4 所示。图2 1 4 中n 、s 表示两极旋转磁场，中阃为 合金熔体，只表示出了两根导体条7 0 。7 2 。 旋转磁场中，金属熔体的搅拌强度与金属熔体所受的电磁力f 成正比，金属熔体所受的电磁力f 越大，金属熔体的搅拌强度就越 大，搅拌效果就越好，金属半固态浆料或坯料中初生固相的圆整度 也越好。 一目叶 2 图2 + 1 3 旋转合金熔体的薄层和导体条假想分割示意图 1 一分割的合金熔体薄层2 一分割的合金熔体导体条 金属熔体所受的电磁力f 与金属熔体的感应电流密度l 和旋转 磁场的磁感应强度有如下的关系： f = ，占( 2 4 ) 式中f 金属熔体所受的电磁力； ，金属熔体的感应电流密度； b 旋转磁场的磁感应强度。 余属熔体的感应电流密度的大小可用下式表示： 4 0 北京交通大学硕士专业学位论文 图2 1 4 旋转磁场中合金熔体所受的洛伦兹力 ，= 盯( v b ) ( 2 5 ) 式中： v 旋转磁场相对于金属熔体的运动速度； 盯金属熔体的电导率。 由式( 2 4 ) 和式( 2 5 ) 可知，影响金属熔体搅拌强度的主要因素有 旋转磁场的磁感应强度、旋转磁场与金属熔体的相对速度、金属熔 体的电导率。但在电磁搅拌过程中，当搅拌处于相对稳定状态时， 旋转磁场与金属熔体的相对速度不再发生变化，因此影响金属熔体 搅拌强度的主要因素只有旋转磁场的磁感应强度和金属熔体的电 导率。而金属熔体的电导率由金属本身的性质决定，所以，提高旋 转磁场的磁感应强度是提高金属熔体搅拌强度的有效措施，而影响 磁感应强度的主要因素有以下两个： 第一是绕组线圈的输入功率。 在线圈回路中，感应电动势等于磁通量对时间的变化率的负 值，即 p ：一坐( 2 6 ) 出 若回路由匝线圈组成，当线匝绕的很紧，而各匝都交链相同 的磁通量痧时，则回路的感应电动势p 为 8 ；一盟( 2 7 ) 衍 在任意时刻，通过测量线圈的磁通量为 j 杂交逶丈学蘸士专盈学位论文 庐= 丸s m 国， ( 2 8 ) 式中；纛磁溪鐾瓣攘蓬。 根据电磁感应定律，将式( 2 8 ) 代入式( 2 7 ) ，就可以得出感成电 动势8 与磁通量慎值丸的关系 。：一曼l 盘墅竺! 出 g = 一渤癜